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Sensoren wandeln physikalische Größen in messbare Signale um. Ihre zuverlässige Funktion hängt nicht nur vom Sensorelement ab, sondern auch von wichtigen Zusatzkomponenten wie Gehäusen, Signalaufbereitern, Steckverbindern und Montagehardware. Im Folgenden werden fünf wichtige Sensortypen beschrieben, einschließlich ihrer Funktionsprinzipien und wesentlichen Zubehörteile.
1. Linearsensoren (Potentiometrisch oder magnetostruktiv)
Funktionsprinzip: Potentiometrische lineare Sensoren verwenden eine widerstandsfähige Bahn und einen Abgriff (Wiper). Wenn sich der Abgriff linear bewegt, ändert sich der Widerstand proportional, wodurch ein Spannungsteiler-Ausgang erzeugt wird. Magnetostruktive Sensoren enthalten einen Wellenleiter und einen Permanentmagneten; ein elektrischer Impuls erzeugt einen Dehnungsimpuls, der von der Position des Magneten reflektiert wird, und die Zeitverzögerung gibt die Verschiebung an.
Hauptzubehör: Wetterfeste Gehäuse (IP67), Stangenenden oder Kugellager für die mechanische Kopplung, Kabelsätze mit Abschirmung sowie Signalkonditionierer, die Widerstand oder Zeitverzögerung in 4–20 mA- oder 0–10 V-Ausgänge umwandeln.
2. Wägezellen ( Lastwagenwaagen – Dehnungsmessstreifen-Typ)
Funktionsprinzip: Die meisten Kraftmessdosen verwenden ein metallisches Feder-Element (z. B. Balken-, S- oder Pfannenform) mit vier Dehnungsmessstreifen, die in einer Wheatstone-Brücke geschaltet sind. Bei Aufbringen einer Kraft verformt sich das Element, wodurch in zwei Messstreifen Zug (Widerstandserhöhung) und in den beiden anderen Druck (Widerstandsabnahme) entsteht. Die Brücke gibt ein Millivolt-Signal aus, das proportional zur Belastung ist.
Hauptzubehör: Gehäuse aus rostfreiem Stahl oder legiertem Werkzeugstahl zum Korrosionsschutz, Lastaufnehmer-Knöpfe und Montageplatten, Verteilerkästen zum Zusammenfassen mehrerer Kraftmessdosen sowie Präzisionsverstärker (mit Erregungsspannungsregelung und Temperaturkompensation).
3. LVDT (Linearer variabler Differenztransformator)
Funktionsprinzip: Ein LVDT besteht aus einer Primärspule und zwei Sekundärspulen, die auf einem hohlen Rohr gewickelt sind. Ein ferromagnetischer Kern bewegt sich linear innerhalb des Rohrs. Die Primärspule wird mit einem Wechselstromsignal (typischerweise 1–10 kHz) angeregt. Die beiden Sekundärspulen sind in Serie entgegengesetzt geschaltet; wenn sich der Kern in Mittelstellung befindet, heben sich die induzierten Spannungen gegenseitig auf (Ausgangsspannung null). Eine Verschiebung des Kerns führt zu einer Ungleichgewichtssituation der Spannungen und erzeugt eine Wechselspannung am Ausgang, deren Amplitude proportional zur Verschiebung ist und deren Phase die Richtung der Verschiebung angibt.
Hauptzubehör: Gehäuse aus Edelstahl oder Epoxidharz für raue Umgebungen, Gewindekerne und federbelastete Taster, Signalaufbereitungseinheiten, die die Wechselspannungsausgabe in eine Gleichspannung oder ein 4–20-mA-Signal demodulieren, sowie Anschlusskabel mit geringer Kapazität.
4. Drehmomentssensoren (Reaktions- oder Dreh-Typ)
Funktionsprinzip: Die meisten Drehmomentsensoren verwenden Dehnungsmessstreifen, die auf einer Welle oder einer Flanschplatte befestigt sind. Bei Reaktions-Drehmomentsensoren ist das Gehäuse fest montiert und die Dehnungsmessstreifen messen das Verdrehmoment. Bei rotierenden Drehmomentsensoren ist eine rotierende Welle mit Dehnungsmessstreifen oder einem magnetoelastischen Element ausgestattet; das Signal wird über Schleifringe, induktive Kopplung oder Funk-Telemetrie übertragen. Die Widerstandsänderung der Messstreifen (Wheatstone-Brücke) ist direkt proportional zum Drehmoment.
Hauptzubehör: Keil- oder Passfederverbindungen für formschlüssigen Antrieb, Schleifringbaugruppen (für rotierende Typen), drahtlose Telemetriemodule, schützende Gehäuse mit dichten Lagern sowie Verstärker-/Aufbereitungseinheiten, die gefilterte, kalibrierte Spannungs- oder Stromausgänge liefern.
Allgemeines Zubehör für alle Typen
Signalkonditionierer (Verstärker, Filter, Linearisierungsschaltungen), elektrische Steckverbinder (M12, DIN), Montagewinkel und Kalibrierwerkzeuge sind bei vielen Sensoren üblich. Eine sachgerechte Auswahl der Zubehörkomponenten gewährleistet Genauigkeit, Langlebigkeit und elektromagnetische Verträglichkeit.
Ein Verständnis sowohl des Messprinzips als auch der zugehörigen Hardware ist für Ingenieure unerlässlich, um diese Sensoren zuverlässig in der industriellen Automatisierung, der Fahrzeugprüfung, der Robotik und der Prozessregelung einzusetzen.
