Sensor
Ein Sensor ist ein Gerät, das ein Ausgangssignal erzeugt, um ein physikalisches Phänomen zu erfassen. ⓘ
Im weitesten Sinne ist ein Sensor ein Gerät, ein Modul, eine Maschine oder ein Teilsystem, das Ereignisse oder Veränderungen in seiner Umgebung erkennt und die Informationen an andere elektronische Geräte, häufig einen Computerprozessor, weiterleitet. Sensoren werden immer in Verbindung mit anderen elektronischen Geräten verwendet. ⓘ
Sensoren werden in alltäglichen Gegenständen wie berührungsempfindlichen Aufzugsknöpfen (taktiler Sensor) und Lampen, die sich durch Berühren des Sockels dimmen oder aufhellen, sowie in unzähligen Anwendungen eingesetzt, von denen die meisten Menschen nichts wissen. Mit den Fortschritten im Bereich der Mikromaschinen und der einfach zu bedienenden Mikrocontroller-Plattformen haben sich die Einsatzmöglichkeiten von Sensoren über die traditionellen Bereiche der Temperatur-, Druck- und Durchflussmessung hinaus erweitert, z. B. auf MARG-Sensoren. ⓘ
Analoge Sensoren wie Potentiometer und kraftmessende Widerstände sind nach wie vor weit verbreitet. Sie werden in der Fertigung und im Maschinenbau, in Flugzeugen und in der Raumfahrt, in Autos, in der Medizin, in der Robotik und in vielen anderen Bereichen unseres täglichen Lebens eingesetzt. Es gibt eine Vielzahl anderer Sensoren, die chemische und physikalische Eigenschaften von Materialien messen, darunter optische Sensoren zur Messung des Brechungsindex, Schwingungssensoren zur Messung der Viskosität von Flüssigkeiten und elektrochemische Sensoren zur Überwachung des pH-Werts von Flüssigkeiten. ⓘ
Die Empfindlichkeit eines Sensors gibt an, wie stark sich sein Ausgangssignal ändert, wenn sich die Eingangsgröße, die er misst, ändert. Wenn sich beispielsweise das Quecksilber in einem Thermometer um 1 cm bewegt, wenn sich die Temperatur um 1 °C ändert, beträgt die Empfindlichkeit 1 cm/°C (sie entspricht im Wesentlichen der Steigung dy/dx unter der Annahme einer linearen Kennlinie). Einige Sensoren können auch beeinflussen, was sie messen; so kühlt beispielsweise ein Raumtemperaturthermometer, das in eine heiße Tasse mit Flüssigkeit gesteckt wird, die Flüssigkeit ab, während die Flüssigkeit das Thermometer erwärmt. Sensoren sind in der Regel so konstruiert, dass sie sich nur geringfügig auf das Messobjekt auswirken; eine Verkleinerung des Sensors verbessert dies oft und kann weitere Vorteile mit sich bringen. ⓘ
Dank des technologischen Fortschritts können immer mehr Sensoren im mikroskopischen Maßstab als Mikrosensoren unter Verwendung der MEMS-Technologie hergestellt werden. In den meisten Fällen erreicht ein Mikrosensor im Vergleich zu makroskopischen Ansätzen eine deutlich schnellere Messzeit und höhere Empfindlichkeit. Aufgrund der steigenden Nachfrage nach schnellen, erschwinglichen und zuverlässigen Informationen in der heutigen Welt haben Einwegsensoren - kostengünstige und einfach zu bedienende Geräte für die kurzfristige Überwachung oder einmalige Messungen - in letzter Zeit zunehmend an Bedeutung gewonnen. Mit dieser Sensorklasse können kritische analytische Informationen von jedermann, überall und jederzeit abgerufen werden, ohne dass eine Neukalibrierung erforderlich ist und ohne dass man sich Gedanken über Verunreinigungen machen muss. ⓘ
Für die Messtechnik wird in DIN 1319-1 der Begriff Aufnehmer (Messgrößen-Aufnehmer) verwendet und definiert als der Teil einer Messeinrichtung, der auf eine Messgröße unmittelbar anspricht. Damit ist der Aufnehmer das erste Element einer Messkette. Gemäß DIN 1319-2 gehört der Aufnehmer zu den Messumformern, bei gleicher physikalischer Größe an Eingang und Ausgang auch zu den Messwandlern. ⓘ
Die Abgrenzung der Begriffe Sensor und Messgrößenaufnehmer, Messfühler, Messgerät, Messeinrichtung etc. ist fließend, da dem Sensor zusätzlich zum eigentlichen Aufnehmer teilweise weitere Elemente der Messkette zugeordnet werden. Auch verwandte Begriffe sind in der Literatur nicht eindeutig definiert. ⓘ
Klassifizierung von Messfehlern
Ein guter Sensor befolgt die folgenden Regeln:
- er ist empfindlich für die gemessene Eigenschaft
- er ist unempfindlich gegenüber allen anderen Eigenschaften, die in seiner Anwendung vorkommen können, und
- er beeinflusst die gemessene Eigenschaft nicht. ⓘ
Die meisten Sensoren haben eine lineare Übertragungsfunktion. Die Empfindlichkeit ist dann definiert als das Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal und der gemessenen Eigenschaft. Misst ein Sensor beispielsweise die Temperatur und hat einen Spannungsausgang, ist die Empfindlichkeit eine Konstante mit den Einheiten [V/K]. Die Empfindlichkeit ist die Steigung der Übertragungsfunktion. Die Umrechnung des elektrischen Ausgangs des Sensors (z. B. V) in die gemessenen Einheiten (z. B. K) erfordert die Division des elektrischen Ausgangs durch die Steigung (oder die Multiplikation mit ihrem Kehrwert). Darüber hinaus wird häufig ein Offset addiert oder subtrahiert. Zum Beispiel muss -40 zum Ausgang addiert werden, wenn der 0-V-Ausgang einem -40-C-Eingang entspricht. ⓘ
Damit ein analoges Sensorsignal verarbeitet oder in digitalen Geräten verwendet werden kann, muss es mit einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal umgewandelt werden. ⓘ
Sensorabweichungen
Da Sensoren keine ideale Übertragungsfunktion nachbilden können, können verschiedene Arten von Abweichungen auftreten, die die Genauigkeit des Sensors einschränken:
- Da der Bereich des Ausgangssignals immer begrenzt ist, wird das Ausgangssignal irgendwann ein Minimum oder Maximum erreichen, wenn die gemessene Eigenschaft die Grenzen überschreitet. Der Messbereichsendwert definiert die Höchst- und Mindestwerte der gemessenen Eigenschaft.
- Die Empfindlichkeit kann in der Praxis von dem angegebenen Wert abweichen. Dies wird als Empfindlichkeitsfehler bezeichnet. Dies ist ein Fehler in der Steigung einer linearen Übertragungsfunktion.
- Wenn das Ausgangssignal um eine Konstante vom korrekten Wert abweicht, hat der Sensor einen Offsetfehler oder eine Vorspannung. Dabei handelt es sich um einen Fehler im y-Achsenabschnitt einer linearen Übertragungsfunktion.
- Nichtlinearität ist die Abweichung der Übertragungsfunktion eines Sensors von einer geradlinigen Übertragungsfunktion. In der Regel wird dies durch den Betrag definiert, um den das Ausgangssignal vom idealen Verhalten über den gesamten Bereich des Sensors abweicht, oft angegeben als Prozentsatz des gesamten Bereichs.
- Eine Abweichung, die durch schnelle Änderungen der gemessenen Eigenschaft im Laufe der Zeit verursacht wird, ist ein dynamischer Fehler. Oft wird dieses Verhalten mit einem Bode-Diagramm beschrieben, das den Empfindlichkeitsfehler und die Phasenverschiebung als Funktion der Frequenz eines periodischen Eingangssignals zeigt.
- Ändert sich das Ausgangssignal unabhängig von der gemessenen Eigenschaft langsam, spricht man von Drift. Langfristige Drift über Monate oder Jahre wird durch physikalische Veränderungen im Sensor verursacht.
- Rauschen ist eine zufällige Abweichung des Signals, die mit der Zeit variiert.
- Ein Hysteresefehler bewirkt, dass der Ausgangswert in Abhängigkeit von den vorherigen Eingangswerten variiert. Wenn der Ausgang eines Sensors unterschiedlich ist, je nachdem, ob ein bestimmter Eingangswert durch Erhöhen oder Verringern des Eingangs erreicht wurde, liegt ein Hysteresefehler vor.
- Wenn der Sensor einen digitalen Ausgang hat, ist der Ausgang im Wesentlichen eine Annäherung an die gemessene Eigenschaft. Dieser Fehler wird auch als Quantisierungsfehler bezeichnet.
- Wenn das Signal digital überwacht wird, kann die Abtastfrequenz einen dynamischen Fehler verursachen, oder wenn sich die Eingangsgröße oder das hinzugefügte Rauschen periodisch mit einer Frequenz nahe einem Vielfachen der Abtastrate ändert, können Aliasing-Fehler auftreten.
- Der Sensor kann bis zu einem gewissen Grad empfindlich auf andere Eigenschaften als die zu messende Eigenschaft reagieren. Zum Beispiel werden die meisten Sensoren von der Temperatur ihrer Umgebung beeinflusst. ⓘ
Alle diese Abweichungen können als systematische Fehler oder Zufallsfehler klassifiziert werden. Systematische Fehler können manchmal durch eine Art von Kalibrierungsstrategie kompensiert werden. Rauschen ist ein zufälliger Fehler, der durch Signalverarbeitung, wie z. B. Filterung, reduziert werden kann, meist auf Kosten des dynamischen Verhaltens des Sensors. ⓘ
Auflösung
Die Sensorauflösung oder Messauflösung ist die kleinste Änderung, die in der zu messenden Größe festgestellt werden kann. Die Auflösung eines Sensors mit einem digitalen Ausgang ist in der Regel die numerische Auflösung des digitalen Ausgangs. Die Auflösung steht im Zusammenhang mit der Genauigkeit, mit der die Messung durchgeführt wird, ist aber nicht dasselbe. Die Genauigkeit eines Sensors kann wesentlich schlechter sein als seine Auflösung. ⓘ
- Die Entfernungsauflösung ist zum Beispiel die Mindestentfernung, die von einem Entfernungsmessgerät genau gemessen werden kann. Bei einer Lichtlaufzeitkamera ist die Entfernungsauflösung in der Regel gleich der Standardabweichung (Gesamtrauschen) des Signals, ausgedrückt in Längeneinheiten.
- Der Sensor kann bis zu einem gewissen Grad empfindlich auf andere Eigenschaften als die zu messende Eigenschaft reagieren. Zum Beispiel werden die meisten Sensoren von der Temperatur ihrer Umgebung beeinflusst. ⓘ
Sensoren, die Strahlung (z. B. Licht, Röntgenstrahlung oder Teilchen) nachweisen, bezeichnet man als Strahlungs- bzw. Teilchendetektoren. Auch ein normales Mikrofon ist ein Sensor für den Schallwechseldruck. ⓘ
Chemischer Sensor
Ein chemischer Sensor ist ein in sich geschlossenes Analysegerät, das Informationen über die chemische Zusammensetzung seiner Umgebung, d. h. einer flüssigen oder gasförmigen Phase, liefern kann. Die Informationen werden in Form eines messbaren physikalischen Signals bereitgestellt, das mit der Konzentration einer bestimmten chemischen Spezies (dem so genannten Analyten) korreliert ist. Die Funktionsweise eines chemischen Sensors beruht auf zwei Hauptschritten, nämlich der Erkennung und der Umwandlung. In der Erkennungsphase interagieren die Analytmoleküle selektiv mit Rezeptormolekülen oder Stellen, die in der Struktur des Erkennungselements des Sensors enthalten sind. Infolgedessen ändert sich ein charakteristischer physikalischer Parameter, und diese Änderung wird mittels eines integrierten Wandlers, der das Ausgangssignal erzeugt, gemeldet. Ein chemischer Sensor, der auf einem Erkennungsmaterial biologischer Natur basiert, ist ein Biosensor. Da jedoch synthetische biomimetische Materialien bis zu einem gewissen Grad die Erkennungs-Biomaterialien ersetzen werden, ist eine scharfe Unterscheidung zwischen einem Biosensor und einem herkömmlichen chemischen Sensor überflüssig. Typische biomimetische Materialien, die bei der Entwicklung von Sensoren verwendet werden, sind molekular geprägte Polymere und Aptamere. ⓘ
Biosensor
In der Biomedizin und Biotechnologie werden Sensoren, die dank einer biologischen Komponente wie Zellen, Proteinen, Nukleinsäuren oder biomimetischen Polymeren Analyten nachweisen, als Biosensoren bezeichnet. Ein nicht-biologischer Sensor, auch ein organischer (Kohlenstoffchemie), für biologische Analyten wird hingegen als Sensor oder Nanosensor bezeichnet. Diese Terminologie gilt sowohl für In-vitro- als auch für In-vivo-Anwendungen. Die Verkapselung der biologischen Komponente in Biosensoren stellt ein etwas anderes Problem dar als bei gewöhnlichen Sensoren; dies kann entweder durch eine semipermeable Barriere wie eine Dialysemembran oder ein Hydrogel oder eine 3D-Polymermatrix erfolgen, die das zu messende Makromolekül entweder physikalisch einschränkt oder chemisch einschränkt, indem sie es an das Gerüst bindet. ⓘ
Neuromorphe Sensoren
Neuromorphe Sensoren sind Sensoren, die die Strukturen und Funktionen biologischer neuronaler Einheiten physisch nachahmen. Ein Beispiel hierfür ist die Ereigniskamera. ⓘ
MOS-Sensoren
Die Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie (MOS) geht auf den MOSFET (MOS-Feldeffekttransistor oder MOS-Transistor) zurück, der 1959 von Mohamed M. Atalla und Dawon Kahng erfunden und 1960 demonstriert wurde. Später wurden MOSFET-Sensoren (MOS-Sensoren) entwickelt, die seither in großem Umfang zur Messung von physikalischen, chemischen, biologischen und Umweltparametern eingesetzt werden. ⓘ
Biochemische Sensoren
Es wurde eine Reihe von MOSFET-Sensoren zur Messung physikalischer, chemischer, biologischer und umweltrelevanter Parameter entwickelt. Zu den ersten MOSFET-Sensoren gehören der 1970 von Johannessen eingeführte Open-Gate-Feldeffekttransistor (OGFET), der 1970 von Piet Bergveld erfundene ionenempfindliche Feldeffekttransistor (ISFET), der 1974 von P.F. Cox patentierte Adsorptions-FET (ADFET) und ein 1975 von I. Lundstrom, M.S. Shivaraman, C.S. Svenson und L. Lundkvist vorgestellter wasserstoffempfindlicher MOSFET. Der ISFET ist ein spezieller MOSFET-Typ mit einem Gate in einem bestimmten Abstand, bei dem das Metallgate durch eine ionenempfindliche Membran, eine Elektrolytlösung und eine Referenzelektrode ersetzt wird. Der ISFET wird häufig in biomedizinischen Anwendungen eingesetzt, z. B. zum Nachweis von DNA-Hybridisierung, zum Nachweis von Biomarkern im Blut, zum Nachweis von Antikörpern, zur Glukosemessung, zur pH-Messung und in der Gentechnik. ⓘ
Bis Mitte der 1980er Jahre wurden zahlreiche weitere MOSFET-Sensoren entwickelt, darunter der Gassensor-FET (GASFET), der oberflächenzugängliche FET (SAFET), der Ladungsfluss-Transistor (CFT), der Drucksensor-FET (PRESSFET), der chemische Feldeffekttransistor (ChemFET), der Referenz-ISFET (REFET), der Biosensor-FET (BioFET), der enzymmodifizierte FET (ENFET) und der immunologisch modifizierte FET (IMFET). In den frühen 2000er Jahren wurden BioFET-Typen wie der DNA-Feldeffekttransistor (DNAFET), der genmodifizierte FET (GenFET) und der Zellpotenzial-BioFET (CPFET) entwickelt. ⓘ
Bildsensoren
Die MOS-Technologie ist die Grundlage für moderne Bildsensoren, einschließlich des ladungsgekoppelten Sensors (CCD) und des CMOS-Sensors mit aktiven Pixeln (CMOS-Sensor), die in der digitalen Bildgebung und in Digitalkameras verwendet werden. Willard Boyle und George E. Smith entwickelten den CCD-Sensor im Jahr 1969. Bei der Erforschung des MOS-Prozesses erkannten sie, dass eine elektrische Ladung die Analogie zur Magnetblase war und dass sie in einem winzigen MOS-Kondensator gespeichert werden konnte. Da es relativ einfach war, eine Reihe von MOS-Kondensatoren hintereinander zu schalten, legten sie eine geeignete Spannung an, so dass die Ladung stufenweise von einem zum nächsten weitergegeben werden konnte. Der CCD ist ein Halbleiterschaltkreis, der später in den ersten digitalen Videokameras für Fernsehübertragungen verwendet wurde. ⓘ
Der MOS-Aktivpixelsensor (APS) wurde 1985 von Tsutomu Nakamura bei Olympus entwickelt. Der CMOS-Aktivpixel-Sensor wurde später von Eric Fossum und seinem Team in den frühen 1990er Jahren entwickelt. ⓘ
MOS-Bildsensoren sind in der optischen Maustechnologie weit verbreitet. Die erste optische Maus, die 1980 von Richard F. Lyon bei Xerox erfunden wurde, verwendete einen 5 µm NMOS-Sensorchip. Seit der ersten kommerziellen optischen Maus, der 1999 eingeführten IntelliMouse, verwenden die meisten optischen Mäuse CMOS-Sensoren. ⓘ
Überwachungssensoren
MOS-Überwachungssensoren werden für die Überwachung von Häusern, Büros und in der Landwirtschaft, für die Verkehrsüberwachung (einschließlich Geschwindigkeit, Staus und Unfälle), für die Wetterüberwachung (z. B. Regen, Wind, Blitz und Sturm), für die Verteidigungsüberwachung sowie für die Überwachung von Temperatur, Feuchtigkeit, Luftverschmutzung, Feuer, Gesundheit, Sicherheit und Beleuchtung eingesetzt. MOS-Gasdetektorsensoren werden zur Erkennung von Kohlenmonoxid, Schwefeldioxid, Schwefelwasserstoff, Ammoniak und anderen gasförmigen Substanzen eingesetzt. Andere MOS-Sensoren umfassen intelligente Sensoren und drahtlose Sensornetzwerke (WSN). ⓘ
Einteilung
Sensoren können nach Baugröße und Fertigungstechnik sowie nach Einsatz- und Verwendungszweck eingeteilt werden. Zudem unterscheidet man Sensoren entsprechend ihrer Wirkungsweise beim Umformen der Größen in passive und aktive Sensoren. ⓘ
Passive und aktive Sensoren
Sensoren lassen sich anhand der Erzeugung oder Verwendung elektrischer Energie in aktive und passive Sensoren einteilen. ⓘ
Aktive Sensoren erzeugen aufgrund des Messprinzips ein elektrisches Signal, z. B. elektrodynamisch oder piezoelektrisch. Diese Sensoren sind also selbst Spannungserzeuger und benötigen keine elektrische Hilfsenergie. Mit diesen Sensoren ist oft – bedingt durch die physikalischen Prinzipien – jedoch nur eine Änderung der Messgröße detektierbar, da im statischen und quasistatischen Zustand keine Energie geliefert werden kann. Eine Ausnahme ist z. B. das Thermoelement, das auch bei konstanter Temperaturdifferenz ständig Spannung erzeugt. Außerdem sind aktive Sensoren in Umkehrung des physikalischen Messprinzips auch als Aktoren nutzbar, z. B. kann ein dynamisches Mikrofon auch als Lautsprecher verwendet werden. ⓘ
Aktive Sensoren sind z. B.:
- Thermoelement (physikalische Grundlage: Thermoelektrischer Effekt)
- Lichtsensor (physikalische Grundlage: Photoelektrischer Effekt)
- Drucksensor (physikalische Grundlage: Piezoelektrischer Effekt) ⓘ
Passive Sensoren enthalten passive Bauteile, deren Parameter durch die Messgröße verändert werden. Durch eine Primärelektronik werden diese Parameter in elektrische Signale umgeformt. Dabei wird eine von außen zugeführte Hilfsenergie benötigt. Mit diesen ist es möglich, statische und quasistatische Messgrößen zu bestimmen. Aus diesem Grund ist die überwiegende Zahl der Sensoren passiver Bauart. ⓘ
Moderne Sensoren verfügen oft über eine umfangreiche Sekundärelektronik, die über von außen zugeführte Energie betrieben wird. Dennoch sind nicht alle diese Sensoren passiv, vielmehr muss das Messverfahren selbst betrachtet werden. ⓘ
Passive Sensoren sind z. B.:
- Wägezellen
- Widerstandsthermometer
- Dehnungsmessstreifen
- Magnetfeldsensoren (Hall-Sonde) ⓘ
Nach Messprinzip/Wirkprinzip
Sensoren lassen sich nach dem Wirkprinzip einordnen, welches dem Sensor zugrunde liegt. Für jedes Wirkprinzip gibt es eine Vielzahl an Anwendungen. Im Folgenden sind einige Wirkprinzipien und Anwendungsfälle exemplarisch aufgeführt. Die Liste ist nicht vollständig. ⓘ
| Wirkprinzip | Beispiel ⓘ |
|---|---|
| Mechanisch | Manometer, Dehnungshebel, Federwaage, Hebelwaage, Thermometer |
| Thermoelektrisch | Thermoelement |
| Resistiv | Dehnungsmessstreifen (DMS), Hitzdraht, Halbleiter-DMS, Pt100 |
| Piezoelektrische | Beschleunigungssensor |
| Kapazitiv | Drucksensor, Regensensor, Luftfeuchtesensor |
| Induktiv | Neigungsmesser, Kraftsensor, Wegaufnehmer |
| Optisch | CCD-Sensor, Fotozelle |
| Akustisch | Füllstandssensor, Doppelbogenkontrolle, Ultraschall-Durchflussmesser, |
| Magnetisch | Hall-Sensoren, Reed-Kontakt |
Nach Standard
- NAMUR-Sensor (Normenarbeitsgemeinschaft für Mess- und Regeltechnik in der chemischen Industrie) ⓘ
- KTA-geprüfte Sensoren für den Einsatz in Kernkraftwerken ⓘ
Virtuelle Sensoren
Virtuelle Sensoren (oder auch Softsensoren) sind nicht körperlich existent, sondern sind in Software realisiert. Sie „messen“ (berechnen) Werte, welche aus den Messwerten realer Sensoren mit Hilfe eines empirisch erlernten oder physikalischen Modells abgeleitet werden. Virtuelle Sensoren werden für Anwendungen eingesetzt, in denen reale Sensoren zu teuer sind, oder in Umgebungen, in denen reale Sensoren nicht bestehen können oder schnell verschleißen. Weitere Anwendungsfälle sind Prozesse, in denen die gewünschten Werte nicht messbar sind, da es hierfür keine im Prozess einsetzbaren Hardware-Sensoren gibt oder wenn der Prozess nicht für Kalibrierung und Wartung klassischer Sensoren angehalten werden kann. Virtuelle Sensoren werden in der chemischen Industrie bereits eingesetzt und erschließen sich zunehmend Anwendungen in weiteren Industriezweigen wie z. B. der Kunststoffindustrie. ⓘ
Digitale Sensoren
Im Bereich der Automatisierung werden analoge Systeme der Regelungstechnik zunehmend von digitalen Systemen verdrängt. Daher steigt der Bedarf an Sensoren, deren Ausgangssignal ebenfalls digital ist. Ein einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der A/D-Umsetzer in das eigentliche Sensorsystem eingebunden wird. Dies kann zum Beispiel auf der Grundlage der Delta-Sigma-Modulationstechnik basieren und dadurch viele Vorteile bieten:
- direkt ermitteltes digitales Ausgangssignal (keine Störungen zwischen Sensor und ADU)
- hohe Linearität durch vorhandene Rückkopplung
- ständiger Selbsttest ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand durch Benutzen des Grenzzyklus der Sigma-Delta-Technik
- hohe Amplitudenauflösung und Dynamik ⓘ
Nachteilig ist, dass die so erzeugte PWM oft nicht direkt ausgewertet werden kann und erst gefiltert werden muss. Dies kann durch ein analoges Filter und anschließender ADU oder völlig digital geschehen. Zudem ist der Übertragungsweg zum auswertenden System analog und damit störanfällig. Einfache Sensoren für Druck und Temperatur besitzen daher einen echten digitalen Datenausgang mit Anbindung über einen seriellen oder parallelen Bus. Weit verbreitet sind hier:
Molekulare Sensoren
Molekulare Sensoren beruhen auf einem einzelnen Molekül, das nach Bindung eines weiteren Moleküls oder durch Bestrahlung mit Photonen unterschiedliche Eigenschaften aufweist, die dann ausgelesen werden können. Mit fluoreszenzmarkierten Sensoren können über die Änderung des Emissionsspektrums mehr als zwei Zustände erfasst werden. Dadurch kann ein solcher Sensor auch als molekulares Schließsystem verwendet werden. ⓘ
Anwendungsgebiete
Der Begriff Sensor wird in der Technik und in den Lebenswissenschaften (Biologie und Medizin) verwendet, seit einigen Jahren verstärkt auch in den Naturwissenschaften. Beispiel für letztere sind Anwendungen von CCD-Bildsensoren und Teilchenzähler in der Astronomie, Geodäsie und Raumfahrt. Beispielsweise werden Beschleunigungssensoren verwendet, um krafttrainingsrelevante Deskriptoren zu extrahieren. ⓘ
In der Technik spielen Sensoren in automatisierten Prozessen als Signalgeber eine wichtige Rolle. Die von ihnen erfassten Werte oder Zustände werden, meistens elektrisch-elektronisch verstärkt, in der zugehörigen Steuerung verarbeitet, die entsprechende weitere Schritte auslöst. In den letzten Jahren wird diese anschließende Signalverarbeitung auch zunehmend im Sensor vorgenommen. Solche Sensoren beinhalten einen Mikroprozessor oder ein Mikrosystem und besitzen sozusagen „Intelligenz“, daher werden sie auch als Smart-Sensoren (engl. smart sensors) bezeichnet. ⓘ