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Neue Sensortechnologien

Sensoren und Wandler verstehen

21. Oktober 2023, 14:00 Uhr | Nicole Wörner

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Unterschiedliche Sensortypen

Obwohl es sich um ein einfaches Verfahren handelt, ist die Messung der Temperatur in vielen Industrieapplikationen wichtig, um sicherzustellen, dass die Geräte innerhalb der Spezifikationen arbeiten. Weil durch Reibung hohe Temperaturen entstehen können, kann das Erfassen dieser Wärme (zusammen mit anderen Parametern wie etwa Schall) helfen, frühe Anzeichen von Verschleiß zu erkennen. Zur Messung kommen unterschiedliche Sensortypen zum Einsatz:

Thermoelemente sind Temperaturfühler, die aus zwei miteinander verbundenen Drähten aus unterschiedlichen Metallen bestehen und auf dem Seebeck-Effekt basieren, um eine zur Temperatur proportionale Spannung zu erzeugen. Sie arbeiten bei hohen Temperaturen, sind aber nicht besonders genau.

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Thermistoren wie die selbsthaftenden Oberflächentemperatur-Sensoren aus der JS-Baureihe von Amphenol Advanced Sensors (Bild 4) verringern ihren Widerstand mit steigender Temperatur. Infolgedessen sind sie nichtlinear; dank ihrer höheren Genauigkeit werden sie jedoch in Applikationen eingesetzt, bei denen kleine Temperaturänderungen erkannt werden müssen.

Auch Drucksensoren werden in zahlreichen Industrieapplikationen eingesetzt:

Dehnungsmessstreifen beispielsweise haben ein elastisches Element, das sich verformt und den elektrischen Widerstand ändert, wenn eine äußere Kraft einwirkt. Diese Technologie wird in Drucksensoren wie den Druck-Wägezellen FX29 von TE Connectivity eingesetzt.
Ein alternativer Ansatz nutzt den piezoelektrischen Effekt, der eine elektrische Ladung erzeugt, wenn sich das Material als Reaktion auf eine einwirkende Kraft verformt. Auf diese Weise funktionieren die MSP300-Sensoren von TE (Bild 5).

Sensorik in der intelligenten Landwirtschaft

In Zeiten steigender Kosten und der Notwendigkeit, Ressourcen zu schonen, können Sensoren den Landwirten helfen, ihre Erträge zu steigern und gleichzeitig weniger Dünger, Wasser und Saatgut zu verbrauchen – bei gleichzeitig höherer Qualität der Lebensmittel und einer geringeren Anfälligkeit gegen Dürre, Schädlinge, Krankheiten etc.:

Kamerabasierte Bilderfassungstechnologien überwachen Pflanzengesundheit und -wachstum – auch großflächig etwa mittels Drohnen. Sie tragen zur Automatisierung in Bereichen wie der Überwachung von Prozessen in der Nutztierhaltung bei.
In Ernterobotern sind unter anderem Bildverarbeitungssensoren wie die Basler-dart-30fps-Area-Scan-Kamera (Bild 2) integriert, die es den Robotern ermöglichen, die Früchte genau zu erkennen, ihren Reifegrad zu analysieren und die Greifarme des Roboters zu steuern.

GPS-Technologien ermöglichen eine Präzisionslandwirtschaft, in der Landwirte Ertragskarten erstellen können, um die Leistung der verschiedenen Bereiche zu analysieren. Weitere Einsatzmöglichkeiten sind die Verfolgung von Nutztieren mittels GPS-Halsbändern, die Hilfe bei der Bodenerfassung und die automatische Steuerung von Landmaschinen. Bauelemente wie die ZED-F9R-GNSS-Module von u-blox (Bild 3) können Maschinen in die Lage versetzen, Routen für das Pflügen, die Anzucht und die Ernte exakt zu reproduzieren.

Bodensensoren wie der ph-Sensor DFRobot SEM0249 messen den Säuregehalt, um die Bodenbeschaffenheit und die Aktivitäten der Mikroorganismen zu verstehen. Auch die Messung des Boden-Wassergehalts und der -temperatur ist wichtig.

Sensorik in Gesundheit und Fitness

Im Gesundheits- und Fitnessbereich haben sich Wearables durchgesetzt – von einfachen Schrittzählern bis hin zu kompletten Gesundheitsplattformen, die jedes Vitalzeichen erfassen. Viele dieser Geräte sind mit der Cloud verbunden, sodass Mediziner ihre Patienten aus der Ferne überwachen können. Grundlage sind auch hier Fortschritte in verschiedenen Sensortechnologien:

Optische Sensoren nutzen die Photoplethysmographie (PPG) zur Erkennung von Volumenänderungen im Körpergewebe für Applikationen, die Pulsfrequenz, Atemfrequenz und Sauerstoffsättigung des Blutes messen. Ein Beispiel ist das optische Sensormodul MAX86916 von Analog Devices/Maxim Integrated. Es enthält LEDs, die Blutgefäße im Handgelenk oder Finger beleuchten, sodass eine integrierte Fotodiode Reflexionen erkennen kann. Diese werden in ein elektrisches Signal umgewandelt, das proportional zur Sauerstoffmenge im Blut ist. Ein weiteres Bauelement, der biometrische Sensor-Hub MAX32664 von Analog Devices/Maxim Integrated (Bild 6), enthält spezielle Algorithmen für die Signalverarbeitung und wird in Zukunft auch den Blutdruck messen können.

Der menschliche Körper erzeugt bei physiologischen Prozessen elektrische Signale, die mithilfe mehrerer Elektroden, die den Körper berühren, erfasst werden können. Biopotenzialsensoren erfassen diese Signale und liefern eine Reihe medizinisch relevanter Messwerte, etwa durch die Elektromyografie (EMG), mit der sich die Gesundheit der Muskeln und der zugehörigen Nervenzellen beurteilen lässt, und die Elektroenzephalografie (EEG), die die Hirnaktivität aufzeichnet, um neurologische Erkrankungen zu diagnostizieren. Eine weitere gängige Messung ist die Elektrokardiografie (EKG), eine grafische Darstellung der elektrischen Aktivität des Herzens einschließlich der Herzfrequenz und der Herzfrequenzvariabilität (HRV), die einen Überblick über die gesamte Herzgesundheit gibt. Das Mikroe ECG 6 Click beispielsweise verfügt über Biopotenzialsensoren, die die Integration von EKG- und HR-Messungen in Fitness-Assistenten, Wearables, Smartphones und Tablets ermöglichen.