Sensoren Arten und Einsatz – induktive Sensoren, aktive Sensoren, passive Sensoren

Was ist ein Sensor? Welche Sensoren Arten gibt es? Induktive Sensoren, aktive Sensoren und passive Sensoren erklärt
Was ist ein Sensor? Welche Sensoren Arten gibt es? Induktive Sensoren, aktive Sensoren und passive Sensoren erklärt

Was ist ein induktiver Sensor, ein aktiver Sensor und ein passiver Sensor? Wir sagen es Ihnen!

Sie sind beinahe überall. In der Küche, im Auto, im Flur, in unserem Smartphone. Sensoren sind in unserem Alltag omnipräsent. Jeden Tag werden neue Produkte entwickelt, die mithilfe von Sensoren funktionieren. Sowohl in Privathaushalten als auch in der Industrie sind Sensoren nicht mehr wegzudenken. Die Branche boomt und Experten sagen voraus, dass sich die Verkaufszahlen von Sensoren in den kommenden Jahren weiterhin vervielfachen werden. Doch was ist ein Sensor eigentlich genau? Welche  Sensoren Arten gibt es und wie funktionieren aktive Sensorem, passive Sensoren oder auch induktive Sensoren?

Was ist ein Sensor?

Der Begriff Sensor hat seinen Ursprung im Lateinischen. „Sentire“ bedeutet in der Sprache der Römer so viel wie „fühlen“ oder auch „empfinden“. Und genau das machen Sensoren genau gesehen.  Sie sind auch unter den Bezeichnungen Aufnehmer, Detektor und Messefühler bekannt und sind Bauteile, die bestimmte chemische oder physikalische Eigenschaften oder die stoffliche Beschaffenheit ihrer Umgebung quantitativ oder qualitativ als Messgröße erfassen können. Beispiele für häufig gemessene physikalische Eigenschaften sind Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Helligkeit, Beschleunigung und die Wärmemenge. Zu messbaren chemischen Eigenschaften gehören unter anderem pH-Wert, Ionenstärke und elektrochemisches Potential. Da es für diese und viele weiteren Eigenschaften unterschiedliche Sensoren benötigt, gibt es zahlreiche verschiedene Sensoren und Einsatzgebiete für die jeweiligen Messfühler.

Was unterscheidet einen aktiven Sensor von einem passiven Sensor?

Mit der Bezeichnung des aktiven Sensors und des passiven Sensors wird unterschieden, ob der Sensor für die Messung elektrische Hilfsenergie benötigt oder nicht. Die Benennung ist dabei etwas irreführend: Als aktive Sensoren werden jene bezeichnet, die durch Anlegen einer Versorgungsspannung aktiviert werden und anschließend ein Ausgangssignal generieren. Sie senden Energie aus und messen die Reaktion der Umgebung. Ein Beispiel hierfür sind Laserscanner. Passive Sensoren wie Kameras hingegen arbeiten ohne Versorgungsspannung und nutzen die Energie in der Umgebung.

Welche Klassifikationen für Sensoren gibt es?

Siemens Ultraschallsensor
Siemens Ultraschallsensor

Sensoren können nicht nur in aktiv und passiv unterteilt werden. Es gibt verschiedene übliche Klassifikationen von Sensoren. Die Kategorisierung in interne und externe Sensoren beispielsweise beschreibt, ob Sensoren die Eigenschaften an dem Roboter oder in der Umgebung messen. Interne Sensoren messen beispielsweise die Geschwindigkeit, Temperatur oder den Ladezustand der eingebauten Batterie. Ein Beispiel für Messungen von externen Sensoren ist die Abstandsbestimmung zu anderen Objekten mithilfe von Infrarot, Ultraschall oder ähnlichen Technologien.

Ein entscheidender Unterschied zwischen Sensoren stellt zudem das vom Sensor verwendete Messprinzip dar. Es gibt zahlreiche verschiedene Messprinzipien und Beispiele für die nach dieser Vorgehensweise unterschiedenen Sensortypen sind resistive, induktive, kapazitive, piezoelektrische, optoelektrische, elektrochemische und magnetoelastische Sensoren. Desweiteren sind hier Magnetfeldsensoren und Temperatursensoren zu nennen.

Abstandsmesser, Durchflusssensoren, Drehzahlmessung – geht es letztendlich darum die Sensoren anzuwenden und einzusetzen, dann kommt es in erster Linie darauf an, was der jeweilige Sensor misst. Nachfolgend werden einige Sensortypen sortiert nach Messgrößen vorgestellt.

Druck, Temperatur, Geschwindigkeit – mit welchem Sensor kann was gemessen werden?

Positionsschalter von Schneider Elekctric - Höhe des Sensors: 64 mm
Positionsschalter von Schneider Elekctric – Höhe des Sensors: 64 mm

Abstandssensor, Wegaufnehmer, Wegmesssystem, Wegsensor, Positionssensor sind nur einige der Bezeichnungen eines Sensors, mit dem sich der Abstand zwischen einem Objekt und dem Bezugspunkt oder Längenänderungen messen lassen. Zur Bestimmung des Abstands werden verschiedene Techniken angewandt. So lässt sich der Abstand beispielsweise über die Signallaufzeit bestimmen: Ein Signal wird vom Sensor mit einer gegebenen Geschwindigkeit ausgesendet und es wird die Zeit gemessen, die das Signal benötigt, um beim Objekt anzukommen. Mit der gemessenen Zeit und Geschwindigkeit, lässt sich der vom Signal zurückgelegte Weg und damit der Abstand vom Sensor zum Objekt bestimmen. Befinden sich Sensor und Objekt nicht auf einer Achse und das Objekt ist in Bewegung, muss nach dem Prinzip der Triangulation auch der Winkel sprich die Positionen der Objekte zueinander mit einberechnet werden. Auch die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal lassen auf den Abstand eines Objektes zum Sensor schließen. Mit Zeitdifferenz, Periodendauer und Phasenverschiebung kann der Abstandswert berechnet werden. Beispiele für Abstandssensoren sind Laserscanner, induktive und optische Abstandssensoren, Ultraschallsensoren, Radar und Potentiometergeber.

Mit dem Begriff der Durchflusssensoren werden alle Sensoren zusammengefasst, die den Durchfluss einer Flüssigkeit oder eines Gases nutzen. Bestimmt wird hier entweder der Volumendurchfluss oder der Massendurchfluss. Diese Sensoren werden häufig aus wirtschaftlichen Gründen beispielsweise als Teil eines Liefervertrages oder zur Besteuerung eingesetzt. In Chargenprozessen in der Industrie ermöglichen sie es zudem im richtigen Verhältnis zu mischen. Auch in der Medizintechnik findet dieser Sensortyp Anwendung. Das sogenannte Flowmeter misst den Blutstrom und lässt so auf wichtige gesundheitskritische Werte schließen.

Die am häufigsten genutzten Drucksensoren sind Absolutdrucksensoren, Differenzdrucksensoren und Relativdrucksensoren. Bei ersteren kann die Druckmessung auf Vakuum mit einem Druck von 0 bar erfolgen. Bei Differenzdrucksensoren wird hingegen die Druckdifferenz zwischen zwei Messkammern unterschiedlichen Drucks gemessen. Auch Relativdrucksensoren vergleichen verschiedene Druckwerte. Hier wird der relative Druck jedoch auf den atmosphärischen Luftdruck bezogen gemessen. Die Druckmessung kann in gasförmigen, flüssigen sowie an festen Medien gemessen werden. Beispiele für Drucksensoren sind Barometer zur Bestimmung des Luftdrucks und Altimeter, die mithilfe der Druckmessung die Höhe bestimmen. Auch in Tauchcomputern werden Drucksensoren zur Tiefenmessung im Computer eingesetzt.

Reflexions-Lichtschranke von Pepperl und Fuchs Fabrik- Lichtschranken bestehen aus einer Lichtstrahlenquelle (dem Sender) und einem Sensor (dem Empfänger)
Reflexions-Lichtschranke von Pepperl und Fuchs Fabrik- Lichtschranken bestehen aus einer Lichtstrahlenquelle (dem Sender) und einem Sensor (dem Empfänger)

Näherungsschalter oder auch Annäherungssensoren reagieren auf Annäherungen ohne direkten Kontakt. Man unterteilt Annäherungsschalter in drei Arten. Die induktiven Näherungssensoren reagieren auf Metall und Nicht-Metall und erkennen den Materialunterschied mithilfe eines elektromagnetischen Feldes. Bei kapazitiven Sensoren hingegen wird eine sich ändernde elektrische Kapazität einer Elektrode genutzt, um die Annäherung von Flüssigkeiten und Gegenständen zu melden. Zur Kontaktbetätigung bei Magnetfeldern werden magnetische Näherungssensoren eingesetzt, die meist mit sogenannten Reed-Relais arbeiten. Lichtschranken detektieren die Unterbrechung eines Lichtstrahls und können so Bewegungen registrieren. Sie werden häufig für selbsttätig schließende Türen und in Alarmanlagen zur Erkennung von Einbrechern eingesetzt. Ein sehr übliches Einsatzgebiet sind Sicherheitsmaßnahmen sowie die Positionserkennung von Werkstücken in der industriellen Fertigung. Aus privaten Haushalten kennen wir Näherungsschalter häufig von der Beleuchtung in Treppenhäusern, Garagen oder Eingangsbereichen. Hier reagiert der Näherungssensor auf das Öffnen einer Tür oder Bewegung und die Beleuchtung wird für eine bestimmte Dauer eingeschaltet.

Die Bezeichnung des optoelektronischen Sensors hört sich im ersten Moment eher erschreckend komplex an. Es handelt sich hierbei um Lichtsensoren oder auch optische Detektoren, die unter Anwendung des photoelektrischen Effekts Licht in ein elektrisches Signal umwandeln und so die einfallende Strahlung angeben. Beispiele für solche Sensoren sind Fotodioden, Fotozellen und Bildsensoren. Diese Sensoren finden in der Kameraelektronik, Robotik sowie bei komplexen Sehapparaten für medizinische Zwecke Anwendung.

Temperatursensoren liefern ein elektrisches Signal als Maß für die Temperatur. Es werden dabei meistens elektronische oder elektrische Bauteile wie Heißleiter (NTC) oder Kaltleiter (PTC) eingesetzt, die ihren Widerstand temperaturbedingt verändern oder die direkt ein verarbeitbares elektrisches Signal liefern. Weitere bekannte Verfahren sind Pyrometer und Wärmebildkameras, sowie mechanisch arbeitende Temperaturschalter wie beispielsweise Bimetallschalter. Diese betätigen durch die Krümmung eines Bimetalles einen Schalter und finden in Haushaltsgeräten wie Toastern und Wasserkochern Einsatz. Temperatursensoren werden auch als Wärmefühler, Wärmesensoren oder Temperaturfühler bezeichnet.

Wo kommen Sensoren zum Einsatz?

Sensoren kommen  heutzutage in zahlreichen Gebieten zum Einsatz. Die Anwendungsfelder scheinen unendlich und beginnen in unserem alltäglichen Leben. Unser täglicher Umgang mit Technologie wird von der Nutzung von Sensoren und den auf dessen Befehle hin schaltenden Aktoren bestimmt. In Kaffeemaschinen, Heizungen, Waschmaschinen, Autos und vielen alltäglichen Maschinen und Anlagen mehr sind diese kleinen Bauteile eingebaut und liefern Signale für die Steuerung.

Doch nicht nur in Privathaushalten, auch in große Industriemaschinen und Anlagen finden zahlreiche Sensoren Anwendung. Der Automatisierungstrend von Produktions-, Logistik-, und Fabrikprozessen ist inzwischen zu einem bedeutendem wirtschaftlichen Erfolgsfaktor geworden. Was früher gemessen wurde, wird mit modernen Mess- oder Überwachungsgeräten erfasst und leistungsfähige Signalverarbeitungssysteme ermöglichen anschließend die zielgerechte Steuerung. Sensoren sind in Bereichen wie der Positionserfassung und Qualitätskontrolle nicht mehr wegzudenken.

Eine bedeutende Rolle spielen Sensoren auch in der Umwelttechnik. Hier müssen fortlaufend aktuelle Werte erfasst werden, um sicher zu stellen, dass Grenzwerte nicht überschritten werden.  Eine solche Erfassung wäre ohne Sensoren nicht möglich. Kohlekraftwerke erfassen laufend Emissionen und auch Kläranlagen müssen überwachen, dass das gereinigte Wasser in Reinheit und pH-Wert örtliche Gewässer nicht belastet.

Welche Eigenschaften charakterisieren einen Sensor?

Ungenauigkeit, Messbereich, Messempfindlichkeit, Auflösung und Linearität bzw. Nichtlinearität sind bedeutende Eigenschaften, die einen Sensor charakterisieren.

Die Ungenauigkeit befasst sich mit den Fehlern eines Sensors. Messungen sind grundsätzlich fehlerbehaftet, wichtig ist jedoch die Unterscheidung zwischen systematischen und zufälligen Fehlern. Systematische Fehler hängen vom Sensor ab und sind beispielsweise mit der schlechten Qualität des Sensors oder dessen fälschlicher Einstellung verbunden. Zufällige Fehler sind Abweichungen der Ergebnisse bei Messungen für die gleiche Größe unter den gleichen Umständen. Haben wir beispielsweise einen Temperatursensor, der schlecht kalibriert ist, dann misst dieser vielleicht 29°C obwohl der wahre Temperaturwert 30°C beträgt. Hierbei handelt e sich um einen systematischen Fehler. Verändern wir nun die Temperatur und die anderen Bedingungen nicht und führen mehrere Messungen mit dem Temperatursensor durch, dann erhalten wir vielleicht Werte wie 29,01°C, 28,95°C und 29,4°C dabei handelt es sich nun um zufällige Fehler, denn der Sensor müsste theoretisch bei gleichen Bedingungen und gleicher Temperatur immer denselben Wert messen.

Der Messbereich, gibt den Bereich eines physikalischen Signals an, der von einem Sensor gemessen werden kann. Kann ein Temperatursensor also Temperaturen zwischen 0°C und 30°C messen, dann ist dies der Messbereich des Sensors. Die Messempfindlichkeit beschreibt das Verhältnis zwischen einer Änderung am Ausgangssignal bei einer Änderung am Eingangssignal. Die Messempfindlichkeit gibt uns also Informationen darüber, wie empfindlich der Sensor auf Änderungen am Eingang reagiert. Unter der Auflösung versteht man den kleinsten Änderungsschritt des Eingangssignals, den der Sensor erfassen kann.

Was ist beim Sensor kaufen zu beachten? 

Bernstein Näherungsschalter - Näherungsschalter werden auch als (An)näherungssensoren bezeichnet
Bernstein Näherungsschalter – Näherungsschalter werden auch als (An)näherungssensoren bezeichnet

Die erste Frage, die man sich beim Sensor kaufen stellen sollte, ist die nach der zu bestimmenden Messgröße. Soll der Sensor die Temperatur, Geschwindigkeit, Druck, etc. messen können? Anschließend sollte das Anwendungsszenario möglichst genau geplant werden, um zu erkennen, welches Messprinzip unter den gegebenen Bedingungen angemessen arbeitet. Wie genau muss der Sensor messen? In welcher Form soll ein Signal ausgegeben werden? Wie wird die Stromversorgung des Sensors realisiert? Wie empfindlich soll der Sensor reagieren? Möchten Sie beispielsweise das Ein- und Ausschalten der Beleuchtung in der Garage automatisieren, dann sollte der Bewegungssensor empfindlich genug reagieren, um die Beleuchtung anzuschalten, wenn Sie die Garage betreten. Das Licht sollte wohl jedoch nicht jedes Mal, wenn eine Stechmücke oder eine Biene am Sensor vorbeifliegt, eingeschaltet werden.  Ob Näherungsschalter, Lichtschranke, Lichttaster, induktiver oder kapazitiver Sensor, im Elektro4000 Online Shop wartet eine riesige Auswahl an Sensoren auf Sie. Hier finden Sie aktive Sensoren ebenso wie passive Sensoren oder auch induktive Sensoren günstig.  Auch vertreten sind dabei Produkte renommierter Hersteller wie Schneider Electric, Balluff, ifm Electronic, Murrelektronik, Turck, Sick, Phoenix Contact. Siemens, Pepperl+Fuchs Fabrik und vielen mehr. Von Wegaufnehmern bis hin zu Ultraschallsensoren finden Sie hier zahlreiche Modelle und bei Fragen und Unklarheiten steht Ihnen das Expertenteam von Elektro4000 jederzeit gerne zur Verfügung!

Sensoren Arten und Einsatz – induktive Sensoren, aktive Sensoren, passive Sensoren
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