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Die wichtigsten
Sensor-Typen
potentiometrische
Sensoren (Weg,Winkel) Hier sollen die elementaren Sensortypen und sensortechnischen Verfahren vorgestellt werden.
Für Präzisions-Messungen und für Anwendungen, die eine sehr hohe Zuverlässigkeit erfordern, wird man besser einen industriellen Sensor kaufen. Bei derartigen Sensoren werden nicht selten mehrere Sensorprinzipien gleichzeitig angewandt und durch eine komplexe, im Sensor eingebaute Elektronik miteinander verknüpft. Solche Präzisions- Sensoren sind eher ein "Gerät" als ein "Bauteil", man betrachtet sie am besten als "Black Box" und setzt sie entsprechend der mitgelieferten Anleitung ein. In den folgenden Abschnitten geht es ums prinzipielle Verstehen ohne Präzisions-Anspruch. Die wichtigsten elektronischen Grundbegriffe und Schaltsymbole werden als bekannt vorausgesetzt. Siehe Stichwort " Elektronik" auf dieser Website. Will man nichtelektrische Größen elektrisch
messen, so muß man sie zuvor in elektrische Größen
bzw. Schwankungen elektrischer Größen umwandeln.
Die hierfür in Frage kommenden Umwandler nennt
man "Sensoren".
Jeder Sensortyp kann nur bestimmte - für ihn charakteristische
- physikalische / chemische Größen in elektrische Spannungen,
Ströme oder Widerstände umwandeln.
Potentiometrischer Weg- und WinkelsensorJedem Konsumenten bekannte elektronische
Bauteile: Für industrielle Messungen gibt es hiervon mechanisch wesentlich robustere Ausführungen. Zur Wegmessung z.B. von Maschinenteilen wird der Schieber eines Schiebepotentiometers mit dem bewegten Teil verbunden. Zur Messung von Drehwinkeln wird die Achse eines Drehpotentiometers mit der Achse des rotierenden Teils gekoppelt. Der potentiometrische Sensor wird hier an erster Stelle behandelt, weil seine Schaltungstechnik als Prototyp für den Anschluß vieler anderer Sensortypen steht. Schaltbild eines Potentiometers, angeschlossen an eine Batterie und an ein Spannungs-Meßgerät: Der Schleifer greift einen variablen Teil des Widerstandes ab und zerlegt ihn somit in 2 virtuelle Teilwiderstände. Eine solche - in der Elektrotechnik immer wieder auftretende - Grundschaltung nennt man Spannungsteiler.
In den meisten Anwendungsfällen besteht der Spannungsteiler tatsächlich aus zwei unterschiedlichen Widerständen: einem resistiven Sensor und einem "Lastwiderstand", auch "Arbeitswiderstand" genannt. Auch Sensoren, die nicht primär resistiv, sondern als eine durch den gemessenen Wert gesteuerte Stromquelle wirken, lassen sich ähnlich einer Spannungsteilerschaltung an A/D-Wandler oder Meßverstärker ankoppeln.
Schalter als SensorenDie beiden Grenzfälle, die R2 annehmen kann, werden praktisch realisiert, wenn R2 ersetzt wird durch einen Schalter als Sensor:
Mechanische Schalter werden in der Sensorik häufig als Endschalter eingesetzt, etwa um einen Motor abzuschalten, wenn das von ihm bewegte Teil seine Endstellung erreicht hat. Als Endschalter eignen sich am besten sogenannte "Mikroschalter". Unter einem Schalter muß man sich nicht unbedingt einen direkt mechanisch betätigten Schalter vorstellen, es kann sich durchaus um ein komplexes Sensorelement handeln:
Leitfähigkeits-Sensoren, Feuchte-SensorenIn ionenhaltigen Flüssigkeiten, speziell in nicht völlig reinem Wasser, fließt bei angelegter Spannung ein elektrischer Strom durch den Vorgang der Elektrolyse. In sehr grober Näherung kann also eine Flüssigkeit als ohm'scher Widerstand betrachtet werden.Speziell gilt dies auch für Feuchtigkeitsfilme auf Oberflächen, für den menschlichen Körperwiderstand und den Hautwiderstand. Solche Phänomene lassen sich daher relativ einfach mit einer Spannungsteiler-Schaltung auswerten. Für den Übergangswiderstand der menschlichen Haut kann man je nach Transpiration etwa mit 10 Kiloohm bis 1 Megohm rechnen - Hornhaut und Fingernägel deutlich über 1 Megohm. FotosensorenFotowiderstand Vorteile:Starker, leicht auszuwertender Effekt. Unabhängig von der Polarität der angelegten Spannung. Kann auf Wechselspannungen wirken.Sehr effizient einsetzbar bei geringer Beleuchtungsstärke (Dunkelkammer- Belichtungsmesser).Nachteil: sehr träge. Starker Gedächtniseffekt (Hysterese).
Fotodiode Die Fotodiode ist eine in Sperrichtung geschaltete normale Diode in einem lichtdurchlässigen Gehäuse. Durch Lichteinwirkung auf den Halbleiter werden Ladungsträger freigesetzt, die quasi als erhöhter Reststrom der Diode wirken. Vorteil: Sehr hohe Grenzfrequenz. Wird in der optischen Datenübertragung
eingesetzt.
Fotodiode als Solarzelle. Exkurs:Passive und aktive Sensoren Im obigen Beispiel wird die Fotodiode als variabler Teilerwiderstand eines Spannungsteilers eingesetzt. Die Diode erzeugt keine Energie, sondern moduliert die aus der Batterie entnommene Hilfsenergie.Sensoren, die als Meßsignal fremde Energie steuern, nennt man"passive Sensoren". Alternativ kann man eine Fotodiode direkt an einen Spannungsmesser
anschließen. Bei Lichteinwirkung erzeugt die Diode eine geringe
Spannung. Dies ist der Effekt einer Solarzelle. Durch Serienschaltung
vieler Solarzellen kann man höhere Spannungen erzeugen.
Fototransistor Ein Fototranstor ist ein Transistor in einem lichtdurchlässigen Gehäuse. Bei Lichteinwirkung wirkt seine Kollektor-Basis-Diode als Fotodiode, der Fotostrom in der Basis erzeugt durch den Transistoreffekt einen etwa um den Faktor 100 verstärkten Kollektorstrom. Vorteile: Wesentlich höhere Lichtempfindlichkeit als eine Fotodiode.Nachteil: Niedrigere Grenzfrequenz als Fotodioden. Bei starken Helligkeitsänderungen direkt kompatibel zu Digitalschaltungen (Lichtschranken).Als Schaltelement in künstlerischen Installationen meistens der geeigneteste Lichtsensor. Integrierte Fotosensoren mit Frequenzausgang Diese Sensortypen fassen eine Fotodiode, einen Vorverstärker und einen Spannungs-Frequenz-Wandler auf einem Chip zusammen. Sie bewähren sich zur quantitativen Auswertung von LichtintensitätenTemperatursensorenHeißleiter, Kaltleiter, integrierte Halbleiter- Temperatursensoren Werden eingesetzt als temperaturabhängige
Widerstände
Häufig ändert sich
bei solchen Sensoren der Spannungsabfall normiert um 10 Millivolt pro
Grad oder der Strom um 1 Mikroampere pro Grad. Speziell beträgt
der Spannungsabfall bei einigen Sensortypen 2,73 Volt bei 0 Grad Celsius
oder 273 Mikroampere.. Widerstandsthermometer Widerstandsthermometer nutzen die Widerstandsänderung eines Metalldrahtes abhängig von der Temperatur aus. Technisch die Urform der Halbleiter-Temperatursensoren. Wesentlich geringere Temperaturänderungen als Halbleitersensoren, aber stabiler reproduzierbar und für höhere Temperaturen einsetzbar. Vorzugsweise Einsatz bei chemischen Anlagen, auch bei der elektronischen Heizkostenabrechnung.
Thermoelement Thermoelemente sind aktive Sensoren. Bei der ringförmigen Verbindung von zwei Drähten aus unterschiedlichen Metallen entstehen (sehr niedrige) Thermospannungen. Eine Verbindungsstelle wird der zu messenden Temperatur ausgesetzt, die andere auf einer bekannten Referenztemperatur gehalten. Fügt man ein Voltmeter (oder einen Verstärker plus A/D-Wandler) in die Drahtschleife ein, kann man hier die Thermospannung messen: je nach Metallkombination etwa 3 bis 50 Mikrovolt/Grad. Thermoelemente sind für sehr hohe Temperaturen einsetzbar (Ofenprozesse). Nachteilig ist die Notwendigkeit einer Referenz-Temperatur. Früher hat man hierfür häufig einen Behälter mit schmelzendem Eis verwendet, heute gibt es elektronische Schaltungen, die aus der Umgebungstemperatur automatische eine Nullpunkt- Korrekturspannung herleiten.
Drucksensoren, KraftsensorenWeil Druck=Kraft/Fläche ist, kann jeder Drucksensor auch als Kraftsensor eingesetzt werden. Welche Kraft welchem Druck entspricht, hängt ab von der Art der Kraftübertragung auf den Sensor.Grundtyp der industriell eingesetzten Kraftsensoren ist der "Dehnungsmeßstreifen (DMS)" (englisch "strain gauge"). Ein dünnes Metallplättchen wird unter machanischem Zug länger, dünner und schmaler, d.h. durch elastische Geometrieänderung erhöht sich sein elektrischer Widerstand. DMS verwendet man z.B. aufgeklebt auf Maschinenteile zur Messung ihrer Deformation im Betrieb. Um Kräfte in Medieninstallationen zu messen ist es manchmal günstiger, sie auf eine durch Krafteinwirkung verbiegende Feder aufzukleben anstatt die Längenänderungen metallischer Teile direkt zu messen. Zur elektrischen Anpassung von DMS verwendet man Brückenschaltungen mit empfindlichen Verstärkern. Eine modernere Variante des Dehnungsmeßstreifen sind Halbleiter-DMS. Zusätzlich zum oben beschriebenen Geometrie-Effekt wirkt hier der piezoresistive Effekt: der spezifische Widerstand der Halbleiter ändert sich ebenfalls unter Druckeinwirkung. Bei piezoresistiven Halbleiter- DMS- Sensoren kann man daher mit einer etwa um den Faktor 100 höheren Empfindlichkeit rechnen als bei metallischen DMS. Darüber hinaus lassen sich diese Teile halbleitertechnologisch kompakter produzieren als reine Metallplättchen. Allerdings weisen Halbleiter-Kraftsensoren eine schlechtere Linearität auf und sind vor allem viel temperaturempfindlicher als die klassischen Metall-DMS. Deshalb werden insbesondere im Berg- und Maschinenbau bei hohen Kräften und hohen Temperaturen weiterhin metallische DMS eingesetzt, häufig aber auch piezoelektrische Sensoren. Bei piezoresisitiven Drucksensoren werden die Meßwiderstände in Art einer integrierten Schaltung direkt auf ein dünnes Siliziumplättchen gebracht, das unmittelbar als druckempfindliche Membran funktioniert. Damit können mikroskopisch kleine und zugleich sehr empfindliche Sensoren realisiert werden. Allderdings können solche Sensoren nur Druck von Gasen oder Flüssigkeiten messen, direkter mechanischer Kontakt mit festen Gegenständen würde sie zerstören. Für "härtere" mechanische Einsätze, auch als Schutz vor aggressiven Substanzen, bettet man die Sensoren hermetisch in flüssigkeits- oder gasgefüllte Kapseln mit membranartigem Deckel, der sich unter Krafteinfluß verbiegt und so den Druck auf das Innere der Dose überträgt. Bei Halbleiter-DMS sind häufig bereits die Brückenwiderstände und manchmal sogar die Vorverstärker auf einem Halbleiterchip integriert zusammengebracht. Der piezoelektrische Drucksensor dagegen ist ein aktiver Sensor. Die durch mechanische Deformation eines Kristalls (häufig Quarz, aber auch spezielle Piezo-Keramiken) an seinen Außenflächen erzeugte Ladung ist proportional der Krafteinwirkung. Die erzeugte elektrische Energie ist sehr gering, zur Auswertung ist ein Ladungsverstärker mit hochohmigem Eingangswiderstand notwendig. Aus dem Alltag bekanntes Beispiel für einen piezoelektrischen Drucksensor: Piezozünder im Feuerzeug. Der Piezoeffekt ist umkehrbar: Legt man eine Wechselspannung an einen Piezokristall, so wirkt er als Lautsprecher ("Piezo-Piepser" in Taschenrechnern, Handys, Armbanduhren). Für qualitative, aber gut reproduzierbare Kraftmessungen bieten sich die (bei Conrad Elektronik erhältlichen) resistiven Folien-Drucksensoren (FSR= force sensitive resistor") an. Diese Sensoren erzeugen eine viel größere Widerstandsänderung als die zuvor genannten Typen und lassen sich unkompliziert in einer Spannungsteilerschaltung anschließen. Die Sensoren basieren auf polymeren Halbleiterschichten, deren Übergangswiderstand druckabhängig ist.
Beschleunigungs-SensorenEin Beschleunigungs-Sensor besteht aus einem Drucksensor, an dessen druckempfindlicher Fläche eine zusätzliche Masse ("seismische Masse") befestigt ist. Bei Beschleunigung übt die Masse aufgrund ihrer Trägheit eine Kraft auf den Sensor aus. Basierend auf piezoresistiven Drucksensoren werden mikroskopisch kleine Beschleunigungssensoren als integrierte Schaltung realisiert. Anwendungsfelder sind z.B. Airbags in Automobilen. Für "gröbere" Anwendungen verwendet man auf piezoelektrischen Drucksensoren basierende Beschleunigungssensoren, die zwar eine untere Grenzfrequenz von etwa 1 Hz aufweisen, dafür aber besser für hohe Frequenzen, z.B. Schwingungsmessungen an Maschinen und Fahrzeugen, geeignet sind. Eine alternative Ausführungsvariante besteht aus einem Differentialkondensator bei dem die Trägheitskräfte zu meßbaren Frequenzänderungen führen. Neigungssensoren sind eine spezielle Form von Beschleunigungssensoren, die auf die Erdbeschleunigung reagieren. Weil es hierbei in der Regel nicht auf eine hohe Meßfrequenz ankommt, kann die seismische Masse relativ schwer konstruiert werden, z.B. als Pendel. Praktisch üblich sind kapazitive (Differentialkkondensator) und resistive (Drehpotentiometer) Neigungssensoren. Schließlich sei noch die von der Wasserwaage bekannte "Libelle" als sehr empfindlicher, aber nur für annähernd waagerechte Messungen geeigneter Neigungssensor erwähnt. Mittels Optoelektronik kann eine Libelle automatisch ausgewertet werden. Schall-Sensoren, Ultraschall-SensorenMikrofone sind Sensoren für Schalldruck, speziell im hörbaren Bereich. Durch den Schalldruck wird eine Membran in Schwingung versetzt. Die verschiedenen Mikrofontypen unterscheiden sich durch die Art, wie die mechanische Schwinung der Membran in elektrische Spannung umgesetzt wird:
Mit komplexeren Sensoren auf Ultraschall-Basis lassen sich zusätzlich zur Entfernung Bewegungsrichtungen und Geschwindigkeiten feststellen ("Doppler-Effekt"). In Kombination mit einer Infrarot-Signalübertragung läßt sich mit 3 Ultraschall- Entfernungssensoren die automatische Ortsbestimmung einer Person oder eines Gegenstandes im Raum realisieren (z.B.Mensch als lebender Mauszeiger). Strömungs-SensorenJe nach dem Anwendungsfeld gibt es recht unterschiedliche Typen von Strömungsssensoren. Der bekannteste Strömungssensor ist wohl der in jedem Haus vorhandene Wasserzähler. Diese Zähler arbeiten nach dem Prinzip der Flügelrad- Turbine, d.h. eines umgekehrten Propellers. Ähnliche Sensoren sind für die unterschiedlichsten Flüssigkeiten und Gase im Handel. Statt mit einem Zählwerk sind sie meist mit einem digitalen Impulsausgang oder Frequenzausgang ausgerüstet. Oft werden die Zählimpulse mit Hilfe eines Reedkontaktes oder eines Magnetfeld-Sensors erzeugt. Dazu wird ein Teil der Turbine als rotierender Magnet konstruiert, der Reedkontakt oder Magnetfeldsensor wird stationär, außerhalb des strömenden Mediums angeordnet. Ähnlich funktionieren die in Wetterstationen verbreiteten Anemometer. Anstelle eines axial angeblasenen Propellers haben sie radial angeblasene Kugel-Halbschalen, deren konkave Seite einen höheren Luftwiderstand hat als die konvexe Seite. Anemometer messen die Windgeschwindigkeit unabhängig von der Windrichtung, ihre Ausgangsimpulse werden ebenfalls sehr häufig mit einem rotierenden Magneten und einem Reedkontakt erzeugt. Nach einem völlig anderen Prinzp funktionieren Doppler- Effekt Strömungssensoren: Bei konstanter Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb eines Mediums werden Ultra-Schallwellen zugleich von dem bewegten Medium mitgetragen. Dadurch erreichen sie - je nach Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung des Mediums - schneller oder langsamer den Empfänger. D.h. die Laufzeit zwischen Sender und Empfänger hängt ab von der Strömungsgeschwindigkeit. Doppler- Sensoren sind aufwendiger aber präziser als Flügelrad-Turbinen oder Anemometer. Schließlich sind zur Messung von Gasströmen Strömungssensoren verbreitet, die auf der Basis eines Temperatursensors arbeiten. Ein erhitzter dünner Gegenstand, ein Draht z.B. wird je nach Strömungsgeschwindigkeit mehr oder weniger abgekühlt und ändert dabei seinen elektrischen Widerstand. Abgesehen vielleicht von den Doppler-Sensoren lassen sich Strömungssensoren nur empirisch eichen: durch Messung einer bekannten Strömung oder durch Vergleich mit einem bekannten Sensor. Passive Infrarot-Detektoren (PID)Diese Sensoren reagieren auf die von der Körperwärme erzeugte Infrarotstrahlung. Die Wellenlänge dieser Strahlung (um 10 Mikrometer) ist um den Faktor 10 höher als die von Infrarot-Fernbedienungen und hat deutlich andere Eigenschaften. Insbesondere dringt sie nicht durch Glasscheiben, dunkle Plasikscheiben und andere für Fernbedienungen transparente Materialien. Die im Abstand von einigen Metern erzeugte Strahlungs- Temperatur- Erhöhung durch die Körperwärme eines Menschen beträgt nur etwa 1/10 Grad. Die Funktion der Sensoren beruht auf speziell behandelten extrem dünnen Kunststoffolien. Ähnlich dem piezoelektrischen Effekt entstehen bei Absorption von Wärmestrahlung Ladungen auf der Folie, die mit empfindlichen Verstärkern abgegriffen werden können. Einige im Handel erhältliche PID-Sensoren enthalten bereits angepaßte Vorverstärker und sind somit relativ unkritisch anwendbar. Praktischen Einsatz finden diese Sensoren z.B. bei Hofbeleuchtungen, die sich automatisch einschalten, wenn jemand den Hof betritt.Messung von MagnetfeldernEin grundsätzliches Verfahren zur Messung von Magetfeldern ist der Hall-Effekt: Auf dem Weg durch eine flache Platte werden die Elektronen eines Hilfsstroms seitlich abgelenkt und erzeugen eine dem Magetfeld proportionale Spannnung an den Seitenflächen der Platte. Je dünner die Platte, desto stärker ist der Hall-Effekt. Etwas einfacher, aber grundsätzlich nach dem gleichen Prinzip
funktionieren magnetoresistive Sensoren ("Feldplatten"), die
ebenfalls aus einer sehr dünnen stromdurchflossenen Schicht bestehen.
Durch die seitliche Ablenkung im Magnetfeld müssen die Elektronen
einen längeren Weg zurücklegen und somit einen höheren
Widerstand überwinden. Häufig sind solche Sensoren zusammen
mit einem Schaltverstärker als integrierte Halbleiterschaltung
realisiert. Induktive SensorenGrundkomponente des induktiven Sensors ist die Induktionsspule: Verändert sich das Magnetfeld innerhalb der Spule, so wird in der Spule eine Spannung induziert. Daher lassen sich grundsätzlich nur einzelne Impulse oder Wechselspannungen durch Induktion erzeugen.Anwendungsbeispiel: dynamisches Mikrofon. Auf einer Schallmembran befindet sich eine Spule, die durch die Schallwellen gegenüber einem Permanentmagneten bewegt wird. Dadurch wird in der Spule eine dem Schalldruck entsprechende Wechselspannung induziert. Ein anderes Beispiel ist die Hammondorgel, bei dem über ein kompliziertes Getriebe mitenander synchronisierte magnetische Zahnräder vor kleinen Spulen rotieren und Wechselspannungen mit harmonischen Frequenzverhältnissen induzieren. Ein ähnliches Verfahren wird zur Drehzahlmessung von Motoren genutzt. Die Tendenz geht jedoch dahin, bei diesen Anwendungen induktive Sensoren durch magnetoresistive Sensoren zu ersetzen. Ein weiteres Beispiel für induktive Sensorik sind Parkscheine und Kreditkarten mit Magnetstreifen. Eine Variante, die in industriellen induktiven Sensoren Anwendung findet, ist die Absorption von Energie aus dem Magnetfeld einer Spule wenn sich darin Eisenteile befinden. Als dritte Variante des induktiven Sensors wird gelegentlich die Veränderung der Selbstinduktivität einer Spule ausgenutzt, d.h. ihrer material- oder bauartbedingten Empfindlichkeit für Magnetfelder. Dies erfolgt z.B. durch Einschieben oder Herausziehen eines (selber nicht magnetischen) Eisenkerns in die Spule der gewissermaßen - sehr anschaulich formuliert - mehr oder weniger magnetische Feldlinien auf die Spule fokussiert. Kapazitive SensorenDie Kapazität eines Kondensatorsystems wird vergrößert durch Parallelschalten weiterer Kondensatoren. Der menschliche Körper bildet einen solchen Kondensator gegenüber dem Fußboden. Kapazitive Berührungssensoren wirken also durch Kapazitätsvergrößerung eines durch die Installation gebildeten Kondensators bei Annäherung.Als Variante wird häufig auch die Änderung der Kapazität bei Veränderung des Dielektrikums ausgenutzt: dies ist der Fall, wenn nichtmetallische Materialien wie Holz, Pappe, Plastik, Wasser zwischen die Platten eines Kondensators gebracht werden. Dies wird industriell z.B. zum Zählen von Kartons auf Fließbändern oder als Füllstandsdetektor in Tanks eingesetzt.
Verschiedene Sensortypen für exotische Meßgrößen
beruhen im Prinzip auf einem kapazitiven Sensor: Ein weit verbreiteter Beschleunigungs- Sensor-Typ besteht im Prinzip aus 2 nebeneinander angordneten Plattenkondensatoren, die eine gemeinsame mittlere Platte haben ("Differentialkondensator"). Die mittlere Platte ist als federnd bewegliches Pendel konstruiert und mit einer seismischen Masse versehen. Bewegt sich dieses Pendel von der einen seitlichen Platte weg und zur anderen hin, so ändert sich das Kapazitätsverhältnis beider Teilkondensatoren. Indem die Kondensatoren als frequenzbestimmende Teile eines Oszillators eingesetzt werden, kann die Kapazitätsänderung relativ einfach digital gemessen werden. Bezugsquellen für SensorenDie meisten der hier besprochenen Sensortypen kann man relativ unkompliziert bei Conrad Elektronik erhalten, aus deren Katalog auch einige Bilder dieses Textes stammen. Bei speziellen Fragestellungen kann man sich wenden an Ein ähnliches Verzeichnis ist auch im Internet publiziert, und
zwar auf der Website zur Sensormesse Sensor01.
 * Informationsstand Juli 2002. Alle Angaben nach bestem Wissen. * Der Autor übernimmt keine Haftung für Richtigkeit der Angaben und deren Eignung für einen bestimmten Zweck. * Im Text zitierte Warenzeichen und Produktnamen sind Eigentum ihrer Besitzer.
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