Überblick über Sensoren

Vom RFID-Chip bis zum Hygrometer – so wählen Sie den passenden Sensor

Dank Halbleitern finden sich selbst in kleinsten Geräten Beschleunigungsmesser, Bewegungssensoren und kapazitive Touchscreens, die die Bedienung von Smartphones und Tablets einfacher machen denn je. Doch gerade in der Industrie sind Sensoren und Näherungsschalter absolut unverzichtbar. Sie sorgen nicht nur für die Sicherheit von Maschinen, sondern auch für die Menschen, die diese bedienen.

Was sind Sensoren?

Allgemein bezeichnet „Sensor“ jedes technische Bauteil, das selbstständig bestimmte physikalische oder chemische Größen und Eigenschaften in der Umgebung oder von Objekten erfasst. Dies kann beispielsweise die Temperatur, Helligkeit oder auch Beschleunigung sein. In diesem Sinne ähneln Sensoren also unseren Sinnesorganen – nur, dass sie im Gegensatz zu letzteren auch Dinge registrieren, die für Menschen sonst unsichtbar blieben oder zu gefährlich wären. Wichtige Eigenschaft von Sensoren ist die Konvertierung von Messdaten in Signale oder visuelle Anzeigen. So können diese dann von einem Menschen oder einem elektronischen Gerät sinnvoll interpretiert werden. Ein Sensor ist somit auch immer ein Wandler, also ein Gerät, das eine Form der Energie oder eines Impulses in eine andere umwandelt.

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Wie funktionieren Sensoren?

Es gibt eine Reihe unterschiedlicher Arten von Sensoren, die jeweils eine andere physikalische Größe messen, sowohl elektronisch als auch analog. Auf die wichtigsten Typen gehen wir weiter unten ein. Zunächst genügt es festzuhalten, dass alle Sensoren, ungeachtet von der eigentlichen Funktionsweise, über ein Merkmal verfügen müssen: Linearität. Am einfachsten lässt sich diese Eigenschaft anhand des Quecksilberthermometers aufzeigen. Das Thermometer zeigt innerhalb der Temperaturbereiche, auf die es ausgelegt ist, physikalische Veränderungen im Detektormaterial, in diesem Fall Quecksilber. Die Veränderungen der Umgebungstemperatur wirken sich direkt proportional zu Veränderungen des gemessenen Objekts aus und können bequem auf einer Skala abgelesen werden.

Allerdings fehlt dem Flüssigkeitsthermometer noch ein wichtiges Element: die eingangs erwähnte Konvertierung. Diese kommt bei der moderneren Variante, dem Digitalthermometer, ins Spiel. Der Temperaturfühler dieses Messgeräts reagiert ebenfalls linearer, indem sich Temperaturveränderungen direkt proportional auf die Ausgangsspannung auswirken, die das entsprechende Messergebnis liefern.

Wo wurden Sensoren erfunden?

Genau so wenig wie es den Sensor gibt, existieren eine Reihe von technischen Lösungen zur Erfassung von Daten. Hier ein kurzer Überblick über einige der wichtigsten Meilensteine, die zur Entwicklung moderner Sensoren führten:

Die Geschichte der Sensoren von der Antike bis heute

Schon seit der Antike beschäftigte sich die Menschheit mit der Konstruktion verschiedener Arten von Sensoren. Philon von Byzanz konstruierte im dritten Jahrhundert vor Christus ein Gerät, das die Expansion und Kontraktion von Luft als Reaktion auf Temperaturveränderungen anzeigen konnte. Im 17. Jahrhundert baute der italienische Astronom und Physiker Galileo Galilei die erste Version eines Glasthermometers (dass er „Thermoskop“ nannte). Nach dem Prinzip des 1714 von Daniel Gabriel Fahrenheit entwickelten Quecksilberthermometers basierten später auch Quecksilberschalter in frühen Thermostaten zur Temperaturregelung.

Einige Jahrzehnte nach Fahrenheits Erfindung, im Jahr 1784, entwickelte der englische Ingenieur George Atwood den ersten Beschleunigungssensor, um die Newtonschen Trägheitsgesetze zu überprüfen. Die heute eingesetzten Piezoelektrische Beschleunigungssensoren funktionieren ebenfalls auf diesen physikalischen Gesetzen.

Andere Entdeckungen hingegen blieben jahrzehnte- oder sogar jahrhundertelang ungenutzt, ehe praktikable Anwendungsmöglichkeiten für sie ersonnen wurden. So wurde beispielsweise die Infrarotstrahlung im Jahr 1800 von dem deutschen Astronomen William Herschel entdeckt, doch erst in den 1970ern wurden Kameras mit Infrarotsensoren entwickelt, die Wärmebilder erstellen konnten.

Im Jahr 1938, fertigten die amerikanischen Ingenieure Arthur Ruge und Edward Simmons den ersten variablen Dehnungsmessstreifen. Man findet sie heutzutage in elektronischen Waagen, z.B. Badezimmerwagen. Dieser spezielle Typ des Wandlers konvertiert mechanische Kraft wie Dehnen oder Zusammendrücken in Änderungen des elektrischen Widerstands.

Während des Zweiten Weltkriegs wurde die Entwicklung dieser und weiterer Technologien, darunter Radiofrequenz-Identifikations-Transpondern, den Vorläufernheutiger RFID-Chips, vorangetrieben. Dank dieser konnten feindliche und verbündete Flugzeuge voneinander unterschieden und der versehentliche Beschuss eigener Einheiten vermieden werden.

Sensoren in der Industrie

In der industriellen Fertigung sind Sensoren unabdingbar, zum Beispiel um rechtzeitig Warnsignale zu geben oder, in Verbindung mit Sicherheitsschaltern, zur sicheren Abschaltung. So kann eine Beschädigung von Gerätschaften oder Verletzung des Personals rechtzeitig verhindert werden. Sie leisten somit einen wichtigen Beitrag zur Sicherheit. Weitere Einsatzmöglichkeiten für Sensoren sind:

In automatischen Türöffnungssystemen in Sicherheitszonen, um den Zugang auf Personen zu beschränken, die den erforderlichen RFID-Chip tragen.
Zur Erkennung fester Gegenstände mittels fotoelektrischer Sensoren, z.B. in Einweglichtschranken in Lastenaufzügen.
Infrarot-Temperatursensoren und Wärmebildkameras zur Suche von Störungen, sowie zu vorbeugenden Instandhaltungsmaßnahmen.

Die verschiedenen Sensor-Typen im Überblick

Von induktiven bis zu kapazitativen Sensoren– technische Lösungen zur Überwachung und Automation gibt es in Hülle und Fülle. Wir stellen Ihnen die wichtigsten vor:

RFID-Sensoren

RFID-Sensoren senden und empfangen per Funktechnologie verschlüsselte Daten an und von RFID-Chips. Sie können Informationen auf kurze Entfernung erfassen (wie beispielsweise Identifikationschips) aber auch über größere Entfernungen, beispielsweise für die Identifizierung von Produkten in Warenlagern oder im Güterverkehr. Dadurch Beschleunigen sie die Logistik immens. Weitere Informationen finden Sie in unserem Ratgeber zu RFID-Sensorik.

Typen von RFID-Geräten:

passiv (Passive Reader Active Tag-Geräte, PRAT)
aktiv (Active Reader Passive Tag, ARAT)
Senden und Empfangen im Nahbereich (Frequenzbereich 120 - 150 kHz),
Senden/Empfangen auf Entfernungen bis 200 m (3,1 - 10 GHz)

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Temperatursensoren

Temperaturfühler, von PT-Sensoren bis hin zu Thermoelementen, messen präzise Änderungen der Wärmeenergie eines Körpers oder einer Flüssigkeit und wandeln die Messungen in eine bestehende Temperaturskala um. Entscheidend bei der Auswahl ist die der für den Gebrauch vorgesehene Messbereich. Außerhalb dieser Bereiche können sich ungenaue oder verfälschte Werte ergeben (d. h. ihre Linearität lässt nach).

Kontaktlose Thermometer überwachen die Temperaturen beispielsweise mittels Infrarottechnologie. Das hat den Vorteil, dass der Sensor nicht das Messergebnis durch Berührung verfälscht.

Arten von Temperatursensoren:

Thermometer
Thermoelemente
Widerstandsthermometer mit Kontakt
Kontaktlose Widerstandsthermometer

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Hygrometer und Feuchtemessgeräte

Man unterscheidet Sensoren zur Messung von Feuchtigkeit in zwei Arten:

Feuchtemessgeräte messen die Änderungen, die durch die Luftfeuchtigkeit in einem Material hervorgerufen werden. So können beispielsweise Feuchteschäden in Gebäuden frühzeitig erkannt werden, um Schimmelbildung zu vermeiden.

Hygrometer hingegen messen den Anteil von Feuchtigkeit in der Luft. Dabei ermitteln sie die relative Luftfeuchtigkeit in der Atmosphäre, also den Anteil an tatsächlichem Wasserdampf im Vergleich zur möglichen Sättigung bei einer bestimmten Temperatur. Dieser Anteil wird als Prozentsatz oder in Gramm pro Kubikmeter angegeben. Sie wollen mehr über Feuchtemessgeräte und Hygrometer erfahren? Dann schauen Sie in unseren Ratgeber zum Thema „Feuchte messen“!

Typische Einsatzbereiche:

Papier- und Textilienproduktion
Lebensmittelverarbeitung
Filmtrocknungsverfahren

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Beschleunigungssensoren und Gyroskope

Beschleunigungssensoren und Gyroskope erfassen Änderungen in der Geschwindigkeit eines Objekts oder dessen Rotation relativ zur Schwerkraft. Elektrische Veränderungen in piezoelektrischen Kristallen oder Kapazitätsvariationen zwischen elektrisch empfindlichen Mikrostrukturen registrieren solche Bewegungen und übersetzen sie in elektrische Signale. Für mehr Details schauen Sie am besten in den Ratgeber zum Thema Accelerometer.

Weitere Varianten und Typen:

Beschleunigungsmesser in Smartphones
Magnetometer für elektronische Kompasse
Neigungsmesser in digitalen Wasserwaagen

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Bewegungssensoren

Diese werden in Sicherheitssystemen sowie auch in Fertigungsverfahren eingesetzt, um Bewegungen von Objekten (wie beweglichen Bauteilen oder Fahrzeugen) oder nicht autorisierten Personen zu erfassen. Es gibt zwei große Kategorien von Bewegungssensoren, die beide eine ähnliche Palette verschiedener Technologien umfassen: Die lokale Abtastung konzentriert sich auf einen festgelegten Bereich und schafft durch Aussendung eines Strahls an einen Detektor eine Art „Elektrozaun“. Bewegt sich ein Mensch, Objekt oder Tier in diesen Strahl, wird er unterbrochen und der Zaun wird beschädigt.

Die Bereichsabtastung hingegen verwendet ein „Sichtfeld“ und registriert jegliche Bewegung in diesem Bereich.

Wichtige Technologien:

Aktiv-Infrarot- (AIR) und Passiv-Infrarot (PIR),
aktiver Ultraschall,
aktive Tomographie-Bewegungssensoren,
und schließlich aktive Mikrowellen.

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Weitere Arten von Sensoren

Stromsensoren

Messen die Stromstärke in Kabeln und Stromschienen, genaugenommen das Magnetfeld in einem stromdurchflossenen Leiter. Der Anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR-Effekt) tritt nahezu verzögerungsfrei ein, sodass auch sehr schnelle Stromänderungen hochdynamisch erfasst werden.

Füllstandsensoren und Durchflusssensoren

Das Flüssigkeitsmanagement ist wichtiger Bestandteil vieler Industrien. Dazu gehört auch die Überwachung der Durchflussmenge und des Füllstandes. Letzterer verwendete beispielsweise einen Schwimmer oder einen kontaktlosen Ultraschallsensor, der von der Oberfläche des Mediums reflektierte Ultraschallimpulse nutzt, um den Füllstand zu messen. Weitere Infos finden Sie hier.

Drucksensoren

Vereinfacht gesagt ist ein Drucksensor ein Instrument, das Druck wahrnimmt und in ein Messsignal konvertiert, meistens ein analoges elektrisches Signal. Die Standard-SI-Einheit ist Pascal (1 Pascal = 1 Newton pro Quadratmeter).

Typen von Näherungsschaltern

Näherungssensoren können verschiedenste Objekte, oder Ziele, in ihrer näheren Umgebung erkennen, indem sie ein Feld oder einen Strahl aus elektromagnetischer Strahlung emittieren und die Änderungen des zurückgeworfenen Feldes bzw. der Strahlen messen. Auf diese Weise helfen sie Abstände zu bewahren und Hindernisse rechtzeitig zu erkennen.

Ultraschallsensoren

Ultraschallsensoren nutzen die die konstante Geschwindigkeit des Schalls zur Erkennung des Vorhandenseins von Objekten. Dabei sendet der Sensor einen Schallimpuls aus, der von Objekten im Schallwellenfeld auf den Sensor zurückreflektiert wird, welcher das Echo dann in ein Ausgabesignal umwandelt. Der Erfassungsbereich ist dabei sehr groß (bis zu 15 Meter).

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Kapazitive Näherungsschalter

Kapazitive Näherungsschalter haben den Vorteil, dass sie auch nicht metallische Objekte erkennen. Allerdings sind sie nicht unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit und haben eine relativ kurze Erfassungsreichweite (bis 25 mm).

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Induktive Näherungsschalter

Bei induktiven Näherungssensoren handelt es sich um Geräte mit Halbleiterrelais, die das Prinzip des induzierten Magnetfelds dazu nutzen, vorhandene Metallobjekte zu erfassen. Sie eignen sich für die Verwendung in nassen Bereichen und sind unempfindlich gegen Staub. Im Vergleich zu kapazitiven Näherungssensoren besitzen sie eine größere, aber dennoch begrenzte Erfassungsreichweite (bis 50 mm).

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Fotoelektrische Sensoren

Allgemein auch Lichtschranken genannt, bestehen diese aus zwei Komponenten: An der einen Seite emittieren sie einen Lichtstrahl, während sie auf der anderen Seite metallische und nicht metallische Gegenstände registrieren, sobald diesen den Strahl unterbrechen; bei einer anderen Variante sind Sender und Empfänger in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, sodass die Reflexion des Strahls gemessen wird, sobald der Strahl an dem Ziel abprallt und zurück zum Sensor gelangt. Weiteres über die Funktionsweise und Einsatzmöglichkeiten von Lichtschranken lesen Sie hier.

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Hall-Effekt-Sensoren

Diese Näherungsschalter basieren auf einem Prinzip, das der Physiker Edwin Hall bereits 1869 entdeckt hat. Sieverfügen über zwei dünne Halbleiter, durch die Strom hindurchfließt. Wird dann ein Magnetfeld senkrecht zur Flussrichtung des Stroms angelegt, steigt die Spannung geringfügig (im Mikrovoltbereich) an. Diese verringert oder vergrößert sich je nach Abstand des Magneten.

Diese Sensoren werden oftmals als Tankfüllstandsanzeigen verwendet. Dabei ist ein Magnet am Schwimmer angebracht. Ändert er seine Höhe, tritt in dem senkrecht zu dem Magneten angebrachten Halbleiter eine Spannungsänderung auf.

Weitere Informationen finden Sie in unserem Ratgeber zum Thema Hallgeber.

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NPN- oder PNP – welchen Sensor brauche ich?

Sensoren verwenden bei der Ausgabe Transistoren. Abhängig von der Anwendung und der Ausgabeart stellt sich bei der Wahl des Sensors also zusätzlich die Frage: benötigt man einen Sensor mit NPN- oder PNP-Ausgang?

Zuerst einmal muss der Standort in Betracht gezogen werden. Während in Europa typischerweise PNP-Transistoren genutzt werden, dominiert im asiatischen Raum eindeutig der NPN-Typ. Noch wichtiger ist jedoch, ob man einen Senkausgang oder einen Quellenausgang benötigt. Bei NPN-Sensoren mit Senkausgang fließt Strom in den Sensor und zu V−, während es bei PNP-Sensoren mit Quellenausgang genau umgekehrt ist.

Bei einem NPN-Ausgang wird die Last mit dem Schaltausgang und V+ verbunden; daher ist V+ der Bezugspunkt. Ändert sich der Signalstatus, schaltet der Transistor durch, Strom fließt von V+ über die Last durch den Transistor zu V−, wodurch der Stromkreis geschlossen wird. Beim PNP-Ausgang wird die Last mit dem Schaltausgang und V- verbunden; in diesem Fall ist also V- der Bezugspunkt.

Zum einfacheren Verständnis stellen Sie sich Sensor als Schalter vor:

NPN-Negativschaltung und PNP-Positivschaltung

Bei einem NPN-Sensor findet der Schaltvorgang auf der [-V]-Schiene statt. Die [+V]-Schiene ist dabei die gemeinsame Versorgung des Gerätes und des Sensors. Eine permanente [+V]-Spannung wird an das Gerät angeschlossen, das aktiviert werden soll, wie etwa eine SPS oder ein Relais. Sobald der Sensor aktiviert wird, schaltet er die [−V]-Schiene auf und schließt den Stromkreis. Strom fließt durch den Sensortransistor in das Gerät, das dadurch eingeschaltet wird oder seinen Status ändert.

Bei einem PNP-Sensor findet der Schaltvorgang auf der [+V]-Schiene statt. Die [−V]-Schiene ist dabei die gemeinsame Versorgung des Gerätes und des Sensors Eine permanente [−V]- Spannung wird an das Gerät angeschlossen, das aktiviert werden soll, wie etwa eine SPS oder ein Relais. Sobald der Sensor aktiviert wird, schaltet er die [+V]-Schiene auf und schlie&szlszlig;t den Stromkreis. Strom fließt durch den Sensortransistor in das Gerät, das dadurch eingeschaltet wird oder seinen Status ändert.

Denken Sie daran: Bei einer gemeinsamen positiven Spannungsversorgung [+V], wird ein NPN-Ausgabesensor benötigt. Bei einer gemeinsamen negativen Spannungsversorgung [−V], wird ein PNP-Ausgabesensor benötigt.

So schließen Sie Sensoren korrekt an

Sensoren werden gewöhnlich unter dem Aspekt der Spannung beschrieben, die die Signalleitung abgibt, wenn der Eingang eingeschaltet wird. Ein PNP-Sensor hat ein Signal, das positiv wird, wenn der Sensor den Zustand „EIN“ signalisieren soll; ein NPN-Sensor hat ein Signal, das negativ wird, wenn er sich im Zustand „EIN“ befindet (siehe auch Beispiel unten).

PNP wird manchmal als die sicherere der beiden Optionen angesehen, da eventuelle Erdschlüsse zur Folge haben könnten, dass NPN-Sensoren ein falsches Schaltungssignal geben.

Anschluss an eine SPS

Wenn ein Sensor an die Eingangsstufe einer SPS angeschlossen wird, erkennt die Eingangsstufe in welchem Zustand sich der Sensor befindet (ein oder aus); die SPS muss jedoch vom selben Typ sein wie der Sensor.

Wenn ein PNP-Sensor an einen PNP-Eingang angeschlossen wird, fließt Strom vom Sensor zum Eingang. Das bedeutet, dass dort, wo ein PNP-Sensor Strom zieht, ein PNP-Eingang Strom senken muss. Im umgekehrten Fall senkt ein NPN-Sensor Strom und ein NPN-Eingang zieht Strom.