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Elektronische Sensoren

Was sind elektronische Sensoren?
Elektronische Sensoren sind Bauteile, die verwendet werden, um physikalische oder chemische Größen in der Umgebung zu messen und in elektrische Signale umzuwandeln. Diese Signale können dann von anderen elektronischen Komponenten, wie z.B. Mikrocontrollern oder Computern, verarbeitet werden. Es gibt eine Vielzahl von Sensoren, die für unterschiedliche Anwendungen und Messgrößen geeignet sind, wie z.B. Temperatur, Feuchtigkeit, Licht, Druck, Beschleunigung und vieles mehr. Sensoren sind eine wichtige Komponente in vielen elektronischen Geräten und Systemen, von einfachen Haushaltsgeräten bis hin zu komplexen industriellen Steuerungen und Robotik-Anwendungen.

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Welche Arten von Sensoren gibt es?
Es gibt eine riesige Auswahl an Sensoren für verschiedene Anwendungsfälle. Die wichtigsten Sensoren lassen sich aber in folgende Kategorien gliedern:

Biometrischer Sensor
Diese Sensoren messen biometrische Daten bzw. physische Merkmale. Die bekanntesten Vertreter von biometrischen Daten sind Fingerabdrücke, Gesichter bei Gesichtserkennung, Retina (Iris) oder der Herzschlag. Biometrische Sensoren enthalten meistens einen optischen- oder einen Infrarot-Sensor zur Erfassung der biometrischen Daten. Fingerabdrücke werden beispielsweise durch Infrarot gemessen und anschließend gemappt. Bei Pulsuhren oder Herzschlag-Messern wird mittels LEDs das Gewebe durchleuchtet und ein optischer Sensor misst das reflektierende Licht. Alternativ kann direkt mit Licht im grünen Wellenbereich gemessen werden.

Infrarot-Sensor
Bei Infrarot-Sensoren werden Infrarot-Strahlen ausgesendet und durch Reflexion, ähnlich einem Echolot, Messwerte erfasst. Mit einem Infrarot-Sensor können Entfernungen gemessen, aber auch Farbunterschiede erkannt werden, da Farben Licht unterschiedlich stark reflektieren. So kann ein Roboter z.B autonom einer aufgezeichneten Linie folgen.

Lagesensor/GPS-Sensor
Unter Lagesensoren werden Sensoren zusammengefasst, die auf Gyroskopen oder Barometern basieren. Bei digitalen Barometern wird der Luftdruck auf eine Sensorplatte gemessen. Bei Lagesensoren kann mittels Gyroskop die Lage bestimmt werden. Oftmals sind bei Lagesensoren zusätzlich Beschleunigungsmeter verbaut, um diese zu messen.

Optische Sensor/Lichtsensor
Als optische Sensoren bezeichnet man alle Geräte, die mithilfe von Licht aus dem gesamten Spektrum Daten erfassen und weiterleiten können. Ein Beispiel für einen optischen Sensor ist der Phototransistor. Diese Sensoren erkennen, basierend auf dem photoelektrischen Effekt, einfallendes Licht. Häufige Anwendungsgebiete sind Lichtschranken oder Dämmerungsschalter. Varianten des Phototransistors sind UV Licht, Sensoren oder Infrarot Sensoren. Diese arbeiten ähnlich, erkennen jedoch lediglich Licht eines bestimmten Spektrums. Mit Lichtintensitätssensoren lässt sich sogar die Helligkeit messen, um in der Heimautomatisierung Rollläden automatisch schließen oder öffnen zu lassen.

Flüssigkeitssensor/Gas-Sensor
Flüssigkeitssensoren existieren in einer Vielzahl von Ausführungen und Funktionsweisen. Mit einem kapazitiven Bodenfeuchtigkeitssensor lässt sich auch für Anfänger leicht eine automatische Bewässerungsanlage realisieren. Der Sensor misst dabei die Bodenfeuchte und kann so den Impuls liefern, wann eine Pflanze gegossen werden sollte. Mit einem Durchflusssensor lässt sich durch den Hall-Effekt z.B die Durchlaufmenge in einer Wasserleitung messen. Gassensoren verwenden unterschiedliche Messmethoden. Man unterscheidet zwischen physikalischen Messmethoden (Molekülmasse oder Diffusionsverhalten), chemische Messmethoden (Reaktivität oder Oxidierbarkeit) oder basierend auf elektrischen Prinzipien (Kapazivität, thermische Prinzipien oder Optik).

Ultraschall Sensor
Bei Ultraschallsensoren wird mittels eines hochfrequenten Schallimpulses der Abstand zu einem Objekt ermittelt. Trifft der Impuls auf ein Hindernis, wird er von diesem reflektiert und zum Sensor zurückgeleitet. Dieser kann den reflektierten Impuls erkennen und den Abstand des Objektes messen. Die Berechnung des Abstandes selbst erfolgt über die Zeitspanne zwischen Senden und Empfangen des Schallimpulses.

Strom- /Spannungssensor
Bei Stromsensoren muss zwischen Wechsel- und Gleichstrom unterschieden werden. Bei Wechselstrom verwendet man häufig induzierten Strom zum Messen eines Stromes. Dabei wird der Strom durch einen Ringkern geleitet. Das magnetische Wechselfeld, das durch den Wechselstrom erzeugt wird, induziert in einer Messspule im Sensor einen Strom, welcher dann umgewandelt und als Messwert ausgewertet werden kann.

Temperatursensor
Temperatursensoren werden in zwei Kategorien unterteilt. Kaltleiter (PTC) und Heißleiter (NTC), auch Thermistoren genannt. Bei Kaltleitern wird die Temperaturerhöhung durch eine Erhöhung des Widerstandes signalisiert. Bei Heißleitern sinkt der Widerstand bei Erhöhung der Temperatur. Es gibt mehrere Funktionsweisen, die beiden häufigsten Varianten sind Sensoren mit Bimetallen. Bei diesen wird bei steigender Temperatur ein Bimetall gekrümmt, wodurch ein Schalter betätigt wird.

Die zweite Variante sind ferromagnetische Temperatursensoren. Hierbei verändert sich die Haftung eines Dauermagnetes bei Änderung der Temperatur. Dieser Magnet hält eine Feder unter Spannung. Je nach Temperatur wirkt der Magnet stärker oder schwächer auf die Feder, wodurch sich die Spannung der Feder ändert. Diese Spannung ist dann messbar.

Was sind resistive Sensoren?
Resistive Sensoren sind elektronische Sensoren, die auf einer Änderung des Widerstands basieren. Diese Art von Sensor besteht aus zwei dünnen Schichten, die durch eine isolierende Schicht getrennt sind. Wenn Druck auf den Sensor ausgeübt wird, drücken die beiden Schichten aufeinander und verringern dadurch den Abstand zwischen ihnen. Dies führt zu einer Änderung des elektrischen Widerstands, die gemessen werden kann. Resistive Sensoren werden häufig in Anwendungen eingesetzt, bei denen eine präzise Messung von Kraft, Druck oder Dehnung erforderlich ist. Sie sind jedoch weniger genau als andere Arten von Sensoren und können anfällig für Abnutzung und Verschleiß sein.

Was ist der Unterschied zwischen passiven und aktiven Sensoren?
Aktive Sensoren sind in der Lage, ein Signal zu erzeugen oder zu verstärken, um Informationen zu sammeln und weiterzuleiten. Dazu benötigen sie eine Energiequelle wie eine Batterie oder eine Stromversorgung. Beispiele für aktive Sensoren sind Ultraschallsensoren, Infrarotsensoren und Bewegungssensoren.
Passive Sensoren hingegen erfordern keine externe Energiequelle und erfassen das Signal aus der Umgebung, ohne es zu modifizieren. Sie reagieren auf physische oder chemische Veränderungen in ihrer Umgebung und wandeln sie in ein elektrisches Signal um. Beispiele für passive Sensoren sind Temperatursensoren, Drucksensoren und Lichtsensoren.

Was ist der Unterschied zwischen einem analogen und einem digitalen Sensor?
Ein analoger Sensor gibt ein Signal aus, das kontinuierlich variiert, abhängig von der gemessenen Größe. Das Signal kann beispielsweise eine Spannung oder ein Strom sein. Ein digitales Signal hingegen gibt nur zwei Zustände aus, entweder "0" oder "1". Ein digitaler Sensor gibt somit eine diskrete Ausgabe, die eindeutig einem bestimmten Wert oder einer bestimmten Schwellenwertüberschreitung entspricht.

Was sind die wichtigsten Faktoren, die die Lebensdauer eines Sensors beeinflussen können?
Die Lebensdauer eines Sensors hängt von verschiedenen Faktoren ab. Einer der wichtigsten Punkte ist hierbei die Qualität des Sensors selbst, doch auch die Umgebung, in der der Sensor eingesetzt wird, kann einen großen Einfluss auf die Lebensdauer haben. So können beispielsweise hohe Temperaturen, Feuchtigkeit oder starke Vibrationen die Lebensdauer stark reduzieren.
Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Belastung. Je nach Anwendung kann ein Sensor stark beansprucht werden und dadurch schneller verschleißen.
Zusätzlich spielen aber auch die Wartung und Reinigung eine wichtige Rolle. Eine regelmäßige Überprüfung kann dazu beitragen, dass der Sensor länger funktionstüchtig bleibt.

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