Sensoren in der Industrie wandeln eine physikalische Größe oder das Vorhandensein eines Objekts in ein elektrisches Signal um, das eine Steuerung weiterverarbeiten kann. Dieser Überblick ordnet die wichtigsten Messprinzipien, erklärt den Unterschied zwischen binären und messenden Sensoren und zeigt, welche Kennwerte im Datenblatt zählen. Dazu kommen die gängigen Schnittstellen PNP/NPN, 4…20 mA und IO-Link sowie eine Auswahlmatrix von der Aufgabe zum Sensortyp.
Binäre und messende Sensoren
Nach Balluff besteht ein Sensor aus drei Teilen: dem sensitiven Bereich mit der Messtechnologie, der Auswerteelektronik, die die Messgröße in eine elektrische Größe umwandelt, und der Signalausgabe zum Steuerungssystem. Ein binärer Sensor meldet nur, ob ein Objekt vorhanden ist (Schaltsignal). Ein analoger oder digitaler Sensor meldet, welcher Messwert erreicht ist, etwa als Strom- oder Spannungssignal oder als Datenwert über eine Schnittstelle wie IO-Link.
Messprinzipien im Überblick
| Prinzip | Wirkweise | Erfasst typischerweise | Zu beachten |
|---|---|---|---|
| Induktiv | Wechselfeld erzeugt Wirbelströme im Metall, die dem Feld Energie entziehen | Metalle | Schaltabstand hängt vom Werkstoff ab |
| Kapazitiv | Objekt verändert das elektrische Feld vor der aktiven Fläche | Metalle und Nichtmetalle, Füllgüter | Empfindlichkeit meist anzupassen |
| Optoelektronisch | Sender und Empfänger bewerten die Lichtmenge | Objekte aller Art, je nach Bauform | Verschmutzung, Oberfläche, Fremdlicht |
| Ultraschall | Laufzeit eines Schallimpulses | Alle Objekte, die Schall reflektieren | Blindzone, Lufttemperatur |
| Magnetisch | Feldstärke eines externen Magneten wird ausgewertet | Position von Magneten | Magnet am Messobjekt nötig |
| Radar | Laufzeit oder Frequenzdifferenz von Mikrowellen | Füllstand von Flüssigkeiten und Schüttgütern | Frequenzband nach Anwendung wählen |
Induktiv und kapazitiv
Induktive Sensoren beruhen laut Balluff auf der Wechselwirkung metallischer Targets mit dem Wechselfeld des Sensors. Die Wirbelströme im Metall senken die Schwingungsamplitude des Oszillators, und diese Änderung wertet der Sensor aus. „Ferrous“-Ausführungen erfassen ferromagnetischen Stahl und Eisen, „Non-Ferrous“-Ausführungen auch Aluminium, Kupfer und Messing.
Ein kapazitiver Sensor bildet mit seiner aktiven Elektrode einen offenen Plattenkondensator als Teil eines RC-Oszillators. Nähert sich ein Objekt, steigt die Kapazität und der Ausgang schaltet. Für den Plattenkondensator gilt C = ε0 · εr · F · (1/S) mit der relativen Dielektrizitätszahl εr des Mediums, der Elektrodenfläche F und dem Abstand S. Erfasst werden also Objekte mit ausreichend großem εr, ausreichender Fläche und geringem Abstand, auch Füllstände durch eine Kunststoff- oder Glaswand von höchstens 4 mm bei bündigen Sensoren.
Optoelektronisch
Optoelektronische Sensoren bestehen aus Sender und Empfänger. Balluff unterscheidet drei Grundbauformen:
- Einweglichtschranke: Sender und Empfänger sind getrennt und gegeneinander ausgerichtet, Reichweiten bis 50 m. Bei Staub, Nässe oder Öl liefert sie die besten Ergebnisse.
- Reflexionslichtschranke: Sender und Empfänger sitzen in einem Gehäuse, ein Reflektor wirft das Licht zurück.
- Lichttaster: Das Objekt reflektiert diffus einen Teil des Lichts zum Empfänger. Die Tastweite hängt von Größe, Form, Farbe und Oberfläche ab, bei weißem Papier (90 % Reflexion) sind bis zu 2 m möglich.
Ultraschall
Ultraschallsensoren arbeiten nach dem Laufzeitverfahren: Der Wandler sendet einen Schallimpuls und misst die Zeit bis zum Echo. Aus der Schallgeschwindigkeit v in Luft folgt die Entfernung d = v · t / 2, wobei t die Laufzeit von Hin- und Rückweg ist. Weil v von der Lufttemperatur abhängt, kompensieren viele Sensoren per Temperaturmessung (Turck). Nach ipf electronic erfassen sie berührungslos alle Objekte, die Schall reflektieren, auch transparente, und die Farbe spielt keine Rolle. Direkt vor dem Gerät liegt die Blind- oder Totzone, weil der Wandler beim Senden nicht empfangen kann. Dort ist keine reproduzierbare Funktion gewährleistet.
Magnetisch und Radar
Magnetische Sensoren erkennen einen externen Magneten und werten dessen Feldstärke aus (Balluff). Radar-Füllstandsgeräte arbeiten laut Endress+Hauser nach dem Laufzeitverfahren oder dem frequenzmodulierten Dauerstrichverfahren (FMCW). Beim Laufzeitverfahren gilt D = c · t / 2 mit der Lichtgeschwindigkeit c, und mit der Leerdistanz E folgt der Füllstand L = E − D. Die meisten berührungslosen Füllstandssensoren arbeiten bei 6, 10 oder 26 GHz, neuere Geräte bei 80 GHz.
Messgrößen und passende Verfahren
| Messgröße | Gängige Verfahren | Ausgang |
|---|---|---|
| Position, Winkel, Drehzahl | Inkremental- und Absolut-Drehgeber, magnetische Sensoren | Impulse A/B, SSI, BiSS C |
| Abstand | Laser-Distanzsensoren, Ultraschall | Schalt-, Analog- oder IO-Link-Signal |
| Füllstand | Radar, Ultraschall, kapazitiv | Schalt- oder Analogsignal |
| Durchfluss | Clamp-on-Ultraschall außen am Rohr | je nach Gerät |
| Druck | Dehnungsmessstreifen in Wheatstone-Brücke | 4…20 mA, 0…10 V |
| Temperatur | Platin-Widerstandsthermometer Pt100, Pt1000 | Widerstand, meist über Messumformer |
Drehgeber. Inkrementalencoder übertragen Positionsänderungen als Rechteckimpulse auf zwei phasenverschobenen Kanälen A und B, aus deren Vergleich die Drehrichtung folgt. Die absolute Position ergibt sich erst nach einer Referenzfahrt. Absolutencoder geben die Position als Bitfolge aus, Singleturn-Geber innerhalb einer Umdrehung, Multiturn-Geber eindeutig über mehrere Umdrehungen (maxon). Eine Auflösung von n Bit entspricht 2n Positionen, 12 Bit also 4.096. Bei 19 Bit sind es 524.288 Positionen je Umdrehung, rechnerisch rund 0,0007 ° je Schritt.
Druck. WIKA unterscheidet Absolut-, Relativ- und Differenzdruck nach dem Bezugspunkt: Der Nullpunkt des Absolutdrucks ist das Vakuum, der des Relativdrucks der jeweilige Luftdruck, der Differenzdruck ist die Differenz zweier Systemdrücke.
Temperatur. Pt100-Elemente haben bei 0 °C einen Widerstand von 100 Ω (Pt1000: 1.000 Ω). Die Klassen nach IEC 60751 geben die Grenzabweichung als Funktion der Temperatur |t| in °C an:
| Klasse | Grenzabweichung in K | Beispiel bei 100 °C |
|---|---|---|
| B | ±(0,30 + 0,0050 · |t|) | ±0,80 K |
| A | ±(0,15 + 0,0020 · |t|) | ±0,35 K |
| AA | ±(0,10 + 0,0017 · |t|) | ±0,27 K |
Die Beispielwerte bei 100 °C sind aus den Formeln gerechnet.
Datenblatt lesen: Schaltabstand, Schutzart und Ausgang
Schaltabstände schaltender Näherungssensoren beziehen sich auf die Norm-Messplatte nach EN 60947-5-2, eine quadratische Platte aus Fe 360 (ISO 630) mit 1 mm Dicke:
| Kennwert | Bedeutung nach Balluff |
|---|---|
| Nennschaltabstand sn | Maximal erreichbarer Schaltabstand auf die Norm-Messplatte |
| Realschaltabstand sr | Schaltabstand unter festgelegten Bedingungen (Einbauart, Spannung, Temperatur) |
| Nutzschaltabstand su | Zulässiger Schaltabstand eines einzelnen Sensors: 0,81 sn ≤ su ≤ 1,21 sn |
| Gesicherter Schaltabstand sa | Bereich sicheren Betriebs: 0 ≤ sa ≤ 0,81 sn |
| Schutzart | Eignung für Umgebungsbedingungen, Kennbuchstaben IP nach IEC 60529 |
Bei anderen Werkstoffen als Stahl verkürzt sich der Schaltabstand: Realschaltabstand = Bemessungsschaltabstand × Korrekturfaktor. Für Standard-Sensoren nennt Balluff:
| Werkstoff | Korrekturfaktor |
|---|---|
| Stahl (Fe 360) | 1,0 |
| Kupfer | 0,25…0,45 |
| Messing | 0,35…0,50 |
| Aluminium | 0,30…0,45 |
| Edelstahl | 0,60…1,00 |
| Nickel | 0,65…0,75 |
| Gusseisen | 0,93…1,05 |
Konstruiertes Rechenbeispiel: Ein Standard-Sensor mit sn = 4 mm erreicht bei Aluminium nur etwa 1,2…1,8 mm (4 mm × 0,30 bis 0,45). Bündige Sensoren dürfen laut Balluff bis zur aktiven Fläche in Metall eingelassen werden, nichtbündige müssen mindestens 2 sn herausragen. Der exakte Schaltpunkt ist in jedem Fall vor Ort einzujustieren.
Anbindung: PNP/NPN, 4…20 mA und IO-Link
PNP, NPN und Schließer/Öffner
Ein PNP-Ausgang schaltet das positive Potenzial auf den Ausgang (plusschaltend), ein NPN-Ausgang die Masse (minusschaltend). Beim Schließer (NO) ist der Ausgang aktiv, wenn ein Objekt erfasst wird, beim Öffner (NC) ist er dann inaktiv. Der Schließer ist laut Balluff in der Automatisierungstechnik am weitesten verbreitet.
Analoge Signale: 4…20 mA
Das Stromsignal 4…20 mA ist nach WIKA das gängigste analoge Ausgangssignal in der Druckmesstechnik und wird häufig zweileitig übertragen. Gegenüber Spannungssignalen ist es weniger störempfindlich, und der angehobene Nullpunkt ermöglicht die Erkennung von Kabelbrüchen und Gerätefehlern. Die Spanne beträgt 16 mA, die Zuordnung ist linear:
I = 4 mA + 16 mA · (p − pmin) / (pmax − pmin)
Bei einem Drucksensor für 0…10 bar entsprechen 5 bar demnach 12 mA und 2,5 bar 8 mA (konstruiertes Beispiel). Nach NAMUR NE 43 ist ein Strom zwischen 3,8 und 20,5 mA eine gültige Messinformation, Werte bis 3,6 mA und ab 21,0 mA gelten als Ausfallinformation (Darstellung nach Beckhoff).
IO-Link
IO-Link ist laut IO-Link Community die erste I/O-Technologie für Sensoren und Aktoren, die als internationaler Standard (IEC 61131-9) übernommen wurde. Sie ist eine serielle, bidirektionale Punkt-zu-Punkt-Verbindung und kein Feldbus: Ein Master mit mehreren Ports bindet je Port ein Gerät an und gibt die Daten an das Feldbus- oder Automatisierungssystem weiter. Eckdaten der Systembeschreibung (Stand 03/2018):
- Ungeschirmte 3- oder 5-adrige Standardleitungen bis höchstens 20 m; im Feld meist M12-Steckverbinder mit 24 V, 0 V und der Schalt- und Kommunikationsleitung C/Q.
- Drei Übertragungsraten: COM 1 mit 4,8 kBaud, COM 2 mit 38,4 kBaud, COM 3 mit 230,4 kBaud.
- Prozessdaten zyklisch (0 bis 32 Byte je Richtung), Gerätedaten und Ereignisse azyklisch.
- Beim Gerätetausch kann der Master die Parameter automatisch neu zuweisen.
Auswahlmatrix: von der Aufgabe zum Sensortyp
| Aufgabe | Geeigneter Sensortyp | Begründung |
|---|---|---|
| Metallteile erkennen, Endlagen abfragen | Induktiv | Reagiert auf Wirbelströme im Metall |
| Kunststoff, Glas, Schüttgut oder Flüssigkeit erkennen | Kapazitiv | Reagiert auch auf Nichtmetalle mit ausreichendem εr |
| Große Distanz, staubige oder nasse Umgebung | Einweglichtschranke | Bis 50 m, beste Ergebnisse bei Staub, Nässe, Öl |
| Transparente Objekte | Ultraschall | Farbe und Transparenz ohne Einfluss |
| Füllstand in Tanks und Silos | Radar, Ultraschall | Berührungslose Laufzeitmessung zur Füllgutoberfläche |
| Lage eines Magneten am Messobjekt | Magnetisch | Wertet die Feldstärke des Magneten aus |
| Winkel oder Drehzahl einer Welle | Drehgeber | Inkremental oder absolut |
Auswahl in der Praxis
- Material klären: Metall, Nichtmetall, Flüssigkeit, transparent oder spiegelnd. Daraus ergibt sich meist schon das Prinzip.
- Mit Reserve planen: Mit dem gesicherten Schaltabstand sa und dem Korrekturfaktor des Werkstoffs rechnen, nicht mit dem Nennwert.
- Einbau beachten: Bündig oder nichtbündig, Mindestabstände zu Metall und Nachbarsensoren, bei Ultraschall die Blindzone freihalten.
- Umgebung prüfen: Schutzart, Temperatur, Verschmutzung, Fremdlicht.
- Ausgang zur Steuerung wählen: PNP oder NPN, Schließer oder Öffner, Analogsignal oder IO-Link.
Themen in diesem Bereich
- Induktive und kapazitive Näherungssensoren: Funktionsweise, Schaltabstände, Einbauhinweise.
- Optoelektronische Sensoren: Lichttaster, Reflexions- und Einweglichtschranken.
- Ultraschall und Radar: Laufzeitverfahren, Blindzonen, Füllstands- und Abstandsmessung.
- Drehgeber und Positionserfassung: Inkremental- und Absolutgeber, Schnittstellen.
- Prozessmesstechnik: Druck, Temperatur und Durchfluss mit typischen Ausgangssignalen.
- IO-Link und Sensorschnittstellen: Punkt-zu-Punkt-Anbindung, Parametrierung, Diagnose.
Häufige Fragen
Was ist der Unterschied zwischen einem induktiven und einem kapazitiven Sensor?
Induktive Sensoren erkennen Metalle über Wirbelströme im Wechselfeld. Kapazitive Sensoren reagieren auf die Änderung des elektrischen Feldes und erfassen daher auch Nichtmetalle mit ausreichender Dielektrizitätszahl.
Was bedeutet PNP und NPN?
Ein PNP-Ausgang schaltet bei Betätigung das positive Potenzial auf den Ausgang, ein NPN-Ausgang die Masse. Der Ausgang muss zum Eingang der Steuerung passen.
Warum ist der Schaltabstand bei Aluminium kleiner als bei Stahl?
Datenblattwerte beziehen sich auf eine Norm-Messplatte aus Fe 360. Bei anderen Metallen gilt Realschaltabstand = Bemessungsschaltabstand × Korrekturfaktor, bei Aluminium 0,30…0,45.
Ersetzt IO-Link einen Feldbus?
Nein. IO-Link ist nach IEC 61131-9 eine serielle Punkt-zu-Punkt-Verbindung zwischen Master und Gerät. Der Master bindet die Geräte über einen Feldbus oder ein Backplane-Bussystem an die Steuerung an.
Warum beginnt ein 4…20-mA-Signal bei 4 mA?
Der angehobene Nullpunkt erlaubt es, Kabelbrüche und Gerätefehler zu erkennen. Nach NAMUR NE 43 gelten Werte bis 3,6 mA und ab 21,0 mA als Ausfallinformation.
Quellen und weiterführende Informationen
- Balluff: Induktive Sensoren – Grundlagen und Einbauhinweise (2023), Kapazitive Sensoren, Optoelektronische Sensoren und Wie Sensorik funktioniert
- ipf electronic: Whitepaper Ultraschallsensoren
- Turck: Ultraschallsensoren (Broschüre 10/2013)
- Endress+Hauser: Radar-Füllstandsmessung kurz erklärt (01/2026)
- maxon: Sensor-Technik – kurz und bündig
- WIKA: Handbuch Druckmesstechnik und Datenblatt IN 00.17: Platin-Widerstandsthermometer nach DIN EN IEC 60751 (11/2020)
- Beckhoff: Grundlagen NAMUR (I/O-Analog-Handbuch)
- IO-Link Community: IO-Link System Description – Technology and Application (03/2018)
