EP-Basics Wie Sensoren funktionieren und wo sie eingesetzt werden

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Sie sind die Schnittstelle zur Außenwelt und machen die intelligente Fabrik erst möglich: Sensoren. Wie Sensoren funktionieren und welche Sensorik sich für welche Anwendungen eignet, das erklären wir in unserem Artikel.

Eine moderne Industrieanlage ohne Sensoren ist heute kaum mehr denkbar. Für die Digitalisierung und Industrie 4.0 sind sie unabdingbar, denn sie übernehmen zwar eine unscheinbare, aber immens wichtige Aufgabe: Sie sammeln Daten, aufgrund derer eine Fabrik intelligent wird.

Auch in unserem Alltag umgeben uns Sensoren: Rauchmelder, automatische Türen, die Technik in unseren Smartphones und Autos und an vielen weiteren Stellen. Es gibt zahlreiche verschiedene Arten und Funktionsweisen von Sensoren. Im Folgenden geben wir einen Überblick, wie Sensoren funktionieren und wie sie eingesetzt werden.

Was ist Sensorik?

Sensorik bezeichnet die Anwendung von Sensoren zur Messung verschiedener physikalischer oder chemischer Eigenschaften. Ein Sensor ist ein technisches Bauteil und wird auch „Messwert-Aufnehmer“ genannt. Der Sensor misst einen Ist-Wert und leitet ihn an eine Datenverarbeitung weiter. Die Verarbeitung der Daten kann manuell durch eine geschulte Person geschehen, oder, wie es bei dem größten Teil der heute gebräuchlichen Sensoren üblich ist, durch ein digitales Datenverarbeitungssystem. Der Sensor befindet sich an der geeigneten Messstelle. Er ist damit die Schnittstelle zwischen der Datenverarbeitung und der Außenwelt eines Systems.

Ein Sensor arbeitet nie alleine, er ist stets Bestandteil von einem Regelkreis. Ein Regelkreis ist ein sich selbst steuerndes System. Es gleicht permanent einen Ist-Wert mit einem Soll-Wert ab. Weicht der Ist-Wert zu stark vom Soll-Wert ab, ergreift das System selbständig Gegenmaßnahmen. Hier sind drei Reaktionen möglich, die üblicherweise gestuft auftreten:

• 1. Stufe: Ausgleich

• 2. Stufe: Alarm

• 3. Stufe: Abschaltung

In der ersten Stufe versucht der Regelkreis, durch geeignete Maßnahmen den Soll-Wert wieder herzustellen. Dies ist bei Mikroschwankungen eine übliche Komfort-Schaltung, die ohne äußeres Eingreifen automatisch abläuft. Werden die Ausschläge aber zu stark bzw. geben die Ist-Werte einen Trend an, wird ein Alarm ausgelöst. Ein übergreifendes System, beispielsweise eine administrativ beauftragte Fachkraft, kann nun Entscheidungen zum Wiederherstellen des Regelzustands durchführen. Wird der Alarm zu lange ignoriert, schaltet das System nach Möglichkeit ab, um Folgeschäden oder einer Selbstzerstörung vorzubeugen.

Sensor

Neues Herstellverfahren ermöglicht Sensorik aus Kunststoff

Welche Arten von Sensoren es gibt

In der Sensorik, der Lehre der Messwert-Aufnehmer, wird praktisch jeder physikalisch herstellbare Zustand durch einen passenden Sensor ausgestattet. Die Forschung geht immer weiter, doch die bereits heute verfügbaren Sensoren sind schon zu erstaunlichen Leistungen imstande. In der Sensorik werden Messwert-Aufnehmer für folgende Zustände und Messgrößen angeboten:

• Kraftmessung: Dehnungssensoren, Gewichtskraftsensoren

• Volumen: Füllstand

• Licht: Lichtstärke, Bildschärfe, Opazität

• Geschwindigkeit: Drehgeschwindigkeit, Fluggeschwindigkeit

• Magnetismus: Näherungssensoren

• Elektromagnetismus: Ortung von Funksignalen

• Akustik: Schallsensoren

• Lage: Neigung, Position

• Klima: Feuchtigkeit, Druck

Darüber hinaus sind auch bereits hoch empfindliche chemische Detektoren in der Sensorik verfügbar.

Funktionsweise eines Sensors

Es ist recht erstaunlich, wie viele Messgrößen sich mit dem immer gleichen Aufbau eines Sensors ermitteln lassen. So vielfältig in der Sensorik auch die verschiedenen Messwertaufnehmer eingesetzt werden, so einfach ist doch die Konstruktion des einzelnen elektronischen Bauteils.

Verschiedene Messprinzipien von Sensoren:

Videoquelle: Endress+Hauser

Viele Sensoren arbeiten nach dem elektromagnetischem Prinzip. Eine Spule wird unter einer definierten Spannung mit einem exakten Magnetfeld aufgeladen. Die Störung dieses Magnetfeldes ist der äußere Einfluss, welcher als Signal an das Steuergerät weiter gegeben wird. Nach diesem Prinzip arbeiten beispielsweise

• Näherungssensoren,

• Beschleunigungssensoren,

• Kraftsensoren

• sowie Füllstandsensoren

und viele mehr. Werden besonders feine Messwerte benötigt, wird statt einer Spule und einem Eisenkern ein Piezo-Kristall eingesetzt. Dieser erzeugt bei einer Verformung starke Spannungen, die leicht ausgelesen werden können.

Bei Lichtsensoren kommen ebenfalls Kristalle zum Einsatz. Hier sind es Einkristalle aus Silizium, die ihre elektrische Leitfähigkeit unter Lichteinstrahlung verändern. Auch hier ist eine Beaufschlagung mit einer Vorspannung eine Bedingung für das Funktionieren des Messwertaufnehmers.

Auch Schallsensoren bestehen aus dem bekannten elektromagnetischen Prinzip. Ähnlich wie bei Lautsprechern oder Mikrofonen wird bei einem Akustiksensor ein Permanentmagnet mit einer Kupferspule umwickelt. Die Spule wird mit einer leichten elektrischen Spannung beaufschlagt und ist mit einer Membran verklebt. Drückt nun die vom Schall erzeugte Luftkompression auf die Membran, wird die Spule mechanisch entlang des Permanentmagnets verschoben. Dies erzeugt eine Spannung bzw. Spannungsänderung, welche weitergeleitet werden kann.

Sensor

Mit elektronischer Haut die virtuelle Realität steuern

Etwas anders arbeiten die Temperatursensoren. Sie sind meistens mit einem Bimetall ausgerüstet. Je nach Änderung der Temperatur verbiegt sich der Metallstreifen in einer exakt definierten Weise. Diese Biegung kann auf verschiedenen Wegen als Messwert dienen. Meist wird der Bimetallstreifen wieder an eine Spannungsquelle angeschlossen. Bei der Verbiegung ändert sich der Widerstand im Streifen. Dieser lässt sich dann als Messgrößenänderung feststellen. Die Biegung der Bimetalle kann aber auch genau so gut an ein optisches System angeschlossen sein. Die Möglichkeiten und Varianten sind in der Sensorik sehr vielfältig.

Funk- und Radarsensoren: High-Tech in der Sensorik

Funk- und Radarsensoren bilden praktisch das nächste Level in der Sensorik. Sie sind technisch wesentlich komplexer als die verbreiteten elektromagnetischen Messwertaufnehmer. Glücklicherweise hat ihre massenhafte Verbreitung auch dafür gesorgt, dass diese technisch weit fortgeschrittenen elektronischen Bauteile inzwischen sehr preiswert zu kaufen sind. Das gilt vor allem bei der Abnahme entsprechen großer Mengen. Nur so ist es möglich, dass Autos heute mit Abstandssensoren ausgestattet werden können.

Wie Sensoren beim Einparken helfen

Videoquelle: Renault

Beim Einparken misst die Sensorik permanent den Abstand eines Autos in seiner nächsten Umgebung. Das geschieht entweder mithilfe von Radarsensoren oder Ultraschallsensoren.

Der Radarsensor stößt dazu tausende Male pro Sekunde ein elektromagnetisches Signal aus und misst die Zeit, welche das Echo zurück braucht. Der Radarsensor ist damit im Gegensatz zum normalen elektromagnetischen Sensor ein aktives Bauteil. Es folgt dem Aktor-Reaktor Prinzip: Statt auf eine Messgröße zu warten, produziert der Radarsensor sein eigenes Signal.

Ultraschallsensoren sind ebenfalls am Stoßdämpfer des Fahrzeugs angebracht. Sie senden und empfangen Ultraschallsignale. Ein Steuergerät wertet aus den Daten die Distanz zum Hindernis aus und gibt dem Fahrer entsprechend Rückmeldung.

In der höchsten Ausbaustufe sind die Abstands- und Radarsensoren an ein Notbrems-System angeschlossen. Dieses löst automatisch aus, wenn sich das Fahrzeug zu schnell einem Hindernis nähert. In neuen LKW sind die auf der Radar-Sensorik basierenden Notbremssysteme bereits vorgeschrieben. Es ist absehbar, dass von normalen PKW in Kürze ähnliches verlangt wird.

Echte Funksensoren kommen jedoch in einem Auto weniger vor. Sie haben ihren Platz in der Avionik und in Defense-Anwendungen. Auch die allgemeine Funktechnik ist teilweise mit der passenden Sensorik ausgestattet. Wo eine bestimmte Form von Funksensoren in den letzten Jahren aber einen enormen Zulauf erlebt hat, ist die Logistik.

Sensorik im Warenversand

Um große Mengen von Waren in einer möglichst kurzen Zeit effizient zum gewünschten Ziel lenken zu können, ist ein leistungsstarkes Tracking-System notwendig. Nur wenn die Beteiligten zu jedem Zeitpunkt genau wissen, wo sich die Ware genau befindet, kann der Warenstrom entsprechend gelenkt werden. Hier hat die Sensorik eine ganze Bandbreite von Lösungen entwickelt. Funksensoren sind ebenfalls aktive Messwertgeber, die zunächst ein Signal ausstoßen und dann auf die Antwort warten. Es hängt nun von den verwendeten Funksystemen an den Waren ab, welche Sensorik hier zum Einsatz kommt.

In Lagern und zum Schutz vor Diebstahl haben sich die RFID-Chips etabliert. Dies sind kleine, stromlos arbeitende Funkchips, die an einer Ware oder an ihrem Gebinde befestigt werden. Der Funksensor stößt nun ein Signal aus, welches vom RFID-Chip beantwortet wird. Der Chip nutzt dazu die eingestrahlte Energie vom Rufsignal, um das Antwortsignal zu generieren. Der Funksensor selbst muss nun nur noch mit einer entsprechend sensiblen Empfangstechnik ausgestattet sein, um das Produkt oder das Gebinde orten zu können. Auf Containern, die sich gerade auf einem Schiff befinden, funktioniert das RFID-System nicht, hier muss die Tracking-Sensorik auf wesentlich leistungsstärkere Systeme setzen. Üblich sind in diesem Bereich der Einsatz von GPS- Sendern und der entsprechend ausgestatteten Sensorik.

Einsatz der Sensorik im Auto

Die Sensorik ist praktisch in allen elektrotechnisch beteiligten Konstruktionen vorhanden. Am Beispiel eines normalen Autos wird deutlich, wie wichtig die Sensorik heute für das optimale und einwandfreie funktionieren eines technischen Systems ist. Ein normales Auto verfügt über folgende Messwertaufnehmer:

• Geschwindigkeitssensor

• Drehzahlsensor

• Füllstandssensor des Benzintanks

• Ladesensor der Batterie

• Luftmassensensor im Ansaugtrakt

• Gewichtssensoren

• Neigungssensoren

• Temperatursensor

• Abstandssensoren

Beispiel Temperatursensor: Wie ein Sensor arbeitet

Die meisten Regelkreise werden vom Fahrer unbemerkt bedient. Am Beispiel des Temperatursensors werden die drei Stufen der Sensorik deutlich. Der Regelkreis des Temperatursensors wird über drei Stellglieder bedient. Nach dem Starten des kalten Motors fließt das Kühlmittel zunächst in den sogenannten kleinen Kühlkreislauf. Es durchläuft den Motor und wird sofort wieder in ihn zurück gepumpt. Damit wird erreicht, dass der Motor möglichst schnell auf Betriebstemperatur kommt. Ist die Betriebstemperatur erreicht, öffnet sich der große Kühlkreislauf.

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Dieses sich selbst regelnde System kommt ohne eine komplexe Sensorik aus: Das Ventil, welches den kleinen vom großen Kühlkreislauf trennt, ist das Thermostat. Es ist ein kleines Bauteil, bestehend aus einer Kapsel, die mit Wachs gefüllt ist, und einer Bimetall-Feder. Sobald das Kühlmittel warm genug ist, schmilzt das Wachs und die Bimetall-Feder zieht sich zusammen. Dabei wird ein Ventil geöffnet und das Kühlmittel kann durch den Motorkühler fließen. Dieses System arbeitet seit Jahrzehnten sehr zuverlässig und wurde seit seiner Einführung in den 1920er Jahren kaum verändert. Der Nachteil von diesem rein manuell arbeitenden Regelkreis ist, dass ein Defekt des Thermostats praktisch nicht bemerkt werden kann. Bei einer Störung des Kühlkreislaufes kann es nur auf Verdacht getauscht bzw. außerhalb seiner Einbaustelle geprüft werden. Dazu wird es einfach in kochendes Wasser gelegt, um sein Öffnungs- und Schließverhalten zu prüfen.

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1. Stufe: Selbstregulation

Das Thermostat alleine kann deshalb die Motortemperatur nicht ausreichend zuverlässig regeln. Es hat auch rein konstruktiv nur einen begrenzten Einflussbereich: Wenn es geöffnet ist, ist zwar der Kühler an das Kühlsystem vom Motor angeschlossen. Jedoch können die Umgebungstemperaturen immer noch zu hoch für den Motor sein. Damit überschüssige Wärme vom Kühlmittel und damit vom Motor abgeleitet wird, kommt der Lüfter zum Einsatz. Bei den meisten Fahrzeugen wird er über einen Elektromotor angetrieben. Würde er permanent laufen, würde er unnötig den Verbrauch vom Kraftstoff erhöhen. Also ist der Elektromotor an einen Regelkreis angeschlossen. Dieser Regelkreis besteht aus dem Temperatursensor, dem Elektromotor und dem Steuergerät. Der an den Kühlkreislauf angeschlossene Temperatursensor gibt bei zu hoher Kühlmitteltemperatur ein Signal an das Steuergerät ab. Dieses schaltet den Elektromotor ein. Dieser läuft so lange, bis das Kühlmittel hinreichend abgekühlt ist. Meldet der Kühlmittelsensor wieder den Soll-Zustand, wird der Elektromotor abgeschaltet.

2. Stufe: Alarm

Es kann nun aufgrund zu hoher Außentemperaturen oder eines Defekts am Fahrzeug dazu kommen, dass auch die Kühlleistung vom Lüfter nicht ausreicht, um das Kühlmittel abzukühlen. In diesem Fall lässt das Steuergerät ein Warnsignal am Armaturenbrett aufleuchten. Der Fahrer ist nun gewarnt, dass sein Fahrzeug zu überhitzen droht.

3. Stufe: Selbstabschaltung

Es ist nun nicht so, dass das Steuergerät selbständig in die Versorgung mit Zündstrom oder Kraftstoff eingreift, um den Motor abzuschalten. Das ist viel zu gefährlich. Die Kontrolle über das Fahrzeug muss in jedem Fall so lange wie möglich dem Fahrer überlassen bleiben. Jedoch ist ein überhitzter Motor in jedem Fall kurz davor sich selbst zu zerstören. Aus Sicherheitsgründen ist ein Motor mit angeschlossenem Kühlsystem so aufgebaut, dass er zuerst an einer eher unkritischen Stelle kaputt geht. Meist platzt ein Kühlmittelschlauch, welches dann durch heftigen Dampfaustritt nicht mehr ignoriert werden kann. Fährt der Fahrer jetzt immer noch weiter, hat die Sensorik alles dafür getan, um den kapitalen Motorschaden zu verhindern. Der Kolbenfresser ist nun nicht mehr der Sensorik anzulasten. Der Fahrer hat aber jetzt die Möglichkeit, das Auto anzuhalten und den Motor auszuschalten. Hieran zeigt sich, wozu eine leistungsstarke Sensorik imstande ist.

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Neues Herstellverfahren ermöglicht Sensorik aus Kunststoff

Vorteile und Herausforderungen bei der Sensorik

Die Sensorik ist ein leistungsstarkes System zum Schutz und zum optimalen Betrieb eines geregelten Systems. Es bewahrt vor Schaden, steigert die Effizienz, mindert den Verbrauch von Kraftstoff, beugt Verschleiß vor und hält den zuverlässigen Betrieb einer Baugruppe aufrecht. Die Leistungen der Sensorik gehen zudem immer weiter. Die neuesten Generationen von Abstandssensoren am Fahrzeug können enormes für die aktive Sicherheit eines Autos leisten: Ein gekoppelter Regelkreis mit Notbremsassistent kann nicht nur Schäden am eigenem Fahrzeug verringern oder ganz vermeiden. Auch andere Verkehrsteilnehmer werden damit durch diese leistungsstarke Sensorik immer besser geschützt.

Eine Herausforderung bei der Sensorik ist die Komplexität des Gesamtsystems und die Empfindlichkeit der einzelnen Sensoren. Je mehr Messwerte in einem zentralen System verarbeitet werden müssen, desto anfälliger ist es bei Störungen. Dem wird heute dadurch begegnet, dass unplausible Werte in einem Fehlerspeicher protokolliert werden. Dieser lässt sich anschließend auslesen und gibt dadurch Hinweise, wo ein Defekt an der Sensorik vorliegt.

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Die Sensoren selbst sind jedoch immer noch die Schnittstelle zur Außenwelt. Ihr direkter Kontakt zu anderen Baugruppen, der Außenluft, der Witterung oder irgend einer anderen physikalischen Größe trägt stets zu ihrem Verschleiß bei. Zur Sensorik gehört deshalb die Überwachung und vorsorglicher Austausch sensibler Komponenten dazu. Wie oft das notwendig ist, hängt stark vom jeweiligen Einsatzfeld des Sensor ab. Ein direkt am Rad montierter ABS-Sensor, der permanent dem Schmutz, Salz und Staub der Straße ausgesetzt ist, hat einen sehr hohen Verschleiß.

Gleiches gilt für die Temperatur-Sensoren am Kühlwasser, um beim benannten Beispiel zu bleiben. Andere Messwertaufnehmer sind für den Betrieb entlang der gesamten angedachten Lebensdauer eines technischen Systems ausgelegt. Bei einem Auto ist das beispielsweise der Füllstandssensor vom Tank. Dieser Sensor geht bei den meisten Modellen niemals defekt, sondern hält das Autoleben lang zuverlässig seinen Dienst aufrecht.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Elektrotechnik.de.

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