Die Sensortechnik ist eine Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0 und Industrierobotik . Als Schnittstelle zur Umgebung machen Sensoren die Entwicklung intelligenter Fabriken erst möglich. Der Artikel beschreibt, wie Sensoren funktionieren, und die praktische Anwendung der Sensortechnik in der Industrie.
Als Schlüsseltechnologie der Industrie 4.0 ist die Sensortechnik für das Messen, Steuern und Regeln automatisierter Systeme zuständig. Sie wird insbesondere in der industriellen Produktion, in Verbindung mit der Konnektivität von Maschinen, angewandt. Damit die industrielle Maschine-Maschine-Kommunikation funktioniert, müssen sensorische Systeme verschiedene physikalische und chemische Eigenschaften erfassen können.
Die Sensorik ist Teil der elektrischen Messtechnik und ermöglicht deren Anwendung in der computergestützten Prozesssteuerung. Sensoren sind technische Bauteile und dienen als sogenannte "Messwert-Aufnehmer" dazu, Ist-Werte zu messen und weiterzuleiten. Die anschließende Datenverarbeitung erfolgt durch den Menschen oder – wie heute größtenteils üblich – durch ein digitales Datenverarbeitungssystem.
Mittels Sensoren können auch Probleme an Maschinen detektiert werden um so die passenden Industrieersatzteile bestimmen zu können.
Für ein besseres Verständnis der Sensortechnik sind einige Kenntnisse aus den Messtechnik Grundlagen vonnöten. Im Unterschied zur taktilen Messtechnik wird dass zu messende Objekt bei der optischen Messtechnik berührungslos mit Hilfe von Licht abgetastet. Dank der physikalischen Vorgänge der Reflexion und Absorption ist es auf diese Weise möglich, ganze Flächen zu erfassen.
Ein relativ junges Verfahren innerhalb der Messtechnik ist die 3D-Messtechnik. Sie dient dazu, ein Objekt anhand aufgenommener Daten darzustellen und zu prüfen, ob die geometrischen Abmessungen (Maß, Form, Lage) wie geplant eingehalten wurden. Dies geschieht mittels moderner Messsysteme wie Laserscanner oder Streifenprojektionssysteme, die die Messobjekte mit Hilfe optischer Sensoren erfassen. Inzwischen sind die Sensoren so weit entwickelt, dass auch Objekte mit kleinen Merkmalen und empfindliche Werkstücke berührungslos gemessen werden können.
Ein Sensor ist also immer Teil eines Regelkreises, das heißt eines sich selbst steuerndes Systems. Dieses gleicht den vom Sensor erfassten Ist-Wert mit einem Soll-Wert ab. Ist die Diskrepanz zwischen beiden Werten zu groß, leitet das System Gegenmaßnahmen ein.
Im Rahmen der industriellen Messtechnik sind drei, üblicherweise gestuft auftretende Reaktionen möglich:
Ausgleich: Zunächst versucht der Regelkreis, den Soll-Wert wiederherzustellen.
Alarm: Bei zu starken Ausschlägen beziehungsweise einem offensichtlichen Trend in den Ist-Werten, löst das System einen Alarm aus. Das übergreifende System kann nun Maßnahmen zur Wiederherstellung des Normalzustands einleiten.
Abschaltung: Folgen nach Auslösen des Alarms keine Gegenmaßnahmen, erwirkt das System eine Abschaltung, um Folgeschäden zu vermeiden.
Die Forschungen in der Sensorik sind längst nicht abgeschlossen, trotzdem sind die heute hergestellten Sensoren schon äußerst leistungsfähig. Grundsätzlich lässt sich jeder physikalisch herstellbare Zustand mit einem entsprechenden Sensor messen.
So gibt es bereits Sensortypen für die folgenden Messgrößen:
Darüber hinaus gibt es Unterschiede hinsichtlich der Energiequellen, mit denen die Sensoren arbeiten. Während passive Sensoren mit Hilfsenergie arbeiten, erzeugen aktive Sensoren selbst elektrische Signale:
Passive Sensoren: Diese Art von Sensoren benötigt eine zusätzliche Energiequelle. Das bedeutet, sie verändern die Eigenschaften ihrer Fühler, wenn es zu Änderungen in der Umgebung kommt. Diese Vorgänge werden gemessen und ausgewertet. Grundsätzlich unterscheidet man bei passiven Sensoren resistive (zum Beispiel Außentemperaturfühler aus Heiß- oder Kaltleitern), kapazitive und induktive Fühler.
Aktive Sensoren: Diese Sensoren erzeugen elektrische Ladung oder Spannung und reagieren damit auf die Veränderungen in ihrer Umgebung. Sie benötigen daher keine zusätzliche Energiequelle. Eine Regelung nimmt die elektrischen Signale auf, wertet sie aus und reagiert entsprechend. Ein Beispiel für aktive Sensoren sind Thermoelemente zur Temperaturmessung.
Neben der Einteilung in aktive und passive Sensoren sowie der Einteilung nach den gemessenen Größen gibt es weitere Kriterien zur Unterscheidung der Fühler. So kann man Sensoren beispielsweise hinsichtlich ihrer Signalart – zum Beispiel analog oder digital – unterscheiden.
Die Vorteile optischer Sensoren in der industriellen Nutzung sind vielfältiger Natur. Der wohl größte Vorteil ist die berührungslose Erkennung, durch die es zu keinerlei Schäden am Messobjekt kommt. Zusätzlich bleibt auch der Sensor selbst unbeschädigt, was eine lange Lebensdauer und einen möglichst wartungsfreien Betrieb wahrscheinlicher macht.
Hinzu kommt, dass Sensoren für Messungen an praktisch allen Materialien eingesetzt werden können. Der Grund: Der Sensor erfasst das Zielobjekt entweder anhand der Reflexion des Lichts oder aber aufgrund der Menge des unterbrochenen Lichts. Aus welchem Material das zu messende Objekt besteht, ist dabei vollkommen unerheblich.
Ein weiterer Vorteil ist der sehr große Erkennungsabstand. So kommen die meisten optischen Sensoren auch für Messungen mit großen Detektionsabständen in Frage.
Die übergeordneten Vorteile, die sich aus der intelligenten Sensortechnik ergeben, sind eine höhere Zuverlässigkeit und Flexibilität und damit deutliche Kostenersparnisse.
Neben der klassischen Messtechnik bieten Sensoren die Verarbeitung der erfassten Signale im Komplettpaket. Aus diesem Grund sind moderne Fertigungsanlagen ohne den Einsatz von Sensoren kaum noch denkbar. Unersetzlich sind Sensoren für die Digitalisierung und die Industrie 4.0. Hier sind sie für die wichtige Aufgabe zuständig, Daten zu sammeln und zur Verarbeitung weiterzuleiten. Ohne sie gäbe es keine intelligenten Fabriken. Darüber resultiert der Einsatz von Sensoren in der industriellen Fertigung in erheblichen Produktivitätssteigerungen und Kostensenkungen.
