So gut wie jeder in der Entwicklung, Produktion oder Forschung tätige Ingenieur, Techniker bzw. Naturwissenschaftler muss sich regelmäßig mit dem Messen elektrischer oder nichtelektrischer Größen beschäftigen. Das Kompendium Messtechnik und Sensorik, dessen sechstes Kapitel in Form dieses E-Books ausgekoppelt wurde, behandelt die dafür relevanten messtechnischen Grundlagen aus anwendungsorientierter Sicht. Es ist für das Selbststudium gedacht. Zusätzlich wird dem/der Leser/-in auf www.messtechnik-und-sensorik.org ein aus Multiple Choice-Fragen bestehender, frei zugänglicher Online-Test angeboten, bei dessen Bestehen er/sie sich ein von mir unterzeichnetes persönliches Fortbildungszertifikat zusenden lassen kann.
Das Kompendium ist als Grundlagenüberblick zwischen rein akademischer Theorie und ausschließlich gerätebezogener Anwendungspraxis angesiedelt. Es möchte auf effiziente Art das notwendige Basis-Know-how vermitteln, um messtechnische Aufgabenstellungen auf einer fundierten Grundlage selbständig anzugehen.
Das Kompendium wendet sich einerseits an im Beruf stehende Ingenieure, Techniker und Naturwissenschaftler, die messtechnische Systeme einsetzen oder dies planen. Andererseits an Studierende und Lehrende in technischen Bachelor- und Masterstudiengängen, die mit diesbezüglichen Fragestellungen in Lehrveranstaltungen oder studentischen Arbeiten (Abschlussarbeiten, Praktika, Studienarbeiten) befasst sind. Gleichermaßen sind diejenigen adressiert, die in weiterführende technische Ausbildungen involviert sind z.B. an Techniker- und Meisterschulen.
Der Autor hat eine Professur für Regelungstechnik und Elektrische Messtechnik an der Universität der Bundeswehr München inne ( www.unibw.de/regelungs-und-messtechnik bzw. www.prof-boettcher.de ). Mit der in diesem Kompendium behandelten Thematik beschäftigt er sich außer in einer einschlägigen Lehrveranstaltung in vielen Projekten mit Studierenden. Parallel dazu führt er laufend industrielle Kooperationsvorhaben bevorzugt mit mittelständischen Unternehmen durch.
Ich wünsche allen Leserinnen und Lesern viel Freude bei der Lektüre.
München/Neubiberg, im August 2019
Jörg Böttcher
Wir haben uns bislang in diesem Kompendium, was konkrete Messgrößen betrifft, vorwiegend mit der Messung von Spannung und Strom beschäftigt bzw. abgesehen von einem kleinen Ausflug in die Frequenzmessung auch mit der Bestimmung der elektrischen Leistung. Wir wollen im weiteren Verlauf des Kompendiums nun das Fachgebiet der Sensoren beleuchten.
Aufgrund der fast unüberschaubaren Anzahl verfügbarer Sensortypen und der sehr dynamischen Marktentwicklung macht es für uns keinen Sinn, konkrete Sensormuster einzelner Hersteller zu studieren. Wir wollen uns vielmehr für einige sehr wichtige Messgrößen ansehen, welche grundlegenden physikalischen Prozesse in den Sensoren mehrheitlich zur Anwendung kommen. Die nachfolgenden Kapitel behandeln dazu jeweils pro Kapitel eine Messgrößengruppe aus physikalisch verwandten Messgrößen.
Zuvor wollen wir uns jedoch in diesem Kapitel mit grundsätzlichen Ausführungsformen von Sensoren beschäftigen und uns überlegen, wie wir Sensorsignale auswerten können.
Der Begriff Sensor - auch als „Messaufnehmer“ oder schlicht „Aufnehmer“ bezeichnet - bezieht sich auf eine Komponente, die eine nichtelektrische Messgröße in ein elektrisches Primärsignal umwandelt, das dann mit weiteren Elektroniken weiterverarbeitet werden kann. Wir hatten uns dies bereits im Rahmen unserer einführenden Betrachtungen (siehe erstes Kapitel) überlegt.
Bei einigen Messgrößen hat sich der zugehörige Sensormarkt dabei aufgeteilt: Der eigentliche physikalische (mitunter auch chemische) Prozess, der für die Generierung des elektrischen Primärsignals zuständig ist, wird in Form eines meist relativ kompakten Bauelements ausgeführt. Dieses ist oftmals, jedoch nicht immer, so gebaut, dass es direkt auf elektronischen Leiterplatten montiert werden kann. Teilweise werden hierzu auch im Bereich elektronischer Bauelemente standardisierte Gehäusebauformen verwendet. In Bild 1 ist ein solches Sensorelement, das im Englischen „Sensor Device“ bzw. „Transducer“ heißt, grafisch angedeutet.