Wesentliche Überlegungen zur Auswahl des richtigen Sensors

Ob mit oder ohne Platine: Sensoren sind wesentlicher Bestandteil eines intelligenten elektronischen Systems. Sie empfangen und interpretieren Daten der realen Welt und wandeln diese in verarbeitbaren Output um. Dank Sensoren können automatisierte Systeme effizienter arbeiten, indem sie deren Zuverlässigkeit, Genauigkeit und Produktivität verbessern.

Wesentliche Überlegungen zur Auswahl des richtigen Sensors

Techniker werden sich freuen, zu hören, dass Unternehmen, Studierende und Freizeitanwender dank des effektiven Einsatzes von Sensoren von einem reaktiven zu einem proaktiven Ansatz gelangen, was zu einem erhöhten Nutzen für Endanwender führt. Eben dieser Wandel kann bei der effektiven Nutzung von Sensoren den Unterschied machen.

Die Bandbreite und Variation bei den angebotenen Sensoren ist enorm, weshalb auch die Auswahl des passenden Sensors für einen bestimmten Zweck eine Herausforderung darstellen kann. Um die Wahl zu erleichtern, sollten Käufer sich an den folgenden Kriterien orientieren:

Neun wesentliche Überlegungen

1. Sensortyp

Die Wahl des richtigen Sensors hängt von der Eigenschaft ab, die durch diesen ermittelt werden soll (also Metall, Festkörper, Flüssigkeit, Gas usw.). Dieser grundlegende Faktor bestimmt bereits, ob ein Sensor überhaupt geeignet ist.

Zu den gebräuchlichen Sensoren gehören u. a.:

• Temperatursensoren

Temperatursensoren werden in unterschiedlichen Formen angeboten, also etwa als eigentliche Temperatursensoren, Thermistoren, Thermoelemente und Widerstandsthermometer. Die Anwendungsmöglichkeiten sind breit gefächert: Computer, Mobiltelefone, Autos und Klimaanlagen – sie alle verwenden unterschiedliche Arten von Temperatursensoren.

• Proximity Sensors

A proximity sensor is a non-contact sensor that detects the presence of an object. They can be used for Optical, Ultrasonic and Hall Effect techniques amongst others. Proximity sensors are used in applications such as mobile phones, parking sensors in cars and for ground proximity in aircrafts.

• Infrared (IR) Sensors

There are two types of IR sensors – transmissive and reflective:

Transmissive Type: The IR transmitter and IR detector are positioned facing each other so that the sensor detects the object when it passes between them.

Reflective Type: The transmitter and the detector are positioned adjacent to each other, facing the object so that the sensor detects the object when it is in front of the sensor.

• Pressure Sensors

There are three types of pressures that can be measured: gauge, absolute and differential.

1) Gauge: measures pressure relative to the ambient atmospheric pressure. This sensor would be useful for measuring levels of liquid in a vented tank using the difference in ambient atmospheric pressure and hydrostatic pressure.

2) Absolute: measures pressure relative to a perfect vacuum. Absolute pressure sensors can be used to measure atmospheric pressure to determine altitude. Another use is in tyre pressure monitoring systems.

3) Differential: measures the difference in pressure between two points. These sensors are often used to detect the difference in pressure on either side of an object. A prime example of this would be monitoring airflow in air conditioning applications.

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• Lichtsensoren

Es gibt mehrere Arten von Lichtsensoren, darunter Fotoresistoren, Fotodioden und Fototransistoren.

Fotowiderstände sind lichtempfindliche Bauteile. Sobald Licht auf sie fällt, ändert sich ihr Widerstand. Es handelt sich dabei um die gebräuchlichsten Fotosensoren, wobei die Straßenbeleuchtung eine ihrer Hauptanwendungen ist.

Fotodioden sind lichtempfindliche Halbleiter, die klein, leicht und preiswert sind. Ohne Probleme lässt sich damit die Lichtstärke vom Picowatt- bis zum Milliwatt-Bereich messen. Zudem sind sie sehr empfindlich und weisen eine kurze Reaktionszeit im Picosekunden-Bereich auf. Ihre Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig und reichen von Sensoren für automatische Türöffner, über Rauchmelder, bis hin zu Blutzuckermessgeräten für Diabetiker.

Fototransistoren sind im Grunde nur eine Kombination aus Fotodiode und Verstärkungstransistor. Die Basis des Transistors ist ein Foto-Halbleiter, und über die Verstärkerwirkung kann am Emitter/Kollektor ein deutlich stärkeres Signal abgegriffen werden. Fototransistoren kommen in Sicherheitssystemen, Encodern und bei der Lichtregelung zum Einsatz.

• Strömungs- und Pegelsensoren

Strömungssensoren mmessen die Masse und das Volumen von Durchflussmengen. Derartige Sensoren werden u. a. in Beatmungsgeräten, Sauerstoffkonzentratoren und Klimaanlagen genutzt.

Bei einem Pegelsensor handelt es sich um ein Gerät, mit dem die Menge/der Pegel von Fluiden gemessen wird, die durch ein offenes oder geschlossenes System strömen. Es gibt zwei Arten von Pegelmessung: Grenzstand und Füllstand. Sensoren für den Grenzstand messen bis zu einem bestimmten Grenzwert und liefern dabei genaue Messergebnisse, während Sensoren für den Füllstand lediglich bestimmen, ob der Flüssigkeitspegel niedrig oder hoch ist.

2. Vorgesehene Anwendungsmöglichkeiten

Noch vor der Wahl eines Sensors müssen alle Anwendungsanforderungen berücksichtigt werden. Hierbei kann es sich um die folgenden Faktoren handeln:

• Entfernung vom Ziel- Dies hilft dabei, die erforderliche Empfindlichkeit eines Sensors beim Erkennen des Zielobjekts sowie den erforderlichen Bereich, damit der Sensor seinen Zweck erfüllt, zu bestimmen.
• Positionierung des Sensors – Die Umgebung, in die ein Sensor gesetzt wird, bestimmt die erforderliche Größe des Sensors und ist zugleich entscheidend für die Installationsmöglichkeiten.

Ganz gleich, wie effektiv ein Sensor im isolierten Zustand funktioniert: letztlich muss auch die Umgebung des Sensors berücksichtigt werden.

3. Genauigkeit und Präzision

Die Genauigkeit ist für ein Produkt oft eine wesentliche Kennzahl. Bei der Vermarktung von Sensoren werden die Begriffe „Genauigkeit“ und „Präzision“ meist synonym verwendet, obwohl sie eigentlich unterschieden werden müssen. Um sich für die eine oder andere Ausführung zu entscheiden, muss man zunächst den Unterschied verstehen.

Abbildung 8: Genauigkeit im Vergleich zu PräzisionDie Genauigkeit ist für ein Produkt oft eine wesentliche Kennzahl. Bei der Vermarktung von Sensoren werden die Begriffe „Genauigkeit“ und „Präzision“ meist synonym verwendet, obwohl sie eigentlich unterschieden werden müssen. Um sich für die eine oder andere Ausführung zu entscheiden, muss man zunächst den Unterschied verstehen.

4. Langlebigkeit

Bei der Wahl eines Sensors sollte man auch Faktoren berücksichtigen, die mit seiner Langlebigkeit zu tun haben. Folgende Fragen sollte man sich dabei stellen:

• Wie langlebig ist der Sensor?
• Wird er über lange Zeit funktionsfähig bleiben, ohne ausgetauscht werden zu müssen?
• Erweist er sich als widerstandsfähig in einer rauen Umgebung?

Die Lebensdauer jedes Sensors ist endlich. Oft wird diese durch die Betriebszeit, die Haltbarkeit oder das Ablaufdatum des Sensors bestimmt. Zu den Faktoren, welche die Langlebigkeit eines Sensors beeinflussen, gehören u. a. Ausführung, Material, Herstellung, gemessene Konzentrationen und Umgebungsbedingungen, denen der Sensor ausgesetzt ist.

So haben beispielsweise Sensoren, die Materialien wie Sauerstoff oder Glukose verbrauchen, voraussichtlich eine sehr kurze Lebenserwartung, während diese bei anderen Sensoren (besonders bei Temperatursensoren) über zehn Jahren liegt. Man sollte aber berücksichtigen, dass auch Sensoren mit langer Lebensdauer älter werden, wodurch sie allmählich Empfindlichkeit und Genauigkeit einbüßen.

Die Langlebigkeit eines Sensors ist von Bedeutung, da diese seine Kosteneffizienz, seine Eignung und Wahrscheinlichkeit von Abweichungen bestimmt. Selbst wenn Abweichungen (besonders unter Bedingungen, welche die Genauigkeit beeinträchtigen) im Laufe der Zeit unvermeidlich sind, lassen sich diese doch unter Berücksichtigung der Umgebung und der Langlebigkeit gering halten.

5. Ausgabearten  

Es gibt im Wesentlichen drei Ausgabearten:

1) Analoge Spannung

2) PWM

3) Seriell-digitale Werte

Digitale Signale werden gegenüber analogen Signalen oft bevorzugt, da letztere eher von äußeren Störungen beeinflusst werden. Dies kann zu Fehlern beim Ausgabesignal führen. Zudem gilt eine digitale Ausgabe aufgrund ihrer Kompatibilität mit Computerprogrammen gemeinhin als moderner. Dies ist jedoch nicht für alle Anwendungen von Bedeutung, da einige Daten auch ohne Computerprogramme interpretiert werden können. Zudem ist es möglich, die Analogausgabe des Sensors mit einem Analog-Digital-Wandler in eine Digitalausgabe umzuwandeln.

Viele Regelungssensoren nutzen Stromschleifen mit 4 bis 20 mA, wobei 4 mA das untere und 20 mA das obere Analogsignal darstellen. Oft macht man sich dies bei der Datenübertragung zunutze, da Stromschleifen gegenüber elektrischen Störungen unempfindlich sind.

6. Reaktionszeit   

Bei den meisten Sensoren wird die Reaktionszeit in Millisekunden gemessen, selbst wenn bei einigen (besonders bei Sensoren für Gase und Leckagen) die Messung in Sekunden oder Minuten stattfindet. Die optimale Reaktionszeit wird oft durch die empfangenen Daten bestimmt.

7. Wiederholgenauigkeit

Es ist von besonderer Bedeutung, ob die abgetastete Variable in derselben Umgebung konsistent gemessen werden kann. Die Wiederholbarkeit verweist dabei auf die eigene Konsistenz eines Sensors, wobei es darum geht, dass unter denselben Bedingungen immer dasselbe Ergebnis erzielt wird. Dieser Wert ist oft mit der Genauigkeit verknüpft. Ein Sensor kann jedoch ungenau sein und dennoch mehrfach die gleichen Messungen erbringen.

8. Kosten  

Sensoren werden typischerweise im Rahmen eines größeren Infrastruktur-Netzwerks betrieben. Insofern sind die Kosten des Sensors ein bedeutsamer Faktor, wenn es um das Potenzial eines Ausbaus und einer Skalierbarkeit geht. Aber selbst wenn Sensoren bei jeder Infrastruktur eine wesentliche Komponente darstellen, müssen sie preislich so bemessen werden, dass sie sich proportional im Finanzrahmen des zu unterstützenden Gesamtprojekts bewegen.

9. Spezielle Anforderungen

Je nach Sensor oder besonderer Verwendung des Sensors kann es spezielle Anforderungen geben, die zu berücksichtigen sind. Hierzu gehören etwa extrem hohe Temperaturen, Feuchtigkeit oder unmittelbare Nähe zu Schweißprozessen, durch die ein ansonsten geeigneter Sensor im jeweiligen Einsatzfall unbrauchbar wird.

Die Rolle der Sensoren im Kampf gegen Covid-19

Sensoren sind im Kampf gegen Covid-19 in dreierlei Hinsicht unverzichtbar: durch die Überwachung des Abstandgebotes, die Gewährleistung effizienter medizinischer Kontrollen und die Verbesserung der persönlichen Schutzausrüstung (PSA) und Wearables.

Die Sensortechnologie ermöglicht es also, die Arbeitsumgebung für alle Mitarbeiter so sicher wie möglich zu gestalten, indem sie eine Kontaktverfolgung ermöglicht und medizinische Checks vor dem Betreten anbietet. Auch die Wearable-Technologie hat sich während der Pandemie als äußerst nützlich erwiesen – dank der Gesundheitsdaten, die per Sensorik gesammelt werden können. Dieser technologische Wandel hat sich durch Covid-19 beschleunigt.

Sensoren in der Zukunft  

Entwicklungen in den Bereichen Mikrotechnologie und Nanotechnologie bestimmen in zunehmendem Maße die Zukunft, wodurch Sensoren immer kreativer und vielseitiger einsetzbar sind. Durch ihren Einsatz in Smartphones und Wearables ist die Nachfrage nach kleineren Sensoren gestiegen. Ein Vorzeigebeispiel sind Beschleunigungsmesser in Mobiltelefonen, die dafür sorgen, dass das Display unabhängig von den Bewegungen des Geräts stets richtig ausgerichtet ist. Wenn diese Mikrosensoren zudem mit digitaler Elektronik und mechanischen Komponenten (den sogenannten mikro-elektro-mechanischen Systemen) kombiniert werden, können damit weitere IoT-Anwendungen gesteuert werden, was das Einsatzgebiet erweitert.

Darüber hinaus werden Technologien mit intelligenten Systemen entwickelt, die sich zunehmend wie empfindungsfähige Wesen verhalten. Solche Technologien sind selbstregulierend, selbstkorrigierend und selbstmodifizierend, und dank der schnellen Weiterentwicklung von Sensoren sind sie in der Lage, zu sehen, zu fühlen, zu riechen, zu hören und zu kommunizieren. Intelligente Sensoren mit diesen Fähigkeiten sind beim Erledigen ihrer Aufgaben zwangsläufig effizienter und bedürfen kaum noch menschlicher Eingriffe, was ein positives Anwendererlebnis mit sich bringt.

Dieser Trend zur Entwicklung von Sensoren, die menschliche Aufgaben übernehmen, ist bei den Sensoren für Radiofrequenz-Identifikation (RFID) besonders auffällig. RFID-Sensoren liefern die Voraussetzung für eine papierlose Abrechnung in Smartphones und haben mit automatisierten Türöffnungssystemen die Sicherheitsverfahren optimiert. RFID-Sensoren hatten auch Auswirkungen auf den weltweiten digitalen Paketversand, da sie eine schnellere Verarbeitung, Beförderung und Auslieferung zuallererst möglich gemacht haben. Für Branchen, die Waren innerhalb kürzester Fristen ausliefern müssen – beispielsweise leicht verderbliche Waren in der Lebensmittel- und Getränkeindustrie – bringt dies immense Vorteile.

Eine weitere neue Entwicklung der Sensorentechnologie ist der vermehrte Einsatz von Sensorenfusion. Wenn mehrere Sensoren gleichzeitig verwendet werden, kompensieren die Stärken eines Sensors die Schwächen des anderen. Hierdurch entstehen besonders effiziente Geräte, die zugleich von den vereinten Eigenschaften mehrerer Sensoren profitieren. Eine Vielzahl von Anwendungen nutzt bereits diese Sensorenfusion, darunter solche für Gesundheitsmonitoring, Transportsysteme, Unterhaltungsindustrie und Wettervorhersagen (um nur einige zu nennen). Diese Fähigkeit zum Erkennen mehrerer Größen, zum Abrufen intelligenter Daten und zum Einleiten von Aktionen gilt in vielen Branchen als bahnbrechend.

Mit Hinblick auf diese Entwicklungen und unter Einbeziehung der in diesem Leitfaden erwähnten Überlegungen sollte die Auswahl des optimalen Sensors für Ihre angestrebte Anwendung weniger schwierig sein. Die riesige Auswahl der auf dem Markt erhältlichen Sensoren gestaltet die Zukunft der Technologie umso aufregender, je mehr innovative Möglichkeiten sich eröffnen.

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