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Sensoren einfach erklärt: Funktion und Anwendung
Ein Sensor erfasst eine Eigenschaft seiner Umgebung oder eines Systems und überführt sie in ein Signal, das ein Informatiksystem verarbeiten kann. So wird zum Beispiel aus Temperatur, Licht oder Bewegung ein Messwert. Du lernst, den Weg vom Messvorgang bis zur Reaktion eines Systems zu erklären, Sensorausgaben zu unterscheiden und einen Sensor passend auszuwählen.
Hake ab, was du schon kannst — und komm am Ende hierher zurück!
Was ein Sensor erfasst
Stell dir ein Smartphone vor, das seine Bildschirmhelligkeit an das Umgebungslicht anpasst. Ein Lichtsensor erfasst die Helligkeit. Er reagiert auf Licht und liefert daraus ein elektrisches Signal. Die Software verarbeitet dieses Signal und entscheidet, wie hell der Bildschirm leuchten soll.
Messgröße
Die Messgröße ist die Eigenschaft, die bestimmt werden soll, zum Beispiel Temperatur, Druck, Feuchtigkeit, Helligkeit oder Beschleunigung.
Ein Sensor nutzt einen physikalischen, chemischen oder biologischen Effekt. Das unmittelbar reagierende Teil heißt auch Aufnehmer oder Sensorelement. Im Alltag meint „Sensor“ oft das ganze Bauteil einschließlich der Elektronik zur Signalaufbereitung.
Verschiedene Messprinzipien machen unterschiedliche Größen erfassbar:
- Bei einem resistiven Sensor ändert sich der elektrische Widerstand, etwa durch Temperatur oder Dehnung.
- Bei einem kapazitiven Sensor verändert ein nahes Objekt das elektrische Feld und damit die Kapazität.
- Bei einem induktiven Sensor verändert ein metallisches Objekt das Feld einer Spule.
- Bei einem piezoelektrischen Sensor erzeugt eine Verformung durch Kraft oder Druck eine elektrische Ladung.
- Bei einem optischen Sensor wird Licht ausgesendet, empfangen oder ausgewertet.
- Bei einem chemischen Sensor zeigt eine chemisch verursachte Änderung zum Beispiel eine Gaskonzentration oder einen pH-Wert an.
Ein induktiver Näherungssensor erzeugt mit einer Spule ein elektromagnetisches Feld. Nähert sich ein Metallstück, entstehen Feld- und Impedanzänderungen. Eine Auswerteschaltung erkennt diese Änderung und liefert ein Schaltsignal. Der Sensor arbeitet berührungslos, erkennt aber vor allem Metall und besitzt nur eine begrenzte Reichweite.
Wie aus einer Messgröße ein Datenwert wird
Ein Sensorelement liefert nicht immer sofort einen fertigen Datenwert. Sein Signal kann schwach oder störanfällig sein. Deshalb besteht eine typische Messkette aus mehreren Schritten:
- Der Sensor reagiert auf die Messgröße.
- Eine Schaltung verstärkt und filtert das Signal bei Bedarf.
- Ein Analog-Digital-Wandler digitalisiert ein analoges Signal.
- Ein Computer oder Mikrocontroller verarbeitet, speichert oder überträgt den Wert.
Sensoren beziehungsweise Sensorsysteme können verschiedene Ausgaben liefern:
- Analog: Das Signal verändert sich kontinuierlich und ist proportional zur Messgröße, zum Beispiel als Spannung.
- Binär: Es gibt genau zwei Zustände, etwa
0/1oder „Metall erkannt/nicht erkannt“. - Digital: Der Messwert liegt als digital codierter Wert vor und kann direkt von einem Informatiksystem verarbeitet werden.
„Digitaler Sensor“ bedeutet nicht zwingend, dass im Inneren alles digital abläuft. Das Sensorelement kann zuerst ein analoges Signal erzeugen. Ein eingebauter Analog-Digital-Wandler macht daraus erst anschließend einen digitalen Wert.
Die Analog-Digital-Wandlung hat drei zentrale Schritte:
- Abtastung: Das analoge Signal wird in regelmäßigen Zeitabständen erfasst.
- Quantisierung: Jeder erfasste Wert wird einer von endlich vielen Stufen zugeordnet.
- Codierung: Die Stufe erhält eine Bitfolge.
Bei einer Auflösung von 8 Bit gibt es
$$2^8 = 256$$
verschiedene Stufen. Mehr Bits ermöglichen mehr Stufen und damit eine feinere digitale Unterscheidung. Sie beseitigen aber keine Fehler, die schon beim Messen, Verstärken oder Filtern entstanden sind.
Wie Sensor, Verarbeitung und Aktor zusammenarbeiten
Ein Sensor ist der Eingang eines automatisierten Systems. Ein Aktor ist dessen physisch wirkender Ausgang: Er setzt ein Steuersignal zum Beispiel in Bewegung, Licht, Schall, Wärme oder das Öffnen eines Ventils um.
Sensoren erfassen, Programme entscheiden, Aktoren handeln. Danach kann ein Sensor die Wirkung erneut messen.
Eine automatische Bewässerung arbeitet so:
- Ein Feuchtigkeitssensor misst die Bodenfeuchte.
- Ein Mikrocontroller vergleicht den Messwert mit einem festgelegten Schwellenwert.
- Ist der Boden zu trocken, steuert das Programm ein Ventil an.
- Das Ventil als Aktor öffnet die Wasserzufuhr.
- Neue Messwerte zeigen, ob die Bodenfeuchte gestiegen ist.
Der Sensor öffnet das Ventil also nicht selbst. Erst die Verarbeitung entscheidet anhand des Messwerts, und der Aktor führt die Handlung aus.
In einem Regelkreis wird dieser Ablauf wiederholt. Der gemessene Istwert wird mit einem gewünschten Sollwert verglichen. Aus der Abweichung entsteht eine Korrektur, die ein Aktor ausführt. Die nächste Messung zeigt die Wirkung der Korrektur.
Wie du einen passenden Sensor auswählst und testest
Der Sensor mit der höchsten Empfindlichkeit ist nicht automatisch der beste. Er muss die richtige Messgröße im benötigten Bereich unter den tatsächlichen Bedingungen zuverlässig erfassen.
Prüfe bei der Auswahl:
- Messgröße und Messbereich: Was soll in welchem Wertebereich erfasst werden?
- Messprinzip: Passt es zum Objekt oder Stoff, etwa induktiv für Metall oder kapazitiv auch für nichtleitende Materialien?
- Messqualität: Sind Genauigkeit, Auflösung, Wiederholgenauigkeit und Reaktionszeit ausreichend?
- Umgebung: Können Temperatur, Feuchtigkeit, Staub, Vibrationen oder elektromagnetische Störungen die Messung beeinflussen?
- Systemanschluss: Passen Versorgung, Signalart, Schnittstelle und Verkabelung zum Mikrocontroller oder Steuergerät?
Nach dem Einbau testest du nicht nur einen typischen Wert. Prüfe auch Grenzwerte, unrealistische Werte und einen möglichen Sensorausfall. Für kritische Anwendungen braucht das System einen definierten sicheren Zustand, etwa Alarm oder Abschaltung statt unkontrollierter Weiterarbeit.
Eine Anlage soll Metallteile auf einem Förderband erkennen. Ein induktiver Sensor passt zum Material. Beim Test werden ein sicher erkanntes Metallteil, ein zu weit entferntes Teil und ein nichtmetallischer Gegenstand verwendet. Zusätzlich wird geprüft, wie das Programm auf ein fehlendes oder dauerhaft gleiches Signal reagiert. So testest du Normalfall, Grenze und Fehlerfall.
Langsam wandernde Werte, zunehmende Streuung, unrealistische Spitzen oder Abweichungen von Referenzwerten können auf Drift, Störungen oder einen Defekt hinweisen. Kalibrierung, geschirmte Leitungen, kurze Signalwege und eine stabile Versorgung können die Zuverlässigkeit verbessern.
Warum „aktiv“ und „passiv“ missverständlich sein kann
Bei Sensoren werden die Wörter aktiv und passiv nicht überall nach demselben Kriterium benutzt. Deshalb ist eine Einordnung ohne genannte Konvention mehrdeutig.
Eine verbreitete Einteilung nennt einen Sensor aktiv, wenn er versorgt wird und selbst ein Messsignal aussendet, etwa Licht oder Ultraschall. Ein Sensor, der vorhandene Umgebungsenergie empfängt, gilt dabei als passiv.
In einer anderen messtechnischen Konvention heißt ein Messprinzip aktiv, wenn der Messeffekt selbst ein elektrisches Signal erzeugt, etwa beim Thermoelement. Ändert die Messgröße nur einen Widerstand oder eine Kapazität und ist zur Auswertung Hilfsenergie nötig, heißt das Prinzip dort passiv.
Frage bei „aktiv“ oder „passiv“ immer: Nach welchem Kriterium wird eingeteilt? Stromversorgung, eigenes Aussenden und selbst erzeugtes Messsignal sind nicht dasselbe.
Karteikasten
Überlege zuerst selbst und drehe die Karte anschließend zum Prüfen um.
Alles auf einen Blick
- Sensor im Informatiksystem
- erfasst Messgrößen durch ein passendes Messprinzip
- liefert analoge, binäre oder digitale Signale
- führt über Signalaufbereitung und Digitalisierung zur Verarbeitung
- ergänzt den Aktor im Kreislauf aus Messen, Entscheiden und Handeln
- muss passend ausgewählt, kalibriert und systematisch getestet werden
- wird nur mit genanntem Kriterium eindeutig als aktiv oder passiv bezeichnet