Sensor- und Messtechnik: Treibstoff für die Digitalisierung

Digitalisierung braucht Information – hierfür messen und prüfen immer leistungsfähigere Sensoren, Mess- und Prüftechnologien ihre Umgebung, übertragen ihre Ergebnisse in präzise Daten und bilden damit die Grundlage zahlreicher digitalisierter Prozesse.

Auf der Sensor+Test 2019 in Nürnberg präsentieren neun Fraunhofer-Institute vom 25. bis 27. Juni ihre Forschungsergebnisse und Entwicklungen aus dem Umfeld der Sensorik, Mess- und Prüftechnik am Stand 248 in Halle 5.

Ob Gestenerkennung, kontaktlose Materialprüfung oder künstliche Beatmung – im Zeitalter der Digitalisierung beruhen zahlreiche Innovationen auf der Übertragung von Informationen aus der realen in die digitale Welt. Sensoren sowie Mess- und Prüftechnologien kommt damit die Funktion einer Schlüssel- und Querschnittstechnologie zu, die die Grundlage für neue Entwicklungen ist.

Auf der Sensor+Test, dem weltweit führenden Forum in diesem Bereich, zeigt Fraunhofer auch in diesem Jahr sein umfassendes Technologieportfolio aus unterschiedlichsten Forschungsfeldern.

Erweitertes Spektrum in der kontaktlosen Materialprüfung

Terahertzstrahlung wird zunehmend in der industriellen Prozessüberwachung und Ma­terialüberprüfung eingesetzt. Lackschichtdicken, Strukturen von Polymerkomponenten oder Fehlerstellen in nichtleitenden Materialien können kontaktlos untersucht werden. Das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI zeigt die nächste Generation eines fasergekoppelten Terahertztransceivers.

Dieser integrierte Sensorkopf ermöglicht Reflexionsmessungen orthogonal zur Probenoberfläche und kann direkt mit kommerziell erhältlichen Terahertzsystemen betrieben werden.

Maschinenausfälle, Fertigungsfehler und teuren Prüfschrott reduzieren

Das Fraunhofer-Institut für Digitale Medientechnologie IDMT zeigt, wie durch hörbare Produkt- und Prozesseigenschaften und maschinellen Lernverfahren eine berührungslose und zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Werkstücken und Bauteilen durchgeführt werden kann.

Anhand interaktiver Exponate erfahren die Besucherinnen und Besucher mehr über das Verfahren, mit dem sowohl Produktionsprozesse als auch die Produktqualität in der End-of-Line Kontrolle überwacht werden können.

Minimale Schwingungen für Energieversorgung von Sensoren nutzen

Die Stromversorgung von drahtlosen Sensoren ist eine der Herausforderungen des Internet of Things (IoT) – daher arbeitet das Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS an Energy Harvesting Lösungen. Bereits kleinste Vibrationen von gerade einmal 100 mg bei 60 Hertz reichen dem Vibrationswandler, um so viel elektrische Energie zu generieren, dass mehrere Sensoren damit betrieben werden können und sie sekündlich die Daten übertragen können.

Der entwickelte Maximum Power Point Tracker steuert die Regelkreise der Spannungswandler effektiv und garantiert so eine maximale Leistungsausbeute. Mit Energy Harvesting wird der Akku während des Betriebs nachgeladen und ermöglicht eine unbegrenzte Betriebs­zeit von IoT-Sensoren ohne Stromkabel oder Batteriewechsel.

Optische Filter in CMOS für kostengünstige Chip-Size-Spektrometer

Aufgrund der hohen Kosten für multispektrale Sensoren mit mehr als sechs spektralen Kanälen finden diese in vielen preissensitiven Märkten keine Anwendung. Die am Fraunhofer IIS entwickelte nanoSPECTRAL-Technologie basiert auf optischen Nanostrukturen und ermöglicht eine sehr kostengünstige monolithische Herstellung der benötigten optischen Filter direkt in CMOS-Halbleiterprozessen, zusammen mit den optischen Sensorelementen.

Das auf der Messe gezeigte Chip-Size-Spektrometer weist bereits mehr als 30 Kanäle auf und ist damit z. B. für Agraranwendungen, Analytik, Nahrungsmittelanalyse und medizinische Anwendungen geeignet.

Sanftere künstliche Beatmung

Um die künstlichen Beatmung für einen Patienten so schonend wie möglich zu gestalten, müssen eine Vielzahl von Parametern am Beatmungsgerät patientenindividuell, dynamisch und sehr präzise geregelt werden. Kritisch ist dies insbesondere bei der Beatmung von Frühgeborenen oder Kleinkindern, wo das zu beatmende Volumen teilweise nur wenige Milliliter beträgt und schon geringe Überdrücke zu einer Schädigung der kleinen Lunge führen können.

Beatmungsgeräte müssen daher zum Beispiel in der Lage sein, in Sekundenbruchteilen auf spontane Atemimpulse des Patienten reagieren zu können. Das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA stellt ein neues Verfahren vor, bei der Atembewegungen quasi-berührungslos und nahezu latenzfrei registriert werden können. Dies eröffnet die Perspektive für eine hochangepasste und lungenschonende Beatmung, insbesondere auch von kleinen Patienten.

Gestenerkennung durch Ultraschall

Ein Forscherteam am Fraunhofer-Institut für Photonische Mikrosysteme IPMS nutzt eine neue Klasse mikromechanischer Ultraschallwandler für die zuverlässige Erkennung dreidimensionaler Abstandsänderungen, Bewegungsmuster und Gesten im Bereich bis zu einem halben Meter.

Die sehr kleinen und kostengünstig herstellbaren Bauelemente erzeugen hohe Schalldrücke und bieten ein flexibles Frequenzdesign für eine optimale Abstimmung zwischen Abstand und Empfindlichkeit. Mögliche Anwendungsfelder der berührungslosen Bewegungserkennung sind in der Automatisierungs- und Sicherheitstechnik ebenso zu finden wie in der Medizintechnik, Automobilindustrie oder Unterhaltungs- und Haushaltselektronik.

Das Fraunhofer IPMS zeigt auf der Sensor+Test einen ersten Funktionsdemonstrator.

Minilabor für die Überwachung der Wasserqualität

Ein autonomes Kontrollsystem erkennt mit höchster Selektivität und Empfindlichkeit im Mikromol-Bereich geringste Mengen bestimmter chemischer Substanzen in Abwässern. Ein solches Minilabor kann beispielsweise bei der Bewertung der Gewässergüte eingesetzt werden. Hauptbestandteil des Minilabors ist ein chemischer Sensor, der aufgrund der eingesetzten Mikrofluidik-Technologie sehr kompakt ist.

Das Laborsystem wurde somit auf die Größe einer Handfläche reduziert, so dass es ohne menschlichen Eingriff in Abwässern betrieben werden kann. An dem europäischen Projekt sind neben dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM und dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS neun weitere Konsortialpartner beteiligt.

Leistungsfähiger Wasserstoffsensor

Das Fraunhofer-Institut für Chemische Technologie ICT hat gemeinsam mit der Firma LAMTEC im Rahmen eines öffentlich geförderten Verbundprojekts einen Wasserstoffsensor mit höchster Empfindlichkeit aufgebaut. Der LHyCon-Wasserstoffsensor (Low Hydrogen Concentration measurement sensor) kann Standard-Lecksuchverfahren mit Helium ersetzen, ist hochempfindlich und dazu noch deutlich günstiger als andere Verfahren von vergleichbarer Leistungsfähigkeit.

LHyCon wurde vom Projektträger Karlsruhe betreut und vom BMBF im Rahmen des Programmes KMU-innovativ gefördert. Projektpartner und Mitaussteller auf der Sensor+Test 2019 ist LAMTEC Mess- und Regeltechnik für Feuerungen GmbH & Co. KG.

www.fraunhofer.de

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