Was ist ein Sensor? Verschiedene Arten von Sensoren mit Anwendungen

Verschiedene Arten von Sensoren mit Anwendungen

Einführung in die Sensorik

Die Welt ist voll von Sensoren. In unserem täglichen Leben begegnen wir bei allen Aktivitäten der Automatisierung. Die Automatisierung umfasst das Einschalten von Licht und Ventilatoren mit Hilfe von Mobiltelefonen, die Steuerung des Fernsehers mit Hilfe von mobilen Anwendungen, die Einstellung der Raumtemperatur, Rauchmelder usw. All dies geschieht mit Hilfe von Sensoren. Heutzutage hat jedes Produkt, das auf einem eingebetteten System basiert, eingebaute Sensoren in sich.

Es gibt viele Anwendungen wie mobil gesteuerte CCTV-Kameras, Apps zur Wetterüberwachung und -vorhersage usw. Sensoren spielen eine sehr wichtige Rolle bei der Überwachung und Erkennung im Gesundheitswesen. Daher müssen wir vor der Entwicklung einer Anwendung, die Sensoren verwendet, verstehen, was genau ein Sensor tut und wie viele Arten von Sensoren es gibt.

Was ist ein Sensor?

Ein Sensor ist definiert als ein Gerät oder ein Modul, das dabei hilft, Änderungen in physikalischen Größen wie Druck, Kraft oder elektrische Größen wie Strom oder jede andere Form von Energie zu erkennen. Nach der Beobachtung der Veränderungen sendet der Sensor den erkannten Eingang an einen Mikrocontroller oder Mikroprozessor.

Ein Sensor erzeugt schließlich ein lesbares Ausgangssignal, das entweder optisch, elektrisch oder in einer anderen Form sein kann, die einer Veränderung des Eingangssignals entspricht. In jedem Messsystem spielen die Sensoren eine wichtige Rolle. In der Tat sind Sensoren das erste Element im Blockdiagramm eines Messsystems, das in direkten Kontakt mit den Variablen kommt, um ein gültiges Ausgangssignal zu erzeugen.

Klassifizierung von Sensoren

1. Aktive und passive Sensoren
2. Analoge und digitale Sensoren

Aktive Sensoren:

Aktive Sensoren sind die Art von Sensoren, die ein Ausgangssignal mit Hilfe einer externen Anregungsquelle erzeugen. Die eigenen physikalischen Eigenschaften des Sensors variieren in Abhängigkeit von der angelegten externen Wirkung. Daher werden sie auch als selbsterzeugende Sensoren bezeichnet.

Beispiele: LVDT und Dehnungsmessstreifen.

Passive Sensoren:

Passive Sensoren sind die Art von Sensoren, die ein Ausgangssignal ohne die Hilfe einer externen Erregungsquelle erzeugen. Sie benötigen keine zusätzliche Anregung oder Spannung.

Beispiel: Thermoelement, das einen Spannungswert erzeugt, der der zugeführten Wärme entspricht. It does not require any external power supply.

Analog and Digital Sensors

Different types of digital and analog sensors are listed below one by one with their applications.

Different Types of Sensors

There are different types of sensors used to measure the physical properties like heartbeat & pules, Speed, Heat transfer, temperature etc. Types of sensors are listed below and we will discuses the usual types one by one in details with uses and applications.

• Infrared Sensor(IR Sensor)
• Temperature & Thermocouple Sensors
• Proximity Sensor
• Ultrasonic sensor
• Accelerometers & Gyroscope Sensor
• Pressure Sensor
• Hall Effect Sensor
• Load cell
• Light Sensor
• Color Sensor
• Touch Sensor
• Tilt Sensor
• PIR Motion Detector & Vibration Sensor
• Metal detector, Water Flow & Heartbeat Sensor
• Flow and Level Sensor
• Smoke, Fog, Gas, Ethanol & Alcohol Sensor
• Humidity, Soil Moisture & Rain Sensor

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Analog Sensors

The sensor that produces continuous signal with respect to time with analog output is called as Analog sensors. The analog output generated is proportional to the measured or the input given to the system. Generally, analog voltage in the range of 0 to 5 V or current is produced as the output. The various physical parameters like temperature, stress, pressure, displacement, etc. are examples for continuous signals.

Examples: accelerometers, speed sensors, pressure sensors, light sensors, temperature sensors.

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IR-Sensor (Infrarotsensor)

Bei der Betrachtung des elektromagnetischen Spektrums wird der Infrarotbereich in drei Regionen unterteilt: Nahes Infrarot, mittleres Infrarot und fernes Infrarot. Das Infrarotspektrum hat einen höheren Frequenzbereich als Mikrowellen und eine geringere Frequenz als sichtbares Licht. Ein Infrarotsensor wird zum Aussenden und Erkennen von IR-Strahlung verwendet. Nach diesem Prinzip kann der IR-Sensor als Hindernisdetektor eingesetzt werden. Es gibt zwei Arten von IR-Sensoren: aktive und passive IR-Sensoren.

Passiver IR-Sensor: Wenn der Sensor keine IR-Quelle verwendet, um die von den Hindernissen abgestrahlte Energie zu erkennen, handelt es sich um einen passiven IR-Sensor. Beispiele wie Thermoelemente, pyroelektrische Detektoren und Bolometer fallen unter passive Sensoren.

Aktiver IR-Sensor: Wenn es zwei Komponenten gibt, die als IR-Quelle und IR-Detektor fungieren, wird dies als aktiver Sensor bezeichnet. LED oder Laserdiode dienen als IR-Quelle. Photodiode oder Phototransistoren fungieren als IR-Detektor.

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Temperatur & Thermoelement-Sensoren

Wie besprochen erzeugt ein analoger Sensor Signale, die sich kontinuierlich mit der Zeit verändern. Der Ausgangswert des Sensors ist sehr klein und liegt im Bereich von Mikro- oder Millivolt. Aus diesem Grund sind Signalaufbereitungsschaltungen zur Verstärkung erforderlich. Analog-Digital-Wandler (ADC) werden verwendet, um das gewonnene Analogsignal in einen digitalen Wert umzuwandeln.

Temperatursensoren erfassen die Temperatur und messen die Temperaturänderungen. Andere Arten von Temperatursensoren sind Thermoelemente, Thermistoren, Widerstands-Temperaturmessgeräte (RTD) und Temperatursensor-ICs (LM35) usw.

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Näherungssensor

Näherungssensor ist ein berührungsloser Sensor, der zur Objekterkennung verwendet wird. Er hat keinen physischen Kontakt mit dem Objekt. Das Objekt, dessen Entfernung gemessen werden soll, wird als Ziel bezeichnet. In einem Näherungssensor wird ein IR-Licht oder elektromagnetische Strahlung verwendet. Es gibt verschiedene Arten von Näherungssensoren, wie z. B. induktive, kapazitive, Ultraschall- usw. Anwendungen: Objekterkennung, Geschwindigkeitsmessung, Rotationserkennung, Materialerkennung, Rückwärtsparken, Objektzählung.

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Ultraschallsensor

Ultraschallsensoren werden zur Messung von Entfernung oder Laufzeit mit Hilfe von Ultraschallwellen verwendet. Eine Quelle wird verwendet, um Ultraschallwellen auszusenden. Nach dem Auftreffen der Welle auf das Ziel werden die Wellen reflektiert und der Detektor sammelt das Signal. Die Laufzeit zwischen der gesendeten und der reflektierten Welle wird mit dem Ultraschallsensor gemessen. Optische Sensoren verwenden zwei verschiedene Elemente für Sender und Empfänger. Der Ultraschallsensor hingegen verwendet ein einziges Element für die Übertragung und den Empfang.

Beschleunigungssensoren &Gyroskopsensor

Beschleunigungssensoren sind Sensoren, die zur Erkennung von Positions-, Geschwindigkeits- und Vibrationsänderungen durch die Erfassung von Bewegungen verwendet werden. Er kann entweder analog oder digital sein. Bei analogen Beschleunigungssensoren wird je nach Stärke der auf den Beschleunigungssensor ausgeübten Beschleunigung ein kontinuierliches analoges Spannungssignal erzeugt.

Gyroskopsensoren erfassen und bestimmen die Ausrichtung mit Hilfe der Erdanziehung, d. h. sie messen die Winkelgeschwindigkeit. Der Hauptunterschied zwischen Beschleunigungssensoren & Gyroskopsensoren besteht darin, dass Gyroskope die Drehung erfassen können, was Beschleunigungssensoren nicht können. Mit anderen Worten, Gyroskop misst jede Drehung und ist unbeeinflusst von der Beschleunigung, während Beschleunigungsmesser nicht zwischen Drehung und Beschleunigung unterscheiden können und nicht in der Lage sind, zu arbeiten, wenn sie sich in der Mitte der Drehung befinden.

Drucksensor

Der Drucksensor arbeitet mit der Anwendung von Eingangsspannung und Druckwert. Er erzeugt eine analoge Ausgangsspannung.

Hall-Effekt-Sensor

Der Sensor, der nach dem Prinzip des magnetischen Effekts arbeitet, wird Hall-Effekt-Sensor genannt. Das magnetische Feld ist der Eingang und das elektrische Signal der Ausgang. Ein externes Magnetfeld wird angelegt, um den Hall-Effekt-Sensor zu aktivieren. Alle Magnete haben zwei wichtige Eigenschaften, nämlich Flussdichte und Polarität. Die magnetische Flussdichte ist immer um das Objekt herum vorhanden. Daher ist der Ausgang des Hall-Effekt-Sensors eine Funktion der Flussdichte.

Anwendungen: Eine der Hauptanwendungen von Magnetsensoren ist die Positions-, Abstands- und Geschwindigkeitsmessung in der Automobilindustrie. Zum Beispiel die Winkelposition der Kurbelwelle für den Zündwinkel der Zündkerzen, die Position der Autositze und Sicherheitsgurte für die Airbag-Steuerung oder die Erfassung der Radgeschwindigkeit für das Antiblockiersystem (ABS). Hall-Effekt-Sensoren werden für die GPS-Positionserkennung, die Geschwindigkeitserfassung und die Motorsteuerung verwendet.

Kraftmesszelle

Die Kraftmesszelle wird zur Gewichtsmessung verwendet. Der Eingang ist eine Kraft oder ein Druck und der Ausgang ein elektrischer Spannungswert. Die Wägezelle misst das Gewicht eines Objekts durch eine indirekte Methode. Es gibt einige Arten von Wägezellen, nämlich Balkenwägezellen, Einzelpunktwägezellen und Druckwägezellen.

Balkenwägezellen: Wird in industriellen Anwendungen wie Maschinen, Tankwägungen, medizinischen Geräten verwendet

Einpunktwägezellen: Diese werden für Anwendungen mit geringem Gewicht wie Müllsammlungen und Maschinen verwendet

Kompressionswägezellen: Sie werden für Anwendungen mit hohem Gewicht verwendet, wie z.B. medizinische Geräte, zur Steuerung von Pumpen.

Anwendungen von analogen Sensoren

Zur Erkennung von versteckten Spuren, Unterbrechungen in Metallen, Verbundwerkstoffen, Kunststoffen, Keramiken und zur Erkennung von Wasserständen.

Digitale Sensoren

Wenn Daten digital umgewandelt und übertragen werden, spricht man von digitalen Sensoren. Digitale Sensoren sind solche, die diskrete Ausgangssignale erzeugen. Diskrete Signale sind nicht zeitkontinuierlich und können bei serieller Übertragung in „Bits“ und bei paralleler Übertragung in „Bytes“ dargestellt werden. Die Messgröße wird in digitalem Format dargestellt. Die digitale Ausgabe kann in Form von logisch 1 oder logisch 0 (EIN oder AUS) erfolgen. Ein digitaler Sensor besteht aus einem Sensor, einem Kabel und einem Transmitter. Das gemessene Signal wird im Sensor selbst in ein digitales Signal umgewandelt, ohne dass eine externe Komponente erforderlich ist. Das Kabel wird für die Übertragung über große Entfernungen verwendet.

Lichtsensor

Die digitale LED oder der Opto-Detektor wird verwendet, um ein digitales Signal zu erzeugen, mit dem die Geschwindigkeit der rotierenden Welle gemessen wird. Eine Scheibe ist an der rotierenden Welle befestigt. Die rotierende Welle hat transparente Schlitze an ihrem Umfang. Wenn sich die Welle mit einer bestimmten Geschwindigkeit dreht, dreht sich auch die Scheibe mit ihr. Der Sensor durchläuft jeden Schlitz auf der Welle, was einen Ausgangsimpuls als logische 1 oder logische 0 erzeugt. Der Ausgang wird nach dem Durchlaufen des Zählers/Registers auf der LCD-Anzeige angezeigt.

Digitaler Beschleunigungssensor

Ein digitaler Beschleunigungssensor erzeugt Rechteckwellen mit variabler Frequenz. Die Methode zur Erzeugung der Rechteckwelle ist die Pulsbreitenmodulation (PWM). Der Ausgang des PWM-Signals, die Pulsbreite, ist direkt proportional zum Beschleunigungswert.

Andere Arten von digitalen Sensoren sind: Digitaler Temperatursensor, Encoder usw.

Anwendungen digitaler Sensoren

1. Erkennung von Lecks in Gasleitungen und Kabeln mit Hilfe von Drucksensoren
2. Drucküberwachung in Reifen
3. Überwachung des Luftstroms
4. Messung des Füllstands
5. Inhalatoren (medizinisches Gerät)

Echtzeitanwendungen von Sensoren

IR-Sensor-Anwendungen:

Strahlungsthermometer: Es funktioniert aufgrund des Vorhandenseins eines IR-Sensors. Die Temperatur eines Objekts wird mit Strahlungsthermometern gemessen

IR-Bildgebungsgeräte: IR-Sensoren werden verwendet, um Objekte abzubilden. Sie werden in Thermografiekameras verwendet, die als nichtinvasive Bildgebungstechnik eingesetzt werden.

IR-Fernbedienung: Heutzutage werden IR-basierte TV-Fernbedienungen zu Hause und in Kinos verwendet. Sie verwenden Infrarotlicht als Quelle für die Kommunikation. Die TV-Fernbedienung besteht aus Tasten und einer Leiterplatte. Die Leiterplatte besteht aus einem elektrischen Schaltkreis, der die gedrückte Taste erkennt. Sobald die Taste gedrückt wird, wird das Signal in Form von Morsezeichen übertragen. Transistoren werden zur Verstärkung des Signals verwendet. Schließlich erreicht es die IR-LED. Das Ende der Platine wird mit der IR-LED verbunden. Ein Sensor wird auf der Empfangsseite des Fernsehers angebracht. Die IR-LED sendet IR-Licht aus und der Sensor erfasst es.

In einem Auto – Anwendungen für Lenksensoren: In einem Fahrzeug sind die Lenksensoren sehr wichtig. Sie messen den Drehwinkel des Lenkrads und helfen weiter bei der Navigation. Diese Sensoren spielen eine Rolle bei der elektronischen Lenkung und der elektrischen Servolenkung.

Im Inneren eines Smartphones – Sensoranwendungen: In der heutigen Welt besitzt jeder Mensch ein Smartphone. Die mobile Technologie ist mit einer Vielzahl von Sensoren und Automatisierungstechnik ausgestattet. Verschiedene Arten von Sensoren wie Fingerabdruck, Magnetometer, Gyroskop, Beschleunigungsmesser, Barometer, Thermometer, Näherungssensor, Herzfrequenzmesser, Lichtsensoren und viele mehr.

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