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Sensoren
erklärt
Was ist ein Sensor?
Ein Sensor ist ein Gerät, das eine physikalische Größe erkennt und sie in ein Signal umwandelt, das gemessen und analysiert werden kann. Sensoren werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. in der wissenschaftlichen Forschung, der industriellen Regelung und der Unterhaltungselektronik.
Es gibt viele Arten von Sensoren:
- Temperatursensoren messen die Temperatur und werden in Thermostaten, Temperaturregelsystemen und medizinischen Geräten eingesetzt.
- Drucksensoren messen den Druck und werden in Wetterstationen, Reifendrucküberwachungen und Prozesssteuerungssystemen eingesetzt.
- Bewegungssensoren erkennen Bewegungen und werden in Sicherheitssystemen, Regelung und Kfz-Sicherheitssystemen eingesetzt.
- Lichtsensoren erkennen Licht und werden in Kameras, Handys und Umgebungslichtsensoren eingesetzt.
- Schallsensoren erkennen Schall und werden in Mikrofonen, Spracherkennungssystemen und Lärmpegelmessgeräten eingesetzt.
Sensoren spielen im modernen Leben eine entscheidende Rolle, denn sie liefern die Daten und Informationen, die zur Regelung und Überwachung verschiedener Systeme und Prozesse benötigt werden.
Kanal-Typen
Analoger Eingangskanal
Analogeingangskanäle werden zur Messung analoger Sensorsignale verwendet. Bei analogen Signalen gibt es in der Regel zwei Arten: Single-Ended- oder Differenzsignale. Single-Ended ist die gebräuchlichste Signalart, bei der das Signal auf einer einzigen Ader oder Leitung übertragen wird, wobei das Signal auf Masse bezogen ist. Differentialsignalisierung ist eine Art der Signalübertragung, bei der das Signal auf zwei Leitungen gesendet wird, wobei das Signal die Differenz zwischen den beiden Leitungen ist. Die Single-Ended-Signalisierung ist die einfachste und am häufigsten verwendete Methode zur Übertragung elektrischer Signale über Leitungen, während die Differenzial-Signalisierung typischerweise bei Anwendungen eingesetzt wird, bei denen die Störfestigkeit ein wichtiges Anliegen ist, wie z. B. bei Systemen mit höheren Geschwindigkeiten. Außerdem wird bei der Single-Ended-Signalisierung eine variierende Spannung auf einer einzigen Leitung übertragen, während bei der Differenzial-Signalisierung zwei komplementäre Spannungssignale übertragen werden, um ein Informationssignal zu übermitteln.
Digitaler Eingangskanal
Digitale Eingangskanäle werden zur Aufzeichnung digitaler Statussignale verwendet, d. h. von Signalen, die den Status eines Systems oder Geräts darstellen. Diese Signale werden in der Regel in binärer Form entweder als High (1) oder Low (0) dargestellt. Sie können verwendet werden, um den Ein-/Aus-Zustand eines Systems oder Geräts, das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein eines Signals oder den Erfolg oder Misserfolg eines Vorgangs anzuzeigen. Digitale Statussignale können auch die Richtung eines Signals anzeigen, z. B. aufwärts oder abwärts, sowie den Pegel des Signals, z. B. hoch (1) oder niedrig (0).
Digitaler Ausgangskanal
Ein digitaler Ausgangskanal ist der Relaisausgang des Moduls. Statussignale können vom Modul automatisch in Abhängigkeit von den Werten anderer Kanäle gesetzt werden, oder der Zustand des Ausgangs kann manuell über einen Bus gesetzt werden.
Arithmetischer Kanal
Der arithmetische Kanal ermöglicht es Ihnen, Berechnungen mit den aktuellen Werten anderer Kanäle und mit konstanten Werten durchzuführen. Die Ergebnisse der Berechnungen werden dem arithmetischen Kanal zugeordnet; daher können arithmetische Kanäle auch für Berechnungen mit anderen arithmetischen Kanälen verwendet werden.
Alarm-Kanal
Ein Alarmkanal kann einen anderen Kanal überwachen und eine Alarmmeldung erzeugen, wenn einer von bis zu vier definierbaren Schwellenwerten überschritten wird. Die Alarmmeldung kann dann über den Bus ausgelesen werden.
Sollwert Kanal
Der Wert des Sollwertkanals kann über den Bus eingestellt werden. Damit können Sie über den Bus einen Wert vorgeben, den ein anderer Rechenkanal zur Weiterverarbeitung nutzen kann (z. B. zur Vorgabe eines Faktors für die Messung durch den Anwender).
Arten der Messung
Strommessungen
Bei der Spannungsmessung wird die Potenzialdifferenz zwischen zwei Punkten in einem Stromkreis gemessen. Sie wird in der Regel in Volt (V) ausgedrückt und ist ein Maß für die elektrische potenzielle Energie pro Ladungseinheit zwischen zwei Punkten. Die Spannungsmessung ist ein wichtiger Bestandteil der Elektrotechnik, da sie zur Fehlersuche in Stromkreisen, zur Bestimmung der Leistungsabgabe von Komponenten und zur Erkennung von Fehlern in der Verkabelung verwendet wird.
Bei der Single-Ended-Messung wird die zu messende Spannung zwischen einem Analogeingang und der analogen Masse angeschlossen. Die Messspannung darf den Spannungsbereich nicht überschreiten. Spannungen bei hohen Potentialen können mit Hochisolations-/Hochspannungsmessmodulen, z.B. A121, gemessen werden.
Strommessungen
Bei Strommessungen wird die Stromquelle mit einem Analogeingang und der analogen Masse verbunden. Für die Messung wird die erforderliche Last an der Stromquelle durch einen internen Widerstand mit einem Wert von 100Ω geregelt. Die maximale Leistung dieses Shunts ist auf 0,25 W begrenzt, was zu einem Messbereich von maximal 25 mA führt.
Wenn höhere Ströme gemessen werden müssen, sollte ein externer Widerstand verwendet werden, der parallel zur Stromquelle geschaltet ist. Die Klemmen sind mit dem analogen Spannungseingang und der analogen Masse verbunden. Die Leistung des externen Shunts muss an die zu messende Stromquelle angepasst werden, um die Spannung am Analogeingang zu begrenzen. Der Analogeingang ist als Spannungseingang konfiguriert, und die Spannung wird durch den externen Widerstand geteilt. Die Genauigkeit der Strommessung mit einem externen Shunt hängt von der Genauigkeit des verwendeten Widerstands ab.
Für Strommessungen bei hohen Potentialen können Hochisolations-/Hochspannungsmessmodule verwendet werden, wie z.B. das A121.
Widerstandsmessung
Die Widerstandsmessung erfolgt durch Messung der Spannungen an einem stromdurchflossenen Widerstand. Der durch den Widerstand verursachte Spannungsabfall wird mit einem Widerstandssensor gemessen. Der für die Widerstandsmessung erforderliche Strom wird von der internen Versorgung des Moduls bereitgestellt.
Zu diesem Zweck verbindet das Sensormodul intern einen Versorgungspunkt über einen Referenzwiderstand mit dem analogen Messeingang. Der Spannungsabfall über dem Widerstand wird dann als Referenz für die weitere Signalverarbeitung durch das Modul verwendet. Der Widerstandswert des Sensors kann aus den Eingangssignalen als Vielfaches des Referenzwiderstandes berechnet werden.
Für Widerstandsmessungen bei hohen Spannungspotentialen können Hochisolations-/Hochspannungsmessmodule verwendet werden, wie z.B. das A121.
2-Draht:
Diese Methode wird aufgrund ihrer Einfachheit und Arbeitsweise im Vergleich zur 4-Leiter-Widerstandsmessung am häufigsten verwendet. Genaue Messungen über 100 kΩ sind leicht zu erzielen. Der Hauptnachteil dieser Methode besteht darin, dass sie nicht in der Lage ist, den Leitungswiderstand des zu prüfenden Bauteils zu korrigieren.
4-Draht:
Für präzise Messungen unter 100 kΩ ist eine 4-Leiter-Methode zuverlässiger als eine 2-Leiter-Methode. Es erfordert mehr Verkabelung, aber der Kompromiss mit erhöhter Genauigkeit ist für bestimmte Anwendungen notwendig. Wenn sich beispielsweise der Widerstand eines zu messenden Bauteils in einiger Entfernung von unserem Messgerät befindet, kann der zwischen dem Bauteil und dem Messgerät verwendete Draht einen unerwünschten Widerstand verursachen. Bei einer 4-Draht-Konfiguration entfällt der durch die Messdrähte verursachte Widerstand, was zu genaueren Messungen führt. Diese Methode wird als Kelvin-Methode bezeichnet.
Potentiometer:
Ein Potentiometer ist ein dreipoliger Widerstand mit einem Schleifkontakt, der als Spannungsteiler fungiert. Ein Potentiometer dient zur Messung des elektrischen Potenzials (Spannung), indem es eine Ausgangsspannung liefert, die kleiner ist als die Eingangsspannung. Bei den dreipoligen Widerständen eines Potentiometers handelt es sich um lineare Schaltungen, die sanfte Übergänge von Spannungspegeln ermöglichen, die entweder drehend oder linear sein können. Jedes Gerät, das eine gleichmäßige Stromschwankung benötigt, kann sich die Funktion eines Potentiometers zunutze machen.
Der Aufbau eines Potentiometers besteht aus einem Widerstandskörper, Klemmen am Ende des Körpers, an denen elektrische Anschlüsse angebracht werden können, und einem Schleiferarm, der einen elektrischen Kontakt herstellt, wenn er sich über den Widerstandskörper bewegt. Der Widerstandskörper des Potentiometers ist in verschiedenen Werten erhältlich und kann als Festwiderstandskörper oder als variabler Widerstandskörper geliefert werden.
Widerstandsbrücke:
Brückenverbindungen bestehen aus zwei Armen mit jeweils zwei Widerständen. Die Widerstandsbrücke wird durch den Spannungsausgang gespeist. Die von der Brücke gemessene Größe ist das Verhältnis zwischen der Brückenspannung und der Spannung zwischen den beiden Widerstandsarmen. Es sind verschiedene Messbereiche möglich, und die meisten Brücken haben vier einstellbare Widerstände, so dass die Brücke mit Hilfe des Regelung-Widerstands leicht abgeglichen werden kann. Änderungen des Sensorsignals wirken sich auf den vierten Widerstand aus und führen zu einer Änderung der Messgröße.
Dehnung:
Die Dehnung ist das Ausmaß der Verformung eines Körpers durch eine einwirkende Kraft. Die Dehnung ist ein Bruchteil der Längenänderung des Materials und wird in der Regel als dimensionslose Einheit wie die Mikrodehnung (μstrain) ausgedrückt. Die Dehnung kann entweder als positive oder negative Dehnung gemessen werden. Das Ausmaß der Veränderung ist in der Regel gering.
Dehnungsmessstreifen:
Die Verwendung von Dehnungsmessstreifen ist eine der gängigsten Methoden zur Messung von Dehnungen an Werkstoffen. Der elektrische Widerstand des Dehnungsmessstreifens ändert sich proportional zur Belastung des Geräts; die Belastung wird direkt auf den Dehnungsmessstreifen übertragen, und die Belastung wird als lineare Änderung des elektrischen Widerstands gemessen. Der Dehnungsfaktor eines Dehnungsmessstreifens ist ein Maß für seine Dehnungsempfindlichkeit; er wird berechnet als die relative Änderung des elektrischen Widerstands, geteilt durch die relative Änderung der Länge (mechanische Dehnung). Die Gantner-Messmodule berücksichtigen den Dehnungsfaktor bei der Berechnung der Dehnung. Dehnungen werden in der Regel in Millistrain gemessen, sodass eine genaue Messung kleiner Widerstandsänderungen erforderlich ist. Um diese kleinen Änderungen zu messen, werden Dehnungsmessstreifen in der Regel in einer Brückenkonfiguration mit einer Erregerspannung verwendet.
Messung der Temperatur
Verschiedene Temperatursensoren:
- Thermoelemente sind zwei ungleiche Metalle, die bei unterschiedlichen Temperaturen eine Spannung erzeugen, die dann zur Bestimmung der Temperatur gemessen wird.
- Widerstandstemperaturfühler (RTDs) bestehen aus einer feinen Drahtspule, die um einen Keramik- oder Glaskern gewickelt ist und deren Widerstand sich mit der Temperatur ändert. Der Widerstand wird gemessen, um die Temperatur zu bestimmen.
- Thermistoren sind Widerstände aus einem speziellen Material mit hohem Widerstand bei niedrigen Temperaturen und niedrigem Widerstand bei hohen Temperaturen. Der Widerstand wird gemessen, um die Temperatur zu bestimmen.
Temperaturmessung mit Thermoelementen:
Thermoelemente bestehen aus zwei thermoelektrischen Drähten aus verschiedenen Materialien (z. B. Platin und Platin-Rhodium), die an einem Ende miteinander verschweißt sind. Wenn die Kontaktstelle und die anderen Enden der Thermodrähte unterschiedliche Temperaturen haben, wird an der Kontaktstelle eine Thermospannung erzeugt. Diese Spannung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Kontaktstelle und den Enden der Drähte. Diese Spannung kann gemessen und zur Temperaturmessung verwendet werden. Um die tatsächliche Temperatur zu messen, muss auch eine Referenztemperatur mit bekannter Temperatur bestimmt werden. Dies geschieht entweder durch interne Vergleichsstellenkompensation (bei der die Referenztemperatur am gleichen Ort wie die zu messende Temperatur gemessen wird) oder durch externe Vergleichsstellenkompensation (bei der die Referenztemperatur an einem anderen Ort gemessen wird). Hochspannungspotentiale können mit Hochisolations-/Hochspannungsmessmodulen, wie z.B. dem A124, gemessen werden.
Zur Temperaturmessung mit interner Kaltstellenkompensation wird ein zusätzlicher Temperaturfühler zur Messung der Referenztemperatur verwendet. Bei den Modulen der Q.serie X wird eine Anschlussklemme zur Kaltstellenkompensation mit einem integrierten Pt1000-Temperaturfühler verwendet. Damit wird die Temperatur an der Übergangsstelle ermittelt und die vom Thermoelement erzeugte Spannung je nach Thermoelementtyp korrigiert.
Zur externen Kaltstellenkompensation wird ein zweites Thermoelement desselben Typs benötigt, das mit dem ersten Thermoelement in Reihe geschaltet wird. Die Polarität wird so gewählt, dass sich die Thermospannungen subtrahieren. Das zweite Thermoelement wird an einem festen Bezugspunkt angebracht. Das Modul Q.serie X errechnet dann anhand der Linearisierungskurve die Temperatur am Messpunkt. Für diese Berechnung benötigt das Modul Q.serie X die verwendete Referenztemperatur.
Temperaturmessung mit Pt100 und Pt1000:
Pt100- und Pt1000-Messungen sind in 2-, 3- und 4-Leiter-Konfigurationen möglich. Bei Pt100/Pt1000-Messungen in 2-Leiter-Technik verursachen die Zuleitungen einen zusätzlichen Spannungsabfall, der das Messergebnis verfälschen und die Genauigkeit der Messung beeinflussen kann. Daher ist es wichtig, bei Pt100/Pt1000-Messungen in Zweileitertechnik möglichst niederohmige Leitungen zu verwenden und sicherzustellen, dass die Leitungen ordnungsgemäß mit dem Sensormodul und dem Sensor selbst verbunden sind. Bei Pt100/Pt1000-Messungen in 3- oder 4-Leiter-Ausführung wird der Spannungsabfall direkt am Sensor abgegriffen, so dass die Zuleitungen keinen Einfluss auf die Messergebnisse haben. Die 4-Draht-Form kompensiert auch die Auswirkungen unsymmetrischer Leitungswiderstände. Hochisolations-/Hochspannungsmessmodule, wie z. B. A121, können zur Messung von Temperaturen bei hohen Spannungspotentialen verwendet werden.
Ladungsverstärker
Ein Ladungsverstärker ist ein elektronisches Gerät, das ein Ladungssignal verstärkt. Es wird üblicherweise verwendet, um die von einem piezoelektrischen Sensor erzeugte Ladung zu verstärken, der eine Ladung erzeugt, wenn er einer mechanischen Belastung oder einem Druck ausgesetzt wird. Das verstärkte Ladungssignal kann dann gemessen und analysiert werden, um die Größe der auf den Sensor ausgeübten mechanischen Belastung oder des Drucks zu bestimmen. Ladungsverstärker werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. bei der Schwingungsüberwachung, der Überwachung des Strukturzustands und der Lastmessung.
Vibrationsmessung (Beschleunigungssensoren)
Es gibt verschiedene Arten von Schwingungssensoren:
- Piezoelektrische Beschleunigungsmesser verwenden einen piezoelektrischen Kristall, der eine Spannung erzeugt, wenn er mechanischer Belastung oder Druck ausgesetzt wird.
- Kapazitive Beschleunigungsmesser verwenden eine flexible Membran, die zwischen zwei stationären Elektroden angeordnet ist. Wenn sich die Membran durch die Vibration bewegt, ändert sich die Kapazität zwischen den Elektroden, die gemessen und zur Bestimmung der Stärke der Vibration verwendet werden kann.
- MEMS-Beschleunigungsmesser nutzen die Technologie der mikroelektromechanischen Systeme (MEMS) zur Messung der Beschleunigung. Sie sind klein, leicht und preiswert, was sie in der Unterhaltungselektronik beliebt macht.
Schwingungssensoren, auch als Beschleunigungsmesser bekannt, messen Schwingungen oder Bewegungen. Sie werden häufig zur Überwachung des Zustands mechanischer Systeme wie Motoren, Lager und Getriebe sowie zur Erkennung von Erdbeben und anderen Arten struktureller Bewegungen eingesetzt. Vibrationssensoren arbeiten, indem sie Änderungen der Beschleunigung erkennen, die ein Maß dafür ist, wie schnell sich die Geschwindigkeit eines Objekts ändert.
Schwingungssensoren werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, z. B. in der vorausschauenden Wartung, der Überwachung des Strukturzustands und der Schwingungsanalyse. Sie sind ein wichtiges Instrument zum Verständnis des Zustands und der Leistung mechanischer Systeme und können helfen, Probleme zu erkennen, bevor sie zu einem Ausfall führen.
Ein Beschleunigungsmesser misst statische und dynamische Beschleunigungskräfte. Ein Beschleunigungsmesser kann entweder analoge oder digitale Ausgänge haben. Ein Beschleunigungssensor mit analogem Ausgang hat in der Regel eine kontinuierliche Ausgangsspannung, die direkt proportional zur Beschleunigung ist, während ein digitaler Ausgang in der Regel die Form eines PWM hat (eine Rechteckwelle bestimmt die Frequenz, und die Zeit, in der die Spannung auf dem hohen Niveau ist, ist proportional zur Beschleunigung).
Beschleunigungsmesser werden in der Automobilindustrie häufig eingesetzt, um die Beschleunigung eines Fahrzeugs zu messen und die Motorleistung zu ermitteln, die in Vergleichsmatrizen verwendet werden kann. Sie können auch das Ausmaß der Vibrationen in einem System messen, eine wichtige Variable, die die Gesundheits- und Sicherheitsstandards eines Systems bestimmt.
Glasfaseroptik
Faseroptische Sensoren verwenden Glasfaserkabel als Messfühler. Sie messen die Veränderungen der Eigenschaften des Lichts auf seinem Weg durch das Glasfaserkabel.
Es gibt mehrere Arten von faseroptischen Sensoren:
- Intensitätsbasierte faseroptische Sensoren messen die Intensität des durch das Glasfaserkabel übertragenen Lichts und werden zur Erkennung von Temperatur-, Spannungs- und Druckänderungen sowie anderen physikalischen Größen eingesetzt.
- Interferometrische faseroptische Sensoren nutzen die Interferenz von Lichtwellen, um Änderungen des Abstands zwischen zwei Punkten zu messen. Sie werden häufig zur Messung von Verschiebung, Dehnung und Temperatur verwendet.
- Faseroptische Laufzeitsensoren messen die Zeit, die ein Lichtimpuls benötigt, um das Glasfaserkabel zu durchlaufen, und werden zur Messung von Entfernung, Geschwindigkeit und Beschleunigung verwendet.
4. Polarisationserhaltende faseroptische Sensoren verwenden spezielle Glasfaserkabel, die die Polarisation des Lichts auf dem Weg durch das Kabel beibehalten. Sie werden zur Messung von Temperatur, Dehnung und anderen physikalischen Größen verwendet.
Faseroptische Sensoren werden in verschiedenen Bereichen eingesetzt, z. B. in der Bauwerksüberwachung, der Öl- und Gasexploration und der medizinischen Diagnostik. Sie sind bekannt für ihre hohe Empfindlichkeit, schnelle Reaktionszeit und die Fähigkeit, über große Entfernungen ohne Signalverlust zu arbeiten.
Zu den Vorteilen faseroptischer Sensoren gehören: Hochspannungsisolierung, Unempfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen- und Strahlungsstörungen, Eigensicherheit, Widerstandsfähigkeit gegen Blitzeinschläge und die Fähigkeit, unter extremen Temperaturbedingungen (sowohl bei hohen als auch bei niedrigen Temperaturen) zu arbeiten.