3 Grundlagen der Sensortechnik

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1 32 3 Grundlagen der Sensortechnik 3.1 Was ist ein Sensor? Als Sensoren (Lateinisch sensus = Gefühl) oder Messfühler werden in der Technik allgemein Bauteile bezeichnet, die bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften erfassen können. Nahezu alle physikalischen Größen sind mit elektronischen Sensoren messbar. Die wichtigsten Größen sind: ) Beschleunigungen und Kräfte ) Wärmestrahlung ) Temperatur ) Feuchtigkeit ) Druck ) Schallintensität ) Lichtintensität ) Elektrische und magnetische Felder Sensoren haben in der Technik eine weite Verbreitung gefunden. Von der Kraftfahrzeugtechnik über die Raumfahrt bis hin zur Medizin: Elektronische Sensoren sind aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken. Allein in einem modernen Auto befinden sich über 100 verschiedene Messfühler, von der klassischen Motortemperaturkontrolle und Ölstandüberwachung bis hin zu den modernsten Sensorsystemen, die über Kollisionsdetektoren den Airbag auslösen, im ABS-System das Blockieren der Räder verhindern oder für elektronische Stabilitätsprogramme (ESP) die Straßenlage des Fahrzeugs erfassen. Abb. 3.1 zeigt einige Beispiele für Sensoren, die in Kraftfahrzeugen Anwendung finden: Abstandssensor Regensensor Temperatursensor Drehzahlsensor Neigungsmesser Feuchtesensor Drucksensor Drehmomentsensor Klopfsensor Luftmassensensor Ladedruck Lambda-Sonde Beschleunigungssensor Abb. 3.1: Kfz-Sensoren

2 3.2 Querempfindlichkeiten 33 Aber auch in anderen Bereichen sind Sensoren unentbehrlich geworden. Im Bedarfsfall können etwa in der Medizin, z. B. mit dem EKG oder elektronischen Blutzuckermessgeräten, lebenswichtige Parameter überwacht werden. Ob in der chemischen Industrie, der Umwelttechnik oder im Haushalt: Auf elektronische Sensoren kann in keinem Lebensbereich mehr verzichtet werden. Das vorliegende Lernpaket gibt eine umfassende Einführung zu den wichtigsten Sensortypen und ihren Anwendungen. Die Erfassung von Temperaturen, Helligkeitswerten, Abständen, Kräften und Bewegungen wird jeweils nach Themenbereichen geordnet vorgestellt und in elektronischen Beispielschaltungen praktisch erprobt. Neben einfachen Grundschaltungen wie Thermometern, Schallpegelmessgeräten und einer elektronischen Waage werden auch komplexere Anwendungen wie elektronische Objekterfassung, kapazitive Füllstandsmessung oder Magnetfelddetektoren vorgestellt. 3.2 Querempfindlichkeiten Üblicherweise dienen Sensoren der Erfassung einer einzelnen spezifischen Größe. Diese soll möglichst reproduzierbar in eine elektrische Größe gewandelt werden. Oftmals ist dabei ein linearer Zusammenhang zwischen der Mess- und der elektrischen Größe erwünscht. Aber auch nichtlineare Übertragungsfunktionen können durch Einsatz von Computererfassungssystemen oder Mikrocontrollern problemlos ausgewertet werden. Ein wesentlich größeres Problem sind die sogenannten Querempfindlichkeiten.Hierunter versteht man, dass Sensoren oftmals nicht nur auf die eigentliche Messgröße reagieren, sondern auch auf andere physikalische Einflüsse. Die bekanntesten Beispiele hierfür sind: ) Temperaturempfindlichkeit von Lichtsensoren ) Reaktion von Schallwandlern auf mechanische Erschütterungen ) Einfluss der Luftfeuchtigkeit auf Sensoren für elektrische Felder Auch durch technische Optimierung können diese Einflüsse oft nicht vollständig eliminiert werden. Hier helfen dann meist nur die zusätzliche Erfassung der Störgröße und eine rechnerische Korrektur des Messwerts.

3 34 4 Berührungssensoren Geradezu als klassisch können die sogenannten Berührungssensoren gelten. Sie sind an fast allen Geräten zu finden, die direkt von Menschenhand gesteuert werden von der Stereoanlage über Fernseher und Waschmaschine bis hin zu industriellen Steuerungen. Aber auch die sogenannten Touchpads an Laptops gehören zur großen Gruppe der Berührungssensoren. Mit den Mitteln des Lernpakets kann ein Berührungssensor leicht verwirklicht werden. Als Sensortaste dienen drei vollständig abisolierte Drahtstücke. In Abb. 4.1 ist gezeigt, wie diese in die Aufbauplatte gesteckt werden müssen. Abb. 4.1: Aufbaubild Berührungssensor Die Bedienung dieses Sensorelements erfolgt dann einfach durch gleichzeitige Berührung von allen drei Drähten mit einem Finger (s. Abb. 4.2 ). Manchmal kann es hilfreich sein, den Finger etwas zu befeuchten. Hierfür genügt meist ein kurzes Anhauchen der Fingerkuppe. Das Prinzip des Sensors ist einfach: Durch die gleichzeitige Berührung der Drähte kann ein äußerst geringer Strom fließen. Dieser kann, nach entsprechend großer Verstärkung, einen Schaltvorgang auslösen.

4 4.1 Sensorgesteuerter Timer 35 Abb. 4.2: Korrekte Bedienung des Sensors 4.1 Sensorgesteuerter Timer Hier wird eine Schaltung vorgestellt, die das Prinzip des Berührungssensors sehr gut verdeutlicht. Durch einfache Berührung wird ein Timer gestartet. In unserem Fall leuchtet die LED für mehrere Sekunden auf und erlischt dann selbstständig. Der Elko(10 ` F oder 100 ` F) bestimmt die Leuchtdauer. Durch erneutes Berühren des Sensors kann der Timer wieder gestartet werden. Der gestrichelt eingezeichnete 1-MΩ-Widerstand verbessert das Schaltverhalten, eventuell aber auf Kosten der Empfindlichkeit. 1M 100k VDD Dis Thr Cin 555 GND Trg Out Res n 150 LED rot C 10µ [100µ] + Abb. 4.3: Schaltbild des sensorgesteuerten Timers

5 36 4 Berührungssensoren Abb. 4.4: Aufbaubild des sensorgesteuerten Timers 4.2 Umschalten durch Berührung: das Sensor-FLIP-FLOP In der vorhergehenden Schaltung wurde der Schaltvorgang dadurch ausgelöst, dass der Triggereingang des 555 über die Berührungstaste auf GND geschaltet wurde. Wenn man den Ausgang des IC als Referenz verwendet, erhält man einen Wechselschalter, da der Triggereingang beim Schalten nun wechselweise einmal mit einem hohen und einmal mit einem niedrigen Potenzial verbunden wird. Ein solcher Umschalter wird in der Technik auch als Flip-Flop bezeichnet.

6 4.2 Umschalten durch Berührung: das Sensor-FLIP-FLOP VDD Dis Thr Cin 555 GND Trg Out Res k µ + 10n LED rot Abb. 4.5: Schaltbild des Sensor-Flip-Flops Abb. 4.6: Aufbaubild des Sensor-Flip-Flops