DE4445196A1 - Bewegungsmelder zur Erfassung der aus einem zu überwachenden Raumbereich kommenden Strahlung - Google Patents
Bewegungsmelder zur Erfassung der aus einem zu überwachenden Raumbereich kommenden StrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder nach dem Oberbe
griff des Anspruchs 1.
Bewegungsmelder dienen dazu in einem von ihnen überwachten Raum
bereich Bewegungen bestimmter Objekte, insbesondere Bewegungen
von Menschen, zu erfassen und gegebenenfalls ein Schaltsignal
auszulösen. Das zum Einschalten einer Beleuchtung oder Warnein
richtung erforderliche Schaltsignal wird solange aufrechterhal
ten, wie Bewegungen von Personen erkannt werden. Mit dem Wegfall
erkennbarer Bewegungen, entfällt nach einer angemessenen Verzö
gerungszeit auch das zur Betätigung einer nachgeschalteten Be
leuchtungs- oder Warneinrichtung benötigte Schaltsignal.
Es gibt aktive Bewegungsmelder, die mit einem Sender und einem
Empfänger arbeiten und passive Bewegungsmelder, bei denen im
allgemeinen das bewegte Objekt selbst als Sender dient. Zu die
ser besonders verbreiteten Gruppe gehören die Passiv-Infrarot-
Bewegungsmelder, die auf relativ kleine Temperaturänderungen an
sprechen und somit auch die von Menschen emittierte Wärme erfas
sen können.
Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder besitzen in den meisten Fällen
pyroelektrische Infrarot-Sensoren, mit zwei empfindlichen Ele
menten, die in Reihen- oder Parallelschaltung gegensinnig mit
einander verbunden sind. Eine aus vielen Einzellinsen bestehende
Fresnel-Optik definiert zusammen mit dem Infrarot-Sensor ver
schiedene Strahlenkeulen. Bei Bewegungen von wärmeemittierenden
Objekten zwischen verschiedenen Strahlenkeulen wird ein Wechsel
strahlungsfluß im pyroelektrischen Sensor erzeugt, der zu einem
Schaltsignal das Bewegungsmelders führt. Bei zentraler Annähe
rung an derartige Bewegungsmelder werden jedoch am Sensor oft
nur so geringe Wechselstrahlungsflüsse erzeugt, daß der Bewe
gungsmelder nicht oder erst verspätet anspricht. Ähnlich liegen
die Verhältnisse bei einer Anwesenheitsdetektion, bei der es
darum geht, ggf. vor dem Abschalten der Raumbeleuchtung, noch im
Raum anwesende Personen mit Hilfe ihrer Bewegungen zu ermitteln.
Besonders bei Schreibtischarbeitern sind etwaige Bewegungen oft
nur so schwach ausgeprägt, daß sie von normalen Bewegungsmeldern
nicht wahrgenommen werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Bewegungsmelder nach dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 dahingehend zu verbessern, daß er
auch geringfügige Bewegungen mit hoher Empfindlichkeit erfassen
kann.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten
Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen
des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüche genannt.
Mit Hilfe einer aus mindestens vier strahlungsempfindlichen Ele
menten gebildeten Reihenschaltung gelingt es, auch bei geringfü
gigen Bewegungen eine ausreichend hohe Empfindlichkeit zu errei
chen. Entscheidend ist jedoch zugleich der ständige Polaritäts
wechsel zwischen den einzelnen in Reihe liegenden strahlungsemp
findlichen Elementen. Dieser sorgt dafür, daß sich die Gleich
spannungsanteile, die sich auch bei fehlender Bewegung an den
einzelnen strahlungsempfindlichen Elementen bilden können, ge
genseitig kompensieren, so daß im wesentlichen nur der durch Be
wegungen hervorgerufene Wechselanteil erhalten bleibt. Dieses
Signal wird von den beiden freien Enden der Serienschaltung ab
gegriffen und einer nachgeschalteten Sensorelektronik zugeführt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes
ist vorgesehen, die durch die strahlungsempfindlichen Elemente
gebildete Serienschaltung auf einem gemeinsamen Träger zu inte
grieren. Es ist zweckmäßig, den Träger aus strahlungsempfindli
chem, vorzugsweise pyroelektrischem Material herzustellen, das
eine einheitliche Richtung der spontanen Polarisation aufweist.
In diesem Fall kann an zwei sich gegenüberliegenden Seiten des
Trägers, jeweils mit Abstand zueinander, einerseits eine Reihe
aus Frontelektroden und andererseits eine Reihe aus Rückelektro
den so angeordnet werden, daß sich die beiden Elektrodenplatten
teilweise überlappen. Im Überlappungsbereich entstehen strah
lungsempfindliche Elemente, die durch die Elektroden bei stets
wechselnder Polarität in Reihe geschaltet sind. Ein derart auf
gebauter Sensor läßt sich mit kleinen Abmessungen herstellen und
dementsprechend im Zentrum einer Sammeloptik plazieren.
Es ist auch möglich, den Sensor in Dünnschichttechnik herzustel
len, wobei es dann zweckmäßig ist, den Träger aus einer pyro
elektrischen Dünnschicht mit einer Dicke von höchstens 2 µm zu
gestalten. Weiterhin wurde festgestellt, daß es vorteilhaft ist,
wenn der Träger aus einem pyroelektrischen Material mit einer
relativen Dielektrizitätszahl von mindestens 100 besteht. Zur
Erhöhung des örtlichen Auflösungsvermögens kann es zweckmäßig
sein, in unmittelbarer Umgebung der strahlungsempfindlichen Ele
mente das Material des Trägers partiell oder vollständig zu ent
fernen.
Ein Strahlungssensor dieser Art kann in allen bekannten Aufbau
ten zur Anwendung gelangen. So ist es möglich, die Lichtstrahlen
durch eine infrarotdurchlässige Einzellinse auf den Sensor zu
fokussieren oder auch eine Optik aus mehreren infrarotdurchläs
sigen Sammellinsen aufzubauen. Auch Fresnellinsen, die sich im
Bereich der Bewegungsmelder sehr bewährt haben, können zur An
wendung gelangen. Ebenso kann eine Optik erstellt werden, die
aus fokussierenden Linsen besteht, die mit geeigneten Infrarot-
Umlenkspiegeln zusammenwirken.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen
dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen
Fig. 1 einen Träger des Sensors mit Front- und Rückelek
troden seitlich im Schnitt,
Fig. 2 den Träger nach Fig. 1 in Draufsicht,
Fig. 3 das elektrische Prinzipschaltbild einer aus gegen
polig geschalteten strahlungsempfindlichen Elemen
ten gebildeten Reihenschaltung mit Sensorelektro
nik.
Die Fig. 1 und 2 zeigen eine spezielle konstruktive Lösung zum
Aufbau eines Sensors S, der wie Fig. 3 zeigt, aus gegenpolig in
Reihe geschalteten strahlungsempfindlichen Elementen LE besteht.
Jeweils zwei in Reihe geschaltete strahlungsempfindliche Ele
mente LE bilden jeweils ein Paar 1, 1′ bis 4, 4′, so daß im vor
liegenden Beispiel die Reihenschaltung aus vier Paaren von
strahlungsempfindlichen Elementen besteht. Geht man davon aus,
daß im Ruhezustand, also bei fehlender Bewegung, alle strah
lungsempfindliche Elemente LE eine etwa gleichgroße, konstante
Strahlung LS erreicht, so werden die an den einzelnen strah
lungsempfindlichen Elementen LE erzeugten Signalgrundpegel etwa
gleichgroß sein und sich gegenseitig weitgehend kompensieren.
Sobald jedoch ein Wärmestrahlen emittierendes Objekt in den Er
fassungsbereich des Sensors S gelangt, wird das Gleichgewicht
gestört und entsprechend der Bewegungsrichtung werden bestimmte
strahlungsempfindliche Elemente mit einer erhöhten Strahlung LS
beaufschlagt. Hierdurch entsteht ein Wechselsignal, das an den
beiden freien Enden A und B der Reihenschaltung abgegriffen und
einer Sensorelektronik E zugeführt werden kann. Letztere kann
nun beispielsweise ein von der Bewegung ausgelöstes Steuersignal
erzeugen.
Die in den Fig. 1 und 2 dargestellte konstruktive Ausgestaltung
des Sensors S erfolgt mit relativ einfachen Mitteln. Als Grund
element dient ein Träger T, der aus pyroelektrischem Material
mit einer einheitlichen Richtung der spontanen Polarisation be
steht. Auf zwei sich gegenüberliegenden Seiten des Trägers T
sind, mit entsprechendem Abstand zueinander, einerseits eine
Reihe aus Frontelektroden F und andererseits eine Reihe aus Rück
elektroden R angeordnet. Die Anordnung wurde dabei so vorgenom
men, daß sich die beiden Elektrodenarten teilweise überlappen
und dadurch mit dem Träger einzelne strahlungsempfindliche Ele
mente LE bilden. Hierbei ergibt sich automatisch eine wechselnde
Polarität, wobei die Elektroden F, R für eine Verbindung in Form
einer Reihenschaltung sorgen. An den Anschlüssen A und B kann
eine Spannung abgegriffen werden, die von einem sich bewegenden
strahlungsemittierenden Körper erzeugt wird. Durch die-Kompensa
tion der statischen Signalgrundpegel wird die Sensorelektronik E
nur mit einem Wechselsignal beaufschlagt, das jedoch durch die
Reihenschaltung vieler strahlungsempfindliche Elemente LE rela
tiv hoch ausfällt, so daß auch verhältnismäßig geringfügige Be
wegungen noch erfaßt werden können. Die Empfindlichkeit des Be
wegungsmelders ist damit deutlich erhöht.
Claims (10)
1. Bewegungsmelder mit einem Strahlungssensor (S) zur Er
fassung der aus einem zu überwachenden Raumbereich kommenden
Strahlung, vorzugsweise Wärmestrahlung im infraroten Spektralbe
reich, und zur Umwandlung der Strahlung in ein entsprechendes
elektrisches Signal, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungs
sensor (S) durch eine Serienschaltung gebildet ist, die aus ei
nem ganzzahligen Vielfachen von zwei gegenpolig in Reihe liegen
den strahlungsempfindliche Elementen (LE) besteht, und daß das
von den beiden freien Enden (A, B) dieser Serienschaltung abge
griffene elektrische Signal einer nachgeschalteten Sensorelek
tronik (E) zugeführt ist.
2. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Serienschaltung auf einem gemeinsamen Träger (T) inte
griert ist.
3. Bewegungsmelder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Träger (T) aus strahlungsempfindlichem, insbesondere py
roelektrischem Material mit einheitlicher Richtung der spontanen
Polarisation (P) besteht und auf zwei sich gegenüberliegenden
Seiten des Trägers (T), jeweils mit Abstand zueinander, einer
seits eine Reihe aus Frontelektroden (F) und andererseits eine
Reihe aus Rückelektroden (R) so angeordnet ist, daß sich die
beiden Elektrodenarten teilweise überlappen und in ihren Über
lappungsbereichen mit dem Träger (T) einzelne strahlungsempfind
liche Elemente (LE) bilden, die durch die Elektroden (F, R) bei
stets wechselnder Polarität in Reihe geschaltet sind.
4. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche
2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (T) aus einer
pyroelektrischen Dünnschicht mit einer Dicke von höchstens 2 Mi
krometer besteht.
5. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche
2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (T) aus einem
pyroelektrischen Material mit einer relativen Dielektrizitäts
zahl von mindestens 100 besteht.
6. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche
2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Umgebung
der strahlungsempfindlichen Elemente (LE) das Material des Trä
gers (T) partiell oder vollständig entfernt ist.
7. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (LS) durch
eine infrarotdurchlässige Einzellinse auf den Strahlungssensor
fokussiert ist.
8. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche
1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung (LS) durch
mehrere infrarotdurchlässige Sammellinsen auf den Strahlungssen
sor fokussiert ist.
9. Bewegungsmelder nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die infrarotdurchlässigen Sammellinsen als Fresnellinsen
aufgebaut sind.
10. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche
7 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß fokussierende Linsen mit
Infrarot-Umlenkspiegeln zusammenwirken.
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