Diesen aiMOOC als Battle spielen: Deutsch, Klasse 9-10, M-Niveau

NWT9 - Vom Messwert zum Sensorsignal

Einleitung

Sensoren stecken in Smartphones, Fahrradtachos, Heizungen, Robotern, Autos, Wetterstationen und vielen anderen technischen Systemen. Ein Smartphone kann zum Beispiel die Bildschirmhelligkeit an das Umgebungslicht anpassen. Eine Heizungsregelung benötigt eine Information über die Temperatur. Ein Roboter kann mithilfe von Sensoren erkennen, ob sich ein Hindernis nähert. In allen Fällen muss eine physikalische Größe so erfasst werden, dass eine elektronische Schaltung oder ein Computer sie auswerten kann.

In der Fachsprache ist die Reihenfolge besonders wichtig: Zuerst gibt es eine Messgröße, zum Beispiel Temperatur, Beleuchtungsstärke, Kraft oder Abstand. Ein Sensor reagiert auf diese Messgröße. Sein Ausgang kann zum Beispiel ein veränderlicher elektrischer Widerstand, eine Spannung, ein Strom oder eine Frequenz sein. Aus diesem Sensorsignal wird durch Signalaufbereitung, Digitalisierung und Kalibrierung schließlich ein Messwert mit Zahl und Einheit.

Der Titel „Vom Messwert zum Sensorsignal“ wird hier als Lernweg aus der Alltagssprache verstanden. Fachlich genauer lautet die Messkette: Messgröße → Sensor → Sensorsignal → Signalaufbereitung → digitale Zahl → ausgewerteter Messwert.

Du lernst in diesem aiMOOC besonders, wie ein veränderlicher Widerstand mit einem Spannungsteiler in eine messbare Spannung umgewandelt wird und wie aus dieser Spannung ein sinnvoller Messwert entsteht.

Sicherheitsregel: Alle praktischen Schaltungen in diesem aiMOOC werden ausschließlich mit ungefährlicher Kleinspannung, zum Beispiel 5 V aus einem geeigneten Schulnetzgerät oder Mikrocontroller, durchgeführt. An Steckdosen und Netzspannung wird nicht gemessen.

Lernziele

Nach diesem aiMOOC kannst Du erklären, wie eine physikalische Größe in ein auswertbares Signal umgewandelt wird. Du kannst Kennlinien lesen, einen geeigneten Messbereich auswählen, die Empfindlichkeit eines Sensors aus Änderungen bestimmen und eine einfache Kalibrierung planen und auswerten. Außerdem kannst Du erklären, warum ein analoges Sensorsignal häufig mit einem Analog-Digital-Umsetzer in eine Zahl umgewandelt wird.

Differenzierung G/M/E

Niveau	Schwerpunkt	Das solltest Du am Ende können
G – Grundniveau	Begriffe verstehen und Messketten beschreiben	Messgröße, Sensorsignal, Kennlinie, Messbereich und Kalibrierung an Beispielen erkennen und einfache Diagramme auswerten
M – Mittleres Niveau	Zusammenhänge berechnen und Messungen planen	Spannungsteiler qualitativ und mit einfachen Zahlen auswerten, Empfindlichkeiten berechnen und eine Zwei- oder Mehrpunktkalibrierung durchführen
E – Erweitertes Niveau	Messsysteme begründet beurteilen	Nichtlinearität, Sättigung, ADC-Auflösung, Arbeitspunkt und Zielkonflikte zwischen Messbereich und Empfindlichkeit erklären und einen Sensoraufbau optimieren

Die Messkette: Vom physikalischen Vorgang zur Information

Eine Messkette beschreibt die Stationen, die eine Information von der Umwelt bis zur Anzeige oder Steuerung durchläuft.

Station	Beispiel Temperaturmessung	Bedeutung
Messgröße	Temperatur T in °C	Die physikalische Größe, die bestimmt werden soll
Sensorelement	NTC-Widerstand	Reagiert auf die Temperatur
Primäres Sensorsignal	Widerstand R	Der elektrische Widerstand ändert sich
Signalumwandlung	Spannungsteiler	Aus der Widerstandsänderung wird eine Spannungsänderung
Signalaufbereitung	Begrenzen, Filtern oder Verstärken	Das Signal wird für die Auswertung geeignet gemacht
Digitalisierung	ADC	Die analoge Spannung wird in einen Zahlenwert umgewandelt
Kalibrierung und Auswertung	Zuordnung Spannung ↔ Temperatur	Aus dem Signal wird ein Messwert mit Einheit
Anzeige oder Steuerung	23,4 °C oder Lüfter EIN	Der Messwert wird genutzt

Merksatz: Ein Sensor muss nicht sofort eine fertige Zahl mit Einheit liefern. Häufig erzeugt er zunächst nur eine elektrische Größe, die die gesuchte Messgröße eindeutig genug repräsentiert.

Analoge und digitale Signale

Ein analoges Signal kann innerhalb seines Bereichs sehr viele Zwischenwerte annehmen. Die Spannung eines Sensors kann zum Beispiel langsam von 1,20 V über 1,21 V und 1,22 V auf 1,23 V steigen. Ein digitales System arbeitet dagegen mit diskreten Zahlenwerten. Ein ADC tastet die analoge Spannung ab und ordnet ihr eine digitale Zahl zu.

Beim klassischen Arduino Uno R3 wird häufig ein 10-Bit-ADC verwendet. Damit stehen 1024 mögliche Zahlenwerte zur Verfügung. Bei einer Referenzspannung von 5 V entspricht ein Schritt idealisiert ungefähr 4,9 mV. Das bedeutet nicht automatisch, dass der gesamte Sensor dadurch auf 4,9 mV genau misst: Sensorfehler, Rauschen, Kalibrierung und die Schaltung beeinflussen das Ergebnis zusätzlich.

G: Erkläre den Unterschied zwischen analogem Sensorsignal und digitalem Zahlenwert mit eigenen Worten.

M: Begründe, warum ein Mikrocontroller einen ADC benötigt, wenn eine Sensorspannung ausgewertet werden soll.

E: Erkläre, warum eine höhere ADC-Auflösung allein keine hohe Messgenauigkeit garantiert.

Beispiel 1: Licht messen mit einem LDR

Ein Fotowiderstand, häufig LDR genannt, ist ein lichtabhängiger Widerstand. Bei stärkerer Beleuchtung sinkt sein Widerstand. Damit reagiert er auf eine physikalische Einflussgröße, liefert aber zunächst noch keinen Messwert in Lux.

Die Kennlinie zeigt, dass der Zusammenhang zwischen Beleuchtungsstärke und Widerstand nicht linear ist. Gleiche Änderungen der Beleuchtungsstärke führen also nicht überall zu gleich großen Widerstandsänderungen.

Vom Widerstand zur Spannung: Der Spannungsteiler

Ein Mikrocontroller kann einen Widerstand nicht direkt am Analogeingang messen. Deshalb wird ein resistiver Sensor häufig mit einem festen Widerstand zu einem Spannungsteiler kombiniert.

Für zwei Widerstände gilt:

$U_{o u t} = U_{B} \cdot \frac{R_{2}}{R_{1} + R_{2}}$

Setzt Du den LDR als oberen Widerstand $R_{1}$ und einen festen Widerstand als $R_{2}$ ein, dann sinkt bei mehr Licht der LDR-Widerstand. Dadurch steigt in dieser Schaltung die Ausgangsspannung $U_{o u t}$ . Wird die Reihenfolge der beiden Widerstände vertauscht, kehrt sich die Signalrichtung um.

Damit ist ein wichtiger Schritt geschafft:

Licht → Widerstandsänderung → Spannungsänderung → auswertbares Analogsignal

G: Beschreibe nur die Richtung der Änderungen: mehr Licht → kleinerer LDR-Widerstand → höhere Ausgangsspannung bei der oben beschriebenen Schaltung.

M: Berechne für $U_{B} = 5 V$ , $R_{1} = 10 k Ω$ und $R_{2} = 10 k Ω$ die Ausgangsspannung.

E: Untersuche, wie die Wahl von $R_{2}$ beeinflusst, in welchem Helligkeitsbereich sich die Ausgangsspannung besonders stark ändert.

Beispiel 2: Temperatur messen mit einem NTC

Ein NTC-Thermistor ist ein temperaturabhängiger Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizienten. Wenn seine Temperatur steigt, sinkt sein Widerstand.

Die Kennlinie eines NTC ist deutlich gekrümmt. Ein NTC ist deshalb ein gutes Beispiel dafür, warum eine einzige feste Umrechnungszahl oft nicht für den gesamten Messbereich genügt.

Bei einem NTC im oberen Zweig eines Spannungsteilers und einem festen Widerstand im unteren Zweig gilt: Wird der NTC wärmer, sinkt sein Widerstand und die Ausgangsspannung steigt. So wird aus einer Temperaturänderung zunächst eine Widerstandsänderung und anschließend eine Spannungsänderung.

Beispiel-Messreihe eines NTC-Aufbaus

Die folgenden Werte sind didaktische Beispieldaten für einen NTC-Spannungsteiler. Sie ersetzen kein Datenblatt eines konkreten Sensors.

Referenztemperatur	Sensorspannung
10 °C	1,2 V
20 °C	1,7 V
30 °C	2,3 V
40 °C	2,9 V

Zwischen 20 °C und 30 °C steigt die Spannung um 0,6 V. In diesem Abschnitt beträgt die mittlere Empfindlichkeit daher ungefähr:

$S \approx \frac{0,6 V}{10^{\circ} C} = 0,06 V /^{\circ} C$

Liegt die gemessene Spannung in diesem Bereich bei ungefähr 2,0 V, kann man durch lineare Zwischenrechnung etwa 25 °C abschätzen. Über einen großen Temperaturbereich ist diese einfache Rechnung bei einem NTC jedoch ungenau, weil seine Kennlinie nichtlinear ist.

Kennlinien verstehen

Eine Kennlinie zeigt, wie eine Eingangsgröße und eine Ausgangsgröße zusammenhängen. Bei einem Sensor steht auf der waagerechten Achse häufig die Messgröße und auf der senkrechten Achse das Sensorsignal.

Eine Kennlinie beantwortet zum Beispiel folgende Fragen: Welches Signal liefert der Sensor bei einem bestimmten Messwert? Ist der Zusammenhang linear oder gekrümmt? In welchem Bereich reagiert der Sensor besonders stark? Wo erreicht das Signal seine Grenzen?

Lineare Kennlinie: Eine Gerade hat überall die gleiche Steigung. Die Empfindlichkeit ist dann konstant.

Nichtlineare Kennlinie: Die Steigung ändert sich. Die Empfindlichkeit hängt davon ab, an welcher Stelle der Kennlinie Du arbeitest.

Sättigung: Ändert sich die Messgröße weiter, das Ausgangssignal aber kaum oder gar nicht mehr, ist das System in diesem Bereich praktisch nicht mehr sinnvoll auswertbar.

Kennlinien lesen: Drei Schritte

Eingangsgröße: Lies zuerst ab, welche physikalische Größe auf der x-Achse steht und welche Einheit verwendet wird.
Ausgangsgröße: Prüfe, ob auf der y-Achse Widerstand, Spannung, Strom, Frequenz oder ein digitaler Zahlenwert dargestellt ist.
Zusammenhang: Bestimme, ob das Ausgangssignal steigt, fällt, annähernd linear verläuft oder sich stark krümmt.

Messbereich

Der Messbereich ist der Bereich einer Messgröße, in dem ein Sensor oder Messgerät entsprechend seiner vorgesehenen Eigenschaften sinnvoll und innerhalb festgelegter Grenzen verwendet werden kann. Außerhalb dieses Bereichs darfst Du nicht einfach davon ausgehen, dass die Anzeige noch zuverlässig ist.

Ein Temperatursensor kann zum Beispiel technisch von -40 °C bis 125 °C reagieren. Für einen konkreten Schulversuch kann der sinnvoll kalibrierte Messbereich aber nur 10 °C bis 50 °C betragen. Der nutzbare Messbereich des Gesamtsystems wird vom schwächsten Glied der Messkette begrenzt: Sensor, Spannungsteiler, Verstärker, ADC und Kalibrierung müssen zusammenpassen.

Bei einem Multimeter wählst Du ebenfalls einen Messbereich. Ein zu kleiner Bereich kann zu Überlauf oder Überlastung führen. Ein unnötig großer Messbereich kann dagegen dazu führen, dass kleine Änderungen schlechter erkennbar sind.

G: Wähle für eine erwartete Batteriespannung von ungefähr 4,5 V einen Messbereich, der den Wert sicher umfasst.

M: Erkläre, warum ein 200-V-Bereich für eine 2-V-Sensorspannung meist ungünstiger ist als ein passender kleinerer Bereich.

E: Unterscheide Sensor-Messbereich, Signalbereich des Spannungsteilers und Eingangsbereich des ADC.

Empfindlichkeit

Die Empfindlichkeit beschreibt, wie stark sich das Ausgangssignal ändert, wenn sich die Eingangsgröße ändert.

Für einen annähernd linearen Bereich gilt:

$S \approx \frac{Δ y}{Δ x}$

Bei einem Temperatursensor mit Spannungsausgang kann die Einheit zum Beispiel V/°C oder mV/°C sein. Bei einem digitalen System kann die Empfindlichkeit auch in ADC-Schritten pro °C angegeben werden.

Beispiel: Ein Sensor liefert bei 20 °C 1,5 V und bei 30 °C 2,0 V. Dann gilt:

$S = \frac{2,0 V - 1,5 V}{30^{\circ} C - 20^{\circ} C} = 0,05 V /^{\circ} C$

Das bedeutet: In diesem Abschnitt ändert sich das Ausgangssignal im Mittel um 0,05 V pro Grad Celsius.

Wichtig: Hohe Empfindlichkeit bedeutet nicht automatisch hohe Genauigkeit. Ein Sensor kann stark reagieren und trotzdem einen falschen Nullpunkt, eine gekrümmte Kennlinie oder starke Störungen besitzen.

Messbereich und Empfindlichkeit als Zielkonflikt

Ein Messsystem soll oft gleichzeitig einen großen Messbereich und eine hohe Empfindlichkeit besitzen. Das ist nicht immer möglich. Verstärkt man ein Sensorsignal sehr stark, werden kleine Änderungen gut sichtbar. Gleichzeitig kann der Ausgang aber früher an seine obere oder untere Grenze gelangen. Dann schrumpft der nutzbare Bereich.

G: Entscheide, welcher Sensor kleine Änderungen besser sichtbar macht: 0,01 V/°C oder 0,10 V/°C.

M: Berechne die Empfindlichkeit aus zwei Punkten einer Kennlinie.

E: Erkläre den Zielkonflikt zwischen großem Messbereich und hoher Empfindlichkeit anhand eines selbst gewählten Beispiels.

Kalibrierung

Bei einer Kalibrierung wird die Anzeige oder das Ausgangssignal eines Messsystems mit bekannten Referenzwerten verglichen und die Zuordnung dokumentiert. Eine Kalibrierung verändert das Gerät nicht automatisch. Das Einstellen oder Verändern eines Messgerätes heißt fachsprachlich Justierung.

Für die Schule kannst Du Kalibrierung so verstehen:

Referenzwert: Erzeuge oder bestimme mehrere möglichst zuverlässige bekannte Werte der Messgröße.
Sensorsignal: Miss zu jedem Referenzwert das zugehörige Ausgangssignal.
Kalibrierkurve: Trage die Wertepaare in ein Diagramm ein.
Zuordnung: Bestimme eine passende Gerade, Teilgeraden oder eine Tabelle.
Prüfwert: Teste einen zusätzlichen Wert, der nicht zur Erstellung der Kalibrierung verwendet wurde.

Zwei-Punkt-Kalibrierung eines linearen Beispielsensors

Ein linearisierter Beispielsensor liefert bei 0 °C eine Spannung von 0,50 V und bei 50 °C eine Spannung von 3,00 V.

Die Empfindlichkeit lautet:

$S = \frac{3,00 V - 0,50 V}{50^{\circ} C} = 0,05 V /^{\circ} C$

Die Umrechnung kann dann geschrieben werden als:

$T = \frac{U - 0,50 V}{0,05 V /^{\circ} C}$

Für $U = 1,75 V$ ergibt sich $T = 25^{\circ} C$ .

Diese einfache Zwei-Punkt-Methode ist nur dann gut geeignet, wenn die Kennlinie im verwendeten Bereich ausreichend linear ist. Für einen NTC sind mehrere Kalibrierpunkte oder eine passende Kennlinienfunktion meist sinnvoller.

Mehrpunkt-Kalibrierung eines NTC

Referenztemperatur	Gemessene Spannung	Digitalwert	Abweichung bei späterer Prüfung
10 °C
20 °C
30 °C
40 °C
50 °C

G: Fülle die Tabelle mit Messwerten und zeichne Spannung gegen Temperatur.

M: Bestimme für zwei benachbarte Abschnitte jeweils die mittlere Empfindlichkeit.

E: Vergleiche eine einzige Ausgleichsgerade mit einer abschnittsweisen linearen Auswertung und begründe, welche Variante für Deine Daten besser passt.

Signalaufbereitung

Ein Sensorsignal ist häufig noch nicht direkt optimal für einen Mikrocontroller oder ein Messgerät. Unter Signalaufbereitung versteht man Schritte, die das Signal besser auswertbar machen.

Spannungsteiler: Wandelt die Widerstandsänderung eines LDR oder NTC in eine Spannungsänderung um.
Verstärker: Vergrößert kleine Spannungsänderungen, damit der verfügbare Eingangsbereich besser genutzt wird.
Filter: Verringert unerwünschte schnelle Störungen oder Rauschen.
Begrenzung: Schützt nachfolgende Elektronik vor zu hohen oder zu niedrigen Spannungen.
Analog-Digital-Umsetzer: Wandelt die analoge Spannung in eine digitale Zahl um.

Ein gut geplantes Messsystem nutzt den ADC-Bereich möglichst sinnvoll, ohne ihn zu übersteuern.

Messgeräte: Was zeigt welches Gerät?

Ein Multimeter eignet sich besonders für einzelne Spannungs-, Strom- und Widerstandsmessungen. Ein Oszilloskop zeigt dagegen, wie sich eine Spannung mit der Zeit verändert. So kannst Du Schwankungen, Rauschen oder schnelle Signaländerungen erkennen.

Ein Oszilloskop ist deshalb nützlich, wenn ein Sensor nicht nur einen stabilen Wert liefert, sondern schnelle Veränderungen untersucht werden sollen.

Brückenschaltungen als Erweiterung auf E-Niveau

Bei manchen Sensoren sind Widerstandsänderungen sehr klein. Dann kann eine Wheatstone-Brücke eingesetzt werden. Sie vergleicht Widerstandsverhältnisse und kann kleine Änderungen gut in eine messbare Differenzspannung umsetzen.

Das Prinzip wird zum Beispiel bei Dehnungsmessstreifen genutzt. Für Klasse 9 reicht es, die Idee zu verstehen: Eine kleine Widerstandsänderung wird durch eine geeignete Schaltung besser messbar gemacht.

Andere Sensorprinzipien: Thermoelement

Nicht jeder Sensor verändert nur einen Widerstand. Ein Thermoelement erzeugt aufgrund einer Temperaturdifferenz eine kleine elektrische Spannung.

Damit wird deutlich: Je nach Sensorprinzip kann das Primärsignal ein Widerstand, eine Spannung, ein Strom, eine Frequenz oder ein digitales Datenpaket sein.

Interaktive Simulationen

Simulation 1: Stromkreise und Messgeräte mit PhET

Mit dem virtuellen Gleichstrom-Labor kannst Du Widerstände, Spannungsquellen, Voltmeter und Amperemeter kombinieren. Baue zuerst einen einfachen Spannungsteiler mit zwei Widerständen und miss die Teilspannung.

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G-Auftrag: Verändere einen Widerstand und beobachte die Spannung.

M-Auftrag: Halte die Versorgungsspannung konstant und dokumentiere fünf Wertepaaren aus Widerstand und Ausgangsspannung.

E-Auftrag: Plane einen Spannungsteiler so, dass ein veränderlicher Widerstand im vorgesehenen Bereich möglichst große nutzbare Spannungsänderungen erzeugt, ohne die Spannungsgrenzen zu überschreiten.

Simulation 2: Was beeinflusst einen elektrischen Widerstand?

Diese PhET-Simulation zeigt anschaulich, wie Materialeigenschaften und geometrische Größen den Widerstand eines Leiters beeinflussen.

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Übertrage die Idee anschließend auf Sensoren: Auch bei Sensoren wird eine physikalische Veränderung genutzt, um eine elektrische Größe messbar zu verändern.

Simulation 3: Schaltungen mit Falstad

Im Falstad-Circuit-Simulator kannst Du einen Spannungsteiler aufbauen und Widerstandswerte während der Simulation verändern.

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Forscherauftrag: Baue eine 5-V-Quelle und zwei Widerstände in Reihe. Miss die Spannung am Verbindungspunkt. Verändere einen Widerstand und erstelle daraus eine eigene Kennlinie $U_{o u t} (R)$ .

Praktikum: Vom NTC zur digitalen Temperaturanzeige

Fragestellung

Wie wird die Temperatur eines NTC über einen Spannungsteiler in eine elektrische Spannung und anschließend in einen auswertbaren Zahlenwert umgewandelt?

Material

NTC: Ein für Schulversuche geeigneter NTC-Thermistor
Festwiderstand: Passend zum erwarteten NTC-Widerstandsbereich
Mikrocontroller: Zum Beispiel ein Arduino Uno oder vergleichbare Schulhardware
Multimeter: Für Kontrollmessungen
Referenzthermometer: Für die Kalibrierung
Wasserbäder: Kaltes, zimmerwarmes und mäßig warmes Wasser im sicheren Temperaturbereich

Aufbau

Schalte den NTC als oberen Widerstand eines Spannungsteilers und den Festwiderstand als unteren Widerstand gegen Masse. Miss die Spannung am Verbindungspunkt. Schließe diesen Punkt nur dann an einen Mikrocontroller-Eingang an, wenn die Spannung sicher innerhalb des zulässigen Eingangsbereichs liegt.

Durchführung

Referenzmessung: Miss mindestens fünf unterschiedliche Temperaturen mit dem Referenzthermometer.
Spannungsmessung: Notiere zu jeder Temperatur die Ausgangsspannung des Spannungsteilers.
Digitalisierung: Lies zu jeder Temperatur den ADC-Wert des Mikrocontrollers aus.
Kennlinie: Zeichne Spannung und ADC-Wert jeweils gegen die Temperatur.
Kalibrierung: Entwickle aus den Wertepaaren eine Umrechnung oder Kalibriertabelle.
Prüfung: Miss eine unbekannte Temperatur und vergleiche Dein Ergebnis mit dem Referenzthermometer.

Auswertung G/M/E

G: Beschreibe die Messkette in sechs Stationen und zeichne die gemessene Kennlinie.

M: Berechne die mittlere Empfindlichkeit in mindestens zwei Temperaturabschnitten und entscheide, ob sie gleich groß ist.

E: Untersuche, wie sich die Wahl des Festwiderstands auf Messbereich und Empfindlichkeit auswirkt. Begründe, welcher Widerstand für den gewünschten Temperaturbereich günstiger ist.

Typische Fehler und wie Du sie erkennst

Beobachtung	Mögliche Ursache	Prüfmöglichkeit
Digitalwert bleibt immer 0	Unterbrochene Verbindung oder Signal liegt bei 0 V	Spannung mit Multimeter prüfen
Digitalwert bleibt immer am Maximum	Eingang ist gesättigt oder falsch angeschlossen	Sensorspannung kontrollieren und Messbereich prüfen
Werte springen stark	Störungen, schlechte Kontakte oder schnelle Änderungen	Verkabelung prüfen, mehrere Werte vergleichen, gegebenenfalls filtern
Kennlinie ist anders als erwartet	Sensor vertauscht, anderer Sensortyp oder falsche Schaltung	Aufbau und Datenblatt vergleichen
Anzeige ist systematisch verschoben	Kalibrierung oder Referenzpunkt stimmt nicht	Mit bekannten Referenzwerten vergleichen

Zusammenfassung

Eine physikalische Größe ist zunächst noch kein elektronisch auswertbares Signal. Der Sensor reagiert auf die Messgröße und verändert oder erzeugt eine elektrische Größe. Bei LDR und NTC ist das zunächst der Widerstand. Ein Spannungsteiler wandelt diese Widerstandsänderung in eine Spannungsänderung um. Ein ADC kann die Spannung in eine digitale Zahl umsetzen. Eine Kalibrierung stellt anschließend den Zusammenhang zwischen der digitalen oder analogen Ausgangsgröße und der ursprünglichen Messgröße her.

Die Kennlinie zeigt den Zusammenhang grafisch. Der Messbereich beschreibt den sinnvoll nutzbaren Bereich. Die Empfindlichkeit beschreibt, wie stark sich das Ausgangssignal bei einer Änderung der Eingangsgröße verändert. Eine gute Messkette muss alle drei Aspekte zusammen betrachten.

Interaktive Aufgaben

Quiz: Teste Dein Wissen

Welche Aufgabe hat ein Sensor in einer Messkette? (Er reagiert auf eine Messgröße und erzeugt ein davon abhängiges Signal) (!Er erzeugt immer direkt einen fertigen Messwert mit Einheit) (!Er erhöht grundsätzlich die Versorgungsspannung) (!Er ersetzt jede Kalibrierung)

Welche Reihenfolge beschreibt eine typische Messkette am besten? (Messgröße Sensor Signalaufbereitung ADC Auswertung) (!ADC Messgröße Anzeige Sensor Signalaufbereitung) (!Anzeige Sensor Messgröße ADC Widerstand) (!Kalibrierung Anzeige Messgröße Batterie Sensor)

Wie verändert sich der Widerstand eines NTC bei steigender Temperatur? (Er wird kleiner) (!Er wird größer) (!Er bleibt immer gleich) (!Er wird sofort null)

Warum wird bei einem resistiven Sensor häufig ein Spannungsteiler verwendet? (Er wandelt eine Widerstandsänderung in eine Spannungsänderung um) (!Er erzeugt aus Gleichspannung automatisch Wechselspannung) (!Er macht jede Kennlinie linear) (!Er verhindert grundsätzlich alle Messfehler)

Was beschreibt die Empfindlichkeit eines Sensors? (Die Änderung des Ausgangssignals pro Änderung der Eingangsgröße) (!Die maximale Größe des Gehäuses) (!Die Anzahl der Anschlusskabel) (!Die Dauer einer Kalibrierung)

Was ist mit dem Messbereich gemeint? (Der Bereich in dem das Messsystem sinnvoll innerhalb festgelegter Grenzen arbeitet) (!Die Länge des Messkabels) (!Die Anzahl der Messgeräte im Raum) (!Die Zeit zwischen zwei Messungen)

Was geschieht bei einer Kalibrierung? (Das Sensorsignal wird mit bekannten Referenzwerten verglichen und zugeordnet) (!Der Sensor wird immer mechanisch verändert) (!Die Versorgungsspannung wird grundsätzlich verdoppelt) (!Alle Messabweichungen verschwinden automatisch)

Welche Aufgabe hat ein Analog Digital Umsetzer? (Er ordnet einem analogen Eingangssignal einen digitalen Zahlenwert zu) (!Er wandelt Temperatur direkt in Licht um) (!Er macht aus jedem Widerstand eine Batterie) (!Er misst nur digitale Signale)

Was bedeutet Sättigung bei einem Sensorsignal? (Das Ausgangssignal erreicht eine Grenze und reagiert kaum noch auf weitere Änderungen) (!Der Sensor ist besonders empfindlich) (!Der Messbereich wird automatisch größer) (!Die Kalibrierung wird genauer)

Welche Einheit passt zu einer Temperaturempfindlichkeit mit Spannungsausgang? (Volt pro Grad Celsius) (!Ohm pro Sekunde) (!Watt pro Meter) (!Ampere mal Kilogramm)

Memory

Messgröße	Zu erfassende physikalische Größe
Sensor	Reagiert auf die Messgröße
Kennlinie	Grafische Zuordnung von Eingang und Ausgang
Messbereich	Bereich mit sinnvoller Messfunktion
Empfindlichkeit	Änderung des Ausgangssignals pro Eingangsänderung
Kalibrierung	Vergleich mit bekannten Referenzwerten
Spannungsteiler	Wandelt Widerstandsänderung in Spannungsänderung
Analog Digital Umsetzer	Wandelt ein analoges Signal in eine digitale Zahl

Drag and Drop

Ordne die richtigen Begriffe zu.	Thema
Physikalische Größe	Messgröße
Veränderlicher Widerstand	Sensorsignal eines NTC
Elektrische Spannung	Ausgang eines Spannungsteilers
Digitale Zahl	Ausgang eines ADC
Temperatur in Grad Celsius	Kalibrierter Messwert

...

Kreuzworträtsel

Sensor	Welcher Baustein reagiert auf eine physikalische Messgröße?
Kennlinie	Wie heißt die grafische Darstellung von Eingangsgröße und Ausgangsgröße?
Messbereich	Wie heißt der Bereich in dem ein Messsystem sinnvoll eingesetzt werden kann?
Kalibrierung	Wie heißt der Vergleich eines Messsignals mit bekannten Referenzwerten?
Multimeter	Welches Messgerät kann unter anderem Spannung und Widerstand messen?
Spannungsteiler	Welche Schaltung kann eine Widerstandsänderung in eine Spannungsänderung umsetzen?

LearningApps

Lückentext

Die physikalische Größe, die bestimmt werden soll, heißt

.

Ein Bauteil, das auf diese Größe reagiert, nennt man

.

Bei einem NTC sinkt mit steigender Temperatur der elektrische

.

Ein Spannungsteiler kann eine Widerstandsänderung in eine Änderung der

umwandeln.

Die grafische Beziehung zwischen Eingangsgröße und Ausgangsgröße heißt

.

Der sinnvoll nutzbare Bereich eines Messsystems heißt

.

Die Signaländerung pro Änderung der Eingangsgröße beschreibt die

.

Beim Vergleich eines Sensors mit bekannten Referenzwerten entsteht eine

.

Ein ADC wandelt ein analoges Signal in einen digitalen

.

Erreicht ein Ausgangssignal seine Grenze und ändert sich kaum noch, spricht man von

.

Offene Aufgaben

Leicht

Messkette zeichnen: Zeichne für einen automatischen Nachtlichtschalter die Stationen von der Helligkeit bis zum Ein- oder Ausschalten einer LED und beschrifte jede Station.
Kennlinie beschreiben: Suche Dir die LDR- oder NTC-Kennlinie aus dem Lerntext aus und beschreibe in fünf Sätzen, was Du an ihr erkennst.
Messbereich untersuchen: Wähle an einem Schulmultimeter drei unterschiedliche Spannungsbereiche aus und erkläre, welcher Bereich für eine ungefähr 3-V-Sensorspannung sinnvoll ist.
Sensoren im Alltag: Fotografiere oder zeichne drei Geräte aus Deinem Alltag, in denen Sensoren eingesetzt werden, und vermute jeweils Messgröße und Sensorsignal.

Standard

LDR Experiment: Baue mit einem LDR und einem Festwiderstand einen Spannungsteiler auf, verändere die Beleuchtung in mindestens sechs Stufen und erstelle eine eigene Kennlinie.
NTC Kalibrierung: Miss mindestens fünf Temperatur-Spannungs-Paare, zeichne die Kalibrierkurve und bestimme die mittlere Empfindlichkeit in zwei Abschnitten.
Simulation Spannungsteiler: Untersuche in einer Simulation, wie drei unterschiedliche Festwiderstände die Ausgangsspannung eines Spannungsteilers beeinflussen, und begründe Deine Wahl für einen Sensoraufbau.
Messgeräte vergleichen: Vergleiche Multimeter und Oszilloskop für die Untersuchung eines langsam veränderlichen Sensorsignals und eines schnell schwankenden Sensorsignals.

Schwer

Digitale Messkette: Baue eine vollständige Messkette aus Sensor, Spannungsteiler, Mikrocontroller und Anzeige auf und dokumentiere Signalwerte an mindestens drei Stellen der Kette.
Nichtlinearität analysieren: Untersuche eine gekrümmte Sensorkennlinie und vergleiche eine einzige lineare Näherung mit einer abschnittsweisen linearen Auswertung.
Messsystem optimieren: Entwickle für einen vorgegebenen Temperaturbereich ein Konzept, das Messbereich und Empfindlichkeit sinnvoll ausbalanciert, und begründe die Wahl des Festwiderstands.
Sensorprodukt entwickeln: Entwirf einen Prototypen für einen Licht- oder Temperaturalarm, kalibriere ihn, lege einen Schwellwert fest und erstelle ein kurzes Erklärvideo, in dem Du die gesamte Messkette begründest.

Lernkontrolle

Sensorwahl begründen: Für ein Gewächshaus soll die Temperatur zwischen 10 °C und 45 °C überwacht werden. Begründe, welche Eigenschaften des Sensors, des Messbereichs und der Kalibrierung für die Auswahl wichtig sind.
Kennlinien vergleichen: Zwei Sensoren besitzen im gleichen Messbereich unterschiedliche Steigungen. Erkläre, welcher Sensor kleine Änderungen besser sichtbar macht und warum diese Aussage noch nichts über die Genauigkeit sagt.
Fehlersuche Messkette: Ein Mikrocontroller zeigt ständig den Maximalwert an, obwohl die Messgröße weiter verändert wird. Entwickle mindestens drei mögliche Ursachen und eine sinnvolle Reihenfolge zur Fehlersuche.
Kalibrierstrategie entwickeln: Ein NTC zeigt eine deutlich gekrümmte Kennlinie. Entscheide, ob Du mit zwei oder mehreren Referenzpunkten kalibrieren würdest, und begründe Deine Entscheidung.
Messbereich bewerten: Ein Sensor kann technisch 0 °C bis 150 °C erfassen, wird aber nur von 20 °C bis 30 °C eingesetzt. Erkläre, warum eine auf diesen kleinen Bereich angepasste Signalaufbereitung Vorteile haben kann und welches Risiko dabei entsteht.
Transfer Messsystem: Übertrage das Prinzip Messgröße → Sensorsignal → Signalaufbereitung → ADC → Messwert auf einen Kraftsensor oder Abstandssensor und beschreibe, welche Signalform Du jeweils erwartest.

Lernnachweis

Für einen Lernnachweis zu diesem Thema ist wichtig, dass Du nicht nur Begriffe auswendig kennst, sondern eine vollständige Messkette erklären und begründen kannst.

Messkette: Du kannst Messgröße, Sensor, Primärsignal, Signalaufbereitung, ADC, Kalibrierung und Anzeige in die richtige Reihenfolge bringen.
Kennlinie: Du kannst eine lineare oder nichtlineare Kennlinie lesen und Aussagen über Richtung, Steigung und Sättigung machen.
Messbereich: Du kannst einen geeigneten Messbereich auswählen und erklären, warum außerhalb dieses Bereichs keine verlässliche Aussage garantiert ist.
Empfindlichkeit: Du kannst die Empfindlichkeit aus zwei Messpunkten berechnen und mit passender Einheit angeben.
Kalibrierung: Du kannst eine Kalibrierung mit Referenzwerten planen, dokumentieren und von einer Justierung unterscheiden.
Spannungsteiler: Du kannst erklären, wie aus einer Widerstandsänderung eine auswertbare Spannungsänderung entsteht.
Analog Digital Umsetzer: Du kannst erklären, wie aus einer analogen Sensorspannung ein digitaler Zahlenwert entsteht.
Bewertung: Du kannst begründen, warum Messbereich, Empfindlichkeit, Auflösung und Kalibrierung zusammen betrachtet werden müssen.

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