Transducer

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) umgeformt.

Für die Messtechnik wird in DIN 1319-1 der Begriff Aufnehmer (Messgrößen-Aufnehmer) verwendet und definiert als der Teil einer Messeinrichtung, der auf eine Messgröße unmittelbar anspricht. Damit ist der Aufnehmer das erste Element einer Messkette. Gemäß DIN 1319-2 gehört der Aufnehmer zu den Messumformern, bei gleicher physikalischer Größe an Eingang und Ausgang auch zu den Messwandlern.

Die Abgrenzung der Begriffe Sensor und Messgrößenaufnehmer, Messfühler, Messgerät etc. ist fließend, da dem Sensor zusätzlich zum Aufnehmer teilweise weitere Elemente der Messkette zugeordnet werden. 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.

Passive und aktive Sensoren

Sensoren lassen sich anhand der Erzeugung oder Verwendung elektrischer Energie einteilen in aktive und passive Sensoren. Neben der nicht eindeutigen Definition des Begriffs Sensor sind hier sogar widersprüchliche Bezeichnungen gebräuchlich, – je nachdem, ob der Aufnehmer aktiv ein elektrisches Signal erzeugt, oder ob durch äußere Energieaufnahme die Aktivität dazu entsteht.

Aktive Aufnehmer erzeugen aufgrund des Messprinzips ein elektrisches Signal, z. B. elektrodynamisch oder piezoelektrisch. Dabei wird keine elektrische Hilfsenergie benötigt; in Blick auf die Energieverwendung handelt es sich um passive Sensoren. Mit diesen Sensoren ist oft – bedingt durch die physikalischen Prinzipien – jedoch nur eine Änderung der Messgröße detektierbar, da im statischen und quasistatischen Zustand keine Energie geliefert werden kann. Eine Ausnahme ist z. B. das Thermoelement, das auch bei konstanter Temperaturdifferenz ständig Spannung erzeugt. Außerdem sind aktive Aufnehmer in Umkehrung des physikalischen Messprinzips auch als Aktoren nutzbar, z. B. ein dynamisches Mikrofon kann auch als Lautsprecher verwendet werden.

Passive Aufnehmer 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. Bei Zusammenfassung des Aufnehmers mit der umformenden Stufe in den Begriff Sensor kann von aktiven Sensoren gesprochen werden. Mit diesen ist es möglich, statische und quasistatische Messgrößen zu bestimmen. Aus diesem Grund ist die überwiegende Zahl der Aufnehmer passiver Bauart. Beispiele sind Wägezellen oder Widerstandsthermometer.

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.

Nach Standard

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

• KTA-geprüfte Sensoren für den Einsatz in Kernkraftwerken

Virtuelle Sensoren

Virtuelle Sensoren (oder auch Softsensoren) sind nicht körperlich existent, sondern sind in Software realisiert. Sie „messen“ (berechnen) 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.

Digitale Sensoren

Im Bereich der Automation hat die digitale Steuerungs- und Regelungstechnik längst den analogen Systemen den Rang abgelaufen. Hiermit gekoppelt ist der Bedarf an Sensoren mit direktem digitalen Ausgangssignal. Ein einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der A/D-Umsetzer in das eigentliche Sensorsystem eingebunden wird. Dies kann zum Beispiel auf der Grundlage der Delta-Sigma-Modulationstechnik basieren und dadurch viele interessante Vorteile bieten:

• direkt ermitteltes digitales Ausgangssignal (keine Störungen zwischen Sensor und ADU)
• hohe Linearität durch vorhandene Rückkopplung
• ständiger Selbsttest ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand durch benutzen des Limit Cycle der Sigma-Delta-Technik
• hohe Amplitudenauflösung und Dynamik

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
• Feldgerät
• Gassensor
• Sensornetz

Literatur

• Edmund Schiessle: Sensortechnik und Messwertaufnahme. Vogel, Würzburg 1992, ISBN 3-8023-0470-5. 
• Jörg Hoffmann: Taschenbuch der Messtechnik. 5. Auflage. Hanser Verlag, Leipzig 2007, ISBN 3-446-40993-9. 
• Wolf-Dieter Schmidt: Sensorschaltungstechnik. 3. Auflage. Vogel, Würzburg 2007, ISBN 3-8342-3111-8. 

Weblinks

• SensorLab: Lernumgebung zum Bereich der Sensorik