Definition: Ein Sensor, auch Messwertaufnehmer genannt, erfasst eine Messgröße und überführt deren Veränderung in ein elektrisches Signal. Dieses Signal lässt sich anzeigen, speichern, übertragen oder durch eine Steuerung weiterverarbeiten.

Zu den erfassbaren Größen gehören Druck, Kraft, Beschleunigung, Lichtstärke, Temperatur, Feuchtigkeit, Strahlung, Schall, magnetischer Fluss und Drehzahl. Chemische Sensoren können außerdem Eigenschaften wie Konzentrationen oder die Zusammensetzung eines Mediums erfassen.

Von der Messgröße zum Signal

Im Sensorelement wirkt die Eingangsgröße auf ein geeignetes Wandlerprinzip. Je nach Aufgabe kommen induktive, kapazitive, piezoelektrische, magnetische oder photoelektrische Verfahren zum Einsatz. Das Ergebnis ist häufig eine elektrische Spannung, ein Strom, eine Ladung oder eine Änderung von Widerstand beziehungsweise Kapazität.

Zwischen Messgröße und Ausgangssignal besteht eine definierte Relation. Sie ermöglicht es, aus dem gemessenen elektrischen Wert auf die ursprüngliche Größe zu schließen. Signalaufbereitung, Verstärkung, Filterung und Digitalisierung können direkt im Sensormodul oder in einer nachgeschalteten Elektronik erfolgen.

Messgeräte und Elektronik für die Aufbereitung von Sensorsignalen
Messkette: Das Sensorelement erfasst die Größe; Elektronik bereitet das Signal für die Auswertung auf.

Sensorarten und Messprinzipien

Sensoren lassen sich nach der Messgröße, dem Wandlerprinzip oder ihrer Bauform einteilen. Mechanisch geprägte Anwendungen betreffen etwa Position, Neigung, Annäherung, Vibration, Kraft und Druck. Nichtmechanische Sensoren erfassen unter anderem Temperatur, Licht, Feuchte, Magnetfelder oder chemische Eigenschaften.

Für Bewegungs- und Annäherungserkennung können außerdem Ultraschall-Bewegungsmelder eingesetzt werden. Wärmebedingte Änderungen lassen sich unter anderem mit Pyrosensoren erfassen.

Optische Sensoren

In optischen Netzen, Scannern und Digitalkameras übernehmen lichtempfindliche Bauelemente die optisch-elektrische Wandlung. Dazu zählen Fotodioden, APD-Dioden, PIN-Dioden, Fototransistoren und komplexe Bildsensoren.

CMOS-Sensoren und CCD-Sensoren bestehen aus vielen lichtempfindlichen Bildelementen. Sie erfassen räumlich verteilte Helligkeitswerte und bilden daraus digitale Bildinformationen.

Einsatz und Integration

Sensoren finden sich in Prozesssteuerungen, Produktionsanlagen, Fahrzeugen, Flugzeugen, Sicherheitseinrichtungen, Fernwirksystemen sowie in medizinischen und naturwissenschaftlichen Geräten. Sehr kleine Ausführungen werden als Mikrosensoren bezeichnet.

Die Übertragung kann drahtgebunden oder über Funksensoren erfolgen. Ein Smart Sensor verbindet das Sensorelement mit eigener Signalverarbeitung. Dafür können ein Mikroprozessor, ein Mikrocontroller oder weitere integrierte Schaltungen eingesetzt werden.

In der Mikrosystemtechnik entstehen kompakte MEMS-Sensoren, beispielsweise Trägheitssensoren. Zusammen mit Vorverstärkern, Digitalisierern und einem Analog-Frontend kann daraus eine weitgehend vollständige Messkette in einem kleinen Baustein entstehen.