Sensoren einfach erklärt: Funktion und Anwendung

Ein realer Sensor ist ein technisches Bauteil, das eine Eigenschaft seiner Umgebung erfasst. Diese Eigenschaft heißt Messgröße, zum Beispiel Temperatur oder Helligkeit. Der Sensor wandelt sie in ein weiterverarbeitbares elektrisches Signal um. Ein Signal trägt Information; hier geschieht das durch eine elektrische Größe oder deren Änderung.

Ein möglicher Temperatursensor enthält ein Material, das elektrischen Strom bei Erwärmung anders gut durchlässt. Weitere elektrische Bauteile machen diese Änderung als Signal nutzbar. Wenn der Zusammenhang zwischen Temperatur und Signal bekannt ist, lässt sich dem Signal ein Temperaturwert zuordnen.

Virtuelle Sensoren sind eine Ausnahme von dieser Bauteilbeschreibung. Das sind Programme, die Werte aus Messwerten realer Sensoren berechnen. Dafür nutzen sie ein Modell: eine vereinfachte Beschreibung der Zusammenhänge zwischen den Größen.

Automatisiert bedeutet: Ein System führt Schritte nach einer festgelegten Regel aus, ohne dass ein Mensch jeden Schritt einzeln auslöst. Ein System ist hier eine Anordnung zusammenwirkender Teile.

Dabei unterscheiden wir drei Funktionen, also Aufgaben. Der Sensor erfasst eine Messgröße und liefert ein Signal. Die Verarbeitung wertet das Signal nach einer Regel aus. Sie kann einen Messwert mit einer Grenze vergleichen und einen Befehl als elektrisches Signal ausgeben. Ein Aktor setzt ein Eingangssignal zum Beispiel in eine Bewegung um. Ein Motor als bewegender Antrieb oder eine Pumpe kann diese Aufgabe übernehmen.

Diese Funktionen müssen nicht in drei getrennten Bauteilen stecken. Die Verarbeitung eines Signals kann bereits im Sensor eingebaut sein. Für die Unterscheidung zählt, welche Aufgabe gerade erfüllt wird.

Eine analoge Ausgabe kann im vereinfachten Modell innerhalb ihres Bereichs jeden Zwischenwert annehmen. Das Signal liegt fortlaufend vor und kann zu jedem Zeitpunkt betrachtet werden. Binär bedeutet dagegen: Es gibt zwei logische Zustände, also zwei unterscheidbare Bedeutungen wie „frei“ und „belegt“. Die Zeichen „0“ und „1“ können für diese Zustände stehen.

Der Begriff digital wird je nach Anwendung etwas unterschiedlich verwendet. Hier gilt die engere Bedeutung: Die Werte stammen aus einer festen Auswahl und sind an einzelne, festgelegte Zeitpunkte gebunden. Das können etwa die Zeitpunkte eines regelmäßigen Takts sein. Ein Takt ist eine Folge festgelegter Zeitpunkte. Zwischen ihnen kann das Signal unverändert bestehen bleiben.

Ein binäres Signal, das ohne Bindung an solche Zeitpunkte wechselt, genügt dieser Digitaldefinition nicht. Binär und digital können aber zusammenpassen: Digitale Messwerte können als Folgen aus Nullen und Einsen ausgegeben werden. Die beiden Begriffe beschreiben also unterschiedliche Eigenschaften.

Ein Analog-Digital-Umsetzer ist ein Bauteil, das ein analoges Eingangssignal in digitale Werte überführt. Beim Abtasten wird das Signal zu einzelnen Zeitpunkten erfasst. Beim Quantisieren wird jeder erfasste Wert einer erlaubten Wertestufe zugeordnet. Die erlaubten Stufen bilden ein Werteraster. Im Prinzip kann die Reihenfolge der beiden Schritte auch umgekehrt sein.

Der Umsetzer kann bereits im Sensor eingebaut sein. Dann kann der Sensor digitale Messwerte ausgeben. In unseren Umsetzungsbeispielen wird jeweils die nächstgelegene Rasterstufe gewählt. Die Temperaturangabe „°C“ steht für Grad Celsius.

Bei einer digitalen Messausgabe beschreibt die Auflösung, wie fein Werte unterschieden werden können. Bei einem gleichmäßigen Werteraster bedeutet ein kleinerer Abstand zwischen benachbarten Stufen eine feinere Auflösung. Änderungen unterhalb eines Stufenabstands können in derselben Stufe verschwinden oder beim Überschreiten einer Stufengrenze einen ganzen Ausgabeschritt auslösen.

Die Messabweichung ist die Differenz zwischen Messwert und Referenzwert. Ein Referenzwert ist ein geeigneter, ausreichend verlässlich bekannter Vergleichswert. Es gilt: \text{Messabweichung} = \text{Messwert} - \text{Referenzwert}. Ein positives Ergebnis bedeutet, dass der Messwert über dem Referenzwert liegt; ein negatives Ergebnis bedeutet, dass er darunter liegt. Ohne geeigneten Referenzwert lässt sich die einzelne Messabweichung nicht berechnen. Temperaturunterschiede geben wir hier ebenfalls in Grad Celsius an.

Der Messbereich ist der Bereich der Messgröße, für den festgelegte Grenzen der Messabweichung gelten. Dabei muss das Gerät wie vorgesehen benutzt werden. Der Messbereich bezieht sich auf die zu messende Größe. Ein geeigneter Referenzwert hilft zu prüfen, ob sie darin liegt; die angezeigte Zahl allein reicht dafür nicht. Der Anzeigebereich umfasst die Werte, die das Gerät anzeigen kann. Beide Bereiche können unterschiedlich sein. Außerhalb des Messbereichs ist keine Genauigkeit zugesagt. Mit Genauigkeit meinen wir hier, wie nah Messwerte am geeigneten Referenzwert liegen.

Ein feines Werteraster garantiert keine Messabweichung nahe null. Andere Einflüsse können Messwerte verschieben oder schwanken lassen. Der Stufenabstand legt auch keinen größeren Messbereich fest. Die folgende Tabelle gehört zu einem ausgedachten Temperatursensor für einen Bastelraum.