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{{Begriffsklärungshinweis|Zum gleichnamigen Zelltyp siehe [[Rezeptor (Physiologie)|Rezeptor]].}} |
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[[Datei:Gas-Sensor.jpg|mini|Ein Sensor zur Detektion von Methan (oder anderer brennbarer Gase)]] |
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[[Datei:Pt100_Sensors.png|mini|Verschiedene Temperaturmessfühler]] |
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[[Datei:Light_sensor.png|mini|Verschiedene Helligkeitssensoren]] |
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[[Datei:Pepperl+Fuchs inductive proximity switch 3RG4113-3AG33-PF.jpg|mini|In der Industrie verwendeter induktiver Sensor, kapazitive Sensoren sind äußerlich identisch]] |
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Ein '''Sensor''' (von [[latein]]isch ''sentire'', dt. „fühlen“ oder „empfinden“), auch als '''Detektor''', (Messgrößen- oder Mess-)'''Aufnehmer''' oder (Mess-)'''Fühler''' bezeichnet, ist ein technisches Bauteil, das bestimmte physikalische oder chemische [[Eigenschaft]]en (physikalisch z. B. [[Wärme]]menge, [[Temperatur]], [[Feuchtigkeit]], [[Druck (Physik)|Druck]], [[Schallfeldgrößen]], [[Helligkeit]], [[Beschleunigung]] oder chemisch z. B. [[pH-Wert]], [[Ionenstärke]], [[elektrochemisches Potential]]) und/oder die stoffliche Beschaffenheit seiner Umgebung [[Qualität|qualitativ]] oder als [[Messgröße]] [[Quantität|quantitativ]] erfassen kann. Diese Größen werden mittels physikalischer oder chemischer Effekte erfasst und in ein weiterverarbeitbares [[elektrisches Signal]] umgeformt. |
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Für die [[Messtechnik]] wird in [[DIN 1319]]-1 der Begriff '''Aufnehmer''' (Messgrößen-Aufnehmer) verwendet und definiert als der Teil einer [[Messeinrichtung]], der auf eine Messgröße unmittelbar anspricht. Damit ist der Aufnehmer das erste Element einer [[Messeinrichtung#Messkette|Messkette]]. Gemäß DIN 1319-2 gehört der Aufnehmer zu den [[Messumformer]]n, bei gleicher physikalischer Größe an Eingang und Ausgang auch zu den [[Messwandler]]n. |
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Die Abgrenzung der Begriffe ''Sensor'' und ''Messgrößenaufnehmer'', ''Messfühler'', ''[[Messgerät]]'', ''Messeinrichtung'' etc. ist fließend, da dem Sensor zusätzlich zum eigentlichen Aufnehmer teilweise weitere Elemente der Messkette zugeordnet werden. Auch verwandte Begriffe sind in der Literatur nicht eindeutig definiert. |
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== Einteilung == |
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Sensoren können nach Baugröße und Fertigungstechnik sowie nach Einsatz- und Verwendungszweck eingeteilt werden. Zudem unterscheidet man Sensoren entsprechend ihrer Wirkungsweise beim Umformen der Größen in passive und aktive Sensoren. |
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=== Passive und aktive Sensoren === |
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Sensoren lassen sich anhand der Erzeugung oder Verwendung elektrischer Energie in aktive und passive Sensoren einteilen. Neben der nicht eindeutigen Definition des Begriffs Sensor sind hier sogar widersprüchliche Bezeichnungen gebräuchlich, – je nachdem, ob der Aufnehmer aktiv ein elektrisches Signal erzeugt, oder ob durch äußere Energieaufnahme die Aktivität dazu entsteht. |
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'''Aktive Aufnehmer''' erzeugen aufgrund des [[Messprinzip]]s ein elektrisches Signal, z. B. [[Elektrodynamik|elektrodynamisch]] oder [[Piezoelektrizität|piezoelektrisch]]. Dabei wird keine elektrische [[Hilfsenergie]] benötigt; in Blick auf die Energieverwendung handelt es sich um '''passive Sensoren'''. Mit diesen Sensoren ist oft – bedingt durch die physikalischen Prinzipien – jedoch nur eine ''Änderung'' der Messgröße detektierbar, da im statischen und [[quasistatisch]]en Zustand keine Energie geliefert werden kann. Eine Ausnahme ist z. B. das [[Thermoelement]], das auch bei konstanter Temperaturdifferenz ständig Spannung erzeugt. |
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Außerdem sind aktive Aufnehmer in Umkehrung des physikalischen Messprinzips auch als [[Aktor]]en nutzbar, z. B. kann ein dynamisches Mikrofon auch als Lautsprecher verwendet werden. |
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'''Passive Aufnehmer''' enthalten [[Elektrisches Bauelement|passive Bauteile]], deren Parameter durch die Messgröße verändert werden. Durch eine Primärelektronik werden diese Parameter in elektrische Signale umgeformt. Dabei wird eine von außen zugeführte Hilfsenergie benötigt. Bei Zusammenfassung des Aufnehmers mit der umformenden Stufe in den Begriff Sensor kann von '''aktiven Sensoren''' gesprochen werden. Mit diesen ist es möglich, statische und quasistatische Messgrößen zu bestimmen. Aus diesem Grund ist die überwiegende Zahl der Aufnehmer passiver Bauart. Beispiele sind [[Wägezelle]]n, [[Widerstandsthermometer]] oder [[Dehnungsmessstreifen]]. |
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Moderne Sensoren verfügen oft über eine umfangreiche Sekundärelektronik, die über von außen zugeführte Energie betrieben wird. Dennoch sind nicht alle diese Sensoren aktiv, vielmehr muss das Messverfahren selbst betrachtet werden. |
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=== Nach Messprinzip/Wirkprinzip === |
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{{Hauptartikel|Sensoren nach Messprinzip}} |
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Sensoren lassen sich nach dem Wirkprinzip einordnen, welches dem Sensor zugrunde liegt. Für jedes Wirkprinzip gibt es eine Unmenge an Anwendungen. Im Folgenden sind einige Wirkprinzipien und Anwendungsfälle exemplarisch aufgeführt. Die Liste ist nicht vollständig. |
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{| class="wikitable" |
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!Wirkprinzip |
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!Beispiel |
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|Mechanisch |
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|[[Manometer]], [[Dehnungshebel]], [[Federwaage]], [[Hebelwaage]], [[Thermometer]] |
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|Thermoelektrisch |
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|[[Thermoelement]] |
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|Resistiv |
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|[[Dehnungsmessstreifen|Dehnungsmessstreifen (DMS)]], Hitzdraht, Halbleiter-DMS, Pt100 |
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|- |
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|Piezoelektrische |
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|[[Beschleunigungssensor]] |
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|- |
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|[[Kapazitiver Sensor|Kapazitiv]] |
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|Drucksensor, Regensensor |
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|Induktiv |
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|[[Inklinometer]], Kraftsensor, Wegaufnehmer |
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|Optisch |
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|[[CCD-Sensor]], [[Photozelle|Fotozelle]] |
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|- |
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|Magnetisch |
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|[[Hall-Sensor|Hall-Sensoren]], Reed Kontakt |
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|} |
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=== Nach Verwendungszweck === |
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Sensoren, die [[Strahlungsdetektor|Strahlung]] (z. B. [[Licht]], [[Röntgenstrahlung]] oder [[Elementarteilchen|Teilchen]]) nachweisen, bezeichnet man als [[Strahlungsdetektor|Strahlungs-]] bzw. [[Teilchendetektor]]en. Auch ein normales [[Mikrofon]] ist ein Sensor für den [[Schalldruck|Schallwechseldruck]]. |
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Des Weiteren unterscheiden sich Sensoren in verschiedenen Auflösungsarten: |
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* [[temporal]]e Auflösung: Zeit zwischen zwei Aufnahmen. |
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* [[Elektromagnetisches Spektrum|spektrale]] Auflösung: Bandbreite der Spektralkanäle, Anzahl der verschiedenen Bänder. |
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* [[Radiometrie|radiometrische]] Auflösung: Kleinste Differenz der Strahlungsmenge, die der Sensor unterscheiden kann. |
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* [[geometrisch]]e Auflösung: räumliche Auflösung, d. h. Größe eines Pixels. |
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=== Nach Standard === |
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* [[NAMUR-Sensor]] (Normenarbeitsgemeinschaft für [[Messtechnik|Mess-]] und [[Regeltechnik]] in der chemischen Industrie) |
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* [[Kerntechnischer Ausschuss|KTA]]-geprüfte Sensoren für den Einsatz in [[Kernkraftwerk]]en |
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=== Virtuelle Sensoren === |
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[[Virtueller Sensor|Virtuelle Sensoren]] (oder auch [[Softsensor|Softsensoren)]] sind nicht körperlich existent, sondern sind in Software realisiert. Sie „messen“ (berechnen) Werte, welche aus den Messwerten realer Sensoren mit Hilfe eines empirisch erlernten oder physikalischen Modells abgeleitet werden. Virtuelle Sensoren werden für Anwendungen eingesetzt, in denen reale Sensoren zu teuer sind, oder in Umgebungen, in denen reale Sensoren nicht bestehen können oder schnell verschleißen. Weitere Anwendungsfälle sind Prozesse, in denen die gewünschten Werte nicht messbar sind, da es hierfür keine im Prozess einsetzbaren Hardware-Sensoren gibt oder wenn der Prozess nicht für Kalibrierung und Wartung klassischer Sensoren angehalten werden kann. Virtuelle Sensoren werden in der chemischen Industrie bereits eingesetzt und erschließen sich zunehmend Anwendungen in weiteren Industriezweigen wie z. B. der Kunststoffindustrie.<ref>Kugler, C.; Hochrein, T.; Bastian, M.; Froese, T: ''Verborgene Schätze in Datengräbern.'' In: ''QZ Qualität und Zuverlässigkeit.'' 3, 2014, S. 38–41.</ref> |
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=== Digitale Sensoren === |
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Im Bereich der Automatisierung werden analoge Systeme der [[Regelungstechnik]] zunehmend von digitalen Systemen verdrängt. Daher steigt der Bedarf an Sensoren, deren Ausgangssignal ebenfalls digital ist. Ein einfacher Aufbau ergibt sich, wenn der [[Analog-Digital-Umsetzer|A/D-Umsetzer]] in das eigentliche Sensorsystem eingebunden wird. |
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Dies kann zum Beispiel auf der Grundlage der [[Delta-Sigma-Modulation]]stechnik basieren und dadurch viele Vorteile bieten: |
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* direkt ermitteltes digitales Ausgangssignal (keine Störungen zwischen Sensor und ADU) |
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* hohe Linearität durch vorhandene Rückkopplung |
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* ständiger Selbsttest ohne zusätzlichen Schaltungsaufwand durch benutzen des Limit Cycle der Sigma-Delta-Technik |
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* hohe Amplitudenauflösung und Dynamik |
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Nachteilig ist, dass die so erzeugte PWM oft nicht direkt ausgewertet werden kann und erst gefiltert werden muss. Dies kann durch ein analoges Filter und anschließender ADU oder völlig digital geschehen. Zudem ist der Übertragungsweg zum auswertenden System analog und damit störanfällig. Einfache Sensoren für Druck und Temperatur besitzen daher einen echten digitalen Datenausgang mit Anbindung über einen seriellen oder parallelen Bus. Weit verbreitet sind hier: |
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* [[I²C]] |
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* SPI |
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=== Molekulare Sensoren === |
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Molekulare Sensoren beruhen auf einem einzelnen Molekül, das nach Bindung eines weiteren Moleküls oder durch Bestrahlung mit Photonen unterschiedliche Eigenschaften aufweist, die dann ausgelesen werden können. Mit [[Fluoreszenzmarkierung|fluoreszenzmarkierten]] Sensoren können über die Änderung des [[Emissionsspektrum]]s mehr als zwei Zustände erfasst werden.<ref name="DOI10.1002/ange.201206374">Bhimsen Rout, Linor Unger, Gad Armony, Mark A. Iron, David Margulies: ''Medication Detection by a Combinatorial Fluorescent Molecular Sensor.'' In: ''Angewandte Chemie.'' 124, 2012, S. 12645–12649, {{DOI|10.1002/ange.201206374}}.</ref> Dadurch kann ein solcher Sensor auch als molekulares [[Schließsystem]] verwendet werden.<ref name="DOI10.1021/ja4081748">Bhimsen Rout, Petr Milko, Mark A. Iron, Leila Motiei, David Margulies: ''Authorizing Multiple Chemical Passwords by a Combinatorial Molecular Keypad Lock.'' In: ''Journal of the American Chemical Society.'' 135, 2013, S. 15330–15333, {{DOI|10.1021/ja4081748}}.</ref> |
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== Anwendungsgebiete == |
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Der Begriff Sensor wird in der [[Technik]] und in den Lebenswissenschaften ([[Biologie]] und [[Medizin]]) verwendet, seit einigen Jahren verstärkt auch in den [[Naturwissenschaft]]en. Beispiel für letztere sind Anwendungen von [[CCD-Sensor|CCD]]-[[Bildsensor]]en und Teilchenzähler in der [[Astronomie]], [[Geodäsie]] und [[Raumfahrt]]. |
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In der Technik spielen Sensoren in [[Automatisierungstechnik|automatisierten Prozessen]] als [[Signal]]geber eine wichtige Rolle. Die von ihnen erfassten Werte oder Zustände werden, meistens [[Elektrotechnik|elektrisch]]-[[Elektronik|elektronisch]] [[Verstärker (Technik)|verstärkt]], in der zugehörigen [[Steuerungstechnik|Steuerung]] verarbeitet, die entsprechende weitere Schritte auslöst. In den letzten Jahren wird diese anschließende Signalverarbeitung auch zunehmend im Sensor vorgenommen. Solche Sensoren beinhalten einen [[Mikroprozessor]] oder ein Mikrosystem und besitzen sozusagen „Intelligenz“, daher werden sie auch als [[Smart-Sensor]]en (engl. ''{{lang|en|smart sensors}}'') bezeichnet. |
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== Siehe auch == |
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* [[Temperatursensor]] |
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* [[Abstandssensor]] |
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* [[Drucksensor]] |
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* [[Gassensor]] |
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* [[Biosensor]] |
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* [[Feldgerät]] |
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* [[Sensornetz]] |
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* [[BiSS Interface]] |
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* [[Sensorpartikel]] |
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=== Signalaufbereitung === |
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Typische Verstärker zur Signalaufbereitung: |
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* [[Instrumentierungsverstärker]] |
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* Isolierverstärker |
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* [[Chopper-Verstärker]] |
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* [[Lock-In-Verstärker]] |
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=== Sensorübersichten === |
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* [[Sensoren nach Messprinzip]] |
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* [[Sensoren nach Messgröße]] |
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== Literatur == |
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* {{Literatur | Autor=Edmund Schiessle | Titel=Sensortechnik und Messwertaufnahme | Verlag=Vogel | Ort=Würzburg | Jahr=1992 | ISBN= 3-8023-0470-5}} |
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* {{Literatur | Autor=Jörg Hoffmann | Titel=Taschenbuch der Messtechnik | Auflage=5. | Verlag=Hanser Verlag | Ort=Leipzig | Jahr=2007 | ISBN=3-446-40993-9}} |
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* {{Literatur | Autor=Wolf-Dieter Schmidt | Titel=Sensorschaltungstechnik | Auflage=3. | Verlag=Vogel | Ort=Würzburg | Jahr=2007 | ISBN=3-8342-3111-8}} |
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* {{Literatur | Autor= Günter Spanner | Titel=Lernpaket "Sensortechnik" | Verlag=Franzis | Ort=Poing | Jahr=2009 | ISBN= 978-3-7723-5547-9 }} |
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* {{Literatur | Autor=Hochrein, T., Alig, I. | Titel=Prozessmesstechnik in der Kunststoffaufbereitung | Verlag=Vogel | Ort=Würzburg | Jahr=2011 | ISBN=978-3-8343-3117-5}} |
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== Weblinks == |
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{{Wiktionary|Sensor}} |
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== Einzelnachweise == |
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<references /> |
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[[Kategorie:Metrologie]] |
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[[Kategorie:Sensor| ]] |
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[[Kategorie:Mikrosystemtechnik]] |
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Version vom 29. September 2016, 21:52 Uhr
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