Basiswissen Sensorik E-Book

Jörg Böttcher

• Herausgeber: BoD - Books on Demand
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Basiswissen für die intelligente Systemautomatisierung
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 91

Veröffentlichungsjahr: 2025

Beschreibung

Das Buch "Basiswissen Sensorik" ist ein Crashkurs in die Grundlagen der Sensorik. Es behandelt neben allgemeinem Know-How zu Aufbau und Signalauswertung u.a. - Sensoren für Dehnung, Abstand und Winkel, - Sensoren für Drehzahl, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position im Raum, - Sensoren für Kraft, Druck, Drehmoment und Durchfluss, - Sensoren für Temperatur, Feuchte und Gaskonzentrationen, - bildbasierte Sensoren. Wie alle Bücher aus der Reihe "Basiswissen für die intelligente Systemautomatisierung" ist es für Leser/innen gedacht, die sich in kurzer Zeit einen dennoch fachlich fundierten Überblick zum Fachgebiet verschaffen wollen. Das fachliche Niveau liegt zwischen rein akademischer Theorie und ausschließlich gerätebezogener Anwendungspraxis. Die Reihe wendet sich einerseits an Studierende und Lehrende in technischen Bachelor- und Masterstudiengängen bzw. der beruflichen Weiterbildung, die mit diesbezüglichen Fragestellungen in Lehrveranstaltungen oder Praxis-/Abschlussarbeiten befasst sind. Andererseits an im Beruf stehende Ingenieure/innen, Techniker/innen und Naturwissenschaftler/innen, die Sensoren einsetzen oder dies planen.

Leseprobe

Autor:

Professor Dr.-Ing. Jörg Böttcher

Universität der Bundeswehr München

www.prof-boettcher.de

Inhalt

Vorwort

Sensoren und Sensorsignalauswertung

Ausführungsformen von Sensoren

Auswertung resistiver Sensoren

Brückenschaltungen für resistive Sensoren

Auswertung kapazitiver und induktiver Sensoren.

Brückenschaltungen für kapazitive und induktive Sensoren.

Sensoren für Dehnung, Abstand, Füllstand und Winkel

Dehnungsmessstreifen (DMS)

Kapazitive und induktive Abstandssensoren.

Magnetischer Abstandssensor.

Abstandssensoren mit Ultraschall, Laser und Radar

Füllstandssensoren

Winkelsensoren

Sensoren für Drehzahl, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position im Raum...

Drehzahlsensoren.

Geschwindigkeitssensoren

Drehratensensoren

Beschleunigungssensoren

Inertiale Messeinheiten (IMU)

Satellitennavigationssysteme

Sensoren für Kraft, Druck, Drehmoment und Durchfluss

Kraftsensoren

Drucksensoren

Drehmomentsensoren

Durchflusssensoren

Sensoren für Temperatur, Feuchte und Gaskonzentrationen

Temperatursensoren

Pyrometer

Feuchtesensoren

Gassensoren

Bildbasierte Sensoren.

Wärmebildsensor

Kenndaten von Wärmebildsensoren

Kameramodul

Kenndaten von Kameramodulen

LIDAR-Sensor

Vorwort

Das Buch „Basiswissen Sensorik“ ist ein Crashkurs in die Grundlagen der Sensorik. Es behandelt neben allgemeinem Know-How zu Aufbau und Signalauswertung u.a.

Sensoren für Dehnung, Abstand und Winkel,

Sensoren für Drehzahl, Geschwindigkeit, Beschleunigung und Position im Raum,

Sensoren für Kraft, Druck, Drehmoment und Durchfluss,

Sensoren für Temperatur, Feuchte und Gaskonzentrationen,

bildbasierte Sensoren.

Es stellt weitgehend die zweite, überarbeitete Hälfte des früheren „Buch(s) Messtechnik und Sensorik“ dar. Dessen erste Hälfte floss nach Überarbeitung in das Buch „Basiswissen Messtechnik“ ein.

Wie alle Bücher aus der Reihe „Basiswissen für die intelligente Systemautomatisierung“ ist es für Leser/innen gedacht, die sich in kurzer Zeit einen dennoch fachlich fundierten Überblick zum Fachgebiet verschaffen wollen. Das fachliche Niveau liegt zwischen rein akademischer Theorie und ausschließlich gerätebezogener Anwendungspraxis. Die Reihe wendet sich einerseits an Studierende und Lehrende in technischen Bachelorund Masterstudiengängen bzw. der beruflichen Weiterbildung, die mit diesbezüglichen Fragestellungen in Lehrveranstaltungen oder Praxis-/Abschlussarbeiten befasst sind. Andererseits an im Beruf stehende Ingenieure/innen, Techniker/innen und Naturwissenschaftler/innen, die Sensoren einsetzen oder dies planen.

Der Autor hat eine Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik an der Universität der Bundeswehr München (www.unibw.de/regelungs-und-messtechnikbzw.www.prof-boettcher.de). Mit den in dieser Reihe behandelten Thematiken beschäftigt er sich sowohl in der Lehre wie auch in Kooperationen v.a. mit mittelständischen Unternehmen im Rahmen von F&E-Projekten bzw. Studien/Gutachten.

Ich wünsche allen Leserinnen und Lesern viel Freude bei der Lektüre.

Dießen am Ammersee, August 2025 Jörg Böttcher

Sensoren und Sensorsignalauswertung

Diese Buch beschäftigt sich mit den zentralen Komponenten, welche die Erfassung nichtelektrischer Messsignale erlauben, den sog. Sensoren. Hierbei wird davon ausgegangen, dass dem/r Leser/in die elementaren Methoden des Messens elektrischer Grö ßen wie Spannungen, Ströme etc. bekannt sind. Das Grundwissen zu letzteren wird beispielsweise im Buch „Basiswissen Messtechnik“ aus dieser Reihe vermittelt.

Aufgrund der fast unüberschaubaren Anzahl verfügbarer Sensortypen und der sehr dynamischen Marktentwicklung macht es für uns keinen Sinn, konkrete Sensormuster einzelner Hersteller zu studieren. Wir wollen uns vielmehr für einige sehr wichtige Messgrößen ansehen, welche grundlegenden physikalischen Prozesse in den Sensoren mehrheitlich zur Anwendung kommen. Die nachfolgenden Kapitel behandeln dazu jeweils pro Kapitel eine Messgrößengruppe aus physikalisch verwandten Messgrößen.

Zuvor wollen wir uns jedoch in diesem Kapitel mit grundsätzlichen Ausführungsformen von Sensoren beschäftigen und uns überlegen, wie wir Sensorsignale auswerten können.

Ausführungsformen von Sensoren

Der Begriff Sensor - auch als „Messaufnehmer“ oder schlicht „Aufnehmer“ bezeichnet - bezieht sich auf eine Komponente, die eine nichtelektrische Messgröße in ein elektrisches Primärsignal umwandelt, das dann mit weiteren Elektroniken weiterverarbeitet werden kann.

Bei einigen Messgrößen hat sich der zugehörige Sensormarkt dabei aufgeteilt: Der eigentliche physikalische (mitunter auch chemische) Prozess, der für die Generierung des elektrischen Primärsignals zuständig ist, wird in Form eines meist relativ kompakten Bauelements ausgeführt. Dieses ist oftmals, jedoch nicht immer, so gebaut, dass es direkt auf elektronischen Leiterplatten montiert werden kann. Teilweise werden hierzu auch im Bereich elektronischer Bauelemente standardisierte Gehäusebauformen verwendet. In Bild 1 ist ein solches Sensorelement, das im Englischen „Sensor Device“ bzw. „Transducer“ heißt, grafisch angedeutet.

Den Herstellern derartiger Sensorelemente stehen Hersteller gegenüber, die diese dann mit anwendungsspezifischen Gehäusen versehen, Auswerteelektroniken integrieren, Kabel bzw. Anschlussklemmen ergänzen etc. Sie produzieren installationsfertige Sensoren. Hersteller installationsfertiger Sensoren gibt es deutlich mehr als solche für „nackte“ Sensorelemente, was daran liegt, dass letztere immer häufiger mit modernen Mikrotechnologien aus dem Umfeld der Chipherstellung gefertigt werden, was wieder um entsprechende Unternehmensgrößen voraussetzt.

Bild 1: Sensorelement

Im Wesentlichen kommen heute folgende Fertigungstechnologien bei der Herstellung von Sensorelementen zur Anwendung:

Feinmechanik:

Hierunter fallen „klassische“ Werkstückbearbeitungsmethoden primär mit Werkzeugmaschinen wie Drehen, Fräsen, Erodieren, Pressen, Hämmern etc.

Spritzgießen:

Dieses besteht aus dem Verflüssigen eines Werkstoffs (meist Kunststoff) und dem anschließenden Einspritzen in eine Form, um dreidimensionale Teile zu fertigen.

Schweißen:

Dies ist das dauerhafte Fügen zweier Werkstoffe mit unterschiedlichsten Schweißverfahren wie Autogenschweißen (Schmelzschweißen), Lichtbogenschweißen, Laserschweißen, Ultraschallschweißen etc.

Mikrotechnologien:

Unter diesem Begriff werden Verfahren subsummiert, die zur Herstellung Chip-ähnlicher, miniaturisierter Komponenten dienen. Sie stammen häufig aus der Halbleiterferti gung bzw. sind den dort verwendeten Prozessen ähnlich. Unter anderem vier Verfahren sind hier zu nennen: Zunächst die Siliziumtechnologien, welche die üblichen Schritte der Chipfertigung umfassen (Waferherstellung, Schichterzeugung, Dotierung, Photolithografie, Strukturierung, Metallisierung, Passivierung). Des Weiteren die Mikromechanik, worunter man das Ausbilden dreidimensionaler Strukturen auf dem Chip versteht und wofür spezifische Ätzmethoden zum Einsatz kommen (isotropes, anisotropes und elektrochemisches Ätzen). Schichttechnologien dienen der Erzeugung von z.B. Widerstands-, Dielektrikums- oder Isolierschichten durch Siebdrucken (Dickschichttechnik) oder Vakuumbedampfen bzw. Kathodenzerstäubung (Dünnschichttechnik). Das LIGA-Verfahren schließlich ist eine Kombination aus Röntgenlithografie, Galvanoformung und Abformung, durch die sehr kleine Mikrostrukturen bis in den Sub-Mikrometerbereich hinab mit Werkstoffen wie Kunststoff oder Metall gefertigt werden können.

Die Mikrotechnologien sind seit etlichen Jahren so weit entwickelt, dass sich damit auf einem Chip nicht nur die reine Sensorfunktion realisieren lässt. Vielmehr werden zusätzlich hochintegrierte analoge und digitale Elektroniken integriert. Das Sensorsignal wird damit auf dem Chip entsprechend aufbereitet (analoge Signalvorverarbeitung), digitalisiert und mit spezifischen Methoden der digitalen Signalverarbeitung weiterver arbeitet. Sehr häufig wird das Ausgangssignal nicht mehr als elektrisches Analogsignal (z.B. Spannungssignal) realisiert, sondern der Chip verfügt hierzu über eine Digitalschnittstelle, über die ein meist einfaches Übertragungsprotokoll gefahren wird, mittels dessen Messwerte ausgelesen und ggf. auch Parametrierungen vorgenommen werden können. Als Fachbegriff für derartige Chips hat sich MEMS (Micro Electro Mechanical System) herausgebildet. Man spricht auch von MEMS-Sensoren - im Gegensatz zu MEMS-Aktoren, die es z.B. in Form von Mikropumpen auch gibt.

MEMS-Sensoren stellen eigentlich bereits das Bindeglied zwischen den Sensorelementen und installationsfertigen Sensoren dar. Sie beinhalten im Prinzip so gut wie alle elektronischen Funktionen eines modernen anwendungsbereiten Sensors, ohne jedoch bereits dessen robuste Bauform mit Gehäusung und Anschlussklemmen oder fest montiertem Anschlusskabel aufzuweisen. Ein kompletter installationsfertiger Sensor ist in Bild 2 angedeutet. Installationsfertige Sensoren können ein Sensorelement (bzw. auch einen MEMS-Sensor) beinhalten, der die Messgröße an sich aufnimmt und nach entsprechender Weiterverarbeitung mehr oder weniger direkt ausgibt. Beispiele hierfür sind Temperatursensoren oder Beschleunigungssensoren. Sie können jedoch auch Messgrößen ausgeben, die nur indirekt unter Integration einer spezifischen feinmecha nischen Struktur zur nichtelektrischen Signalwandlung erfasst werden können. Die eigentliche Messgröße wird durch die feinmechanische Struktur in eine andere umgeformt, die dann mittels eines hierfür geeigneten Sensorelements aufgenommen wird. Ein Beispiel hierfür sind Drucksensoren, bei denen intern durch eine Membran der Druck in eine Dehnung umgeformt wird, die mit entsprechend aufgeklebten sog. Dehnungsmessstreifen gemessen wird.

Bild 2: Installationsfertiger Sensor

Unabhängig vom konkreten internen Sensorprinzip kann ein installationsfertiger Sensor den ermittelten Messwert auf zwei Arten ausgeben: Die konventionelle Art ist ein Analogsignal. Hier sind verbreitet:

Spannung (z.B. 0...1 V):

Der Sensor muss mit einer Spannungsversorgung gespeist werden und erzeugt ein i.d.R. dem Messwert proportionales Gleichspannungssignal.

Strom (z.B. 0/4...20 mA):

Hier gibt es zwei Ausführungen: Entweder wird der Sensor ebenfalls mit einer Spannungsversorgung gespeist und erzeugt als Stromquelle einen zum Messwert proportionalen Strom. Oder - und das ist der häufigere Fall - Versorgungs- und Messleitung sind eines. Extern ist daran ein Netzteil angeschlossen. Der Sensor „zieht“ als sog. Stromsenke zur eigenen Versorgung stets einen Strom von exakt 4 mA. Zusätzlich entnimmt er einen dem Messwert proportionalen Strom bis hin zum standardisierten Maximum von 20 mA. Beobachtet der in diesen Stromkreis eingeschaltete Strommesseingang einmal keinerlei Stromfluss, so wird dies als Fehlerfall identifiziert. Letztere Ausführungsform ist früher der Standard in der Chemie und Verfahrenstechnik gewesen, ist aber zugunsten der Digitalschnittstelle seit Jahren auf dem Rückzug.

Frequenz:

Es wird ein sinus- oder rechteckförmiges periodisches Signal ausgegeben, bei dem der Messwert als Frequenz „codiert“ ist (frequenzmoduliertes Signal).

Widerstand:

Bei installationsfertigen Sensoren, die auf einem ohmschen Widerstandselement basie ren, dessen Widerstand sich direkt in Abhängigkeit der Messgröße ändert, ist dieser Widerstand direkt am Ausgang abgreifbar. Man spricht von einem resistiven Sensor. Dies macht nur Sinn, wenn die Empfindlichkeit der Kennlinie dieses Elements genügend hoch ist, so dass sich gut weiterverarbeitbare Widerstandswerte ergeben.

Induktivität:

Analog zum Widerstandsausgang. Man spricht von induktiven Sensoren.

Kapazität:

Analog zum Widerstandsausgang. Man spricht von kapazitiven Sensoren.

Für die ersten drei Signalarten haben wir in einem früheren Kapitel dieses Buchs entsprechende Messverfahren kennengelernt. Wie resistive, induktive bzw. kapazitive Sensoren ausgewertet werden, werden wir im weiteren Verlauf dieses Kapitels noch analysieren.

Der starke Trend in allen Branchen geht zu installationsfertigen Sensoren mit Digitalschnittstelle. Deren internen Aufbau zeigt Bild 3. Die dort gezeigte Struktur entspricht der grundsätzlichen Messsystemstruktur aus dem ersten Kapitel. Zusätzlich ist ein Funktionsblock „Bus-Anbindung“ aufgeführt.

Bild 3: Interner Aufbau eines Sensors mit Digitalschnittstelle

Im Unterschied zu den meist einfachen Digitalschnittstellen der MEMS-Sensoren werden hier fast durchgehend standardisierte Schnittstellen verbaut. Von mitunter ebenfalls angebotenen reinen Punkt-zu-Punkt-Schnittstellen wie USB und dem veralteten RS-232 abgesehen, lassen sich diese zwei Gruppen zuordnen: Zum einen die Feldbusse wie z.B. CAN, DeviceNet, KNX, LON, PROFIBUS etc. Zum anderen die neueren Industrial Ethernet-Systeme wie EtherCAT oder PROFINET. Meist sind in bestimmten Branchen einzelne Systeme vorherrschend, so dass Sensorhersteller, die in diese Branchen liefern, ihre Sensoren auch mit diesen Schnittstellen ausstatten. Sehr häufig findet man auch Sensoren angeboten, die in ansonsten identischer Bauform mit unterschiedlichen Schnittstellen bestellt werden können. Der/die Leser/in möge sich bewusst sein, dass bei einem solchen Sensor der Messwert testweise nicht mehr einfach mit z.B. einem Multimeter überprüft werden kann. Vielmehr handelt es sich bei derartigen Sensoren um kleine Rechner, mit denen in vernetzter Umgebung nur noch über entsprechende Kommunikationsprotokolle „gesprochen“ werden kann. Diese im Rahmen dieses Buchs detaillierter zu behandeln, würde den Rahmen sprengen.

Auswertung resistiver Sensoren

Resistive Sensoren werden über eine Messung ihres ohmschen Widerstands ausgewer tet, was zunächst über die separate Messung von Spannung und Strom und deren anschließende Verrechnung über das ohmsche Gesetz erfolgen kann. Schaltungstechnisch haben wir dabei dieselbe Problematik wie bei der Leistungsmessung zu beachten. Wir können die hierzu benötigten Spannungs- bzw. Strommesseingänge stromrichtig oder spannungsrichtig anschalten.

Die stromrichtige Variante bei der Widerstandsmessung zeigt Bild 4. Für den so ermittelten Widerstand R des Sensors gilt in Abhängigkeit der Messwerte U und I:

(Formel 1)

Es wird also der Innenwiderstand des Strommesseingangs RA mitgemessen. Wie bei der stromrichtigen Leistungsmessung auch, kann und sollte dieser deshalb aus den Herstellerangaben oder noch genauer einer Testmessung einmalig ermittelt werden und im weiteren Messbetrieb dann vom Rechenergebnis subtrahiert werden.

Für die Variante mit spannungsrichtiger Anschaltung gemäß Bild 5 lässt sich schreiben:

(Formel 2)

Hierbei wird ein zu kleiner Widerstandswert ermittelt, der jedoch ebenfalls grundsätzlich korrigiert werden kann, insofern man in diesem Fall den Innenwiderstand des Spannungsmesseingangs RV einmalig bestimmt. Wie bei der Leistungsmessung ausführlich erläutert, ist die Messabweichung bei der spannungsrichtigen Anschaltung meist deutlich geringer als bei der stromrichtigen. Dies gilt gemäß (2) zumindest dann, wenn die Widerstandswerte des Sensors RS im Vergleich zu RV