Feine Veränderungen mit wenig Rechenaufwand messen So werden günstige Sensoren intelligent

Möchte man kleinste Unterschiede in der Veränderung des Erdmagnetfelds messen, braucht man hochempfindliche Sensoren und einen großen Computer, der die gemessenen Signale des Sensors auch verarbeiten kann. Bisher. Denn ein Team aus Wissenschaftlern um den Professor für Nanostrukturforschung Uwe Hartmann hat nun eine Methode entwickelt, wie man mit sehr günstigen, konventionellen Sensoren und ohne großen Rechenaufwand auch feinste Veränderungen messen kann.

„Das ist nun kein sehr praxisrelevantes Beispiel, aber wir konnten jüngst etwa die Vorbeifahrt eines Zuges in Scheidt von hier aus registrieren“, erläutert Physiker Uwe Hartmann. „Hier“ ist in seinem Institut auf dem Saarbrücker Campus. Die Bahnlinie in Scheidt liegt laut Google Maps circa 1,25 km Luftlinie entfernt. Das heißt, der Sensor, den sein Team entwickelt hat, registrierte die Veränderung des Magnetfeldes, die der vorbeifahrende Zug verursachte, über diese Distanz.

Sparsamer Ansatz statt High-Tech-Sensoren

Dabei haben die Wissenschaftler aber keine High-Tech-Sensoren verwendet, sondern günstige Technik für wenige Euro. Das Geheimnis liegt in der Programmierung der Hardware, welche die Signale des Sensors auswertet. Für diese ist der Informatiker Ishwar Mudraje verantwortlich.

„Wir haben die Künstliche Intelligenz so programmiert, dass sie nicht alle Messsignale ungefiltert berechnen muss, sondern nur die Abweichungen vom Normalzustand“, erklärt der Informatiker. Somit spart man sich einen erheblichen Rechenaufwand, da der Großteil der Messung gar nicht erst in die Rechenoperationen mit einfließen muss.

Anders formuliert: Auf dem Weg vom Sensor zum Prozessor entsteht eine erheblich geringere Menge „Datenmüll“, den niemand durchforsten muss. Der zweite sparsame Ansatz: „Die Künstliche Intelligenz lernt mit der Zeit, Signale voneinander zu unterscheiden“, so Mudraje weiter.

Sensortechnik „auf neue Füße stellen“

Die Wissenschaftler demonstrieren dies am Beispiel eines Zaunes, der mit einem Sensorkabel verbunden ist. Der Zaun ist ein alter Bekannter. Uwe Hartmann hat mit dem Ausstellungsstück schon häufig die Wirksamkeit verschiedener Sensoren vorgeführt. Neu ist dieses Jahr aber die Sensortechnik.

„Wir haben im Sensorkabel, das im Zaun integriert ist, mehrere eigenständige Sensoren mit unserer intelligenten Programmierung auf einer einfachen Hardware miteinander vernetzt, so dass sie den Zaun an jeder Stelle überwachen können“, erklärt Magnetismus-Experte Hartmann.

Ein einfacher Roboter, der simulieren kann, ob jemand über den Zaun klettert oder an ihm rüttelt, kommt dabei zum Einsatz, um die Versuche reproduzierbar und nachvollziehbar zu machen. „Am Ende konnten die vernetzten Sensoren mit 87,5 Prozent Wahrscheinlichkeit korrekt auseinanderhalten, ob ‚jemand‘, also der Roboter, am Zaun rüttelt oder ihn zu überklettern versucht“, erläutert Uwe Hartmann. Die Sensoren haben mit der Zeit gelernt, die Bewegungsmuster, die der Roboter verursacht, auseinanderzuhalten.

Auf diese Weise könnte heutige hochempfindliche Sensortechnik auf ganz neue Füße gestellt werden. „Denn heutige hochempfindliche Sensoren sind sehr teuer und brauchen zudem eine leistungsfähige Hardware“, so der Physiker. Sprich: Die teuren Sensoren müssen ihre Daten an ebenso teure Computer schicken, die oft in der Nähe stehen müssen. Das macht die Sensorik in vielen Bereichen noch sehr eingeschränkt nutzbar.

Man denke zum Beispiel an Sensoren, die Geodaten in entlegenen Gegenden der Erde messen und auswerten sollen. Die teure Sensor- und Computertechnik dort aufzustellen und zu warten, ist ein Vorhaben, das viele Anwendungen im Vorhinein zum Scheitern verurteilt.

„Man könnte nun drahtlos verbundene Sensornetzwerke platzieren, die mit autarker Energieversorgung jahrelang Daten sammeln und auswerten, ohne dass man dafür eine aufwändige Infrastruktur vorhalten und aufrecht erhalten müsste“, blickt Uwe Hartmann in die Zukunft. Aktivitäten der Sonne könnten beispielsweise auf diese Weise gemessen werden. Bei einem Sonnensturm, den die Sensoren feststellen können, kann es zum Beispiel zu Störungen der Strom-Infrastruktur auf der Erde kommen. Mit genaueren Messungen kann man diese möglicherweise verhindern.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten

„Ich sehe aber auch ein großes Anwendungsfeld in der Medizintechnik und im Maschinenbau“, so Uwe Hartmann weiter. Günstige und kleine Sensoren können Veränderungen der Herz- und Hirnaktivitäten messen, genauso wie sie zum Beispiel Schäden von Windanlagen vorhersagen können. „Davor kommt es oft zu Veränderungen im Vibrationsmuster einer Windkraftanlage. Mit unseren Sensoren könnte man diese Veränderungen bereits im Vorfeld auf eine einfache und kostengünstige Art feststellen.“

Die Wissenschaftler demonstrieren ihre Technologie nun mit Magnetfeldsensoren. „Aber die Herangehensweise ist übertragbar auf jede Art von Sensor, seien es Magnetfeldsensoren, Beschleunigungs-, Bewegungs- oder andere Sensoren. Es kommt auf die intelligente Programmierung an“, so Uwe Hartmann.

Mitglieder der Saar-Universität stellt diese Technologie bei der Hannover Messe vor: Zu finden ist die Gruppe um Uwe Hartmann in Halle 2 am Stand B28 zu finden.