Sensorik

Sensoren sind die Schnittstelle von „analoger“ und digitaler Welt. Man nennt Sensoren auch Detektor oder Aufnehmer. Mithilfe eines Sensors lassen sich physikalische und chemische Zustände messen. Hierzu kommen wiederum physikalische oder chemische Wirkprinzipien zum Einsatz, welche ein elektrisches Signal mit der Information über den zu messenden Zustand senden. Unterscheiden kann man dabei in zwei Gruppen: in aktive und passive Aufnehmer.

-Aktive Aufnehmer erzeugen zu sendende Signale selbst. Dies geschieht                                                                     elektrodynamisch oder piezoelektrisch. Dadurch lassen sich allerdings nur Zustandsänderungen und keine statischen absoluten Größen messen.  

- Passive Aufnehmer werden durch einen externen Stromkreis versorgt, so lassen sich sowohl statische als auch dynamische Größen messen. 

Sensoren finden überall dort Anwendung, wo man eine Information über physikalische und chemische Zustände messen möchte.

Ein herkömmliches Thermometer ist beispielsweise ein Sensor, welcher eine Temperaturänderung in eine Volumenänderung überträgt. Somit wird die Temperaturänderung auf eine andere physikalische Ebene übertragen und dadurch optisch sichtbar.

Oft geben Sensoren ein elektrisches Signal aus, welches schneller und besser verarbeitet werden kann. Als Schnittstelle von analoger zu digitaler Welt bilden Sensoren ein Herzstück der digitalisierten Welt und dem Internet der Dinge (IoT).

Sensoren existieren in unzähligen Ausführungen und Anwendungsbereichen. Im Zuge der Digitalisierung haben sie nochmals an Bedeutung gewonnen. 

Zur Messung von Oberflächen und deren Beschaffenheit werden verschiedene Geräte eingesetzt. Es gibt zwei Grundprinzipien der Messung: die berührende und die berührungslose Messung.

Mit der Konfokal Technik kann man die Rauigkeit berührungslos messen. Hier wird Licht durch eine Blende auf die zu messende Oberfläche geschickt über den Brennpunkt und das reflektierte Licht kann man so Entfernungen und Oberflächen im Nanobereich messen.

Berührend kann man mit dem sogenannten Tastschnittverfahren messen. Hier wird ein Diamant über die zu messende Oberfläche gezogen, induktiv kann man nun den Weg aufnehmen und somit Rückschlüsse auf die Rauigkeit einer Oberfläche zulassen. 

In der Industrie und im Qualitätsmanagement ist die Oberflächenmessung von gravierender Bedeutung. 

Im industriellen Sektor sind Oberflächenmessgeräte weit verbreitet. 

Um ein Drehmoment zu messen, wird an einer Stelle der Momentübertragung die Verdrehung des Materials gemessen. Verdreht man ein Lineal so vergrößert sich der Winkel zwischen den beiden Enden desto mehr man es verdreht. Diesen Effekt nutzt man bei der Messung des Drehmoments. Oft wird dazu ein gelagertes oder nicht gelagertes Modul an eine Übertragungsstelle eingebaut, welchem man zu bestimmten Verdreh Winkeln bestimmte Momente zuordnen kann. Die Messung der Verdrehung wiederrum kann man piezoelektrisch, induktiv oder mittels Dehnungsmesstreifen vornehmen.

Auch andere physikalische Möglichkeiten werden genutzt.   

Anwendung findet die Drehmoments Messung im Automobil oder in Kraftwerken zur Leistungsbestimmung. Auch an Werkzeugen oder im Flugzeug oder Helikopter ist die Messung des Drehmoments fundamental wichtig.

Drehmomentsensoren werden von vielen Herstellern zu unterschiedlichen Messdimensionen und Anwendungen entwickelt. Die Technologie ist weit im Markt implementiert und wird standardisiert verwendet.  

Mit Dehnungsmesstreifen misst man kleine Verschiebungen und Dehnungen an Bauteilen. Dehnungsmesstreifen können aus verschiedenen Materialien Folien, Draht oder Halbleitern gearbeitet sein. Meistens klebt man den Dehnungssensor auf das Bauteil auf. Der Grundaufbau eines Messstreifens sind Brückenschaltungen, welche sensibel auf Verzerrungen reagieren und ihren elektrischen Widerstand ändern. Man kann also mit dem Dehnungsmessstreifen anhand einer Widerstandsänderung eine Dehnung messen. Da auch wärme einen Einfluss auf den Widerstand haben kann werden oft Referenzstreifen auf unbeanspruchte Teile angebracht um thermische Einflüsse berücksichtigen zu können. 

Anwendung finden Dehnungsmessstreifen dort, wo die Beanspruchungen rein rechnerisch nicht ausreichend bestimmt werden können. Gerade auch dann, wenn man die genaue Beanspruchung zu einem bestimmten Zeitpunkt wissen möchte.

Dehnungsmesstreifen werden also in allen möglichen Maschinen verbaut. So zum Beispiel in Flugzeugen um Risse frühzeitig zu erkennen oder sogar in Knochen und Implantaten um reale Beanspruchungen zu kennen, ohne invasiv eingreifen zu müssen. Mit Dehnungsmesstreifen kann man auch Drücke, Kräfte und Drehmomente messen. 

Dehnungsmesstreifen sind weit in der Messtechnik verbreitet und lassen eine Vielzahl von Anwendungen zu. 

Mit SonsoNODE hat die Firma Parker die Möglichkeit geschaffen Maschinenparks, Produkte usw. schnell und unkompliziert mit Sensoren nachzurüsten. Die Sensoren nehmen Druck, Temperatur und Feuchtigkeit war und übermitteln die Informationen via Bluetooth an eine App, welche auf jedem Smartphone installiert werden kann. Somit kann man frühzeitig Abweichungen erkennen und größeren Schäden etc. vorbeugen. 

Eingesetzt wird SensoNODE in Maschinenparks, Chemischen Anlagen und allen Orten, an welchen das messen von Druck Temperatur und Feuchtigkeit kritische Rückschlüsse zulassen. Durch schnelles installieren und unkompliziertes auslesen eignet sich SensoNODE optimal zum Nachrüsten. 

Es gibt unterschiedliche Methoden die dreidimensionale Welt optisch aufzunehmen. Zum einen gibt es jene Systeme, welche Bilder erzeugen, wie wir sie aus dem Kino kennen und eine optische Dreidimensionalität schaffen, und zum anderen die Systeme, welche einer Maschine Entfernungen zu bestimmten Objekten in der Umgebung mitteilen können.

Letztere Systeme erzeugen oft ein 2-D Bild und überlagern dieses mit Informationen über die Entfernung eines Objektes aus Ultraschal-, Infrarot-, Interferometrie- oder Mikrolinsenarray-Messung. Das führt zur sogenannten Machine-Vision. Um 3D Bilder zu erzeugen, welche für das menschliche Gehirn dreidimensional wirken filmen zwei Kameras mit dem Abstand der Augen (6,5cm) eine Szene gleichzeitig. Beide Aufnahmen der Szene werden dem Menschen separat vorgespielt und werden dann vom Gehirn als „räumlich“ interpretiert. 

In der Unterhaltungsindustrie, also in Filmen oder interaktiven Spielen kennt man die Technik schon länger. Der erste 3D Film kam schon 1953 in die Kinos um sich von der Konkurrenz, dem Fernseher, abzusetzen.

Auch im Zusammenhang mit augmented Reality werden immer häufiger Anwendungen entwickelt, welche es Maschinen ermöglichen sich im Raum zu orientieren. So zum Beispiel die Tango-Technologie von Lenovo.  

Anwendungen zum erzeugen optisch-räumlicher Bilder sind deutlich weiter vorangeschritten als im Bereich der Machine-Vision. Maschinen und Roboter greifen häufig auf andere Daten, als die rein visuell und optisch erfassbaren Daten zurück.

Der Ultraschallsensor sendet Schallwellen im Ultraschallbereich aus, diese Wellen werden von Objekten in der Umgebung reflektiert und treffen dann wieder auf den Sensor. Die Zeitdifferenz, zwischen Senden und Empfangen des Signals, ist proportional zum Abstand des Objekts zum Sensor. So kann man leicht den Abstand errechnen.

Die Ultraschallwellen werden über den sogenannten piezoelektrischen Effekt erzeugt und gemessen. Hierbei überträgt oder sendet eine Membran die Schallwellen über ein piezoelektrisches Material. An piezoelektrischem Material kann man durch Druckänderung die Erzeugung einer Spannung messen, bzw. durch Spannungsänderung einen Druckstoß erzeugen.

Ultraschallsensoren messen also Entfernungen anhand der Zeitdifferenz vom Aussenden eines Signals bis zum Empfangen eines Signals da die Zeitdifferenz proportional zum Abstand von Sensor und reflektierendem Objekts ist. 

Sowohl Wasser-, als auch Unterwasserfahrzeuge oder Flugzeuge nutzen die Ultraschall Technologie zur Navigation.

Die Technologie hat auch eine große Bedeutung in der Medizin um Knochen von Gewebe und Gewebesorten untereinander zu unterscheiden.

Zur Objekterkennung kann Ultraschallmesstechnik in allen möglichen Maschinen angewendet werden und sogar Delphine oder Fledermäuse kommunizieren und orientieren sich über Ultraschallwellen.

Es gibt schon viele Implementierungen zur Messung im Ultraschallbereich. Dennoch werden immer neue Technologien mit Ultraschall entwickelt, welche tatsächliche Innovationen sind. 

Microsoft Kinect ist eine Technologie, welche ursprünglich als Xbox Steuerung entwickelt wurde. Anstatt wie herkömmlich mit einem Controller die Steuerung durchzuführen reicht es mit der Kinect- Technologie einzig über Gestik und Bewegung im Raum Steuerungsbefehle zu übermitteln. Das System erkennt über eine Kombination von Sensoren z.B. die Hand im Raum und ordnet bestimmten Bewegungen Steuerungsaufgaben zu.

Erkannt wird die Hand über eine Kombination von Farbkameras und Infrarotsensoren. Die Infrarotsensoren markieren Punkte am Körper des Spielers und können so eine dreidimensionale Bewegung erkennen.

Die Sprachsteuerung von Kinect findet über vier Mikrofone unterhalb der Kamera statt.   

Kinect findet überall dort Anwendung, wo Objekte im Raum erkannt werden sollen. Ursprünglich für Computerspiele entwickelt wird die Kinect Technologie sogar zur Überwachung eines Grenzstücks zwischen Nord- und Südkorea eingesetzt.

Kinect funktioniert im Gamingsektor gut- andere Anwendungsbereiche können Stück für Stück entwickelt werden. 

Unser Stromnetz wird durch erneuerbare und regenerative Netze immer komplexer. Zunehmend fließt der Strom nicht mehr nur hierarchisch in eine Richtung, sozusagen vom Kraftwerk zum Endverbraucher, sondern auch vom „Endverbraucher“ ins Nieder- und Mittelspannungsnetz. Durch die hohe Komplexität sind die Netze sehr instabil geworden und sind erhöht risikoanfällig. Daher ist es wichtig genaue Kenntnisse über die Lokalität eines Fehlers und seine Ausbreitungsrichtung zu haben. Hierzu dient der Kurzschlussrichtungsanzeiger. 

Im Netzmanagement sind Sie enorm Hilfreich. 

In der Papierproduktion wird das Papier oftmals durch große Walzengepresst. Dieser Vorgang ist essentiell für die für die Papierherstellung. Allerdings ist es sehr schwer fest zu stellen, welchen Abstand die Walzen Momentan zu einander haben. Mit NipSense2 hat Voith eine Technologie geschaffen Sensormatten direkt auf die Walzen aufzubringen und somit immer exakt den Abstand entlang der Walzen messen zu können. Die Daten über den Abstand werden drahtlos an einen Computer und es werden nötige Veränderungsvorschläge Berechnet.

In der Papierherstellungs-, Druck- oder Kaschiertechnik werden entsprechende Walzen genutzt, welche hochpräzisen Einstellungen benötigen. NipSense2 liefert hier wichtige Daten. 

Entwickelt und Marktreif. 

Unter einem Energieautarken Funksensorsystem für Highspeed-Sensor-Telemetrie versteht man Systeme, welche Messdaten ohne externe Stromverbindung Funken können. Zur Energieautarkheit werden oft physikalische Größen wie Druck-, Vibrations- oder Temperaturunterschiede zu internen Energiegewinnung genutzt. Optimaler Weise ist die genutzte Größe auch die zu messende, allerdings muss dies nicht der Fall sein.

Ein integriertes Sendemodul schickt die gewonnenen Daten an einen Empfänger. 

In unzugänglichen und schwer erreichbaren Bereichen können diese Systeme eingesetzt werden um fundamental wichtige Parameter zu erfassen. Das Fraunhofer EMI etwa entwickelt in Zusammenarbeit mit Unternehmen wie Züblin ein System zur Schnellerkennung von Tunnelschäden im Katastrophenfall.

Noch in der F+E. 

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Ein Handschuh wird mit einem Ultraschallsender ausgestattet und sendet an mehrere Empfänger ein Signal im Raum. Durch die Zeitdifferenz zu den Empfängern im Raum lässt sich die genaue Position des Handschuhs berechnen. Somit kann man messen, welcher Handschuh oder Werker zu welcher Zeit wo im Raum gearbeitet hat. Oder man kann Werker warnen, wenn Sie sich in einem Gefahrenbereich befinden. 

Zum Schutz als auch zur Kontrolle kann man das Ultraschalltracking in einem sensiblen oder gefahrenbelasteten Umfeld einsetzen. Ein Werker kann beispielsweise frühzeitig gewarnt werden, wenn er sich innerhalb von Logistikwegen befindet, welche für in gefährlich sind. Aber auch das Logistiksystem selbst kann sich dieser Situation frühzeitig anpassen.

Tatsächlich kann so auch berührungslose Steuerung realisiert werden. Entfernt sich ein Werker beispielsweise zu weit von seinem Arbeitsplatz, so kann z.B. das Band gestoppt werden. 

Die SmartBridge wird zwischen den Sensor, welcher passiv den Zustand einer Maschine misst und die Steuerung, welche aktiv den Zustand beeinflusst, geschaltet und sendet die Messsignale an einen Computer oder ein mobiles Endgerät.  Die SmartBrdige wird dabei so zwischengeschaltet, dass Sie nicht in den Informationsfluss zwischen Sensor und Steuerung eingreift. Das bedeutet, dass eine Analyse oder Visualisierung der Messdaten geschehen kann, ohne Gefahrzulaufen den Prozess zu stören. Selbst wenn das Endgerät von einem Virus befallen ist kann dieser nicht in den Steuerungsprozess gelangen.

Nützlich ist die SmartBridge Technology bei der Parametrisierung von Daten, der Inbetriebnahme von Anlagen sowie der Zustandsüberwachung als auch bei der Fehlersuche im Reparatur- oder Wartungsfall. 

Der große Vorteil der SmartBridge ist das zeitgleiche Messen von Daten, ohne dabei Gefahrzulaufen in den Prozess einzugreifen und ihn zu verfälschen oder sogar zu stören.

Um 3D-Vision zu ermögliche gibt es eine Reihe von Technologien.

Stereo Imaging nutzt ein Prinzip, welches auch in der Natur vorkommt. Man nimmt zwei 2D-Bilder mit einem Kalibrierten Abstand auf. Über trigonometrische Berechnungen kann man durch den Abstand von Objekten zu einander auf deren Entfernung schließen. Ähnlich funktioniert das räumliche Sehen des Menschen.

Eine zweite Möglichkeit ist das Laserprofiling oder die Fringe Projektion. Hier werden Strukturen aus Licht nacheinander oder gleichzeitig auf eine Oberfläche aufgebracht. Aus der Verzerrung der bekannten Struktur kann man auf die Form des belichteten Objektes schließen.

Mit der Time-of-Flight-Technology wird aus dem Zeitintervall zwischen Senden und Empfangen eines reflektierten Lichtstrahls die Distanz zu einem Punkt und somit die räumliche Struktur gemessen. 

Roboter können über 3D-Vision räumlich „sehen“ und sich frei im Raum Bewegen. Oder Oberflächen können genauestens vermessen werden. 

Ein Messsystem beschreibt die Gesamtheit von Messvorrichtungen und Umwelt. Ein Messsystem versucht über unterschiedliche physikalische Ansätze ein möglichst genaues Bild eines Zustandes zu erlangen, indem es die jeweils einzelnen Messabweichungen in der Summe nivelliert. 

Anwendung finden Messsysteme überall dort, wo man ein sehr genaues Bild über physikalische Zustände erhalten möchte. 

Die Time-of-Flight-Technologie erlaubt hoch präzise Entfernungsmessungen in sehr kurzer Zeit durchzuführen. Ein Lichtimpuls wird von einer Kamera versendet und die Kamera misst von jedem Bildpunkt die Zeit der Reflektion. Da die vergangene Zeit proportional zum Abstand ist kann die Distanz errechnet werden. Wichtig ist, dass die Optik der Kamera nur einen bestimmten Wellenbereich des Lichtes durchlässt um störendes Hintergrundlicht zu eliminieren. 

In Fahrerassistenzsystemen kommt die Time-of-flight Technologie im Fußgängerschutz oder zur Überprüfung einer korrekten Fahrposition zum Einsatz.

Im Bereich Mensch-Maschine-Schnittstellen und Gaming können Bewegungen und Gesten sehr genau erfasst werden und somit Steuerungsaufgaben übernehmen. In der Messtechnik oder Robotik können Maschinen oder Roboter ihre Umgebung aktiv wahrnehmen und darauf reagieren.

Auch in der Medizintechnik kommen Time-of-flight Kameras zum Einsatz um Patienten z.B. während einer Bestrahlungstherapie optimal zu Positionieren und (Atem-) Bewegungen auszugleichen. 

Vorteile dieser Technologie gegenüber anderer Lösungen ist die schnelle und einfache Handhabung und die musterunabhängige und effiziente Datenauswertung.

Probleme können durch Hintergrundlicht oder Mehrfachreflexionen auftreten.