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