EP1031045A1

EP1031045A1 - Bewegungsmelder

Info

Publication number: EP1031045A1
Application number: EP98949004A
Authority: EP
Inventors: Dietmar Janus
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-11-12
Filing date: 1998-10-02
Publication date: 2000-08-30
Also published as: DE19749991C1; WO1999024847A1; AU9542398A; US6333691B1

Abstract

Bei einem Bewegungsmelder bzw. Näherungsschalter zur Erfassung von bewegten Objekten, wobei eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung über einen freischwingenden Oszillator erzeugt wird, über eine Sendeantenne ausgesendet wird und eine Empfangsantenne, die aufgrund des Doppler-Effektes veränderte, vom bewegten Objekt reflektierte Strahlung hinsichtlich der Veränderung ihrer Phasenlage bzw. Amplitude erfasst und in einer Auswerteeinrichtung mit den Parametern der ausgesandten Strahlung zur Erzeugung eines Ausgangssignals verglichen wird, ist vorgesehen, dass er einen freischwingenden Oszillator umfasst, dessen Rückkopplung gewährleistet wird über wenigstens eine Sendeantenne ANT RX und wenigstens eine Empfangsantenne ANT TX, die in Richtung des Objektes ausgerichtet und über eine Seiten- bzw. Leckstrahlung verkoppelt sind.

Description

Bewegungsmelder

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Ein derartiger Bewegungsmelder ist bekannt aus DE 39 22 165 AI.

Bewegungsmelder der in Betracht stehenden Art werden beispielsweise zur räumlichen Überwachung eingesetzt. Dementsprechend dienen sie auch als eine Art Näherungsschalter. Beispielsweise werden sie als automatische Türöffner verwendet, die die Annäherung eines Menschen erfassen und ein Signal generieren, wobei ein Steuersignal zur Toröffnungseinrichtung ausgelöst wird.

Es sind auch Bewegungsmelder bekannt, die im Außenbereich von Häusern und Innenräumen bei der Annäherung von Personen automatisch die Beleuchtung einschalten.

Bei anderen Anwendungen ist vorgesehen, daß Bewegungsmelder zur räumlichen Überwachung im Zusammenhang mit Alarmanlagen eingesetzt werden.

Viele bekannte Bewegungsmelder arbeiten auf der Basis von Lichtschran- ken oder mit der Erfassung von Infrarotstrahlung, die von Personen ausgesandt wird. Speziell für den Einsatz für Alarmanlagen weisen beide Verfahren den Nachteil auf, daß sie aufgrund der notwendigen Baugröße leicht zu erkennen sind und dementsprechend dann auch manipuliert werden können. Des weiteren haftet den bekannten Verfahren der Nachteil an, daß sie licht- bzw. temperaturabhängig sind, so daß sie störungsanfällig sind bzw. nur unter bestimmten Bedingungen eingesetzt werden können.

Es sind auch schon Bewegungsmelder bekannt, die unter Ausnutzung des Doppler-Effektes arbeiten. Beispielsweise wird in DE 39 22 165 AI ein Doppler-Radar-Sensor beschrieben, der als planare Schaltung auf einem Substrat aufgebracht ist, mit einer Antenne an der Oberseite des Substrats sowie einer Auswerteeinheit, die dem Sensor nachgeschaltet ist. Der Sensor sendet über eine Antenne kontinuierlich oder gepulst Signale im Mikro- wellenbereich (3 bis 30 GHz) aus. Diese Signale werden durch im Strah- lungsfeld befindliche, bewegte Objekte reflektiert und um die Dopplerfrequenz verschoben von der Antenne wieder empfangen und in der Auswer- teeinheit detektiert.

Bedingt durch ihre Bauart werden Bewegungsmelder der beschriebenen Art bisher als separate Geräte an Türen, Wänden oder Decken eingesetzt. Damit sind sie häufig der Manipulation, der mutwilligen Beschädigung oder gar Zerstörung ausgesetzt. Darüber hinaus haben die herkömmlichen Bewegungsmelder der in Betracht stehenden Art einen sehr hohen Leistungs- bedarf, so daß sie auf eine kontinuierliche Stromversorgung angewiesen sind und - soweit vorgesehen - eine Notstromversorgung, zJB. über eine Batterie oder über einen Akkumulator, nur kurzzeitig gewährleistet ist. Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bewegungsmelder der gattungsgemäßen Art so auszugestalten, daß er eine flache und raumsparende Bauweise aufweist und dementsprechend vor Manipulation, mutwilliger Beschädigung oder Zerstörung geschützt angeordnet wer- den kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1. Die Unteransprüche geben weitere vorteilhafte Ausgestaltungen an.

Gegenüber dem herkömmlichen Doppler-Radar-Prinzip zeichnet sich die erfindungsgemäße Schaltung dadurch aus, daß sie besonders empfindlich auch bei kleineren Geschwindigkeiten von Objekten reagiert. Sie kann sehr klein aufgebaut werden und hat einen äußerst geringen Leistungsbedarf, so daß neue Anwendungsbereiche möglich sind, bei denen ein Betrieb mit Batterie oder Akku erfolgt oder Energiequellen wie Solarzellen vorgesehen sind.

Durch eine vorteilhafterweise gewählte Frequenz im Mikrowellenbereich wird eine Beeinflussung durch den Bewegungssensor umgebendes Material vermieden. Die Strahlung dieser Wellenlänge durchdringt ohne nennenswerten Verlust Materialien wie Glas, Keramik, Kunststoffe, Mauerwerk, Holz und geschlitztes Metall, so daß ein derartiger Bewegungsmelder auch hinter diesen Materialien versteckt werden kann bzw. in einem - gegebe- nenfalls unauffällig gestalteten - Gehäuse aus diesen Materialien angeordnet werden kann. Dementsprechend eignet sich ein Bewegungsmelder der in Betracht stehenden Art auch als Alarmgeber gegen unbefugtes Entfernen von Koffern, Handtaschen, Strandtaschen und Zweirädern ebenso wie dazu, elektrische und elektronische Einrichtungen zu sichern. Beispielsweise kann bei Annä- herung einer unbefugten Person ein Alarmsignal ausgelöst werden, während bei einer befugten Person, die mit einem elektronischen Signalgeber ausgerüstet ist, dieser Alarm unterdrückt wird. Entfernt sich diese befugte Person aus dem Erfassungsbereich des Sensors, der die elektronische Einrichtung sichert, so wird die Verfügbarkeit von Daten und Informationen automatisch unterdrückt.

Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 zur Erläuterung der physikalischen Grundlagen der Erfindung die Bildung einer stehenden Welle bei der Überlagerung mit einer Bodenwelle,

Fig. 2 die Bildung einer stehenden Welle bei der Überlagerung mit einer reflektierenden Welle von einem stehenden Objekt,

Fig. 3 eine Darstellung zur Veranschaulichung der Änderung von Phase und Amplitude durch den Doppler-Effekt,

Fig. 4 ein schematisiertes Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung und Fig. 5 eine blockschaltbildartige Darstellung der Erläuterung der für die

Durclifuhrung der Erfindung relevanten Meßwerte mittels Registrierung der Schleifenparameter eines Oszillators mit einer Rückkopp- lungsschleife über zwei Antennen.

In Fig. 1 und Fig. 2 ist veranschaulicht, daß eine elektromagnetische Welle bei ihrer Ausstrahlung in Richtung verschiedener Objekte eine Vielzahl von Reflektionen erzeugt, deren Fronten andere Phasenlagen als die Ausgangswelle aufweisen. Eine Überlagerung dieser Wellen baut ein Interferenzfeld auf, dessen Stärke von der Entfernung zu der strahlenden Antenne abhängt. Dieses Interferenzfeld weist charakteristische Feldstärkenbäuche und Feldstärkenknoten auf, deren Abstand im Falle einer einzigen Ausgangswelle und einer einzigen Spiegelwelle bei der Hälfte der Wellenlänge (λ/2) liegen.

In Fig. 3 ist veranschaulicht, daß bei einer Bewegung der angestrahlten Objekte sich auch das Interferenzfeld und somit die Lage der Bäuche und Knoten ändert. Will man eine Objektbewegung im Empfangsbereich der Antenne detektieren, so stehen hierfür die Meßgrößen Amplitude, Phase und Frequenz zur Verfügung.

Wie in Fig. 4 dargestellt, erfolgt die Detektion der veränderten Parameter der reflektierten Welle über einen freischwingenden Oszillator, dessen Rückkopplungsschleife über zwei Antennen erfolgt. In Richtung des Ob- jektes wird mittels einer Sendeantenne die vom Oszillator erzeugte

Schwingung mit der Frequenz fö der Amplitude Po und der Phase φo ausgestrahlt. Gleichzeitig wird durch die Strahlungskopplung ein Teil der Energie mit fό\ Po' und φ₀' als Referenz in die Empfangsantenne eingestrahlt. Hierdurch wird die Amplitudenbedingung und Phasenbedingung eines Oszillators erfüllt. Der Oszillator reagiert in seinem Arbeitsbereich auf Änderungen durch die reflektierte Welle und ändert somit seine Amplitude, Phase und Frequenz.

Der Abstand b zwischen den Antennen bestimmt die Antennenapertur des Systems, die Leistung in der Schleife und den Arbeitspunkts des Detektors. Die Empfindlichkeit des Systems und somit seine Reichweite wird durch die Antennenapertur und die eingespeiste Leistung in der Schleife festge- legt.

Die vom sich bewegenden Objekt reflektierte Welle f₀, Po + ΔP, φ₀ + Δφ wird in einem Mischerelement und Detektorelement mit der Referenz fό Po φ₀ verglichen. Als Resultat entsteht ein physikalischer Meßwert ΔP oder Δ_φ, der durch den Komparator COMP1 generiert wird.

Diese Meßwerte können je nach dem individuellen Anwendungsfall ausgewertet werden. Es kann sowohl die Amplitudendifferenz ΔP als auch die Phasendifferenz Δ_φ herangezogen werden. Über einen zweiten Kreis mit einem mederfrequenteren Bandpaß BP2 und einem nachgeschalteten Komparator COMP 2 kann ein codiertes Signal F₀ +/- Δf_s, das von einem elektronischen Signalgeber reflektiert wird, ausgewertet werden.

Claims

Patentansprüche

1. Bewegungsmelder bzw. Näherungsschalter zur Erfassung von bewegten Objekten, wobei eine hochfrequente elektromagnetische Strahlung über einen freischwingenden Oszillator erzeugt wird, über eine Sendeantenne ausgesendet wird und eine Empfangsantenne, die aufgrund des Doppler- Effektes veränderte, vom bewegten Objekt reflektierte Strahlung hinsichtlich der Veränderung ihrer Phasenlage bzw. Amplitude erfaßt und in einer Auswerteeinrichtung mit den Parametern der ausgesandten Strahlung zur Erzeugung eines Ausgangssignals verglichen wird, dadurch gekennzeichnet, daß er einen freischwingenden Oszillator umfaßt, dessen Rückkopplung gewährleistet wird über wenigstens eine Sendeantenne ANT RX und wenigstens eine Empfangsantenne ANT TX, die in Richtung des Objektes ausgerichtet und über eine Seiten- bzw. Leckstrahlung verkoppelt sind.

2. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Oszillatorschleife mindestens ein Bandpaß BP1 bestehend aus einem oder mehreren Resonatoren zur Herstellung der Phasenbedingungen in der Rückkopplungsschleife und zur Begrenzung der Frequenz auf ein vorgege- benes Frequenzband vorgesehen ist.

3. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Auskopplungsschleife ein nichtlineares Element DET, wie z.B. eine Diode oder dergleichen, zur Mischung eines Referenzsignals mit einem Meßsignal vorgesehen ist, wobei das Referenzsignal über die Seitenstrahlung der Antennen und das Meßsignal über die Hauptstrahlung gekoppelt ist.

4. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem durch ein nichtlineares Element DET gebildeten Detektor ein zweiter, niederfrequenter Bandpaß BP 2 zuschaltbar ist, der die Erzeugung einer DC-freien Signalkomponente aus dem reflektierten Signalspektrum ermöglicht und somit zum Empfang einer entsprechend codierten Nachricht von einem elektronischen Signalgeber benutzt werden kann.