Ein Sensor ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische Eigenschaften und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung qualitativ oder als Messgröße quantitativ erfassen kann. Diese werden in ein weiter verarbeitbares elektrisches Signal umgeformt.
Ein Sensor ist ein entscheidendes Element in der Welt der smarten Produkt-Service-Systeme, das essentielle Informationen aus seiner Umgebung sammelt, misst oder registriert. Im Wesentlichen handelt es sich bei einem Sensor um ein technologisches Gerät, das physikalische oder chemische Eigenschaften in elektrische Signale umwandelt. Diese nen dann von elektronischen Systemen interpretiert werden, um wertvolle Daten zu generieren.
Funktionsprinzipien von Sensoren
Die Klassifizierung von Sensoren nach ihrem Funktionsprinzip ist eine häufig verwendete Methode in vielen Handbüchern, die Sensoren vorstellen. Bei dieser Klassifizierungsmethode können mit einer Methode mehrere Größen gemessen werden. Die üblichen Messprinzipien von Sensoren sind:
Typische Messgrößen
Die Klassifizierung von Sensoren nach Messgrößen ist eine weitere gebräuchliche Methode zur Einordnung von Sensoren. Diese Kategorisierung basiert auf der Art der physikalischen oder chemischen Größe, die der Sensor erfasst oder misst. Hier sind die Kategorien:
Diese Klassifizierung ermöglicht es, Sensoren effizient für spezifische Anwendungen und Messanforderungen auszuwählen. Aus Gründen der Praktikabilität wird dieser Artikel diese Methode als Weg zur Klassifizierung von Sensoren verwenden.
Die Sensorintegration in smarten Produkten ermöglicht die Schaffung von Systemen, die in der Lage sind, sich an ihre Umgebung anzupassen und auf verschiedene Reize zu reagieren. Durch die kontinuierliche Überwachung und Erfassung von Daten tragen Sensoren dazu bei, die Effizienz, Sicherheit und Funktionalität von Produkten zu verbessern. In der Forschung zu smarten Produkt-Service-Systemen ist die Integration und Optimierung von Sensoren von zentraler Bedeutung, um innovative Lösungen zu entwickeln, die den Bedürfnissen der Benutzer gerecht werden und gleichzeitig nachhaltig und effektiv sind.
Der Prozess der Sensorintegration in der Produktentwicklung umfasst mehrere entscheidende Schritte:
Eine Messkette ist eine Abfolge von miteinander verbundenen Instrumenten zur Erfassung und Analyse von Messdaten. Typischerweise beginnt sie mit einem Sensor, der physikalische Größen in elektrische Signale umwandelt. Diese Signale werden durch Signalverarbeitungsgeräte geleitet, die Rauschen filtern und verstärken. Anschließend erfolgt die Datenkonvertierung durch Analog-Digital-Wandler, gefolgt von der digitalen Signalverarbeitung. Die Daten gelangen dann zu einem Auswertungssystem, das die Ergebnisse interpretiert und darstellt. Eine präzise und zuverlässige Messkette ist entscheidend für genaue Datenerfassung und spielt eine Schlüsselrolle im operativen Betrieb eines smarten Systems.
1. Sensor:
2. Signalverarbeitungsgeräte:
3. Analog-Digital-Wandler:
4. Digitale Signalverarbeitung:
5. Auswertungssystem:
6. Datenrepräsentation:
7. Rückkopplung und Steuerung:
Die Systemanalyse identifiziert die Anforderungen und Spezifikationen des Sensorsystems. Es wird definiert, welche Arten von Daten erfasst werden müssen und welche Umgebungsbedingungen berücksichtigt werden sollten.
Bei der Bestimmung der Messaufgabe werden die zu überwachenden oder zu erfassenden Parameter identifiziert. Dies beinhaltet die Definition der Sensoreigenschaften, die notwendig sind, um die Messungen genau, zuverlässig und effizient durchzuführen.
Zu den zu berücksichtigenden Sensoreigenschaften gehören:
Zusätzlich müssen elektrische Anforderungen wie Energieversorgung und digitale Busschnittstellen, Umweltbedingungen wie Temperaturbereich, Feuchtigkeit und mögliche Verunreinigungen sowie mechanische Anforderungen wie Einbauraum, Gewicht und mechanische Festigkeit berücksichtigt werden.
Leitfragen
In diesem Schritt wird festgelegt, welche spezifischen Größen (z.B. Temperatur, Druck, Feuchtigkeit) der Sensor erfassen soll. Diese Entscheidung basiert auf den Zielen des smart PSS und den Bedingungen, unter denen es eingesetzt wird.
Leitfragen
Der Messort wird definiert, um die Effektivität der Sensormessungen zu maximieren. Dabei müssen Zugänglichkeit, Umgebungsbedingungen und die Interaktion mit dem zu messenden Objekt oder Phänomen berücksichtigt werden.
Leitfragen
Basierend auf der zu messenden Größe und den Betriebsbedingungen wird das am besten geeignete Messprinzip ausgewählt. Dies kann mechanische, magnetische, thermische, optische oder chemische Effekte umfassen, wie z.B. den piezoelektrischen Effekt für Druckmessungen oder den thermoelektrischen Effekt für Temperaturmessungen.
Die Klassifizierung der Sensoren nach Funktionsprinzip und Messgröße hilft bei der Auswahl des geeigneten Sensortyps für die spezifische Anwendung. Dieser Schritt ist entscheidend, um sicherzustellen, dass der ausgewählte Sensor die benötigten Daten mit der erforderlichen Genauigkeit und Zuverlässigkeit liefert, während er gleichzeitig den Betriebs- und Umweltanforderungen des Systems entspricht.
Leitfragen
Weitere allgemeine Leitfragen
Die Systemsynthese ist der Prozess, bei dem die aus der Systemanalyse gewonnenen Informationen genutzt werden, um das smart PSS zu entwerfen und zu konfigurieren. Dies umfasst die Auswahl der Sensoren, die Entwicklung des Systemlayouts und die Integration der Sensoren in das Gesamtsystem, um sicherzustellen, dass alle Komponenten effektiv zusammenarbeiten.
Nachdem die Anforderungen in der Systemanalysephase definiert wurden, erfolgt die Auswahl des am besten geeigneten Sensors. Dieser Schritt erfordert eine detaillierte Bewertung potenzieller Sensoren anhand ihrer technischen Spezifikationen, Leistung, Kosten und Kompatibilität mit anderen Systemkomponenten. Die Auswahlkriterien umfassen:
Leitfragen
Die konzeptionelle Integration beinhaltet das Design und die Planung, wie die ausgewählten Sensoren physisch und logisch in das System eingebettet werden. Dazu gehören die Platzierung der Sensoren am optimalen Messort, die Sicherstellung ihrer mechanischen Befestigung und Schutz, die Integration in die Systemsoftware und die Vernetzung mit anderen Systemkomponenten. Wichtige Überlegungen umfassen:
Leitfragen
Die Systemvalidierung ist der abschließende Schritt, bei dem das integrierte System umfassend getestet wird, um sicherzustellen, dass es die festgelegten Anforderungen erfüllt.
Diese Phase beinhaltet die Überprüfung und Bestätigung, dass die integrierten Sensoren korrekt funktionieren und genaue Messungen liefern. Die Validierung kann Folgendes umfassen:
Nach erfolgreicher Validierung können die Sensoren und das gesamte System für den Einsatz in realen Anwendungen freigegeben werden, wobei weiterhin Überwachungs- und Wartungsstrategien implementiert werden, um langfristige Zuverlässigkeit und Leistung zu gewährleisten.
Nach der Validierung der integrierten Sensoren und des Gesamtsystems ist die Systemoptimierung ein kontinuierlicher Prozess, der darauf abzielt, die Leistung, Effizienz und Zuverlässigkeit des smart PSS zu verbessern. Diese Phase umfasst folgende Aufgaben:
Die Systemoptimierung ist ein zyklischer Prozess, der auf dem kontinuierlichen Feedback zwischen den Nutzern und dem Entwicklungsteam basiert.
Sensoren können nach verschiedenen Merkmalen kategorisiert werden, darunter das Messprinzip (z.B. optisch, thermisch, mechanisch) und die Messgröße (z.B. Temperatur, Druck, Geschwindigkeit). Eine Untersuchung der Sensoren bietet Einblicke in die Best-Practices der Industrie, den Stand der Technik und die Auswahlkriterien. Anwendungsbeispiele illustrieren, wie verschiedene Sensorentypen in realen Situationen eingesetzt werden können. Diese Informationen werden in einem Sensorkatalog zusammengefasst, der eine breite Palette von Sensorentypen, ihre Spezifikationen und Anwendungsgebiete tabellarisch auflistet. Ein solcher Katalog ist ein wertvolles Werkzeug für Ingenieure, Designer und Techniker, um den am besten geeigneten Sensor für ihre spezifischen Anforderungen auszuwählen.
