Sensoren sind Elemente, die ein nichtelektrisches Eingangssignal (nichtelektrische Grösse) in ein elektrisches Ausgangssignal für die weitere Verwertung umwandeln. Eine nichtelektrische Grösse kann beispielsweise eine Geschwindigkeit, eine Temperatur oder das Vorhandensein eines Objektes sein.

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Physikalische Effekte: Sensoren können in aktiven und passiven Sensoren unterteilt werden.

Bei aktiven Sensoren werden physikalische Folgeeffekte genutzt. Dabei wird beispielsweise chemische, mechanische, Licht- oder Wärmeenergie direkt vom Sensor in elektrische Energie umgewandelt.

Passive Sensoren benötigen hingegen eine Hilfsenergie. Dabei werden beispielsweise kapazitive, induktive oder resistive Effekte vom Messfühler ausnutzt und umgewandelt.

Im vorliegenden Entwicklungstool werden folgende Messprinzipien behandelt:

Kapazitiv
Induktiv
Magnetostriktiv
Piezo
Potentiometrisch
DMS
Fotoelektrisch
Ultraschall
Magnetisch

Je nach Integrationsgrad des Sensors hat die Eingangsgrösse beim Messfühler einen kurzen oder langen Signalverlauf und durchläuft mehrere Sensorstufen. Im Beispiel eines einfachen Thermostats mit Bimetall durchläuft die zu messende Grösse (Temperatur) nur zwei Schritte, sprich das Bimetall und den daran gekoppelten elektrischen Schaltkontakt. Bei einem Wärmebildsensor hingegen, durchquert die Eingangsgrösse verschiedenste Stufen, darunter auch solche mit grosser Intelligenz, die ihrerseits das Signal mehrstufig bearbeiten.

Anhand eines Potentiometers, der als absoluter Winkelgeber (Winkelsensor) dienen soll, werden nun die Integrationsgrade erklärt.

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Umformung: Die Umformung des Winkels findet über die Welle des Potentiometers statt. Messverfahren, die ohne nichtelektrische Zwischengrösse auskommen, heissen direkte Messverfahren. In diesem Beispiel ist von einem indirekten Messverfahren die Rede.

Wandlerelement: Hier findet die eigentliche mechanisch-elektrische Umwandlung statt. Bei unserem Winkelsensor erfolgt das über einen Widerstand mit Schleifkontakt.

Auswerteelektronik: Das primäre elektrische Signal wird zur Weiterverarbeitung in die Auswerteelektronik geführt. Diese erfüllt folgende Aufgaben

• Kompensation von Nullpunktschwankungen
• Ausfilterung von Störsignalen
• Linearisierung des Messsignals
• Messbereichsanpassungen
• Normierung des Ausgangssignal (z.B. auf 0 bis 5 Volt)

ADC: ADC steht für Analog-Digital-Converter. Damit das analoge Signal in einem weiteren Schritt (Rechner) verarbeitet werden kann, wird es digital gewandelt.

Mikrorechner: Ein integrierter Mikrorechner macht aus dem Sensor einen intelligenten Sensor (schlau, programmierbar, etc). Daraus ergeben sich neue Möglichkeiten wie:

• Überwachung und Aufzeichnung von Messdaten im Sensor

• Warnbefehle, Notprogramme

• Kommunikation mit anderen Geräten via Bussystem

• Zusammenfassung mehrerer Messsignale im gleichen Sensor

• Kalibrierung oder Programmierung

Damit überhaupt eine Messung stattfinden kann müssen Sensoren eine Reihe von Grundanforderungen erfüllen.

Messbereich: Der Messbereich ist der Bereich der Eingangswerte, der auf den zulässigen Bereich der Ausgangswerte abgebildet werden kann. In der Praxis wird der Messbereich des Sensors immer grösser als der zu erfassende Bereich gewählt.

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Auflösung: Die Auflösung eines Messsystems gibt an, wie nahe zwei Eingangswerte beieinander liegen können, so dass sie im Ausgangssignal sicher immer als zwei unterschiedliche Werte wahrgenommen werden können. Die Auflösung wird in Prozent vom Messbereich (analog) oder in Bit (digital) angegeben. Bei Sensoren mit analogem Signalausgang (eine Spannung) wird die Auflösung letztlich durch die Amplitude des Rauschens (Störung) bestimmt. Bei Sensoren mit digitalem Signalausgang wird die Auflösung vom ADC (Analog-Digital-Converter) bestimmt.

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Statische Fehler von Sensoren: Die statische Messgenauigkeit eines Sensors ergibt sich aus der Summe aller Einzelfehler. Die Einzelfehler bestehen aus den folgenden vier wesentlichen Fehlerarten:

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Nullpunktfehler: Tritt häufig wegen einer Temperaturabhängigkeit des Messsignals auf. Kann durch geeignete Kompensationsmassnahmen eliminiert werden. Auch Langzeitdrift verursacht durch Alterung des Sensormaterials führt zu Nullpunktfehler.

Steigungsfehler: Auch hier sind Temperatur- und Alterungsprobleme die Ursache.

Linearitätsfehler: Der Linearitätsfehler wird als Verhältnis der Breite des Toleranzschlauchs zum Messbereichsendwert angegeben. Dieser Fehler ist typisch für potentiometrische Messsysteme. Materialinhomogenitäten der Kontaktbahn (Kohle, Leitplastik) führen zu lokalen Störungen der Kennlinie.

Hysteresefehler: Hysteresefehler treten meistens bei Sensoren mit magnetischen oder piezoelektrischen Messprinzipien auf. Hystereseerscheinungen sind physikalisch immer mit Speicherung oder Umwandlung von Energie verbunden. Bei einem Näherungsschalter äussert sich die Hysterese mit einer Differenz zwischen dem Einschalt- und dem Ausschaltpunkt.

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