Sensor

Ein Sensor (von lateinisch sentire, dt. „fühlen“ oder „empfinden“), (Messgrößen-)Aufnehmer oder (Mess-)Fühler ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften (z. B.: Wärmestrahlung, Temperatur, Feuchtigkeit, Druck, Schall, Helligkeit oder Beschleunigung) und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in weiterverarbeitbare Größen (meist elektrische Signale) umgewandelt. Geräte, die eine Energieform (z. B. Strahlung) in eine andere (z. B. elektrische Spannung) umwandeln, heißen Wandler (engl. transducer).

Die Abgrenzung der Begriffe Sensor und Messgerät, Messwertaufnehmer, Messfühler etc. ist fließend. Auch verwandte Begriffe sind in der Literatur nicht eindeutig definiert.

Die biologische Entsprechung für Sensor ist der Rezeptor.

Einteilung

Sensoren können nach Baugröße und Fertigungstechnik sowie nach Einsatz- und Verwendungszweck eingeteilt werden. So unterscheidet man Sensoren entsprechend ihrer Wirkungsweise beim Umformen der Größen in passive und aktive Sensoren.

Nach Standard

NAMUR-Sensor (Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie)

Passive und aktive Sensoren

Sensoren lassen sich anhand der Energieverwendung einteilen in aktive und passive Sensoren.

Passive Sensoren enthalten einen Wandler, der die Messgröße in elektrische Signale umwandelt (z.B. elektrodynamisch oder piezoelektrisch). Dabei wird keine elektrische Hilfsenergie benötigt. Mit diesen Sensoren ist – bedingt durch die physikalischen Prinzipien – jedoch nur eine Änderung der Meßgröße detektierbar, da im statischen und quasistatischen Zustand keine Energie gewandelt werden kann. Außerdem sind passive Sensoren in Umkehrung des physikalischen Messprinzips auch als Aktoren nutzbar, z.B. ein dynamisches Mikrofon, das auch als Lautsprecher verwendet werden kann.

Aktive Sensoren enthalten passive Bauteile, deren Parameter durch die Messgröße verändert werden. Durch eine Primärelektronik werden diese Parameter in elektrische Signale umgeformt. Dabei wird eine von außen zugeführte Hilfsenergie benötigt. Es ist so allerdings möglich, statische und quasistatische Messgrößen zu bestimmen. Aus diesem Grund ist die überwiegende Zahl der Sensoren aktiver Bauart. Beispiele sind z.B. Wägezellen oder Temperatursensoren.

Teilweise wird allerdings auch eine Einteilung anhand der verwendeten Bauteile vorgenommen; da diese bei aktiven Sensoren passiv sind (und umgekehrt) ist dies in der Praxis sehr verwirrend. Diese Einteilung wird vor allem außerhalb der Messtechnik, z.B. in der Verfahrenstechnik, benutzt.

Moderne Sensoren verfügen oft über eine umfangreiche Sekundärelektronik, die über von außen zugeführte Energie betrieben wird. Dennoch sind nicht alle diese Sensoren aktiv, vielmehr muß das Messverfahren selbst betrachtet werden.

Nach Verwendungszweck

Sensoren, die Strahlung (z. B. Licht, Röntgenstrahlung oder Teilchen) nachweisen, bezeichnet man als Strahlungs- bzw. Teilchendetektoren. Auch ein normales Mikrofon ist ein Sensor für den Schallwechseldruck.

Des Weiteren unterscheiden sich Sensoren in verschiedenen Auflösungsarten:

• Temporale Auflösung: Zeit zwischen zwei Aufnahmen.
• Spektrale Auflösung: Bandbreite der Spektralkanäle, Anzahl der verschiedenen Bänder.
• Radiometrische Auflösung: Kleinste Differenz der Strahlungsmenge, die der Sensor unterscheiden kann.
• Geometrische Auflösung: Räumliche Auflösung, d. h. Größe eines Pixels.

Virtuelle Sensoren

Virtuelle Sensoren (oder auch Softsensoren) sind nicht körperlich existent, sondern sind in Software realisiert. Sie „messen“ Werte, welche aus den Messwerten realer Sensoren mit Hilfe eines empirisch erlernten oder physikalischen Modells abgeleitet werden. Virtuelle Sensoren werden für Anwendungen eingesetzt, in denen reale Sensoren zu teuer sind, oder in Umgebungen, in denen reale Sensoren nicht bestehen können oder schnell verschleißen.

Anwendungsgebiete

Der Begriff Sensor wird in der Technik und in den Lebenswissenschaften (Biologie und Medizin) verwendet, seit einigen Jahren verstärkt auch in den Naturwissenschaften. Beispiel für letztere sind Anwendungen von CCD-Bildsensoren und Teilchenzähler in der Astronomie, Geodäsie und Raumfahrt.

In der Technik spielen Sensoren in automatisierten Prozessen als Signalgeber eine wichtige Rolle. Die von ihnen erfassten Werte oder Zustände werden, meistens elektrisch-elektronisch verstärkt, in der zugehörigen Steuerung verarbeitet, die entsprechende weitere Schritte auslöst. In den letzten Jahren wird diese anschließende Signalverarbeitung auch zunehmend im Sensor vorgenommen. Solche Sensoren beinhalten einen Mikroprozessor oder ein Mikrosystem und besitzen sozusagen „Intelligenz“, daher werden sie auch als Smart-Sensoren (engl. smart sensors) bezeichnet.

Weiterführende Themen

Signalaufbereitung

Typische Verstärker zur Signalaufbereitung:

• Instrumentierungsverstärker
• Isolierverstärker
• Chopper-Verstärker
• Lock-In-Verstärker

Sensorübersichten

• Sensoren nach Messprinzip
• Sensoren nach Messgröße

Siehe auch

Distanzsensor, Gassensor, Sensornetz

Literatur

• Edmund Schiessle: Sensortechnik und Messwertaufnahme. Vogel, Würzburg 1992. ISBN 3802304705
• Jörg Hoffmann: Taschenbuch der Messtechnik. 5. Auflage, Hanser, Leipzig 2007. ISBN 3446409939
• Wolf-Dieter Schmidt:Sensorschaltungstechnik. Vogel, Würzburg 2007. ISBN 3834231118

Weblinks

• SensorLab: Lernumgebung zum Bereich der Sensorik