Näherungsschalter, Weg- und Kraftsensoren, Drehgeber: Position, Abstand, Druck, Kraft und Feuchte erfassen

Näherungsschalter, Weg- und Kraftsensoren, Drehgeber: Position, Abstand, Druck, Kraft und Feuchte erfassen

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Positionsschalter, Schaltwegdiagramm, Induktiver Näherungsschalter, Kapazitiver Näherungsschalter, Reedkontakt, Ultraschallsensor, Füllstandsmessung, Inkrementalgeber, Dehnungsmessstreifen, Drucksensor, Feuchtesensor, Prüfsystem, MEMS-Sensor

tl/dr; (ca. 48 min Lesezeit): Endschalter stoppen Hubtische, Näherungsschalter erkennen Metallteile, Ultraschallsensoren messen Füllstände, Drehgeber zählen Wege in Mikrometern und Dehnungsmessstreifen wiegen Lasten. Dieser Artikel zeigt Schritt für Schritt, wie Positionsschalter, induktive und kapazitive Näherungsschalter, Reedkontakte, Ultraschallsensoren, Inkrementalgeber, Dehnungsmessstreifen, piezoelektrische und resistive Kraft- und Drucksensoren sowie Feuchtesensoren und MEMS-Sensoren für Beschleunigung, Drehrate und Druck arbeiten, wie Du Schaltwegdiagramme, Kennlinien und englische Datenblätter auswertest, wie Du den passenden Sensor auswählst und wie ein Prüfsystem für Sensoren aufgebaut ist [AI-Assisted]. (Zuletzt geändert am 13.11.2026)

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Dieser Artikel baut auf der Kann-Liste des Artikels Sensoren: Grundlagen auf.

Als Elektrotechnik-Grundlagen kann ich nach Durcharbeiten des Artikels…

• … das Schaltwegdiagramm eines Positionsschalters (Grenztasters) auswerten und Grenztaster im Stromlaufplan mit Strompfad und Betriebsmittelkennzeichen bestimmen.

• … das Wirkprinzip induktiver und kapazitiver Näherungsschalter erklären, sie am Schaltzeichen erkennen und ihren Einsatz (z. B. Endlagenerfassung) beurteilen.

• … Signalgebern (Reedkontakt, induktiver, kapazitiver und optischer Sensor) die erfassbaren Werkstoffe zuordnen, Vor- und Nachteile gegenüber Grenztastern nennen und einen Sensor für eine Erfassungsaufgabe auswählen.

• … Funktionsweise und Einsatzbereiche von Ultraschallsensoren nennen und einen Sensor für die kontinuierliche Füllstandsmessung auswählen.

• … Auflösung, Impulszahl und Mindestbitbreite des Zählers eines Inkrementaldrehgebers berechnen und seine Signale zur Drehrichtungs- und Drehzahlerfassung auswerten sowie die Drehrichtungserkennung mit zwei versetzten Spuren im Zeitablaufdiagramm erklären.

• … Aufbau und Wirkprinzip von Dehnungsmessstreifen erklären, den piezoelektrischen Effekt definieren und weitere Varianten von Drucksensoren nennen.

• … Aufbau und Messprinzip von MEMS-Sensoren für Beschleunigung, Drehrate und Druck beschreiben, ihre Kennwerte aus dem Datenblatt ermitteln, Rohwerte in physikalische Größen umrechnen und den Nutzen eingebauter Auswertelogik begründen.

• … Spannungen an einem resistiven Kraft- oder Drucksensor im Spannungsteiler mit Impedanzwandler aus der Datenblattkennlinie berechnen und die Sensorkennlinie messtechnisch aufnehmen.

• … Ausgangsgrößen und Schaltpunkte von Sensoren (Abstands-, Feuchte- und Kraftsensor) sowie die Impedanz eines Feuchtesensors aus Kennlinien und Kennlinienscharen bestimmen.

• … englischsprachige Funktionsbeschreibungen, Datenblätter und Anleitungen von Sensoren auswerten und Messwerte daraus ableiten.

• … die Hardwarestruktur eines Prüfsystems (Prüfling, Prüfadapter, Steuereinheit, Mess- und Stimulusgeräte, Stromversorgung) in einem Blockschaltbild darstellen und die Wirkungszusammenhänge beschreiben.

Ein Hubtisch fährt nach oben und bleibt genau an der richtigen Stelle stehen. Ein Rücknahmeautomat trennt Weißblech- von Aluminiumdosen. Ein Silo meldet, wie voll es ist, eine Werkzeugmaschine kennt die Lage ihres Schlittens auf wenige Mikrometer, und eine Waage zeigt das Gewicht einer Palette an. All das leisten Sensoren, die Position, Weg, Abstand, Kraft oder Druck erfassen – manche mechanisch mit einem Kontakt, die meisten berührungslos.

Das Bild zeigt vier Kennlinien, die Dir in diesem Artikel begegnen: wie stark der Schaltabstand eines induktiven Näherungsschalters vom Werkstoff abhängt, die beiden um eine Viertelperiode versetzten Spuren eines Inkrementalgebers, den mit steigender Kraft fallenden Widerstand eines Kraftsensors und die Impedanz eines Feuchtesensors, die mit der Luftfeuchte über mehrere Zehnerpotenzen fällt.

Zum Üben gibt es einen eigenen Artikel mit Aufgaben und einblendbaren Beispiellösungen: Übungsaufgaben zu Näherungsschaltern, Weg- und Kraftsensoren und Drehgebern.

Schritt 1: Welcher Sensor für welche Aufgabe?

Die Sensoren in diesem Artikel lassen sich danach ordnen, was sie liefern. Binäre Sensoren melden nur „Objekt da“ oder „nicht da“, analoge Sensoren einen stetigen Messwert, inkrementale Sensoren eine Folge von Impulsen, die eine Steuerung zählt. Wie Sensoren grundsätzlich eingeteilt und mit Zwei- oder Dreileitertechnik (PNP/NPN) angeschlossen werden, steht im Artikel Sensoren: Grundlagen.

Optische Sensoren (Lichtschranken, Lichttaster, IR-Abstandssensoren) gehören ebenfalls in diese Reihe; sie haben einen eigenen Artikel: Optische Sensoren.

Schritt 2: Positionsschalter und Schaltwegdiagramm

Aufbau

Ein Positionsschalter (auch Grenztaster, Endschalter) ist ein mechanisch betätigter Schalter: Das bewegte Teil drückt über einen Stößel, Rollenhebel oder Schwenkhebel auf ein Schaltelement mit meist einem Öffner und einem Schließer. Er braucht keine Hilfsenergie, schaltet auch große Ströme direkt und ist leicht zu prüfen. Weil er berührt wird, verschleißt er, prellt beim Schalten und braucht einen gewissen Betätigungsweg und eine Betätigungskraft.

Für Sicherheitsfunktionen (Schutztür, Überfahrschutz) werden Öffner mit Zwangsöffnung nach DIN EN 60947-5-1 eingesetzt: Der Stößel reißt den Kontakt mechanisch auf, auch wenn er verschweißt ist. Im Schaltzeichen erkennst Du sie am Pfeil im Kreis. Sicherheitsrelevante Abschaltungen werden als Öffner ausgeführt, damit ein Drahtbruch ebenfalls abschaltet (Drahtbruchsicherheit).

Schaltwegdiagramm lesen

Wann welcher Kontakt schaltet, zeigt das Schaltwegdiagramm im Datenblatt. Waagerecht ist der Betätigungsweg des Stößels aufgetragen, für jeden Kontakt gibt es eine Zeile. Ein dunkler Balken bedeutet „Kontakt geschlossen“, eine Lücke „Kontakt offen“. Die Kontaktnummern stehen links (Öffner 11–12 bzw. 21–22, Schließer 13–14 bzw. 23–24).

Aus dem Beispiel liest Du ab:

• Der Öffner 21–22 ist in Ruhestellung geschlossen und öffnet nach 2{,}5\ \mathrm{mm} Stößelweg.

• Der Schließer 13–14 schließt nach 3{,}5\ \mathrm{mm}. Dazwischen sind beide Kontakte offen: Es ist ein Schalter mit Schleichkontakten und Überlappungsfreiheit (erst öffnet der Öffner, dann schließt der Schließer).

• Der Gesamtweg beträgt 7\ \mathrm{mm}; der Weg nach dem Umschalten bis zum Anschlag ist der Überweg (hier 1{,}5\ \mathrm{mm} nach dem Ende des Nennbetätigungswegs). Er nimmt Nachlauf und Toleranzen auf, ohne dass der Schalter zerstört wird. Die Nocke wird so eingestellt, dass sie den Stößel sicher über 3{,}5\ \mathrm{mm} hinaus, aber nicht über 7\ \mathrm{mm} drückt.

Bei Schaltern mit Sprungkontakten schalten beide Kontakte gleichzeitig an einem Schaltpunkt; auf dem Rückweg schalten sie etwas früher zurück (Rückschaltpunkt, Hysterese). Auch das zeigt das Schaltwegdiagramm mit zwei Wegmarken.

Schritt 3: Grenztaster im Stromlaufplan

Im Stromlaufplan stehen die Kontakte in Ruhestellung (unbetätigt). Der Positionsschalter bekommt nach DIN EN IEC 81346-2 den Kennbuchstaben B mit der Unterklasse G (Erfassen von Position und Abstand), also z. B. -BG1; seine Betätigung zeichnest Du mit einer Rolle bzw. einem Stößel an der Wirklinie. Taster heißen -SF…, Schütze -QA…, Meldeleuchten -PF…. Die Strompfade werden unten durchnummeriert; unter der Schützspule zeigt der Kontaktspiegel, in welchem Strompfad ein Hilfskontakt des Schützes liegt.

Der Plan zeigt einen Schlitten, der mit -SF2 losfährt und am Ende von -BG1 gestoppt wird:

So liest Du den Plan:

• Strompfad 1: -SF2 schaltet die Schützspule -QA1 ein; -QA1 zieht an, der Motor fährt.
• Strompfad 2: Der Schließer 13–14 von -QA1 hält das Schütz nach dem Loslassen von -SF2 (Selbsthaltung; Kontaktspiegel: „13–14: 2“).
• Endlage: Erreicht der Schlitten die Nocke, öffnet der Öffner 21–22 von -BG1 in Strompfad 1 und unterbricht den Spulenstrom: Der Antrieb stoppt, die Selbsthaltung fällt ab.
• Strompfad 3: Gleichzeitig schließt der Schließer 13–14 von -BG1 und schaltet -PF1 „Endlage erreicht“ ein.
• Strompfad 4: -QA1 33–34 meldet über -PF2, dass der Schlitten fährt.

Ein Positionsschalter erscheint also oft mehrmals im Plan – jeder Kontakt in seinem eigenen Strompfad, aber immer mit demselben Betriebsmittelkennzeichen. Wie Stromlaufpläne allgemein aufgebaut sind, zeigt der Artikel Schaltpläne lesen: Schaltzeichen, Stromlauf- und Übersichtsschaltplan, Betriebsmittelkennzeichnung.

Schritt 4: Induktive Näherungsschalter

Wirkprinzip

Ein induktiver Näherungsschalter enthält einen Oszillator mit einer Spule in einem offenen Ferritschalenkern. Er erzeugt vor der aktiven Fläche ein hochfrequentes magnetisches Wechselfeld. Kommt ein Metall in dieses Feld, entstehen darin Wirbelströme (bei Stahl zusätzlich Ummagnetisierungsverluste). Sie entziehen dem Oszillator Energie, seine Schwingungsamplitude sinkt (Bedämpfung). Eine Auswerteschaltung (Schwellwertschalter) erkennt das und schaltet den Ausgang.

Daraus folgt die Materialempfindlichkeit: Ein induktiver Näherungsschalter erfasst nur elektrisch leitfähige Stoffe, also Metalle. Kunststoff, Holz, Glas oder Wasser sieht er nicht – sie stören deshalb auch nicht, etwa Späne aus Kunststoff oder eine Kunststoffabdeckung vor dem Sensor.

Schaltabstand und Reduktionsfaktor

Der Bemessungsschaltabstand s_\mathrm{n} (rated operating distance) gilt für eine quadratische Normmessplatte aus Stahl S235 (1 mm dick). Wegen Fertigungsstreuung, Temperatur und Versorgungsspannung garantiert der Hersteller nur den gesicherten Schaltabstand (assured operating distance):

s_\mathrm{a} \leq 0{,}81 \cdot s_\mathrm{n}

Andere Metalle bedämpfen schwächer; der Schaltabstand sinkt um den Reduktionsfaktor r (Richtwerte, genaue Werte im Datenblatt):

Beispiel: Ein Sensor mit s_\mathrm{n} = 8\ \mathrm{mm} schaltet bei Stahl sicher bis s_\mathrm{a} = 0{,}81 \cdot 8\ \mathrm{mm} = 6{,}48\ \mathrm{mm}, bei Messing nur bis 0{,}5 \cdot 6{,}48\ \mathrm{mm} = 3{,}24\ \mathrm{mm}. Diesen Effekt nutzt man auch gezielt: Mit passend gewähltem Abstand erkennt der Sensor Stahlteile, Aluminiumteile aber nicht. Sogenannte Faktor-1-Sensoren haben für alle Metalle denselben Schaltabstand.

Weitere Kennwerte: Die Schalthysterese verhindert Flattern an der Schaltgrenze, die Schaltfrequenz f_\mathrm{max} (oft einige hundert Hertz bis einige Kilohertz) begrenzt, wie schnell Teile vorbeilaufen dürfen. Bündig einbaubare Sensoren dürfen ganz in Metall versenkt werden; nicht bündige haben einen größeren Schaltabstand, brauchen aber eine metallfreie Zone um die aktive Fläche.

Einsatz beurteilen

Induktive Näherungsschalter sind die Standardlösung für Endlagenerfassung an Metallteilen: Schlitten, Zylinder, Greifer, Ventilstellungen, Zahnräder zur Drehzahlmessung. Sie sind verschleißfrei, prellfrei, schnell, unempfindlich gegen Schmutz, Öl und Wasser und in Schutzart bis IP68 erhältlich. Grenzen: Der Schaltabstand beträgt nur Millimeter, das Objekt muss aus Metall sein, und starke Magnetfelder (Schweißanlagen) stören – dafür gibt es schweißfeste Typen.

Schritt 5: Kapazitive Näherungsschalter und Reedkontakte

Kapazitiver Näherungsschalter

Die aktive Fläche eines kapazitiven Näherungsschalters bildet mit ihrer Umgebung einen offenen Kondensator, der Teil eines Oszillators ist. Kommt ein Objekt in das elektrische Feld, ändert sich die Kapazität, weil das Objekt eine größere Permittivität als Luft hat (\varepsilon_\mathrm{r} > 1) oder leitfähig ist. Der Oszillator beginnt zu schwingen bzw. ändert seine Amplitude, die Auswertung schaltet.

Vorteil gegenüber induktiven Sensoren: Ein kapazitiver Sensor erfasst fast alle Stoffe – Metalle, Kunststoffe, Holz, Glas, Papier, Flüssigkeiten und Schüttgüter – und kann durch eine nichtmetallische Behälterwand hindurch den Füllstand erkennen. Je höher die Permittivität (Wasser \varepsilon_\mathrm{r} \approx 80, Kunststoff etwa 2 bis 4), desto größer der Schaltabstand. Nachteile: Er reagiert auch auf Feuchtigkeit, Anhaftungen und die Hand des Bedieners; deshalb haben die meisten Typen ein Potenziometer oder eine Teach-Taste zur Einstellung der Empfindlichkeit.

Schaltzeichen

Näherungsschalter haben im Schaltzeichen nach DIN EN 60617 ein Quadrat (Näherungssensor) mit einem Rhombus für die berührungslose Betätigung neben dem Schaltkontakt. Woran der Sensor reagiert, zeigt ein Zeichen im Quadrat: Bei induktiven Näherungsschaltern steht dort meist das Zeichen einer Spule (in manchen Unterlagen „Fe“ für die metallische Messplatte), bei kapazitiven zwei parallele Striche wie bei einem Kondensator. In vielen Datenblättern und Schaltplänen wird das Quadrat auch mit dem Anschlussbild (BN, BU, BK) und dem Schaltausgang kombiniert.

Reedkontakt

Ein Reedkontakt besteht aus zwei ferromagnetischen Kontaktzungen in einem gasgefüllten Glasröhrchen. Ein Dauermagnet in der Nähe magnetisiert die Zungen, sie ziehen sich an und schließen den Kontakt. Der Reedkontakt erfasst also nur Magnete: Das Objekt (Tür, Klappe, Kolben eines Pneumatikzylinders) trägt einen Magneten. Er braucht keine Hilfsenergie, schaltet aber nur kleine Ströme und prellt kurz.

Schritt 6: Grenztaster oder Näherungsschalter? Sensoren auswählen

Grenztaster und Näherungsschalter lösen oft dieselbe Aufgabe. Die Entscheidung hängt von Umgebung, Schalthäufigkeit und Sicherheitsanforderung ab:

Für die Auswahl stellst Du die Fragen der Reihe nach: Was wird erfasst (Werkstoff, Magnet, Füllgut)? Wie weit ist es entfernt? Wie schnell und wie oft? Welche Umgebung (Staub, Öl, Feuchte, Temperatur, Magnetfelder)? Sicherheitsfunktion ja oder nein? Faustregeln: Metall auf kurze Distanz → induktiv; Füllstand durch eine Kunststoffwand → kapazitiv; Tür oder Zylinderkolben mit Magnet → Reedkontakt bzw. Magnetfeldsensor; große Abstände → optisch oder Ultraschall; Schutztür oder Überfahrschutz → Sicherheitsschalter mit Zwangsöffnung.

Schritt 7: Ultraschallsensoren und kontinuierliche Füllstandsmessung

Laufzeitmessung

Ein Ultraschallsensor sendet mit einem piezoelektrischen Wandler kurze Schallimpulse (meist 40 bis 400\ \mathrm{kHz}) aus und misst die Laufzeit t bis zum Echo. Der Schall legt den Weg zum Objekt zweimal zurück:

s = \frac{c \cdot t}{2} \qquad c \approx 331{,}5\ \mathrm{\tfrac{m}{s}} + 0{,}6\ \mathrm{\tfrac{m}{s \cdot °C}} \cdot \vartheta

Bei 20\ °\mathrm{C} ist c \approx 343{,}5\ \mathrm{m/s}. Ein Echo nach t = 5{,}0\ \mathrm{ms} bedeutet also s = 343{,}5\ \mathrm{m/s} \cdot 5{,}0\ \mathrm{ms} / 2 \approx 0{,}859\ \mathrm{m}. Weil die Schallgeschwindigkeit von der Temperatur abhängt, haben gute Sensoren eine Temperaturkompensation.

Ultraschallsensoren gibt es als Schalter (Schaltpunkt einstellbar, Teach-in) und mit Analogausgang (4 \dots 20\ \mathrm{mA} oder 0 \dots 10\ \mathrm{V} über einem einstellbaren Messbereich) oder IO-Link.

Einsatzbereiche und Grenzen

• Vorteile: Farbe, Transparenz und Glanz spielen keine Rolle – Glasflaschen, Folien, Flüssigkeiten und Schüttgüter werden sicher erfasst. Staub und Nebel stören wenig. Reichweiten von wenigen Zentimetern bis über 8\ \mathrm{m}.
• Grenzen: Direkt vor dem Sensor liegt eine Blindzone, in der er nicht messen kann (der Wandler schwingt noch nach). Weiche, schallschluckende Stoffe (Schaumstoff, Wolle) und schräge Flächen werfen wenig Schall zurück. Luftströmungen und starke Temperaturschwankungen verfälschen die Messung.
• Typische Anwendungen: Füllstand in Tanks und Silos, Rollendurchmesser beim Wickeln, Durchhangregelung von Materialbahnen, Abstandsüberwachung an Fahrzeugen, Erkennung durchsichtiger Objekte.

Füllstand kontinuierlich messen

Bei der Füllstandsmessung unterscheidet man Grenzstandmessung (binär: „voll“, „leer“; z. B. kapazitiver Sensor, Schwinggabel, Schwimmerschalter) und kontinuierliche Messung (stetiger Messwert). Für die kontinuierliche Messung eignen sich:

Den Füllstand berechnest Du aus der Einbauhöhe des Sensors über dem Behälterboden: h = h_\mathrm{Sensor} - s. Für die Auswahl zählt, ob das Medium berührt werden darf, ob Schaum oder Staub entsteht, wie genau gemessen werden muss und welche Signalart die Steuerung erwartet (Messumformer und Einheitssignale).

Für kurze Abstände bis etwa einen Meter gibt es auch optische Abstandssensoren (Infrarot-Triangulation, Lichtlaufzeit) mit nichtlinearer Spannungskennlinie; wie Du deren Kennlinie und Datenblatt auswertest, zeigt der Artikel Optische Sensoren. Zum Abstand gehört dort eine Spannung, die Du in der Kennlinie abliest; liegt der Abstand unter dem Mindestabstand, gehört derselbe Spannungswert zu zwei Abständen.

Schritt 8: Drehgeber

Inkrementalgeber

Ein Inkrementalgeber (Drehimpulsgeber) gibt je Umdrehung eine feste Zahl von Impulsen z (Strichzahl, pulses per revolution, PPR) aus. Eine Strichscheibe wird optisch oder magnetisch abgetastet. Es gibt zwei Spuren A und B, deren Signale um eine Viertelperiode (90° elektrisch) gegeneinander versetzt sind, und meist eine Nullspur Z mit einem Impuls je Umdrehung als Referenzmarke (Bild oben rechts).

• Drehrichtung: Aus der Reihenfolge der Flanken erkennt die Auswertung die Richtung. Eilt A vor B (bei steigender Flanke von A ist B noch Low), dreht die Welle in die eine Richtung; eilt B vor A, in die andere. Bei Vorwärtsdrehung durchlaufen die Pegel (A, B) die Folge 00 → 10 → 11 → 01 → 00, rückwärts umgekehrt.

• Auflösung: Zählt die Auswertung nur die steigenden Flanken von A (Einfachauswertung), ergibt das z Inkremente je Umdrehung; zählt sie beide Flanken von A (Zweifachauswertung) 2z; zählt sie alle Flanken von A und B (Vierfachauswertung) 4z. Die Winkelauflösung ist \Delta\varphi = 360°/(k \cdot z) mit dem Auswertefaktor k = 1, 2, 4. Treibt der Geber eine Spindel mit der Steigung P an, ist die Wegauflösung \Delta s = P/(k \cdot z).

• Drehzahl: Die Impulsfrequenz einer Spur ist f = z \cdot n (n in 1/\mathrm{s}). Umgekehrt berechnet die Steuerung die Drehzahl aus der gemessenen Frequenz n = f / z oder aus der Zahl der Impulse in einer festen Torzeit.

Das Bild zeigt zwei Perioden der Spuren bei Vorwärtsdrehung mit den Pegelpaaren (A, B) und den sieben Flanken, die eine Vierfachauswertung in diesem Ausschnitt zählt:

Drehrichtung im Zeitablaufdiagramm erkennen

Im Zeitablaufdiagramm erkennst Du die Drehrichtung daran, welche Spur zuerst wechselt. Am einfachsten schaust Du auf jede steigende Flanke von A und liest ab, welchen Pegel B in diesem Augenblick hat:

• Ist B bei der steigenden Flanke von A Low, eilt A voraus: Die Welle dreht vorwärts.

• Ist B bei der steigenden Flanke von A High, eilt B voraus: Die Welle dreht rückwärts.

Das klappt nur, weil die Spuren um eine Viertelperiode versetzt sind: Vorwärts steigt B eine Viertelperiode nach A, rückwärts ist B schon eine Viertelperiode vorher gestiegen. Mit nur einer Spur oder mit zwei gleichzeitig schaltenden Spuren wäre die Richtung nicht zu erkennen. Kehrt die Welle um, kehrt sich die Reihenfolge der Flanken sofort um. Die Periodendauer verrät dagegen nur die Drehzahl, nicht die Richtung.

Drehrichtung auswerten: D-Flipflop und Encoder-Modus

Die Regel „Pegel von B bei steigender Flanke von A“ setzt ein flankengesteuertes D-Flipflop direkt um: Spur B kommt an den Dateneingang 1D, Spur A an den Takteingang C1. Mit jeder steigenden Flanke von A übernimmt das Flipflop den Pegel von B und hält ihn bis zur nächsten steigenden Flanke (siehe Flipflops). Der Ausgang Q ist damit ein Richtungssignal: Q = 0 heißt vorwärts, Q = 1 rückwärts. Q steuert den Richtungseingang eines Vor-/Rückwärtszählers, dessen Takt ebenfalls von A kommt; so entsteht eine Einfachauswertung mit Richtung.

Im Bild dreht die Welle zwei Perioden vorwärts und dann zwei Perioden rückwärts. Bei den ersten beiden steigenden Flanken von A ist B Low, Q bleibt 0 und der Zähler zählt auf 2. Nach der Umkehr ist B bei jeder steigenden Flanke von A High, Q kippt auf 1 und der Zähler zählt auf 0 zurück:

Die einfache Flipflop-Schaltung hat eine Schwäche: Sie zählt nur an den steigenden Flanken von A. Steht die Welle genau an einer solchen Flanke und pendelt durch Vibration hin und her, entsteht bei jedem „Hin“ eine steigende Flanke (Zähler +1), beim „Zurück“ aber nur eine fallende Flanke, die nicht gezählt wird. Der Zählerstand läuft weg, obwohl die Welle stillsteht. Robuste Auswertungen vergleichen deshalb bei jedem Wechsel von A oder B den neuen Zustand mit dem vorherigen: Ein Schritt in der Folge 00 → 10 → 11 → 01 → 00 zählt +1, ein Schritt in Gegenrichtung −1, ein Pendeln hebt sich auf. Diese Zustandsauswertung ist zugleich die Vierfachauswertung.

Zählbaugruppen von Steuerungen und viele Mikrocontroller erledigen das in Hardware: Im Encoder-Modus (Quadraturzähler) eines Timers schließt Du A und B an zwei Timer-Eingänge an. Der Zählerstand steigt oder fällt mit jeder Flanke selbstständig, ein Richtungsbit im Statusregister zeigt die aktuelle Drehrichtung, und das Programm liest nur noch den Zählerstand. Zählt der Mikrocontroller dagegen per Interrupt in Software, muss er bei hohen Drehzahlen jeden Interrupt rechtzeitig abarbeiten, sonst gehen Flanken verloren.

Drehzahl aus Impulsfrequenz oder Zählerstand bestimmen

Für die Drehzahl gibt es zwei Wege: Die Periodendauermessung misst die Zeit T zwischen zwei gleichen Flanken einer Spur, die Torzeitmessung liest den Zählerstand in festen Abständen (Torzeit t_\mathrm{Tor}) und bildet die Differenz \Delta N. Mit dem Auswertefaktor k gilt:

Beispiel: Ein Geber mit z = 100 wird vierfach ausgewertet. In t_\mathrm{Tor} = 10\ \mathrm{ms} steigt der Zählerstand um \Delta N = 80. Die Welle dreht also vorwärts mit n = 80/(4 \cdot 100 \cdot 0{,}01\ \mathrm{s}) = 20\ \mathrm{1/s} = 1200\ \mathrm{1/min}.

Zählerbreite berechnen

Der Zähler in der Steuerung muss alle Inkremente des gesamten Verfahrwegs aufnehmen. Mit N Inkrementen braucht er mindestens b Bit, sodass 2^b \geq N gilt:

b = \lceil \log_2 N \rceil

Beispiel: Ein Geber mit z = 1024 sitzt auf einer Spindel mit P = 5\ \mathrm{mm}, Vierfachauswertung. Ein Inkrement entspricht 5\ \mathrm{mm}/4096 \approx 1{,}22\ \mathrm{\mu m}. Für einen Verfahrweg von 400\ \mathrm{mm} macht die Spindel 80 Umdrehungen, das sind N = 80 \cdot 4096 = 327\,680 Inkremente. Wegen \log_2 327\,680 \approx 18{,}3 reicht ein Zähler mit 19\ \mathrm{Bit} (2^{19} = 524\,288); in der Praxis nimmt man den nächsten Datentyp (z. B. 32 Bit, mit Vorzeichen für beide Richtungen). Dreht der Geber mit 3000\ \mathrm{1/min} = 50\ \mathrm{1/s}, liefern die Spuren f = 1024 \cdot 50\ \mathrm{1/s} = 51{,}2\ \mathrm{kHz}; die Zählbaugruppe muss diese Eingangsfrequenz verarbeiten können.

Fährt die Achse in beide Richtungen über den Referenzpunkt hinaus, braucht der Zähler ein Vorzeichen. Ein vorzeichenbehafteter Zähler mit b Bit (Zweierkomplement) reicht von -2^{b-1} bis 2^{b-1}-1; er muss den betragsmäßig größten Zählerstand N_\mathrm{max} aufnehmen:

2^{b-1} - 1 \geq N_\mathrm{max}

Für die 327\,680 Inkremente aus dem Beispiel in beide Richtungen (\pm 327\,680) reichen 19 Bit mit Vorzeichen nicht (2^{18} - 1 = 262\,143); nötig sind 20\ \mathrm{Bit} (2^{19} - 1 = 524\,287).

Absolutwertgeber

Ein Absolutwertgeber gibt die Winkelstellung als Codewort aus (meist Gray-Code, bei dem sich von Schritt zu Schritt nur ein Bit ändert). Die Position ist nach dem Einschalten sofort bekannt; eine Referenzfahrt wie beim Inkrementalgeber entfällt. Ein Singleturn-Geber mit n Bit unterscheidet 2^n Stellungen je Umdrehung, ein Multiturn-Geber zählt zusätzlich die Umdrehungen. Übertragen wird meist seriell (SSI, BiSS, IO-Link, Feldbus).

Schritt 9: Dehnungsmessstreifen und Kraftmessung

Aufbau und Wirkprinzip

Ein Dehnungsmessstreifen (DMS) ist ein mäanderförmiges Gitter aus einer dünnen Metallfolie (z. B. Konstantan) auf einer Kunststoffträgerfolie. Er wird fest auf einen Verformungskörper (Biegebalken, Kraftmessdose) geklebt und macht dessen Dehnung mit. Wird der DMS gedehnt, wird der Leiter länger und dünner, sein Widerstand steigt; wird er gestaucht, sinkt der Widerstand. Das folgt aus

R = \rho \cdot \frac{l}{A}

Die relative Widerstandsänderung ist der Dehnung \varepsilon = \Delta l / l proportional; der Proportionalitätsfaktor heißt k-Faktor (bei Metallfolien-DMS etwa 2):

\frac{\Delta R}{R_0} = k \cdot \varepsilon

Die Änderungen sind winzig: Ein DMS mit R_0 = 120\ \Omega und k = 2 ändert sich bei \varepsilon = 0{,}5\ ‰ = 500\ \mathrm{\mu m/m} nur um \Delta R = 2 \cdot 0{,}0005 \cdot 120\ \Omega = 0{,}12\ \Omega. Deshalb wird der DMS in einer Wheatstone-Brücke betrieben. In der Viertelbrücke (ein aktiver DMS, drei Festwiderstände) ist die Brückenspannung näherungsweise U_\mathrm{d} \approx U_0 \cdot k \cdot \varepsilon / 4, bei U_0 = 5\ \mathrm{V} also 1{,}25\ \mathrm{mV}. In Wägezellen sind vier DMS als Vollbrücke verschaltet (zwei gedehnt, zwei gestaucht): Das Signal vervierfacht sich, und Temperatureinflüsse heben sich auf. Die Brückenspannung wird mit einem Messverstärker verstärkt (Messverstärker mit Operationsverstärkern). Das Datenblatt einer Wägezelle nennt dafür den Kennwert (rated output) in \mathrm{mV/V}, z. B. 2\ \mathrm{mV/V} bei Nennlast.

Schritt 10: Piezoelektrische und weitere Drucksensoren

Piezoelektrischer Effekt

Der piezoelektrische Effekt beschreibt, dass bestimmte Kristalle und Keramiken (Quarz, Blei-Zirkonat-Titanat) bei mechanischer Verformung durch Druck, Zug oder Biegung an ihren Oberflächen eine elektrische Ladung erzeugen, die der Kraft proportional ist. Umgekehrt verformen sie sich beim Anlegen einer Spannung (inverser Piezoeffekt, genutzt in Ultraschallwandlern und Summern).

Piezoelektrische Sensoren sind aktive Sensoren: Sie brauchen keine Hilfsenergie. Die Ladung fließt aber über Isolations- und Eingangswiderstände ab; deshalb messen sie nur Kraft- und Druckänderungen (Schwingungen, Stöße, Druckpulsationen im Motor), keine statischen Kräfte über längere Zeit. Ausgewertet wird mit einem Ladungsverstärker.

Weitere Drucksensorvarianten

Drucksensoren wandeln den Druck fast immer zuerst in die Verformung einer Membran um und messen diese:

Unterschieden werden außerdem Absolutdruck (gegen Vakuum), Relativdruck (gegen den Umgebungsdruck) und Differenzdruck (zwischen zwei Anschlüssen, z. B. Filterüberwachung). Industrie-Drucktransmitter enthalten Sensor, Verstärker und Messumformer und liefern 4 \dots 20\ \mathrm{mA}. Drucksensoren, deren Siliziummembran samt Auswerteelektronik auf einem Chip sitzt, und weitere Mikrosysteme für Beschleunigung und Drehrate beschreibt Schritt 15.

Schritt 11: Kraft- und Drucksensoren im Spannungsteiler

Kraftabhängiger Widerstand (FSR)

Ein FSR (force sensing resistor) ist eine dünne Folie mit einem leitfähigen Polymer zwischen kammartigen Elektroden. Je stärker die Kraft, desto mehr leitfähige Partikel berühren die Elektroden: Der Widerstand sinkt von über 1\ \mathrm{M\Omega} (unbelastet) bis auf wenige hundert Ohm. Die Kennlinie im Datenblatt ist meist doppelt logarithmisch dargestellt (Übersichtsbild am Anfang, unten links).

Auswertung im Spannungsteiler mit Impedanzwandler

Ein resistiver Sensor wird mit einem Festwiderstand R_\mathrm{M} zu einem Spannungsteiler verschaltet. Liegt der FSR an U_\mathrm{B} und R_\mathrm{M} an Masse, steigt die Spannung an R_\mathrm{M} mit der Kraft:

U_\mathrm{M} = U_\mathrm{B} \cdot \frac{R_\mathrm{M}}{R_\mathrm{M} + R_\mathrm{FSR}}

Beispiel: Laut Kennlinie hat der FSR bei F = 2\ \mathrm{N} etwa R_\mathrm{FSR} = 6{,}0\ \mathrm{k\Omega}. Mit R_\mathrm{M} = 10\ \mathrm{k\Omega} und U_\mathrm{B} = 5\ \mathrm{V} ergibt sich U_\mathrm{M} = 5\ \mathrm{V} \cdot 10 / 16 \approx 3{,}13\ \mathrm{V}.

Belastet die nachfolgende Schaltung (Analogeingang, Messgerät, Anzeige) den Teiler, sinkt die Spannung und die Kennlinie stimmt nicht mehr. Deshalb folgt auf den Teiler oft ein Impedanzwandler (Spannungsfolger): ein Operationsverstärker, dessen Ausgang direkt auf den invertierenden Eingang zurückgeführt ist. Er hat einen sehr hohen Eingangswiderstand, belastet den Teiler praktisch nicht und gibt dieselbe Spannung niederohmig aus (U_\mathrm{A} = U_\mathrm{M}, Verstärkung 1). Grundlagen dazu: Der Spannungsteiler und Operationsverstärker-Grundschaltungen.

Für einen Schaltpunkt rechnest Du rückwärts: Soll die Steuerung ab einer bestimmten Kraft reagieren, stellst Du die Teilergleichung nach R_\mathrm{FSR} um, liest zu diesem Widerstand die Kraft in der Kennlinie ab und stellst die Schaltschwelle des Komparators bzw. den Grenzwert im Programm auf die zugehörige Spannung ein.

Aufbau auf dem Steckbrett

Zum Ausprobieren genügt ein Mikrocontroller: Der FSR liegt im oberen Zweig an 3{,}3\ \mathrm{V}, der 10\text{-}\mathrm{k\Omega}-Messwiderstand im unteren Zweig an GND, der Mittelabgriff geht an einen Analogeingang. Der Eingang des ESP32 ist so hochohmig, dass er den Teiler für einen ersten Versuch kaum belastet; für genaue Messungen oder lange Leitungen kommt der Spannungsfolger dazwischen. Das Programm rechnet den gemessenen Wert über die Teilergleichung in den Sensorwiderstand und mit der Kennlinie in eine Kraft um.

Sensorkennlinie messtechnisch aufnehmen

Datenblattkennlinien von FSR und einfachen Drucksensoren streuen stark (oft \pm 10\ \% und mehr). Für eine genaue Anwendung nimmst Du die Kennlinie deshalb selbst auf:

1. Sensor auf eine ebene, feste Unterlage legen, die Kraft immer über dieselbe Fläche einleiten (Puck, Stempel).
2. Bekannte Kräfte aufbringen, z. B. mit Prüfgewichten (F = m \cdot g) oder mit einem Referenz-Kraftsensor (Wägezelle) in Reihe.
3. Je Kraftstufe nach einer kurzen Wartezeit (der FSR kriecht) den Widerstand mit dem Ohmmeter oder die Spannung am Teiler hinter dem Impedanzwandler messen.
4. Messreihe mehrmals mit steigender und fallender Kraft wiederholen, Mittelwerte bilden, Hysterese und Streuung festhalten.
5. Werte in eine Tabelle eintragen und als Kennlinie zeichnen, bei FSR doppelt logarithmisch.

Schritt 12: Feuchtesensoren: Impedanz aus der Kennlinienschar

Feuchtesensoren messen die relative Luftfeuchte (rF, in %). Zwei Bauarten sind verbreitet:

• Kapazitive Feuchtesensoren: Ein Polymer als Dielektrikum nimmt Wasser auf, seine Permittivität und damit die Kapazität steigen nahezu linear mit der Feuchte.
• Resistive Feuchtesensoren (Impedanzsensoren): Eine hygroskopische Schicht zwischen kammartigen Elektroden wird mit steigender Feuchte leitfähiger, die Impedanz sinkt über mehrere Zehnerpotenzen. Sie werden mit Wechselspannung betrieben (z. B. 1\ \mathrm{V}, 1\ \mathrm{kHz}), weil Gleichstrom die Schicht durch Elektrolyse zerstört.

Die Impedanz hängt auch von der Temperatur ab. Das Datenblatt zeigt deshalb eine Kennlinienschar: je Temperatur eine Kennlinie, die Impedanzachse logarithmisch (Übersichtsbild am Anfang, unten rechts). So liest Du ab:

1. Auf der waagerechten Achse die relative Feuchte suchen, z. B. 60\ \%.
2. Senkrecht nach oben bis zur Kennlinie der passenden Temperatur gehen, z. B. 25\ °\mathrm{C}.
3. Waagerecht nach links zur logarithmischen Achse gehen und den Wert zwischen den Zehnerpotenzen schätzen: Hier etwa 2 \cdot 10^5\ \Omega = 200\ \mathrm{k\Omega}.

Bei höherer Temperatur liegt die Kennlinie tiefer (kleinere Impedanz bei gleicher Feuchte); liegt die Temperatur zwischen zwei Kurven, schätzt Du dazwischen. Auf einer logarithmischen Achse liegt die Mitte zwischen 10^5 und 10^6 nicht bei 5 \cdot 10^5, sondern bei etwa 3{,}2 \cdot 10^5.

Schritt 13: Englische Datenblätter und Anleitungen auswerten

Datenblätter und Bedienungsanleitungen von Sensoren sind meist englisch. Die wichtigsten Begriffe:

So gehst Du vor: Zuerst die Funktionsbeschreibung (functional description, principle of operation) lesen und klären, was der Sensor misst und welches Signal er ausgibt. Dann in den Kennwerten die Bedingungen beachten (conditions: Temperatur, Werkstoff, Versorgung), unter denen ein Wert gilt. Aus linearen Angaben wie „analog output 4 mA at 200 mm, 20 mA at 2000 mm“ leitest Du Messwerte ab: Zwischen den beiden Punkten steigt der Strom um 16\ \mathrm{mA} auf 1800\ \mathrm{mm}; zu 1100\ \mathrm{mm} gehören also 4\ \mathrm{mA} + 16\ \mathrm{mA} \cdot 900/1800 = 12\ \mathrm{mA}. Zum Schluss die Sicherheits- und Montagehinweise (safety instructions, installation) übersetzen und in Arbeitsschritte umsetzen, etwa „Mount and connect only when the power supply is switched off“ (nur im spannungsfreien Zustand montieren) oder „This sensor must not be used for personnel protection“ (nicht für den Personenschutz zugelassen).

Schritt 14: Sensoren im Prüfsystem

In der Fertigung werden Sensoren und Baugruppen am Ende geprüft, bevor sie das Werk verlassen. Ein Prüfsystem (Prüfplatz, test system) besteht aus diesen Hardwarekomponenten:

Im Blockschaltbild zeichnest Du die Komponenten als Blöcke und die Wirkungen als Pfeile: Die Steuereinheit stellt Stimulus, Stromversorgung und Messgeräte ein (Steuerbefehle, meist über USB, LAN oder einen Bus), der Stimulus wirkt über den Prüfadapter auf den Prüfling, die Antwort des Prüflings gelangt über den Prüfadapter zu den Messgeräten, und die Messwerte gehen zurück zur Steuereinheit. Die Steuereinheit bewertet „gut“ oder „schlecht“ und protokolliert jeden Prüfling (Seriennummer, Messwerte, Ergebnis).

Schritt 15: MEMS-Sensoren: Beschleunigung, Drehrate und Druck

Ein Smartphone dreht sein Bild, wenn Du es quer hältst, eine Drohne hält sich ruhig in der Luft, ein Datenlogger meldet, dass eine Transportkiste heruntergefallen ist, und ein Sensor am Motorlager erkennt einen beginnenden Lagerschaden. Hinter all dem stecken winzige Sensoren, die Mechanik und Elektronik auf einem Chip vereinen.

Mikrosysteme: Mechanik und Elektronik auf einem Chip

MEMS steht für micro-electro-mechanical systems, auf Deutsch Mikrosysteme. In ein Siliziumplättchen werden mit den Verfahren der Halbleiterfertigung (Belichten, Ätzen, Abscheiden) bewegliche mechanische Strukturen geätzt: Massen, Federn, Kämme und Membranen, deren Abmessungen im Mikrometerbereich liegen. Ein zweiter Chip (ein anwendungsspezifischer Schaltkreis, ASIC) oder Schaltungsteile auf demselben Chip verstärken das Signal, wandeln es in Zahlen um und stellen es über eine digitale Schnittstelle bereit. Beides sitzt in einem Gehäuse von oft nur 2\ \mathrm{mm} \times 2\ \mathrm{mm}.

MEMS-Sensoren sind klein, leicht, brauchen wenig Energie (einige Mikroampere im Betrieb) und kosten in großen Stückzahlen wenig. Sie sind ein typisches Beispiel für intelligente Sensoren: Messwertaufnahme, Signalaufbereitung, A/D-Umsetzung und oft eine erste Auswertung stecken in einem Bauteil.

Beschleunigungssensor mit kapazitiver Kammstruktur

Herz des Beschleunigungssensors ist eine seismische Masse, die an Federn im Gehäuse hängt. An der Masse sitzen kammartig bewegliche Finger, die zwischen fest verankerten Elektroden liegen. Jeder bewegliche Finger bildet mit seinen beiden Nachbarn zwei Kondensatoren C_1 und C_2, einen Differenzkondensator.

Wird das Gehäuse beschleunigt, bleibt die Masse wegen ihrer Trägheit zurück und lenkt die Federn aus, bis die Federkraft die Trägheitskraft ausgleicht:

m \cdot a = k \cdot x \quad \Rightarrow \quad x = \frac{m \cdot a}{k}

Die Auslenkung x ist also proportional zur Beschleunigung a. Der Spalt auf der einen Seite des Fingers wird kleiner, auf der anderen größer: C_1 steigt, C_2 sinkt. Ein C/U-Wandler misst die Differenz C_1 - C_2; für kleine Auslenkungen ist sie proportional zu x und damit zu a. Die Auslenkungen sind winzig: Bei einer Eigenfrequenz des Feder-Masse-Systems von 5\ \mathrm{kHz} lenkt eine Beschleunigung von 1\ g die Masse nur um etwa 10\ \mathrm{nm} aus (x = a / (2\pi f_0)^2), die Kapazitätsänderungen liegen im Bereich von Femtofarad. Deshalb sitzt die Auswerteelektronik unmittelbar neben der Struktur.

Weil die Masse auch der Erdbeschleunigung folgt, misst ein ruhender Sensor 1\ g = 9{,}81\ \mathrm{m/s^2} in Richtung nach oben (die Federn tragen die Masse gegen die Schwerkraft). Aus der Aufteilung dieser 1\ g auf die drei Achsen x, y und z ergibt sich die Lage des Geräts: Liegt ein Gerät flach auf dem Tisch, zeigt die z-Achse etwa +1\ g, x und y etwa 0; kippt es um 90°, wandert die 1\ g auf eine andere Achse. Dreiachsige Sensoren enthalten drei solche Strukturen, für x und y in der Chipebene, für z oft als Wippe, die sich senkrecht zum Chip neigt.

Drehratensensor (Gyroskop)

Ein Drehratensensor (Gyroskop, gyroscope) misst, wie schnell sich ein Gerät dreht, in Grad je Sekunde (°/\mathrm{s}, im Datenblatt dps). Er nutzt die Corioliskraft: Eine Masse wird elektrostatisch in eine schnelle Schwingung versetzt (Antriebsschwingung, einige Kilohertz). Dreht sich der Sensor mit der Drehrate \Omega, wirkt auf die bewegte Masse senkrecht zur Bewegungsrichtung die Kraft

F_\mathrm{C} = 2 \cdot m \cdot v \cdot \Omega

Die Masse schwingt dadurch zusätzlich quer zur Antriebsrichtung. Diese Querauslenkung wird wieder kapazitiv mit Kammstrukturen gemessen; ihre Amplitude ist proportional zur Drehrate. Ein ruhender Drehratensensor zeigt idealerweise 0, die Erdbeschleunigung beeinflusst ihn kaum. Integriert man die Drehrate über die Zeit, erhält man den Drehwinkel, allerdings mit einem Driftfehler, der mit der Zeit wächst. Deshalb kombiniert man Drehraten- und Beschleunigungssensor zu einer inertialen Messeinheit (inertial measurement unit, IMU, sechs Achsen); ein Filter (Sensorfusion) nutzt die Erdbeschleunigung als langfristige Lagereferenz und die Drehrate für schnelle Änderungen.

MEMS-Drucksensor und MEMS-Mikrofon

Ein MEMS-Drucksensor ist eine wenige Mikrometer dünne Siliziummembran über einer Kammer. Beim Absolutdrucksensor ist die Kammer evakuiert (Referenzvakuum), die Membran wölbt sich mit dem Umgebungsdruck mehr oder weniger durch. Gemessen wird die Verformung entweder piezoresistiv mit in die Membran eindiffundierten Widerständen in einer Brückenschaltung (siehe Tabelle in Schritt 10) oder kapazitiv, wenn die Membran eine Platte eines Kondensators bildet. Barometrische MEMS-Drucksensoren messen den Luftdruck so fein, dass sie Höhenunterschiede erkennen: In Meereshöhe sinkt der Luftdruck um etwa 0{,}12\ \mathrm{hPa} je Meter, Sensoren mit einer relativen Genauigkeit um \pm 0{,}1\ \mathrm{hPa} unterscheiden damit Stockwerke.

Ein MEMS-Mikrofon ist im Grunde ein kapazitiver Drucksensor für schnelle, sehr kleine Druckschwankungen: Eine bewegliche Membran liegt einer festen, gelochten Gegenelektrode gegenüber. Der Schall verformt die Membran, die Kapazität ändert sich. Das Mikrofon gibt das Signal analog oder digital aus (z. B. als Pulsdichtemodulation, PDM).

Digitale Ausgabe: I²C, SPI und Register

Die meisten MEMS-Sensoren liefern keine analoge Spannung, sondern Zahlen über einen digitalen Bus: I²C (zwei Leitungen, Adressierung über die Busadresse, bis 400\ \mathrm{kHz} oder 1\ \mathrm{MHz}) oder SPI (vier Leitungen mit Chip-Select, oft 10\ \mathrm{MHz} und mehr). Der Mikrocontroller liest und schreibt Register, also nummerierte Speicherzellen im Sensor. Typisch ist diese Aufteilung (Registernamen und Adressen unterscheiden sich je Hersteller, das Datenblatt nennt sie in der register map):

Wie ein Registerzugriff auf dem Bus abläuft, zeigen die Artikel I²C-Bus und SPI-Bus; dort findest Du auch den Anschluss an den Mikrocontroller.

Kennwerte aus dem Datenblatt und Rohwerte umrechnen

Bei Drehratensensoren steht der Messbereich in °/\mathrm{s} (z. B. \pm 250 \dots \pm 2000\ \mathrm{dps}) und die Empfindlichkeit in \mathrm{m}°/\mathrm{s} je LSB, bei Drucksensoren in \mathrm{hPa} bzw. \mathrm{Pa} je LSB.

Der Messwert einer Achse steht als 16-Bit-Zahl im Zweierkomplement in zwei Registern. Umgerechnet wird in drei Schritten:

1. Bytes zusammensetzen: N = \mathrm{OUT\_H} \cdot 256 + \mathrm{OUT\_L}.
2. Vorzeichen bestimmen: Ist N \ge 32\,768 (höchstes Bit gesetzt), ist der Wert negativ: N - 65\,536.
3. Mit der Empfindlichkeit multiplizieren: a = N \cdot S.

Die Empfindlichkeit ergibt sich aus Messbereich und Bitbreite: Ein Sensor mit \pm 4\ g verteilt 8\ g auf 2^{16} = 65\,536 Schritte, also S = 8\ g / 65\,536 \approx 0{,}122\ \mathrm{m}g/\mathrm{LSB}. Liefert er bei diesem Messbereich OUT_X_H = 0x20 und OUT_X_L = 0x00, ist N = 32 \cdot 256 = 8\,192 und a = 8\,192 \cdot 0{,}122\ \mathrm{m}g \approx 1{,}00\ g: Die x-Achse zeigt nach oben. 0xE0 und 0x00 ergäben 57\,344 - 65\,536 = -8\,192, also -1{,}00\ g.

Die Bitbreite allein sagt noch nicht, wie fein der Sensor wirklich misst. Das Rauschen hängt von der Bandbreite B ab: a_\mathrm{Rausch} = \rho \cdot \sqrt{B}. Bei einer Rauschdichte von \rho = 100\ \mu g/\sqrt{\mathrm{Hz}} und \mathrm{ODR} = 100\ \mathrm{Hz} (B \approx 50\ \mathrm{Hz}) rauscht der Wert um etwa 0{,}7\ \mathrm{m}g (Effektivwert), also um mehrere LSB. Eine kleinere Datenrate oder Mittelung senkt das Rauschen, macht den Sensor aber langsamer.

Sensoren mit eingebauter Auswertung

Liest der Mikrocontroller jeden Messwert ab, muss er ständig wach sein und den Bus bedienen. Moderne MEMS-Sensoren nehmen ihm Arbeit ab:

• Ereigniserkennung mit Interrupt: Der Sensor vergleicht selbst mit einstellbaren Schwellen und Zeiten und meldet über einen Interruptpin Ereignisse wie Freifall, Stoß, Antippen (tap), Aktivität oder Lagewechsel. Der Mikrocontroller schläft, bis der Interrupt kommt.
• FIFO-Zwischenspeicher: Der Sensor sammelt Messwerte (oft einige hundert) und der Mikrocontroller liest sie gebündelt; vor einem Ereignis gespeicherte Werte zeigen auch, was kurz davor geschah.
• Programmierbare Logik und KI-Kern: Manche Sensoren enthalten Zustandsautomaten oder einen kleinen Kern für maschinelles Lernen (z. B. Entscheidungsbäume). Er berechnet aus den Rohwerten Merkmale wie Mittelwert, Varianz oder Spitzenwert und klassifiziert Bewegungen oder Schwingungen direkt im Sensor, etwa „Stillstand“, „Gehen“, „Fahrt im Fahrzeug“ oder „Lüfter läuft unrund“. Ausgegeben wird nur das Ergebnis.

Der Nutzen: Der Mikrocontroller verarbeitet und überträgt weniger Daten, kann länger schlafen, und das ganze Gerät kommt mit einer Batterie viel länger aus. Wie KI-Modelle auf Mikrocontrollern laufen, beschreibt der Artikel Sichere und vernetzte Embedded-Systeme im Abschnitt zu TinyML.

Einsatz in Geräten

Wie geht es weiter?

• Aufgaben zu allen Schritten dieses Artikels: Übungsaufgaben zu Näherungsschaltern, Weg- und Kraftsensoren und Drehgebern

• Einteilung und Anschluss von Sensoren: Sensoren: Grundlagen

• Lichtschranken, Reflexsensoren und IR-Abstandssensoren: Optische Sensoren

• Wie Sensorsignale zur SPS kommen: Messumformer und Einheitssignale

• Brückenschaltung und Messverstärker: Temperatursensoren

• D-Flipflop und flankengesteuerte Speicher für die Drehrichtungsauswertung: Flipflops

• Registerzugriffe auf MEMS-Sensoren über den Bus: I²C-Bus und SPI-Bus

• Intelligente Sensoren mit Busanschluss: Sensoren und Aktoren einsetzen

• Bewegungen und Schwingungen mit KI auf dem Mikrocontroller auswerten: Sichere und vernetzte Embedded-Systeme

Leitfragen

1. Wie liest Du ein Schaltwegdiagramm, und wie findest Du einen Grenztaster im Stromlaufplan? Antwort

Im Schaltwegdiagramm steht über dem Stößelweg je Kontakt ein Balken für „geschlossen“; daraus liest Du ab, bei welchem Weg der Öffner öffnet und der Schließer schließt, und wie groß Gesamtweg und Überweg sind. Im Stromlaufplan trägt der Grenztaster das Kennzeichen -BG… und erscheint mit jedem Kontakt in einem eigenen Strompfad, gezeichnet in Ruhestellung. siehe Abschnitt „Schritt 2: Positionsschalter und Schaltwegdiagramm“ und Abschnitt „Schritt 3: Grenztaster im Stromlaufplan“

2. Wie arbeitet ein induktiver Näherungsschalter, und warum ist sein Schaltabstand bei Aluminium kleiner als bei Stahl? Antwort

Ein Oszillator erzeugt ein magnetisches Wechselfeld; Metall im Feld wird von Wirbelströmen durchflossen und bedämpft den Oszillator, die Auswertung schaltet. Nichtmetalle erfasst er nicht. Aluminium bedämpft schwächer als Stahl, deshalb wird der gesicherte Schaltabstand s_\mathrm{a} \le 0{,}81 \cdot s_\mathrm{n} mit dem Reduktionsfaktor (etwa 0,4) multipliziert. siehe Abschnitt „Schritt 4: Induktive Näherungsschalter“

3. Welche Werkstoffe erfassen Reedkontakt, induktiver und kapazitiver Näherungsschalter, und was ist der Vorteil des kapazitiven Sensors? Antwort

Der Reedkontakt reagiert nur auf Magnete, der induktive Sensor nur auf Metalle, der kapazitive Sensor auf fast alle Stoffe einschließlich Kunststoff, Holz und Flüssigkeiten, auch durch eine nichtmetallische Behälterwand. Im Schaltzeichen trägt der kapazitive Sensor das Kondensatorsymbol. siehe Abschnitt „Schritt 5: Kapazitive Näherungsschalter und Reedkontakte“

4. Welche Vor- und Nachteile haben Grenztaster gegenüber Näherungsschaltern? Antwort

Grenztaster brauchen keine Hilfsenergie, schalten größere Ströme, erfassen jeden Werkstoff und eignen sich mit Zwangsöffnung für Sicherheitsfunktionen. Sie verschleißen aber, prellen und schalten langsam; Näherungsschalter arbeiten berührungslos, verschleiß- und prellfrei mit hoher Schaltfrequenz. siehe Abschnitt „Schritt 6: Grenztaster oder Näherungsschalter? Sensoren auswählen“

5. Wie misst ein Ultraschallsensor den Abstand, und welche Verfahren eignen sich für die kontinuierliche Füllstandsmessung? Antwort

Er misst die Laufzeit des Echos und rechnet s = c \cdot t / 2; Farbe und Transparenz spielen keine Rolle, nahe am Sensor liegt eine Blindzone. Kontinuierlich messen Ultraschall, Radar, hydrostatische Drucksensoren, kapazitive Stabsonden und geführte Mikrowelle. siehe Abschnitt „Schritt 7: Ultraschallsensoren und kontinuierliche Füllstandsmessung“

6. Wie bestimmst Du Auflösung, Drehrichtung, Drehzahl und Zählerbreite bei einem Inkrementalgeber? Antwort

Die Auflösung ist 360°/(k \cdot z) bzw. P/(k \cdot z) mit dem Auswertefaktor 1, 2 oder 4; die Drehrichtung folgt daraus, ob A vor B eilt oder umgekehrt – bei der steigenden Flanke von A zeigt der Pegel von B die Richtung, ein D-Flipflop (D = B, Takt = A) liefert sie als Signal Q, ein Mikrocontroller im Encoder-Modus zählt vorzeichenrichtig; die Drehzahl aus n = f/z oder aus der Zählerdifferenz in einer Torzeit. Die Zählerbreite ist die kleinste Bitzahl b mit 2^b \ge N für alle Inkremente des Verfahrwegs. siehe Abschnitt „Schritt 8: Drehgeber“

7. Wie arbeiten Dehnungsmessstreifen und piezoelektrische Sensoren, und welche weiteren Drucksensoren gibt es? Antwort

Ein gedehnter DMS wird länger und dünner, sein Widerstand steigt nach \Delta R / R_0 = k \cdot \varepsilon; er wird in einer Brücke betrieben. Piezoelektrische Kristalle erzeugen bei Verformung eine Ladung und messen nur Änderungen. Weitere Drucksensoren sind piezoresistive, kapazitive, induktive und resistive Sensoren (FSR). siehe Abschnitt „Schritt 9: Dehnungsmessstreifen und Kraftmessung“ und Abschnitt „Schritt 10: Piezoelektrische und weitere Drucksensoren“

8. Wie berechnest Du die Spannung eines resistiven Kraftsensors im Spannungsteiler, und wozu dient der Impedanzwandler? Antwort

Du liest den Sensorwiderstand bei der gegebenen Kraft in der Kennlinie ab und setzt ihn in U_\mathrm{M} = U_\mathrm{B} \cdot R_\mathrm{M}/(R_\mathrm{M} + R_\mathrm{FSR}) ein. Der Spannungsfolger belastet den Teiler praktisch nicht und gibt die Spannung niederohmig weiter, sodass die Kennlinie gilt. Die eigene Kennlinie nimmst Du mit bekannten Kräften und mehreren Messreihen auf. siehe Abschnitt „Schritt 11: Kraft- und Drucksensoren im Spannungsteiler“

9. Wie liest Du die Impedanz eines Feuchtesensors aus einer Kennlinienschar ab? Antwort

Von der relativen Feuchte senkrecht zur Kennlinie der passenden Temperatur und waagerecht zur logarithmischen Impedanzachse; zwischen den Zehnerpotenzen schätzt Du logarithmisch. siehe Abschnitt „Schritt 12: Feuchtesensoren: Impedanz aus der Kennlinienschar“

10. Woraus besteht ein Prüfsystem, und wie wertest Du englische Sensordatenblätter aus? Antwort

Aus Prüfling, Prüfadapter, Steuereinheit, Stimulus- und Messgeräten sowie Stromversorgung; die Steuereinheit stellt Stimulus und Messung ein und bewertet die Messwerte. Bei Datenblättern liest Du Funktionsbeschreibung, Kennwerte mit ihren Bedingungen und Sicherheitshinweise und leitest Messwerte aus den Angaben ab. siehe Abschnitt „Schritt 13: Englische Datenblätter und Anleitungen auswerten“ und Abschnitt „Schritt 14: Sensoren im Prüfsystem“

11. Wie misst ein MEMS-Beschleunigungssensor, und wie rechnest Du seine Rohwerte in eine Beschleunigung um? Antwort

Eine seismische Masse an Federn wird bei Beschleunigung ausgelenkt (x = m \cdot a / k); ihre Kammfinger bilden mit festen Elektroden einen Differenzkondensator, dessen Kapazitätsdifferenz der C/U-Wandler misst. Im Ruhezustand misst er die Erdbeschleunigung und damit die Lage. Drehratensensoren nutzen die Corioliskraft auf eine schwingende Masse, MEMS-Drucksensoren die Verformung einer Siliziummembran (piezoresistiv oder kapazitiv). Den Rohwert setzt Du aus High- und Low-Byte zusammen, ziehst bei Werten ab 32\,768 den Wert 65\,536 ab (Zweierkomplement) und multiplizierst mit der Empfindlichkeit für den eingestellten Messbereich. Eingebaute Auswertelogik (Interrupts, FIFO, KI-Kern) entlastet den Mikrocontroller. siehe Abschnitt „Schritt 15: MEMS-Sensoren: Beschleunigung, Drehrate und Druck“

Links und weitere Informationen

• als Nachschlagewerk: Wikipedia: Näherungsschalter

• zum Vertiefen: Wikipedia: Dehnungsmessstreifen

• zum Nachschlagen: Wikipedia: Inkrementalgeber

• zum Vertiefen: Wikipedia: Mikrosystem (Technik)

• zum Nachschlagen: Wikipedia: Beschleunigungssensor

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Hinweis zur Nachnutzung als Open Educational Resource (OER)

Dieser Artikel und seine Texte, Bilder, Grafiken, Code und sonstiger Inhalt sind - sofern nicht anders angegeben - lizenziert unter CC BY 4.0. Nennung gemäß TULLU-Regel bitte wie folgt: “Näherungsschalter, Weg- und Kraftsensoren, Drehgeber: Position, Abstand, Druck, Kraft und Feuchte erfassen” von oer-informatik.de (H. Stein), Lizenz: CC BY 4.0. Der Artikel wurde unter https://oer-informatik.de/naeherung-weg-kraft veröffentlicht, die Quelltexte sind in weiterverarbeitbarer Form verfügbar im Repository unter https://gitlab.com/oer-informatik/elektrotechnik/sensorik. Erstellt mit KI-Assistenz; von mir umfassend redaktionell überarbeitet, geprüft und freigegeben. Stand: 13.11.2026.

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