Die Zukunft der Sensorik: aufkommende Trends und Innovationen

Moderne Geräte, die mit Sensoren ausgestattet sind, machen das manuelle Drücken von Tasten überflüssig, da sie unabhängig von Sensoreingängen eingeschaltet werden.
Sensoren sind in beinahe jedem elektronischen Gerät zu finden, das den Menschen bei seinen täglichen Aktivitäten unterstützt. Sie können lebenswichtige Parameter des menschlichen Körpers überwachen und Anomalien erkennen. In Fahrzeugen können sie beim autonomen Fahren helfen, indem sie Verkehrsschilder erfassen, Hindernisse erkennen und darauf hinweisen, wenn von der Fahrspur abgewichen wird. Zukünftig ermöglichen Sensoren einfache Benutzerinteraktionen mit allen intelligenten Geräten. Dieser Artikel bietet Einblicke in aufkommende Trends und futuristische Anwendungen von Sensoren in Bereichen wie Automotive, Gesundheitswesen und Industrierobotik und deren Verbesserungen für Betrieb und Sicherheit.

Sensorische Wahrnehmung, wie die natürlichen Sinne des Menschen

Entwickler erstellen Sensorlösungen zur Vereinfachung der menschlichen Interaktion mit Geräten. Verschiedene Sensoren werden mit modernster Software mit dem Ziel kombiniert, ein Bild der realen Welt zu erstellen. Durch die Verschmelzung mehrerer intelligenter Sensoren zu einem intelligenten System sorgen Sensorlösungen für eine mühelose Interaktion mit Geräten.

Abbildung 1: Sensorlösungen, die menschliche Sinne nachahmen

Intelligentes Ohr/Mikrofon

Das menschliche Ohr kann zwischen bis zu 400.000 Klängen, zehn Oktaven und 7.000 Tonhöhen unterscheiden. MEMS-Mikrofone statten Audio- und sprachgesteuerten Geräten mit intelligenten Ohren aus. Das Mikrofon der neuen Generation zeichnet sich durch ultraniedriges Eigenrauschen (hohes SNR), äußerst geringe Verzerrungen (THD) selbst bei hohen Schalldruckpegeln (SPL), eine sehr enge Teilphasen- und Empfindlichkeitsanpassung, einen flachen Frequenzgang mit einem niedrigen LFRO (Niederfrequenz-Rolloff) und eine ultraniedrige Gruppenverzögerung aus. Diese Mikrofone verfügen über wählbare Leistungsmodi und haben eine winzige Gehäusegröße.

Nase/CO₂-Sensoren

Über 400 Rezeptoren erkennen mehr als 10.000 Düfte und Gerüche. Die Kohlendioxid-Sensoren greifen auf die photoakustische Spektroskopie (PAS)-Technologie mit dem Ziel zurück, ein kompaktes, voll funktionsfähiges Gerät bereitzustellen, das die Herausforderungen bestehender CO2-Gasdetektoren meistert. Das PAS-CO2-Sensormodul integriert einen PAS-Wandler, einen Mikrocontroller und einen MOSFET auf der Leiterplatte.

Augen (ToF-3D-Bildsensoren/-Radarsensoren)

Time-of-flight (ToF)-Bildsensoren ermöglichen es Elektronikgeräten, eine reale 3D-Darstellung der Gegebenheiten vor dem Gerät zu erfassen. Die Umgebung, Objekte und Menschen werden in Echtzeit in den digitalen Raum transformiert. Algorithmen verwenden diese Daten dazu, Entfernungen und Größen zu messen, Bewegungen zu verfolgen und die Formen von Objekten in 3D-Modelle umzuwandeln. Entwickler erstellen Produkte, die sich nahtlos in die kleinsten 3D-ToF-Kameramodule integrieren lassen und die kurze und längere Reichweitentiefen bei minimalem Stromverbrauch genau messen.

Radarsensoren bieten viele Vorteile gegenüber der Passiv-Infrarot (PIR)-Technologie bei Bewegungserkennungsanwendungen. Dazu gehören eine höhere Genauigkeit und präzise Messungen erkannter Objekte, die den Weg für neue Geschwindigkeitserkennungs- und Bewegungserfassungsfunktionen ebnen. Sie können unter rauen Umgebungsbedingungen wie Regen, Schnee, Nebel, Staub usw. eingesetzt werden. Die fortschrittlichen Modelle sind ausreichend empfindlich zur Erfassung von Atmung und Herzschlag, da das Radar das Vorhandensein von Vitalfunktionen wahrnehmen kann.

Berührung (Berührungssensoren)

Berührungssensoren verwenden mehrere Verfahren, wie Widerstandsfolie, kapazitive, infrarote, akustische Ultraschall-Oberflächenwellen und elektromagnetische Induktion. Das Touchpanel ist die Baugruppe bestehend aus einem Eingabe (Touchpanel)- und einem Ausgabe (Display)-Gerät. Entdecken Sie die Sensoren, die Farnell anbietet und die auf verschiedene Anforderungen und Spezifikationen zugeschnitten sind – Mikrofone,Durchflusssensoren,ToF-3D-Bildsensoren,Radarsensoren und Berührungssensoren.

Kfz-Sensoren für zuverlässige Mobilität

Hersteller statten moderne Autos in der Regel mit einer Sensor-Baugruppe aus. Diese Sensoren erfassen Informationen und zeigen diese auf dem Armaturenbrett an, wie Reifendruck, Kraftstoff-Füllstand und Motortemperatur. Einige andere Sensoren halten die Fahrzeugeffizienz aufrecht, indem sie unter anderem Informationen über die Position von Motorbauteilen, die Radgeschwindigkeit zur Steuerung von Traktions- oder Antiblockiersystemen und die Innen- und Außenlufttemperatur überwachen, sodass ein angenehmes Innenraumklima gewährleistet wird. Hersteller können mehrere Sensoren in ihr Fahrzeugdesign integrieren, damit ihre Autos sicherer, zuverlässiger, effizienter und komfortabler werden.

Die heutigen Sensoren liefern auch detaillierte Informationen. Die Vision-basierten Technologien, die zunehmend für automatisierte Fahrlösungen eingesetzt werden, erfordern eine hohe Bandbreite und schnelle Ansprechzeiten für mehr Sicherheit und eine gute Reaktionsfähigkeit. Moderne Fahrzeuge beinhalten mehrere neue Technologien für intelligentere Mobilität. Dazu gehören:

LiDAR (Li Detection and Ranging)

LiDAR-Scanner sind wichtige Bauelemente in Prototypensystemen für autonome Fahrzeuge und aktuelle Systeme für die Adaptive Cruise Control (ACC), Kollisionsvermeidungssysteme, Verkehrszeichenerkennung, Totwinkelerkennung und Spurverlassenswarnung. Der Betrieb von LiDAR-basierten Systemen ist ohne ihre Sensoren möglich: sie sind die „Augen“ des Systems.

Abbildung 2: Anwendung der LiDAR-Technologiesensoren im Auto

Die LiDAR-Technologie erfordert unabhängige Sensorsysteme, die mit Sicherheits- und Umgebungsfunktionen ausgestattet sind. Siehe dazu Abbildung 2. Beispielsweise sollten die Geräte für Betriebstemperaturen von -40 bis 125 °C ausgelegt sein, sodass sie der Wärme anderer Systembauelemente und der Außenumgebung entgegenwirken können. Sensoren müssen ein optimales Signal-Rausch-Verhältnis besitzen, um das Signal durch jeden störenden Hintergrund zu erkennen. Da optische Melder unterschiedlichen Umgebungslichtstärken Rechnung tragen müssen, sollten die Sensoren innerhalb dieser Melder einen großen Dynamikbereich besitzen. Weitere Informationen zur LiDAR-Technologie finden Sie hier.

Produktkategorie: LiDAR-Sensoren

Sensoren realisieren autonome Navigation in elektrischen VTOL-Flugzeugen (Senkrechtstart und -landung)

Batteriebetriebene eVTOLs (elektrische VTOLs) sind eine neue Klasse von Flugzeugen. Siehe dazu Abbildung 3. Sie sind eine Mischung aus einem elektrischen Personenkraftwagen und einer überdimensionalen Drohne mit dem Interieur eines Luxusautos. Luftfahrt-Experten gehen davon aus, dass eVTOLs wie Hubschrauber mit sensorfähigen Steuerungssystemen, mit denen erfahrene Piloten vertraut sind, fliegen werden. Trägheitssensoren sind erforderlich, um die Flugsteuerung und die Flugeigenschaften des Prototyps wie Neigungs-, Roll- und Winkelgeschwindigkeitswerte zu überwachen. Sie können Sensoren zur Messung von Propellerschubkraft, Vibration, Dehnung und Lastcharakterisierung verwenden.

Produktkategorie: Trägheitssensoren,Beschleunigungsmesser,Gyrometer

Abbildung 3: Flugzeug mit elektrischem Senkrechtstart und elektrischer Senkrechtlandung (eVTOL)

Sensoren für die Automatisierung mit Industrierobotern und menschliche Sicherheit

Roboteranwendungen benötigen genaue und präzise in Geräte integrierte Sensorelemente zur effektiven Bewältigung verschiedener Herausforderungen. Zum Beispiel müssen Sensorsysteme die Anwesenheit von Menschen für kollaborative Anwendungen identifizieren, damit mögliche Kollisionen zwischen dem Roboter und Mitarbeitern in der Nähe verhindert werden. Ausgefeilte Sensortechnologien sind eine zentrale Anforderung zur Erreichung dieses Ziels.Drehmomentsensoren messen das mechanische Drehmoment am Drehgelenk an einem kollaborativen Roboter (Cobot), erkennen Fehler- oder Überlastzustände und verhindern Verletzungen sowie mögliche Cobot-Ausfälle. Darüber hinaus können Sensoren in Geräten wie Lichtvorhängen verwendet werden, welche Maschinen stoppen, wenn Personen kritische Bereiche betreten, und digitale Umgebungslicht- und Näherungssensoren (APDs) können als künstliche Augen in Laserscannern dienen. Sensoren können auch dazu verwendet werden, die Umgebung eines Roboters für Objekterkennung, Tragfähigkeit und Greifkräfte zu überwachen, die einen sicheren, zuverlässigen und effizienten Betrieb am Arbeitsplatz gewährleisten.Pyroelektrische Infrarot-Bewegungssensoren sind ein einzigartiges Designkonzept, das sich durch ein kompaktes, hochempfindliches, schaltungsintegriertes Gehäuse, eine Vielzahl von Linsenreihen und Typen mit geringem Stromverbrauch auszeichnet. Die Integration von mehr Sensoren in Roboter wird dazu beitragen, die Betriebszeit zu erhöhen und die Wartungspläne zu optimieren. Weitere Informationen zu Industriesensoren finden Sie hier.

Produktkategorie: Drehmomentsensoren,digitale Umgebungslicht- und Näherungssensoren (APDs),pyroelektrische Infrarot-Bewegungssensoren

Abbildung 4: Industrielle Automatisierungseinheit mit Robotern und Sensoren

In der industriellen Automatisierung überwachen grundlegende Sensoren den Betrieb der Maschine und andere Routineaufgaben. Darüber hinaus weist die moderne Fertigung hochentwickelte Sensoren (Positions- und Geschwindigkeits-, ToF- und RADAR-, Druck-, CMOS-Bild- und Stromsensoren oder MEMS-Mikrofone) zur Optimierung des Produktionsprozesses auf. Die Montagelinien in intelligenten Fertigungsstätten können verschiedene Parameter wie Abstand, Größe, Form, Zusammensetzung und die Oberfläche eines herzustellenden Objekts erkennen und ihre Bewegungen und Veränderungen genau verfolgen. Trotz des Vorteils von kostengünstigen Sensorfunktionen gibt es einen Grund dafür, eine Reihe von Sensoren nicht in Roboter für die Überwachung ihres Zustands zu integrieren. Die Überwachung all dieser Sensoren zusammen stellt eine Herausforderung dar. Temperaturerhöhung, ruckartige Bewegungen und höherer Stromverbrauch können auf einen Lager- oder Getriebeausfall hindeuten. Sensoren ermöglichen die Überwachung des Stromverbrauchs und lösen Maßnahmen zur energieeffizienteren Gestaltung von Fertigungsstätten aus. Wenn das Gerät aufgrund eines Kurzschlusses elektrisch ausfällt, löst es eine Unterbrechung der Stromversorgung aus, sodass Schäden an der Fertigungsstätte vermieden werden.

Fortschrittliche Kfz-Bilderfassungstechnologie

Fahrzeugsysteme von heute warnen Fahrer in verschiedenen Situationen, zum Beispiel beim Abweichen von der Fahrspur, sie erkennen Objekte in der Nähe oder Autos in toten Winkeln und halten die Geschwindigkeit und den Abstand im Autobahn-Fahrtmodus. Kfz-Bildsensoren ermöglichen diese Sicherheitsfunktionen.

Zahlreiche Sensordesigns verwenden Dual-Gain-Pixeltechnologie und arbeiten im High Dynamic Range (HDR) dazu, die Funktionen von Fahrerassistenzsystemen (FAS) in Kfz-Anwendungen zu verbessern. Moderne Bildsensoren verwenden eine Split-Pixel-Technologie, die auf großen und kleinen Subpixeln basiert, um HDR-Bilder zu erzeugen, bei denen der einem einzelnen Pixel gewidmete Sensorbereich in zwei Teile aufgeteilt wird: eine größere Fotodiode, die den größten Teil des Bereichs abdeckt, und eine kleinere Fotodiode, die den Rest verwendet. Bei geteilten Pixeln, insbesondere bei höheren Temperaturen, kann es jedoch zu einer Verschlechterung der Bildqualität, einem höheren Dunkelrauschen, einer verringerten Leistung und anderen Nachteilen kommen.

Abbildung 5: Vergleich zwischen Split-Pixel- und Mehrfachbelichtungstechniken

Eine Alternative zum Split-Pixel-Ansatz ist die Mehrfachbelichtung, bei der den Pixeln zusätzlicher Platz zugewiesen wird, sodass potenziellen Überläufen von großen Signalen oder Ladungen Rechnung getragen wird. Diese Methode ist wie die Verwendung eines Eimers zum Auffangen von Regentropfen, jedoch mit einem größeren Becken, um Wasser aufzunehmen, wenn der Eimer überläuft. Das „Eimer“-Signal kann leicht mit hoher Genauigkeit gelesen werden, sodass es eine hervorragende Leistung bei schlechten Lichtverhältnissen erzielt, und das Überlaufbecken nimmt alles auf, was übergelaufen ist, wodurch der Dynamikbereich und die Fähigkeit, helle Objekte und Szenen in Echtfarbe zu erfassen, erweitert werden. Abbildung 6 vergleicht die beiden Belichtungstechniken.

Produktkategorie: Bildsensoren

Fazit

Sensoren sind startklar zur Revolution von Messeinheiten, indem sie sie mit der Intelligenz zur Selbstüberwachung ausstatten, Statusdiagnosen an das Betriebssystem senden und ein zuverlässiges Mess- und Kalibrierungsdatennetzwerk schaffen. Vorausschauende Wartung für Maschinen und Geräte wird immer effizienter, zugänglicher und erschwinglicher und verbessert die Verfügbarkeit. In Zukunft wird die Wartung auf Sensoren beruhen und nicht länger auf Mitarbeiter zur Durchführung von Wartungstätigkeiten nach einem bedarfsgerechten Zeitplan angewiesen sein. Es wird eine autonome Navigation von Luftfahrzeugen geben und die Konnektivität wird drahtlos über große Entfernungen mit einer integrierten Stromversorgung erfolgen. Die Sensoren lernen über die gesamte Lebensdauer selbstständig und müssen nicht gewartet, geändert oder kalibriert werden. Sie werden auch bessere Einblicke in das menschliche Verhalten geben und die Erwartungen in Bezug auf Luftqualität, Reisen, Fahrzeugwartung, Lebensstil, Versicherung, Energieverbrauch usw. prägen. Neue LiDAR-Systeme werden autonome Fahrzeuge mit echter „Vision“ ausstatten.