Sensorik und Analytik

Forschungsschwerpunkt Sensorik und Analytik

Mit dem Schwerpunkt "Sensorik und Analytik" ist die Hochschule Coburg auf der HRK-Forschungslandkarte vertreten. In ihm sind folgende Kompetenzen gebündelt: Mess- und Sensortechnik, instrumentelle und datengetriebene Analytik, virtuelle und erweiterte Realität, Modellierung, Akustik, Optik, Mikrofluidik, Bioanalytik und Baukonstruktionen.

Messinstrumente und Sensoren bestimmen die moderne Technik. Sie sind in unseren Kraftfahrzeugen ebenso zu finden wie in der Bioanalytik und der Hochspannungstechnik. Entsprechend weit gefächert sind auch die Themen des Forschungsschwerpunktes. Die Forscherinnen und Forscher beschäftigen sich mit der Erfassung physikalischer Größen ebenso wie mit biologischen und chemischen Prozessen sowie den Bewegungsabläufe oder der Aufenthaltsdauer von Gegenständen oder Menschen in einem Messbereich.

Dabei geht es sowohl um grundlegende physikalische, biologische oder chemische Fragestellungen, als auch um die Entwicklung konkreter Anwendungen. Dies geschieht im Rahmen von öffentlichen Förderprojekten und in Form von Projekten mit industriellen Kooperationspartnern. Ein Überblick über die aktuellen und vor kurzem abgeschlossenen öffentlich geförderten Projekte ist hier zu finden.

Forschungsgebiete

Sensorik

Sensoren sind Schlüsselelemente, die sowohl in industriellen Anwendungen als auch im alltäglichen Leben essentiell für den reibungslosen Ablauf technologischer Prozesse sorgen. Optische, akustische, elektrochemische und drahtlose Sensorik sowie die Mess- und Sensortechnik sind die Kernelemente, auf die sich die Forschung an der Hochschule in diesem Bereich fokussiert. Entwicklungsherausforderungen liegen darin, Prozesse und Abläufe effizient und zukünftig noch ressourcenschonender zu gestalten. Sensorik bietet die Plattform für erweiterte Funktionalitäten, gesteigerte Zuverlässigkeit, Sicherheit sowie Komfort.

Optische Sensorik

Die bekanntesten optischen Sensoren sind Bildsensoren. Sie befinden sich in digitalen Foto- und Handykameras sowie Barcode-Scannern. Doch auch in der Automatisierungstechnik kommen optische Sensoren zum Einsatz, beispielsweise zur Lage- oder Abstandsmessung. Auf diesem Gebiet forschen mit den Schwerpunkten

  • Prof. Dr. Michael Wick: Optik-Simulation
  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Photoakustik, Spektroskopie
  • Prof. Dr. Matthäus Brela: Magnetooptische Sensoren zur Materialprüfung
  • Prof. Dr. Thorsten Uphues: Spektroskopische Methoden, Lasertechnik, Ultrakurzpuls Laserphysik, Femto- und Attosekundenphysik, EUV Technologie, (Nano-) Photonik, (Nano-) Plasmonik, Entwicklung KI-basierter Bildverarbeitungsalgorithmen

Akustische Sensorik

Das Institut für Sensor- und Aktortechnik ISAT der Hochschule betreibt Forschung auf dem Gebiet der nicht-invasiven Ultraschallsensorik mit Schwerpunkt „geführte akustische Wellen“. Darunter sind Ultraschallwellen zu verstehen, die sich an der Oberfläche eines Substrats ausbreiten. Sie können beispielsweise genutzt werden, um sensorisch Materialien zu charakterisieren und Risse im Substrat zu detektieren. Auf dem Gebiet der Akustischen Sensorik forscht

  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Füllstandsüberwachung, Durchflussüberwachung, Schicht- und Ablagerungsdetektion, Konzentrationsmessung, Metamaterialien für die Sensorik, Spaltmessungen, Akustische Qualitätskontrolle (Resonanz Analysen)

Elektrochemische Sensorik

Auf dem Gebiet der elektrochemischen Sensorik forschen mit folgenden Schwerpunkten:

  • Prof. Dr. Gerd-Uwe Flechsig: Elektrochemische Analysemethoden (Voltammetrie, Amperometrie, Coulometrie, Potentiometrie), Thermoelektrochemie (geheizte Elektroden, elektrochemische Kinetik und Thermodynamik), Nanostrukturierte elektrochemische Sensoren
  • Prof. Dr. Conrad Wolf: Elektrochemische Charakterisierungsmethoden (Cyclovoltammetrie, Elektrochemische Impedanzspektroskopie), Modellierung und Simulation elektrochemischer Systeme (stationär sowie im Zeit- und Frequenzbereich), Modellierung und Simulation poröser Mikrostrukturen (Pore Scale Modeling), Akustische Manipulation elektrochemischer Prozesse
  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Ladezeitverkürzung von Batterien, Beschleunigung von Galvanischen Abscheidungen, Beschleunigung elektrochemischer Prozesse z.B. Elektropolieren

Drahtlose Sensorik

Auf dem Gebiet der Drahtlosen Sensorik forschen Prof. Dr. Thomas Wieland und sein Team. Ausgehend von einer Messaufgabe wählen sie geeignete Sensoren aus, sie entwickeln Lösungen für den Datentransfer und berücksichtigen dabei IT-Sicherheitsaspekte. Prof. Wieland leitet das Labor für Mobile Computing und Identitätsmanagement der Hochschule Coburg. Er bearbeitet mit seinem Team Themengebiete wie die zuverlässige, drahtlose Datenübertragung, selbstorganisierende Sensornetze sowie die Lokalisierung in drahtlosen Netzen. Schwerpunkte sind Mobile und Pervasive Computing, Telematik, Identitätsmanagement, Smartcards, Internet der Dinge, IT-Sicherheit

Mess- und Sensortechnik

Die Messtechnik befasst sich mit der Bestimmung physikalischer Größen mittels verschiedener Verfahren und mit Hilfe der Sensortechnik. Experten auf diesem Gebiet mit folgenden Schwerpunkten sind

  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese, Werkstoffprüfung, Zustandsüberwachung
  • Prof. Dr. Matthäus Brela Magnetische Prüftechnik zur Qualitätssicherung im Elektromaschinenbau
  • Prof. Dr. Conrad Wolf: Entwicklung von analogen Messschaltungen und Mikrocontroller-basierten Messsystemen

Analytik

Bioanalytik

Im Anwendungsbereich Bioanalytik gibt es an der Hochschule folgende Forscher mit unterschiedlichen Schwerpunkten

  • Prof. Dr. Janosch Hildebrand: Digital Health-Anwendungen, Genomics und Transkriptomanalysen (Microarrays und NGS,Zellkulturtechnik (Organoide und Hautmodelle, Hautforschung und Dermatologie, Zellbasierte Assayentwicklung und Biomarker-Identifikation, Wirkstofftestung und Entwicklung
  • Prof. Dr. Stefan Kalkhof : Entwicklung und Charakterisierung aktivierender, bioresorbierbarer Implantat-Materialien, Nachweis und Untersuchungen von Wirkmechanismen toxischer Substanzen, Entwicklung eines Massenspektrometrie-basierten Verfahrens zur Diagnostik und molekularen Untersuchung von Nierenerkrankungen
  • Prof. Dr. Matthias Noll: Umweltmikrobiologie, Molekulare mikrobielle Ökologie, Materialbeständigkeit gegenüber Mikroorganismen, Antimikrobielle Substanzen Antibiotika, Biozide, ätherische Öle und Maßnahmen gegen Biofilme; die methodische Kompetenzen liegen in den Bereichen Mikrobielle Gemeinschaften, Materialuntersuchungen, Analyse mikrobieller Adaptation, Analyse humanpathogener Mikroorganismen, Stabile Isotopenbeprobung (SIP), Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH)
  • Prof. Dr. Gerd-Uwe Flechsig: Thermokonvektive PCR, Elektrochemisch aktive Marker für Nukleinsäuren und Proteine, Thermisch und elektrochemisch stabile Monolagen von Fängersonden zur Detektion von Nukleinsäuresequenzen und Proteinen, H/D-Isotopeneffekte in Monolagen von DNA auf Sensoroberflächen, Detektion von Krankheitserregern in klinischen Proben mittels elektrochemischer Sensoren (Point-of-Care), Detektion gentechnisch veränderter Organismen in Lebensmittelproben mit mobilen Sensorgeräten

  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Point of Care Testing, Mikrofluidische Analysesysteme, Probenvorbereitung

Chemische Analytik

Die analytische Chemie ist in den Naturwissenschaften omnipräsent. Die Fragestellungen umfassen u.a. die Bestätigung von Reaktionsprodukten, die Qualitätskontrolle von Schmier- und Kraftstoffen in der Automobiltechnik, den Nachweis von Toxinen, die Quantifizierung von Biomarkern, die Sicherstellung von Lebensmitteln, die Kontrolle von Herstellungs- und Transportketten, die Überprüfung von maximal zulässigen Arbeitsplatzkonzentrationen, die Stabilität von Materialien und vieles mehr. Auf diesem Gebiet forschen an der Hochschule mit unterschiedlichen Schwerpunkten

  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Point of Care Testing, Mikrofluidische Analysesysteme, Probenvorbereitung
  • Prof. Dr. Stefan Kalkhof: Präparation, Isolation und Quantifizierung isotopenmarkierter Substanzen, Charakterisierung von polymerbasierten Biomaterialien, LC-MS-basierte Charakterisierung und Quantifizierung von Proteinen, Nachweis toxischer Substanzen in Umweltproben
  • Prof. Dr. Gerd-Uwe Flechsig: Ultraspuren-Analyse von Schwermetallen und organischen Substanzen in Umweltproben mit elektrochemischen Analysemethoden, Ultraspurenanalyse von Schwermetallen mittels Atomspektrometrie, Probevorbereitung von Oberflächenwässern mittels solarer UV-Strahlung, Elektrochemische Analysemethoden (Voltammetrie, Potentiometrie) in organischen Lösungsmitteln, Heizbare selbstreinigende elektrochemische Sensoren zum Langzeit-Monitoring

Mikrofluidik

Im Anwendungsbereich Mikrofluidik gibt es an der Hochschule folgende Forscher mit unterschiedlichen Schwerpunkten

  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Point of Care Testing, Chemische und biochemische Analyse Systeme, Mikroreaktionstechnologie,
  • Prof. Dr. Conrad Wolf: Mikroskopische Particle Image Velocimetry (µPIV), Simulation schallinduzierter Mikroströmungen

Umwelt- und Lebensmittelmikrobiologie

Der Forschungsbereich Umwelt- und Lebensmittelmikrobiologie wird von folgenden Forschern mit verschiedenen Schwerpunkt

  • Prof. Dr. Matthias Noll: Umweltmikrobiologie, Molekulare mikrobielle Ökologie, Materialbeständigkeit gegenüber Mikroorganismen, Totholzabbau, Humanes Stuhlmikrobiom, Antimikrobielle Substanzen wie Antibiotika, Biozide, ätherische Öle, Maßnahmen gegen Biofilme, Lebensmittelmikrobiologie, sequenzspezifische Visualisierung von Mikroorganismen im Habitat; Methodische Kompetenzen: Mikrobielle Gemeinschaften, Materialuntersuchungen, Analyse mikrobieller Adaptation, Analyse humanpathogener Mikroorganismen, Stabile Isotopenbeprobung (SIP), Fluoreszenz in situ Hybridisierung (FISH)
  • Prof. Dr. Kalkhof: Identifizierung von Mechanismen zur Anpassung an Biozidstress mittels Proteomik

Datenanalyse

Algorithmen zur Messdatenanalyse, Datenmanagement und -analyse

Auf diesem Gebiet wird von folgenden Professoren geforscht:

  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Machine Learning für akustische Sensorik
  • Prof. Dr. Matthäus Brela: Condition-Monitoring in der Produktionstechnik, Ganzheitliche Prozessdatenkorrelation, Steuerungstechnische Implementierung, Lernfähige wissensbasierte Systeme in der Maschinendiagnose
  • Prof. Dr. Conrad Wolf: Digitale Signalverarbeitung auf Mikrocontrollern (Kreuzkorrelation, digitale FIR und IIR Filter, digitale Regelung, etc.), Modellbasierte Datenanalyse
  • Prof. Dr. Thorsten Uphues: Entwicklung KI-basierter Bildverarbeitungsalgorithmen, Datastream Processing, Analytic Architectures (Cloud, FOG, Edge), Kognitive und wissensbasierte Systeme
  •  Prof. Dr. Dieter Landes: Datastream Processing, Kognitive und wissensbasierte Systeme
  • Prof. Dr. Kalkhof: Auswertung von molekularen Hochdurchsatzdaten (Proteomik, Metabolomik, Transkriptomik), Korrelation heterogener, krankheitsbezogener Datensätze (Diagnosen, klinische Daten, Omics-Daten)

Intelligente multimodale Mensch-Maschine-Interaktion

Intelligente Thermostate, automatische Einparkhilfen in Autos, Smartphones und Fitnessbänder sind nur einige Beispiele für die zunehmende Anzahl an intelligenten und vernetzten Gegenständen, die unseren Alltag erleichtern sollen. Ihr Potential kann die neue Technik jedoch nur entfalten, wenn sie mit Rücksicht auf die Bedürfnisse und Fähigkeiten der Menschen entwickelt wird. Wir forschen daran, wie Menschen durch intelligente interaktive Systeme in ihren Tätigkeiten optimal und situationsangemessen unterstützt werden können. Dazu setzen wir auf die Kombination verschiedener Eingabe- und Ausgabekanäle, wie blick- und berührungsbasierte Interaktion sowie auf die Exploration von neuen Interaktionsmodelle, wie der Erweiterte und Virtuelle Realität.

Mit diesen Themanbereichen befassen sich an der Hochschule die Forscher mit folgenden Schwerpunkten:

  • Prof. Dr. Jens Grubert: Erweiterte und Virtuelle Realität, Multimodale Ein- und Ausgabe, Maschinelles Sehen und Lernen für die Mensch-Maschine Interaktion
  • Prof. Dr. Kolja Ernst Kühnlenz: Erfassung menschlicher Zustände, intelligente dynamische Mensch-Roboter-Interaktion, bildbasierte und multisensorielle Roboterführung, vernetzte Regelungssysteme

Sensorik und Kommunikation

Um die Besonderheiten von Sensorik und Kommunikation geht des den Forschern mit ihren Schwerpunkten:

  • Prof. Dr. Thorsten Uphues: Mustererkennung mittels bildgebender Sensoren (RGB, Lidar, Radar, (Ultra-)Schall), Data Analytics mit physikalischen Sensordaten
  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Data Analytics mit physikalischen Sensordaten
  •  Prof. Dr. Jens Grubert: Mustererkennung mittels bildgebender Sensoren (RGB, Lidar, Radar, (Ultra-)Schall)
  •  Prof. Dr. Tomas Wieland: Drahtlose Sensorik

Modellierung und Simulation

Mit den Themen Modellierung und Simulation beschäftigen sich:

  • Prof. Dr. Klaus Stefan Drese: Semianalytische Modellierung physikalischer Prozesse, Finite Elemente und Finite Volumen Simulation (FEM, FVM), Computational Fluid Dynamics (CFD), Smooth Particle Hydrodynamics (SPH), Design of Experiments (DOE)
  • Prof. Dr. Conrad Wolf: Simulation multiphysikalischer Systeme (z.B. kapazitive MEMS-Sensoren, Heizwendeln, Brennstoffzellen, etc.)
  • Prof. Dr. Michael Wick: Optik
  • Prof. Dr. Stefan Kalkhof: Modellierung von Proteinstrukturen anhand niederaufgelöster experimenteller Messdaten, Simulation der Wechselwirkung und Modellierung von Bindungsstellen von Proteinen zu Wirkstoffen anhand niederaufgelöster experimenteller Messdaten

Analytik und Sensorik im Bauwesen

Das Bauwesen wurde insbesondere in den letzten Jahren immer stärker geprägt durch die Fragen der Nachhaltigkeit – also der Effizienz, der Suffizienz und der Grauen Energie. Parallel dazu entwickeln sich die Bauwerke immer weiter von rein statischen Gebäuden hin zu hochtechnisierten Systemen. Um die mit diesen Leitthemen verbundenen Fragen und Interaktionen analysieren und beantworten zu können, müssen Einwirkungen auf die Bauwerke sowie deren Auswirkungen gemessen und im Monitoring bewertet werden. Die interdisziplinäre angewandte Forschung an der Hochschule Coburg beschäftigt sich deshalb mit den Themenbereichen Smart Building, Bauphysik, Vermessung, Monitoring von Bauwerken sowie Bauschadstoffe und -analytik. Aufbauend auf die gewonnenen Erkenntnisse hinsichtlich der Wechselwirkungen Mensch – Bauwerk – Natur werden Lösungsansätze für die Konstruktion von Gebäuden entwickelt.

Baustoffkunde und -chemie

Im Bereich der Baustoffkunde und -chemie werden überwiegend um die Herstellung von nachhaltigen Baustoffen und ressourcenschonendes Bauen. Zu diesem Zweck werden neue Baustoffe aus Abbruchmaßnahmen geprüft. Auf diesem Gebiet forschen

  • Prof. Dr. Markus Weber: Betone mit rezyklierten Gesteinskörnungen, Ökobilanzierung
  • Prof. Dr. Olaf Huth: Historische Bindemittel

Bauphysik

Im Bereich der hygrothermischen Bauphysik werden im Wesentlichen zeitlich kontinuierliche Messungen von Temperaturen und Feuchtigkeit durchgeführt, um das Verhalten des Raumes oder des Bauteils unter verschiedenen Randbedingungen zu erfassen. Die Wahl von geeigneten und der Abgleich verschiedener Messmethoden stellt dabei eine entscheidende Herausforderung dar. Dies gilt vor allem für in situ Messungen im Gebäudebestand, die durch vielfältige gebäude- und nutzerspezifische Eigenschaften und Eingriffe beeinflusst und verfälscht werden können. Mit diesen Fragestellungen beschäftigen sich

  • Prof. Dr. Alexandra Troi: Hygrothermische Eigenschaften von Baustoffen, Simulation hygrothermischer Prozesse in Bauteilen
  • Prof. Friedemann Zeitler: Wärmebrücken: Oberflächentemperaturen und -feuchten, Feuchte- und Wärmetransport in Bauteilen, Feuchteverteilung im Raum

Monitoring von Bauwerken

Entsprechend der Fragestellungen kommen im Bauwerks-Monitoring verschiedenste zeitlich kontinuierliche und diskontinuierliche Messverfahren zum Einsatz. Ein vereinfachtes, aber oft schon zielführendes Monitoring basiert auf der wiederholten Abfolge und dem zeitlichen Vergleich bestimmter Arten der Bestandsaufnahme von Bauwerken, wie es beispielsweise bildgebende Verfahren ermöglichen. Komplexere Zusammenhänge lassen sich hingegen durch eine Interaktion zwischen dem Modell eines Bauwerkes - dem Vergleich seiner Ausgangsgrößen - und Messungen am realen Bauwerk erschließen. Durch eine Anpassung des Modells an die Messungen wird das Bauwerk oder Bauteil als System identifiziert und es lassen sich Prognosen für sein weiteres mögliches Verhalten erstellen. Mit diesen Themen befasst sich

  • Prof. Dr. Olaf Huth: Monitoring von Bauwerken, Praktische Baudenkmalpflege, statische und dynamische Systemidentifikation, Lösung inverser Probleme, Praktische Baudynamik

Baukonstruktion und Gebäudehülle

Gebäude sind durch ihre Konstruktion und insbesondere durch ihre Schnittstelle zur Umgebung – der Gebäudehülle – geprägt. Wesentliche Fragen der Nachhaltigkeit lassen sich verstärkt mit den Strategien des Leichtbaus (Material-, Struktur- und Systemleichtbau) bis hin zur Adaptivität von Bauteilen und ganzen Tragwerken beantworten. Neue Konstruktions- und Fertigungstechnologien ermöglichen die Integration von Sensor- und Aktortechnik direkt in Konstruktionsdetails des Untersuchungs- und Regelbereichs. Diese Themen beschäftigen

  • Prof. Dr. Martin Synold: Konstruktion und Entwurf ressourceneffizienter Tragwerke mit innovativen Werkstoffen, Leichtbau, Adaptive Gebäudehüllen, Nutzung additiver Fertigungsverfahren (AM) zur Steigerung der Nachhaltigkeit im Bauwesen
  • Prof. Friedemann Zeitler: energetische Optimierung von Bauteilen, Gebäudehülle als Energielieferant, energetische Ertüchtigung von Bestandsgebäuden

Bauschadstoffe

Bauschadstoffe sind ein ständiger Begleiter bei Baumaßnahmen und in der Regel nicht direkt sichtbar. Der Erkennung und Analyse dieser Schadstoffe besitzen eine besondere Bedeutung in den Forschungsarbeiten von

  • Prof. Dr. Markus Weber: Probenahme, Einstufung und Entsorgung von Bauschadstoffe und Altlasten
  • Prof. Dr. Stefan Kalkhof: Quantifizierung von Bioziden und deren Freisetzung aus Baustoffen , Nachweis von Bauschadstoffen in Umweltproben , Wechselwirkung von Bauschadstoffen in der Umwelt
  • Prof. Dr. Matthias Noll: Terrestrische Ökotoxikologie, Wechselwirkung von Bauschadstoffen in der biotischen Umwelt

Evaluierung durch Sensorik

Die Innenräume im Büro, Begegnungsflächen und Gemeinschaftsräume in Unternehmen haben zunehmend eine gesellschaftliche und wissenschaftliche Relevanz. Wir verbringen einen Großteil unseres Lebens beim Arbeiten. Daher erscheint es interessant, Orte zu erforschen, an denen Büroarbeit erledigt wird. Hier geht es darum, die Auswirkungen auf unser Befinden, auf die Förderung von gewünschten Aspekten, auf die zwischenmenschlichen Beziehungen und auf die Umgebung in den Blick zu nehmen. Dazu ist es erforderlich, vorhandene und realisierte Projekte zu evaluieren. Ziel der Forschungen ist es, interdisziplinäre und interkulturelle zu erforschen, welche Auswirkungen die Gestaltung von Arbeitsorten der Wissensarbeit auf die Menschen hat. Mit diesen Fragestellungen befasst sich

  • Prof. Mark Phillips mit den Schwerpunkten: Interdisziplinär angelegte Recherche zu wissenschaftlichen Veröffentlichungen, Ableitung von Kriterien für das Arbeitsumfeld im Büro unter Berücksichtigung von verschiedenen kulturellen und interkulturellen Aspekten, Interdisziplinäre Analyse von bestehenden Projekten mit Hilfe von Studien, Nutzeranalyse und -intergration mit Hilfe von Fragebögen und Sensorik, Entwicklung eines planerischen Konzepts, praxisnah, auf wissenschaftlicher Grundlage

Sprecher des HRK-Forschungsschwerpunktes "Sensorik und Analytik"

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