DE19548578A1

DE19548578A1 - Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor

Info

Publication number: DE19548578A1
Application number: DE19548578A
Authority: DE
Inventors: Thomas Prof Elbel; V Engelhardt Gert Baron; Hans-Juergen Dr Just
Original assignee: Elbau Elektronik Bauelemente Berlin GmbH
Current assignee: First Sensor AG
Priority date: 1995-12-27
Filing date: 1995-12-27
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: DE19548578C2

Description

Die Erfindung betrifft einen passiven Infrarot-Intrusion-Sensor, der insbesondere in Infrarot- Alarmeräten zur Anwendung gelangt.

Es sind passive Alarmgeber bekannt, die auf die von lebenden Objekten ausgesendete Infrarotstrahlung reagieren. Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch den Einsatz pyroelektrischer Strahlungssensoren für derartige passive Alarmgeber. Zumeist wird ein pyroelektrischer Dualsensor verwendet (Pyroelectric Dual Element Detector LHi954, LHi58, Firmenschrift Heimann GmbH 03/87). Pyroelektrische Sensoren erzeugen einen Signalimpuls, wenn sich die auf den Sensor auffallende Infrarotstrahlung ändert. Es ist bekannt, die Impulssignale von pyroelektrischen Dualsensoren, die beim Bewegen von Menschen vor dem Sensor entstehen, mit vorherbestimmten repräsentativen Vergleichsfolgen auf Ähnlichkeit zu prüfen und beim Auftreten charakteristischer Ähnlichkeitsmerkmale zur Alarmauslösung zu nutzen (EP 0107042 A1; DE 36 22 371 A1). Derartige Alarmgeber werden als Bewegungs melder bezeichnet, weil sie zur Alarmauslösung die Temperaturstrahlungsänderung anzeigen, die durch das Bewegen von Menschen verursacht wird (Elektronik von Bewegungsdetektoren, Firmenschrift Heimann GmbH 04/89; Die Busch-Wächter - hochentwickelte Bewegungsmelder für zusätzlichen Schutz, Firmenschrift der Busch-Jaeger Elektro GmbH, 2/94). Die Bewegungsmelder erkennen ein unbewegtes Objekt nicht. Außerdem liefern sie keine Information über die Position des in den Erfassungsbereich eindringenden Objektes. Die Bewegungsrichtung des Objektes wird ebenfalls nicht angezeigt.

Zur Positionsanzeige von Menschen werden Infrarotkamerasysteme benutzt, die linienförmige oder matrixförmige pyroelektrische Vielelementsensoren enthalten (Human Information Sensor, Yoshilke, N. et.al.: The 7th Int. Conf Solid-State Sensors and Actuators, 93, Yokohama, Japan 1993, S. 1015-1018). Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Alarmsignals des Infrarotkamerasystems kann das thermische Bild mit dem Informationsgehaft eines Ultraschallsensorsystems verglichen werden (Human Information Sensor, Yoshiike, N. et.al.: The 8th Int. Conf Solid-State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX, Stockholm, Sweden 1995, S. 108-111). Der Nachteil von Infrarotkamerasystemen besteht in der technischen Kompliziertheit dieser Anlagen und dem damit verbundenen hohen ökonomischen Aufwand beim Einsatz als Alarmeber.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Sensor, der einfach und ökonomisch günstig herzustellen ist, das Eindringen eines Objektes, die Position bewegter und unbewegter Objekte und die Bewegungsrichtung des Objektes anzuzeigen. Dabei soll die Anzeige nicht durch in Erfassungsbereich des Sensors angeordnete stationäre thermische Strahler wie Heizungen oder elektrische Geräte beeinflußt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Schaffung eines positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensors entsprechend den Merkmalen der Ansprüche 1 bis 10 gelöst.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 den prinzipiellen Winkelbereich von 4 infrarotempfindlichen Empfängern, in welchem sie die Temperaturstrahlung bei der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung erfas sen,

Fig. 2 die unterschiedliche Dezentrierung der strahlungsabsorbierenden Empfängerfläche zum Strahlungseintrittsfenster der Empfänger,

Fig. 3 die entgegengesetzt gerichteten Signalspannungen der Empfänger in einer sogenann ten Anti-Reihenschaltung,

Fig. 4 die Anordnung der Thermosäulen in Richtung der Beobachtungsrichtung des Objek tes,

Fig. 5 die Signalspannungen der Thermosäulen in Abhängigkeit von der Winkellage des Ob jektes vor dem Sensor,

Fig. 6 die Spannungen der Anti-Reihenschaltungen und

Fig. 7 die Winkelbestimmung der Lage des Objektes vor dem Sensor in Bereichen gemäß den Tabellen 1 bis 6 von -40° bis +40°.

Gemäß Fig. 1 sind mehrere infrarotempfindliche Empfänger 2, 3, 4, 5 derart nebeneinander angeordnet, daß jeder Empfänger 2, 3, 4, 5 infrarote Wärmestrahlung aus einem anderen Raumbereich vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1 erfaßt. Die von jedem einzelnen Empfänger 2, 3, 4, 5 umfaßten Raumbereiche überdecken sich in unter schiedlichem Maße. Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Winkelbereich von 4 Empfängern 2, 3, 4, 5, in dem sie die Temperaturstrahlung bei der erfindungsgemäßen Empfängeranordnung erfassen.

Das Sensorsignal ist durch Vergleich der Signale der einzelnen Strahlungsempfänger gebildet.

Im Ausbau der Erfindung sind die infrarotempfindlichen Strahlungsempfänger Strahlungs thermosäulen. Strahlungsthermosäulen sind thermoelektrische Sensoren zum Nachweis von Wärmestrahlung. In Strahlungsthermosäulen führt die von einer Empfängerfläche 10 absorbierte Infrarot-Strahlung zu einer Temperaturerhöhung der auf der Empfängerfläche angeordneten warmen Verbindungsstellen der thermoelektrischen Materialen gegenüber den nicht bestrahlten kalten Verbindungsstellen der thermoelektrischen Materialien. Durch diese Temperaturerhöhung entsteht aufgrund des thermoelektrischen Effektes eine elektrische Spannung. Strahlungsthermosäulen können daher in Gegensatz zu pyroelektrischen Sensoren auch nicht modulierte Strahlung messen.

Der in Fig. 1 dargestellte Winkelerfassungsbereich der einzelnen Empfänger 2, 3, 4, 5 ist nach Fig. 2 durch unterschiedliche Dezentrierung 8 der strahlungsabsorbierenden Empfängerfläche 10 zum Strahlungseintrittsfenster 7 der Empfänger 2, 3, 4, 5 realisiert. In Varianten der Erfindung befinden sich Chips 9 der Empfänger 2, 3, 4, 5 in separaten Gehäusen 6 oder die einzelnen Empfänger 2, 3, 4, 5 bilden eine Empfängerzeile in einem gemeinsamen Gehäuse 6.

Im weiteren Ausbau der Erfindung sind die Empfänger 2, 3, 4, 5 paarweise in Reihe geschaltet, deren Winkelerfassungsbereiche sich nicht oder nur geringfügig überdecken. Wie in Fig. 3 dargestellt, ist die Reihenschaltung so gebildet, daß die Signalspannungen der Empfänger entgegengesetzt in einer sogenannten Anti-Reihenschaltung gerichtet sind. Das Verhältnis (der Quotient) von mindestens zwei dieser durch Anti-Reihenschaltung entstehenden Spannungen, das Vorzeichen der Spannungen und der Größenvergleich der Spannungen sind durch übliche schaltungstechnische Maßnahmen gebildet und als Maß für die Position des Objektes vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1 zur Anzeige gebracht.

Die Änderung des Verhältnisses von mindestens zwei der durch Anti-Reihenschaltung entstehenden Spannungen ist als Maß für die Bewegungsrichtung zur Anzeige gebracht.

Der erfindungsgemäße positionsselektive passive Infrarot-Intrusion-Sensor 1 ermöglicht durch die Anwendung eines neuartigen Meßprinzips die Vermeidung der Beeinflussung der Messung durch stationäre oder sich langsam verändernde Störstrahler. Dazu sind die Spannungen von mindestens zwei der Anti-Reihenschaltungen gespeichert und als Maß für eventuell vorhandene stationäre Temperaturstrahlungszustände des zu überwachenden Raumes, die sich dem Meß signal überlagern würden, genutzt. Eine langsame Änderung von mindestens zwei der durch Anti-Reihenschaltung entstehenden Spannungen gegenüber den gespeicherten Werten ist zur Vermeidung der Beeinflussung der Messung durch sich langsam ändernde stationäre Strahler genutzt.

In einem besonderen Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 besteht ein positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor 1 aus 4 Strahlungsthermosäulen 11, 12, 13, 14 in Miniaturaus führung. Die Thermosäulen 11, 12, 13, 14 sind in Richtung der Beobachtungsrichtung des Objektes nebeneinander angeordnet. Die beiden inneren Thermosäulen 12 und 13 haben einen Öffnungswinkel von 45° und die beiden äußeren Thermosäulen 11 und 14 haben einen Öffnungswinkel von 35°. Durch die in Fig. 4 dargestellte Dezentrierung 8 der Empfängerflächen 10 der Thermosäulen 11, 12, 13, 14 relativ zu ihren Strahlungseintritts fenstern 7 erfassen die beiden äußeren Strahlungsthermosäulen 11 und 14 Strahlung aus einem Bereich, der um 30° nach außen aus der Mitte vor dem positionsselektiven passiven Infrarot- Intrusion-Sensor 1 verschoben ist. Die beiden inneren Thermosäulen 12 und 13 erfassen durch besagte Dezentrierung 8 Strahlung aus einem Bereich, der um 15° nach außen aus der Mitte vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1 verschoben ist. Die Signalspannungen der Thermosäulen 11 bis 14 sind in Abhängigkeit von der Winkellage des Objektes vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1 gemaß Fig. 5 dargestellt. Die Thermosäulen 11 und 13 und die Thermosäulen 12 und 14 sind in Anti-Reihe geschaltet. Die Spannungen der Anti-Reihenschaltung U₁₁-U₁₃ und U₁₂-U₁₄ sind in Fig. 6 dargestellt. Nach Verstärkung und Digitalisierung der Spannungen ist durch eine Logikschaltung der Quotient (U₁₁-U₁₃)/(U₁₂-U₁₄) gebildet und in 25 gleichmäßige Teilbe reiche aufgeteilt. Der Wert dieses Quotienten oder seines reziproken Wertes bestimmt in Kombination mit dem jeweiligen Vorzeichen der Spannungen (U₁₁-U₁₃) und (U₁₂-U₁₄) und in Kombination mit dem Größenvergleich der Spannungen (U₁₁-U₁₃) und (U₁₂-U₁₄) die Winkellage des Objektes vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1. Der Zusammenhang zwischen dem Quotienten, dem Vorzeichen der Spannungen und dem Größenvergleich der Spannungen mit der Winkellage vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1 im Bereich von -40° bis +40° mit einer Auflösung von 1° ist in den Tabellen entsprechend Fig. 7 dargestellt. In den zugehörigen Tabellen 1 bis 6 zeigt die Logikschaltung des positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensors 1 die Winkellage des Objektes vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1 an.

Bezugszeichenliste

1 = Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor
2 = Empfänger
3 = Empfänger
4 = Empfänger
5 = Empfänger
6 = Gehäuse
7 = Strahlungseintrittsfenster
8 = Dezentrierung
9 = Chip
10 = Empfängerfläche
11 = Thermosäule
12 = Thermosäule
13 = Thermosäule
14 = Thermosäule.

Claims

1. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) zur Erfassung bewegter und ruhender wärmestrahlender Objekte, zur Bestimmung der Position wärmestrahlender Objekte, zur Bestimmung der Bewegungsrichtung wärmestrahlender Objekte und zur Vermeidung von Störungen durch stationäre Strahler, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere infrarotempfind liche Empfänger (2, 3, 4, 5) derart angeordnet sind, daß jeder Empfänger (2, 3, 4, 5) Wärme strahlung aus einem anderen Winkelbereich erfaßt und sich die aneinander angrenzenden Winkelbereiche teilweise überdecken und das Signal des positionsselektiven passiven Infrarot- Intrusion-Sensors (1) durch Vergleich der Signale der einzelnen infrarotempfindlichen Empfänger (2, 3, 4, 5) gebildet ist.

2. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die infrarotempfindlichen Empfänger Strahlungsthermosäulen (11, 12, 13, 14) sind.

3. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Winkelerfassungsbereiche durch unterschiedliche Dezentrierung (8) der Empfängerfläche (10) der Empfänger (2, 3, 4, 5) zum Strahlungsein trittsfenster (7) der Empfänger (2, 3, 4, 5) realisiert sind.

4. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach den Ansprüchen 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Empfänger (2, 3, 4, 5), die die Wärmestrahlung aus unterschiedlichen Winkelbereichen erfassen, eine Empfängerzeile mit nicht mehr als 6 Empfängern (2, 3, 4, 5) bilden.

5. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Empfänger (2, 3, 4, 5) mit Winkelerfassungsbereichen, die sich nicht überdecken, so in Reihe geschaltet sind, daß ihre Signalspannungen entgegengesetzt gerichtet sind.

6. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei dieser Reihenschaltungen so beschaltet sind, daß der Quotient der Spannungen der Reihenschaltungen, die Vorzeichen der Spannungen der Reihenschaltungen und der Größenvergleich der Spannungen der Reihenschaltungen gebildet sind und als Maß für die Lage des wärmestrahlenden Objektes zur Anzeige gebracht sind.

7. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Quotienten der Spannungen von mindestens 2 Reihenschaltungen als Maß für die Bewegungsrichtung des wärmestrahlenden Objektes zur Anzeige gebracht ist.

8. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungssignale der in Reihe geschalteten Empfänger als Maß für den Temperaturstrahlungszustand des zu überwachenden Raumes gespeichert und zur Vermeidung der Beeinflussung der Messung durch stationäre Strahler genutzt sind.

9. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine langsame Änderung der Spannungssignale der in Reihe geschalteten Empfänger gegenüber den gespeicherten Werten als Maß für den Temperaturstrahlungszustand des zu überwachenden Raumes zur Vermeidung der Beeinflussung der Messung durch sich langsam ändernde stationäre Strahler genutzt ist.

10. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Signalspannungen der Thermosäulen (11, 12, 13, 14) in Abhängigkeit von der Winkellage des Objektes vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion- Sensor (1) gebildet sind.