Moderne Sensoren für eine vernetzte Welt

Unsere Welt vernetzt sich immer mehr, Sensoren spielen dabei eine große Rolle. In fast allen Branchen – vom Gesundheitswesen und der Landwirtschaft bis hin zu Fertigung, Kommunikation, Gebäudesystemen und Transportwesen – übernehmen diese die wichtige Aufgabe, Daten aus der Umgebung zu erfassen und in aussagekräftige Daten umzuwandeln. 

Jede Anwendung benötigt Sensoren, um zuverlässige Daten zu liefern. Ingenieure müssen kontinuierlich innovativ bei der Entwicklung neuer Sensoren sein, die Bedingungen wie Position, Geschwindigkeit, Vibration und Druck sowie Temperatur, Feuchtigkeit und Flüssigkeitsbedingungen genauer erfassen. Da Hersteller Sensoren in immer weiteren und kleineren Geräten einbauen, müssen diese klein, robust und zuverlässig sein. Ein Anforderungsprofil, das durchaus eine Herausforderung darstellt. 

Unternehmen, die auf die Herstellung innovativer Sensortechnologie spezialisiert sind, bieten Sensoren die sich durch eine enge Kopplung an Konnektivitätsprodukte auszeichnen. Angetrieben wird diese Entwicklung durch die steigende Nachfrage in verschiedenen Branchen. Denn: Es bieten sich zahlreiche Möglichkeiten, wie Sensoren das Leben verbessern und helfen, Innovationspotential freizusetzen. Dies lässt sich exemplarisch an dem Einsatz von Sensoren im Gesundheitswesen, bei Industrieanlagen und in der Automobilindustrie verdeutlichen.

Sensorgesteuerte Innovationen im Gesundheitswesen 

Millionen von Menschen tragen Gesundheits- und Fitness-Tracker an ihrem Handgelenk. Hier zeigt sich, wie winzige, leistungsstarke Sensoren durch hohe Sensitivität verschiedene Aspekte der gesundheitlichen und körperlichen Konstitution aufzeichnen. Abseits dieses Einsatzes von Sensorik im Fitness- und Gesundheitstrackingbereich gibt es weitere wichtige Innovationen, die die Sensorik vorantreiben, wie Spezialanwendungen, wie minimalinvasive Operationen.

Sensoren liefern beispielsweise in der Chirurgie wichtige Informationen, um während operativer Eingriffe sicher im Organismus eines Patienten agieren zu können. Kraftsensoren melden dem Operationsteam genau, wann ein medizinisches Werkzeug menschliches Gewebe berührt. Darüber hinaus tragen Temperatursensoren dazu bei, nahe gelegenes Gewebe bei Laseroperationen vor Schäden durch Überhitzung zu schützen. Drucksensoren überwachen Atembewegungen und prozessieren dabei die punktgenaue Kontrolle empfindlichster Körperteile. Diese werden bei Eingriffen eingesetzt, bei denen es um die Atmung und/oder Beatmung des Patienten geht. Kleinste Änderungen werden bemerkt, aufgezeichnet und entsprechend im Behandlungsplan des Patienten aufgenommen.

Ein eindrucksvolles Beispiel für sensorgetriebene Präzision ist die Grauer-Star-Operation. Bei dieser wird die getrübte Linse durch einen winzigen Schnitt durch die Hornhaut entfernt. Dabei muss ein bestimmter Druck ausgeübt werden, um eine Schädigung des Auges zu vermeiden. Dies erfordert Sensoren, die äußerst präzise Informationen über den Druckstatus liefern – und das in einem extrem kleinen Gehäuse. Zusammengefasst: Die heutigen innovativen Sensoren schaffen das Gleichgewicht zwischen Miniaturisierung und hoher Leistung, das für minimalinvasive chirurgische Instrumente erforderlich ist. 

Die verbesserte Sensortechnologie eröffnet zudem neue Möglichkeiten zur Durchführung herkömmlicher medizinischer Verfahren und Messungen. So gehören beispielsweise Blutdruck- und Herzfrequenzmessungen zu fast jedem Besuch in einer Arztpraxis oder einem Krankenhaus, erfordern aber oft eine Person, die diese Messungen vornimmt. Heutzutage sind hochleistungsfähige piezoelektrische Foliensensoren empfindlich genug, um den Puls und die Atemfrequenz eines Patienten allein durch Berührung zu erfassen. Indem diese Folien in einen Untersuchungstisch oder sogar in einen Stuhl im Wartezimmer integriert werden, können die Vitalparameter der Patienten automatisch überwacht werden, sobald sie die Praxis betreten – was die Patientenerfahrung und die Datenerfassung für das medizinische Personal verbessert.

Predictive Maintenance zur Vermeidung von Ausfällen bei Industrieanlagen 

Die Entwicklung hin zu intelligenten Fabriken erweitert die Rolle von Sensoren und den von ihnen erfassten Daten. Seit Jahrzehnten verlassen sich Industriemaschinen auf Sensoren zur Messung von Betriebsvariablen wie Position und Drehmoment sowie von Vibrationen, Temperatur und Flüssigkeitseigenschaften, die für eine zuverlässige Leistung entscheidend sind. Ausfälle von Anlagen können vermieden werden, wenn planmäßige Wartungsarbeiten erfolgen. 

Aus Sicht eines Anlagenbesitzers ist es für die Maximierung der Betriebszeit wichtig zu wissen, wann eine Maschine gewartet werden muss. Predictive Maintenance ist heute dank Sensorsystemen möglich, die die Leistung einer Maschine überwachen, übermäßigen Verschleiß oder das Risiko eines Ausfalls erkennen und den Betreiber darauf aufmerksam machen können. 

Variablen wie Temperatur und Vibration weisen oft auf eine potenzielle Überbeanspruchung eines Geräts hin. So erkennt ein Unternehmen beispielsweise anhand der Daten eines Temperatur- oder Vibrationssensors im Vergleich mit historischen Mustern, wenn eine Maschine außerhalb ihres sicheren Bereichs arbeitet. Die für diese Analyse erforderliche Rechenleistung wird durch Sensoren mit eingebetteten Mikroprozessoren erreicht, die einen automatischen Alarm auslösen, wenn es Zeit für eine Wartung ist. Einige Hersteller gehen jedoch noch einen Schritt weiter, indem sie Sensoren mit einer drahtgebundenen oder drahtlosen Verbindung kombinieren. So werden Leistungsdaten an die Cloud gesendet, wo Machine Learning oder Künstliche Intelligenz über die Wartungsanforderungen hinaus nach weiteren Möglichkeiten zur Optimierung der Maschinenleistung suchen.

Sensoren für die Automatisierung von Fahrzeugen 

Das vielleicht größte Versprechen für die Sensortechnologie – und die größte Herausforderung – ist die Entwicklung von autonomen Fahrzeuge. Sensoren befinden sich bereits überall in modernen Fahrzeugen, auch dort, wo sie für den Fahrer nicht sichtbar sind. Innovative Unternehmen, die sich auf Sensortechnologie spezialisiert haben, stellen eine Reihe von Sensoren zur Überwachung der Motor- und Batterieleistung von Elektrofahrzeugen (EVs), Öleigenschaftssensoren für Verbrennungsmotoren, Feuchtigkeitssensoren für Klimaanlagen und fast jede andere Art von Systemen bereit. 

Dennoch wünschen sich die meisten Hersteller und Verbraucher Innovationen, die automatisiertes Fahren ermöglichen. Die Society of Automotive Engineers definiert mehrere Stufen der Fahrzeugautonomie, von einfacher Spurhalteunterstützung und adaptiver Geschwindigkeitsregelung bis hin zu Einparkhilfe und Kollisionsvermeidung. Diese Systeme werden heute regelmäßig eingesetzt und stützen sich häufig auf optische Sensoren. Sie erkennen potenzielle Kollisionen bei geringer Geschwindigkeit oder halten die Fahrzeuge auf ihren Fahrspuren. Die technologischen Anforderungen an voll autonome Fahrzeuge sind jedoch wesentlich höher.

Zuverlässige Funktionalität ohne die Kontrolle des Fahrers erfordert ein Fahrzeug mit einer Rundumsicht. So wird erkannt, was um das Fahrzeug herum passiert. Darüber hinaus ist es möglich, die Bedeutung von Umwelt- und Bewegungssignalen zu interpretieren und eine geeignete Aktion zu berechnen, die Bedingungen wie Geschwindigkeit, Wetterbedingungen und umliegende Hindernisse berücksichtigt. Dabei müssen diese Berechnungen innerhalb von Millisekunden erfolgen. 

Die grundlegende Sensortechnik für diese Systeme ist bereits vorhanden. Wie wird diese nun optimal eingesetzt? Dabei ist in der Praxis die Rechenleistung eine zentrale Herausforderung. Es stellt sich die Frage, wie wir Fahrzeuge entwickeln können, die intelligent genug sind, um auf die Daten zu reagieren, die sie von ihrer Umgebung erhalten? Das menschliche Verhalten ist eine weitere Hürde für den Einsatz autonomer Fahrzeuge, denn es wird lange dauern, bis sich viele Fahrer an die Idee des hand- und fußfreien Fahrens gewöhnen oder sich so wohl fühlen, dass sie auf dem Fahrersitz einschlafen.

Aus diesen Gründen sind autonome Personenkraftfahrzeuge noch in weiter Ferne. In der Zwischenzeit arbeiten Unternehmen gemeinsam mit den Kunden aus der Automobilindustrie an innovativen Prozessen, den Anforderungen an die Sensoren gerecht zu werden. Dazu gehören beispielsweise die Anpassung optischer Sensoren für eine verbesserte Nachtsicht, die Aufwertung von Sensorkomponenten durch Verarbeitungsfunktionen und die Kombination der Sensorprodukte mit drahtgebundenen oder drahtlosen Hochgeschwindigkeits-Datenverbindungen. Indem Sensoren mehr und mehr als Teil einer Technologieplattform betrachtet werden und kontinuierlich nach Möglichkeiten gesucht wird, diesen Systemen einen Mehrwert zu verleihen, wird sichergestellt, dass die Sensor- und Konnektivitätstechnologie stets auf dem neusten Stand ist und so das vollautomatisierte Fahrzeug keine Utopie bleibt.

Von Erin Byrne, CTO bei TE Connectivity, https://www.te.com/deu-de/home.html