Sensoren erklärt Was ist ein Sensor | Induktiver und kapazitiver Sensor

Bei einem Sensor handelt es sich um die Umkehrung eines Aktors. Das Prinzip besteht darin, eine physikalische Größe oder aber einen chemischen Effekt aufzunehmen und in ein analog-elektrisches Signal umzumünzen. Wesentliche physikalische Größen sind unter anderem Drehzahl, Gewicht, Lichtstärke, Druck, Temperatur uvm.

Abbildung eines induktiven Sensor, kapazitive Sensoren sind äußerlich identisch

Wie funktioniert ein Sensor?

Das Prinzip eines Sensors ist leicht zu verstehen, Sensoren sind aber durchaus komplexe elektronische Geräte, denen eine große Bedeutung im Alltag zukommt. Zunächst erfasst der Sensor die physikalische Größe und wandelt diese in eine spezifische elektrische Spannung um, wobei diese in proportionalem Verhältnis zur Eingangsgröße steht.

Der Sensor bedient sich dabei sogenannter Wandler, welche das Herzstück des Sensors bilden. Sensorische Wandler arbeiten auf unterschiedliche Art und Weise und können magnetisch, radioaktiv, ladungstechnisch, feldstärkengesteuert, magnetisch, piezoelektrisch, induktiv oder kapazitiv sein.

Sensoren sorgen somit für eine Skalierung der Eingangssignale, sodass die Ausgabe für das angeschlossene Verwertungsgerät interpretierbar wird. Ein Sensor lässt sich im übertragenen Sinne als Übersetzer bezeichnen, denn er münzt die ankommenden Signale in interpretierbare Größen um. Ein Geigerzähler analysiert beispielsweise die radioaktive Strahlung mittels Sensor und gibt den standardisierten Wert im Display wieder. Sensoren können sowohl kabelgebunden als auch funktechnisch arbeiten. Häufig sind sie - wie beim Geigerzähler - mit einem Mikrosystem verbunden, wodurch sie zu einer eigenen Einheit, einem Bauelement, werden.

Sensoren sorgen für eine Skalierung der Eingangssignale

Hauptsächlich werden Sensoren in mechanische und nicht-mechanische Sensoren unterteilt. Ein mechanischer Sensor erfasst unter anderem Kraft oder Druck, sein nicht-mechanisches Gegenstück ist für die Rezeption von Licht, Temperatur, Magnetfeldern und chemischen Stoffen zuständig.

Abbildung eines Lego Mindstorms NXT Helligkeitssensor

Aktive und passive Sensoren

In der Physik werden Sensoren in passive und aktive Sensoren eingeteilt. Ein aktiver Sensor nimmt ein elektrisches Signal direkt auf und benötigt keine elektrische Hilfsenergie. Es erfolgt dadurch keine Umwandlung der Energie, während bei einem passiven Sensor die Parameter durch die Messgröße umgeformt wird. Das Ausgangssignal des passiven Sensors ist also nicht elektrischer Natur und wird erst durch den Sensor in ein elektrisches Signal verwandelt.

Während aktive Sensoren keine externe Energie benötigen, weil sie die ankommenden elektrischen Signale direkt nutzen, benötigen passive Sensoren für die Umformung eine Hilfsenergie, zum Beispiel Strom.

In der Physik werden Sensoren in passive und aktive Sensoren eingeteilt

Wo werden Sensoren eingesetzt?

Ein Sensor ist ein äußerst vielseitig einsetzbares Gerät und wird in nahezu allen Bereichen unseres Lebens verwendet. In der Technik sowie den Lebenswissenschaften Biologie und Medizin wird der Begriff sehr häufig gebraucht. Vor allem in der Technik fungieren Sensoren als Signalgeber bei automatisierten Prozessen.

Bekannt sind Sensoren aus optischen Netzen, DVD-Laufwerken, Scannern, Camcordern und Digitalkameras. Rauchmelder, Regenmesser und Bewegungsmelder sind weitere Beispiele für Sensoren. Zu den wichtigsten Sensor - Arten zählen resistive Sensoren. In Abhängigkeit der Messgröße ändert sich der Widerstand des Sensors. Der daraus resultierende Spannungsabfall kann registriert und interpretiert werden. Wägezellen, die in Waagen zum Einsatz kommen, arbeiten nach diesem Prinzip.

 

Im Alltag sind häufig Temperatursensoren anzutreffen. Die meisten dieser Sensoren arbeiten im Kontakt zum Messobjekt, können aber auch indirekt die Wärmestrahlung des Objekts messen. Ein typisches Beispiel dafür sind Bewegungsmelder und Thermografie-Geräte. Optoelektronische Sensoren setzen optische Informationen in elektrische Signale um.

Als Eingangssignal wird entweder sichtbares Licht, ultraviolettes Licht oder Infrarotstrahlung verwendet. Ein optoelektronischer Sensor macht sich dabei die hochkomplexen quantenmechanischen Effekte des Lichts zunutze. Dieser Sensor wird sehr häufig in Foto- und Videokameras (als CCD- oder CMOS-Sensor) sowie in der Mustererkennung (Barcodescanner) eingesetzt.

Vor allem in der Medizin kommt den Magnetfeldsensoren eine große Bedeutung zu. Ohne sie wären die heute üblichen Untersuchungsmethoden nicht durchführbar. Es handelt sich dabei um magneto-resistive Sensoren, die durch Magnetfelder aktiviert werden. Magnetfeldsensoren sind nahezu verschleißfrei und nutzen unter anderem den Zeeman-Effekt, um Spektrallinien aufzuspalten. Deshalb sind diese Sensoren zuverlässige Erfasser, die in der Magnetresonanztomografie (MRT) und Kernspinresonanztomografie eingesetzt werden.

Das Auge ist ein typischer Sensor

Übertragen auf den menschlichen Körper wäre ein typisches Beispiel für einen Sensor unser Auge. Licht wird dabei von der Netzhaut erfasst und in elektrische Signale umgewandelt, die vom Gehirn interpretiert werden. Interessanterweise findet sich für viele Sensoren im technischen Bereich eine natürliche Entsprechung am menschlichen Körper, z.B. der Tastsinn, der mechanische Reize (Berührung) in elektrische Impulse umsetzt und an das Gehirn weiterleitet.

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homeandsmart.de Redaktion

Mit seinem Blog smarthomewelt legte Kai den Grundstein für das home&smart-Portal.  Als Vordenker und Smart Home Fan der ersten Stunde, schrieb er bereits 2014 über IoT-Trends und testete als einer der ersten deutschen Nutzer eine große Anzahl an vernetzten Geräten.  Kai begleitete als langjähriger Experte auch das home&smart-Team bei seinen ersten Schritten im Smart Home Bereich. Bis heute genießt er täglich die Vorzüge seines professionellen Smart Homes und begeistert sich für alle innovativen Dinge im Internet. Sein aktueller Fokus: Cryptowährungen.

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