1 Überblick über die Sensorik

Seite 2
2 1 Überblick über die Sensorik 1 Überblick über die Sensorik 3
tronische Funktion haben: Elektrische Eingangssignale werden ohne Einfluß
Bild 1-1:
Möglichkeiten der Energieumwandlung in einem Transducer: Einem Bauelement
wird eine bestimmte Energieform zugeführt, die aufgrund eines Umwelteinflusses
(ebenfalls darstellbar als Energie) in eine neue Energieform umgewandelt wird. Als
Beispiel eingetragen ist der Fall eines resistiven chemischen Sensors: Ein zugeführter
elektrischer Strom führt zu einem umweltabhängigen Spannungsabfall, wenn der
elektrische Widerstand des Sensors abhängt von der chemischen Zusammensetzung
der Umgebung (nach [1.1], [1.6])
auch die Lebensdauer des Sensors gravierend herabsetzen. Eine Druckmembran wird
z.B. auch durch Temperaturgradienten, mechanische Verspannungen oder Ablagerungen
von Verbrennungsprodukten in ihren Eigenschaften so verändert, daß ihre Durchbiegung
nur noch mit Einschränkungen zur Druckbestimmung verwendet werden
kann. Solche Einsatzbedingungen führen in vielen Fällen zu technischen Problemen,
die nach dem heutigen Stand der Technik überhaupt nicht, oder nur mit sehr großem Kostenaufwand
bewältigt werden können.
Der Gesichtspunkt des für einen Sensor zulässigen Kostenaufwands ist sehr fundamental
und kann die Auswahl der eingesetzten Technik entscheidend beeinflussen.
Eine Temperaturkontrolle ist in jeder Kaffeemaschine erforderlich, um den Kaffeetrinker
nicht um seinen Genuß zu bringen, d.h. bei diesem Gerät muß zwangsläufig ein
Temperatursensor eingesetzt werden. Andererseits darf dieser Sensor nicht den Preis
des Geräts entscheidend in die Höhe treiben, wobei es auf ein Grad Celsius mehr oder
weniger nicht wesentlich ankommt. Gesucht ist also ein Sensor, der in einer wenig kostenaufwendigen
Fertigungstechnologie hergestellt und dessen Ausgangssignal in einfacher
Weise elektrisch weiterverarbeitet werden kann. Häufig besteht die Lösung dieses
Problems darin, daß sich die Fertigungstechnik des Sensors an die anderer elektronischer
Bauelemente anlehnt, so daß die Fertigungskosten durch eine bessere Ausnutzung
vorhandener Kapazitäten gesenkt werden können und keine erheblichen Neuinvestitionen
erforderlich werden.
von außen verarbeitet und als elektrische Ausgangssignale abgegeben. Umwelteinflüsse,
wie die Umgebungstemperatur, der Umgebungsdruck, ein etwa vorhandenes
Magnetfeld etc. spielen eine meist störende parasitäre Rolle, die es nach Möglichkeit
auszuschalten gilt. Aus diesem Grund werden die rein elektronischen Bauelemente bestmöglich
gegen die Umwelt abgeschirmt, sie werden gegen Umwelteinflüsse passiviert,
z.B. durch einen Einbau in ein Metall- oder Keramikgehäuse oder durch eine Umhüllung
mit einem polymeren Werkstoff (s. Band 6).
Bei Sensoren muß die Gehäusetechnik völlig anders konzipiert werden, da die Sensorbauelemente
zumindest einer der Umweltgrößen (auf die sie ja gerade mit einer Änderung
der elektrischen Eigenschaften reagieren sollen) ausgesetzt werden müssen. Andererseits
sollten die Sensoren gegenüber allen anderen Umweltgrößen wieder optimal
passiviert werden, damit keine Querempfindlichkeit entsteht. Hierin liegt eine der
prinzipiell vorhandenen Komplikationen in der Sensortechnik, wie das folgende Beispiel
zeigt:
Eine Meßaufgabe von großer praktischer Bedeutung ist die Bestimmung des zeitaufgelösten
Druckverlaufs im Zylinder eines Verbrennungsmotors (s. Band 8 dieser Reihe).
Ein entsprechender Drucksensor muß zwangsläufig direkt an den Brennraum herangeführt
werden und ist dort enormen mechanischen, thermischen und chemischen Belastungen
ausgesetzt, die einerseits die Meßgenauigkeit beeinträchtigen, andererseits aber
Bild 1-2:
Auswertung von Sensorsignalen:
Während diese in der Konsumtechnik häufig nur über sehr einfache Schaltungen
(z.B. Strom-Spannungsmessung) durchgeführt wird, erfolgt in der industriellen
Technik zunehmend eine digitale Signalverarbeitung. Diese Verfahren sind typisch
für die Präzisionsmeßtechnik, in der häufig eine aufwendige Datenverarbeitung mit
Bus-Systemen angewendet wird (nach [1.2]).