Ratgeber
Sensoren sind sozusagen die Sinnesorgane moderner Elektronikanwendungen. Sie liefern die Daten oder Signale, mit den Aktoren arbeiten können oder die für Aufzeichnungen wichtig sind. Vorausgesetzt, zwischen den Komponenten befindet sich eine elektronische Schaltung für die Aufbereitung und die Weitergabe der Daten über genormte Schnittstellen. Genau das bieten Sensor-Module. In unserem Ratgeber stellen wir Ihnen gängige Module vor und erklären deren Funktion im Einsatz.
Sensor-Module sind integrierte Einheiten, die einen oder mehrere Sensoren enthalten und häufig zusätzliche Bauelemente für spezifische Aufgaben. Dazu gehören beispielsweise Schaltungen zur Signalverarbeitung, Kommunikation oder Energieversorgung. Diese Module sind so konzipiert, dass sie leicht in Systeme oder Produkte integriert werden können, um bestimmte Arten von Messungen oder Erkennungen durchzuführen.
So können Sensor-Module neben den eigentlichen Detektoren zum Beispiel auch Verstärker, Analog-Digital-Wandler, genormte Schnittstellen und Mikrocontroller enthalten. Die Kommunikation läuft in der Regel direkt mit anderen Geräten oder Systemen, entweder über Kabel oder drahtlose Technologien wie Bluetooth oder WLAN.
In industriellen Umgebungen lassen sich Sensor-Module zum Beispiel an den CAN-Bus anschließen, möglich ist auch die Integration über den Modbus in eine SPS. Das notwendige Protokoll steht meist zur freien Verfügung, alle notwendigen Einstellungen sind über oft kostenlose PC-Software konfigurierbar.
Das Angebot an mehr oder weniger komplexen Sensormodulen ist recht groß. Grundsätzlich bestehen sie aus einer gedruckten Schaltung, SMD- oder THT-Bauelementen sowie Anschlüsse wie Steckpins, Lötpins oder Schraubklemmen. Wichtig: Die für eher raue Umweltbedingungen vorgesehenen Detektor-Platinen sollten in ein Gehäuse mit relativ hoher IP-Schutzart eingebaut werden, beispielsweise IP65. Damit ist die Schaltung weitgehend gegen Staub und Feuchtigkeit geschützt. Handelt es sich um die Messung von Umwelteinflüssen, sollte der Sensor als Messfühler über einen geeigneten Anschluss mit der Platine verbunden sein. Wie genau die Anbindung aussehen muss, erfahren Sie in der Bedienungsanleitung oder im Datenblatt des Moduls.
Nachfolgend einige Beispiele für typische Universal-Sensormodule:
PIR-Sensor
Die Abkürzung PIR steht für passives Infrarot. Damit ist im Allgemeinen die natürliche Wärmestrahlung eines Menschen oder eines Tieres gemeint. PIR-Sensoren sind der Standard für klassische Bewegungsmelder. Sie selbst geben keine Strahlung ab, sondern reagieren auf Unterschiede der Temperatur im Erfassungsbereich.
PIR-Sensormodule bestehen im Wesentlichen aus einem pyroelektrischen Sensor sowie einer Reihe von unterstützenden Bauelementen. Dazu gehören in der Regel eine Schaltung für die Stromversorgung, ein IC mit Analog-Digital-Wandler und Verstärker sowie Potentiometer für Empfindlichkeit und Zeitverzögerung. Der Chip nimmt den Ausgang des Sensors auf und erzeugt einen digitalen Ausgangsimpuls für die Weiterverarbeitung.
Umweltsensoren
Diese Module arbeiten ähnlich wie ein PIR-Sensormodul, verfügen aber über Detektoren für gängige Umwelteinflüsse. Dazu zählen vor allem Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, Schadstoffe, Licht und Lärm. Ihre Funktionsweise variiert je nach Typ. Die meisten Lösungen messen die Veränderung des elektrischen Widerstands oder der elektrischen Kapazität. Allen gemeinsam ist der grundsätzliche Aufbau: Die Detektoren erzeugen ein analoges elektrisches Signal, dessen Anwesenheit beziehungsweise Stärke von einer Elektronik in ein digitales Signal umgewandelt wird. Kommunikationsschnittstellen ermöglichen die Weitergabe der Daten an angeschlossene Systeme.
Magnetfeld-Sensoren
Magnetfeld-Sensoren reagieren auf die Anwesenheit eines Magnetfelds, unabhängig davon, ob dieses Feld durch einen Elektromagneten oder einen Dauermagneten erzeugt wird. Die einfachste Form ist das Reed-Element. Es enthält in einer Glaskapsel zwei hauchdünne ferromagnetische Plättchen, die bei der Annäherung an ein Magnetfeld einen Stromkreis entweder öffnen oder schließen. Reed-Elemente erzeugen somit konstruktionsbedingt immer ein binäres Signal, dass sich leicht weiterverarbeiten lässt.
Hall-Effekt-Sensoren geben dagegen eine Spannung ab, und zwar direkt proportional zur Stärke des umgebenden Magnetfelds. Es gibt zwei Varianten: bipolare und unipolare Detektoren, die sich durch die Art des Magnetfeldes unterscheiden, das für ihren Betrieb erforderlich ist. Bipolare Versionen benötigen einen Südpol und ein Nordpol. Unipolare Sensoren benötigen nur einen Südpol. Die Ausgangsspannung entsteht, während sich der Sensor in das Magnetfeld hinein und aus ihm heraus bewegt.
Universal-Schaltmodule
Sinn jedes Sensormoduls ist entweder die Erfassung von Daten oder das Einleiten eines Prozesses, zum Beispiel über einen Aktor. Hilfreich in diesem Zusammenhang sind Universal-Schaltmodule. Sie übernehmen die automatisierte Steuerung von Geräten auf Basis der Sensordaten, beispielsweise aufgrund von Schwankungen aus einem Temperatursensor. Schaltmodule besitzen genormte Anschlüsse, die in der Regel direkt mit den Sensoren verbunden sind. Eingehenden Signale lassen sich über die programmierbare Schaltung der Platine in die gewünschten Ausgangssignale umwandeln, um angeschlossene Verbraucher elektronisch zu steuern.
Beispielsweise können mithilfe des Schaltmoduls Lüfter oder Trockner als Aktoren automatisiert in Betrieb genommen werden, wenn die Sensoren am Eingang eine vermehrte Feuchtigkeit oder Kondenswasser festgestellt haben. Das ist insbesondere in Lagern für empfindliche Güter oder Lebensmittel vorteilhaft. Da die Steuerung üblicherweise über die auf der Leiterplatte installierten elektromagnetischen oder Halbleiter-Relais läuft, ist die galvanische Trennung von Sensorstromkreis und Akthrstromkreis gewährleistet.
Ein typisches Beispiel ist das kombinierte Feuchte-Temperatur-Messsystem, praxisgerecht konfektioniert in einem kleinen Koffer. Es lässt sich über ein USB-Kabel direkt an den PC anschließen und liefert an die enthaltene PC-Software Messwerte über den Taupunkt, den Feuchtegehalt, den Sättigungsdruck, den Wasserdampf-Partialdruck und die aufgenommene oder abgegebene Wärmemenge einer Reaktion.