DE19548578C2

DE19548578C2 - Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor

Info

Publication number: DE19548578C2
Application number: DE19548578A
Authority: DE
Inventors: Thomas Elbel; V Engelhardt Gert Baron; Hans-Juergen 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: 2001-02-08
Anticipated expiration: 2015-12-28
Also published as: DE19548578A1

Description

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

Es sind passive Alarmgeber bekannt, die auf die von lebenden Objekten ausgesendete Infra rotstrahlung reagieren. Der Stand der Technik ist gekennzeichnet durch den Einsatz pyro elektrischer Strahlungssensoren für derartige passive Alarmgeber. Zumeist wird ein pyro elektrischer Dualsensor verwendet (Pyroelectric Dual Element Detector LHi954, Firmenschrift Heimann GmbH 12/89). 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 0 107 042 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.

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 7^th Int. Conf Solid-State Sensors and Actuators, 93, Yoko hama, Japan 1993, S. 1015-1018). Zur Verbesserung der Zuverlässigkeit des Alarmsignals des Infrarotkamerasystems kann das thermische Bild mit dem Informationsgehalt eines Ultra schallsensorsystems verglichen werden (Human Information Sensor, Yoshiike, N. et. al.: The 8^th Int. Conf Solid-State Sensors and Acutators, 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 Alarmgeber.

So wird auch gemäß der den Oberbegriff des Anspruches 1 bildenden DE 38 32 428 C2 dieses Problem aufgegriffen und eine Personen erfassungsvorrichtung, bei der Infrarotstrahlung aus einem in mehreren Zonen unterteilten Erfassungsbereich durch eine optische Einrichtung konzentriert und von mehreren Infrarot- Detektorelementen empfangen wird, deren Ausgangssignale verstärkt und mittels eines Signalprozessors verarbeitet werden, um an eine Diskriminatoreinrichtung angelegt zu werden, welche die Ausgangssignale der verschiedenen Infrarot-Detektorelemente miteinan der vergleicht, wobei das Ergebnis des Diskriminiervorganges an eine Ausgabeeinrichtung abgegeben wird, vorgeschlagen, bei der jedes Detektorelement einer einzigen Zone zugeord net ist, daß mehrere Zonen des Erfassungbereiches entsprechend der zweidimensionalen Anordnung der Infrarot-Detektorelemente für jede Bewegungsrichtung einer Person von dieser nacheinander betreten werden, daß die Diskriminatoreinrichtung die Pegelspitzen Vi und Ausgabezeiten der verschiedenen Ausgangssignale der Infrarot-Detektorelemente mitein ander vergleicht und daß die Diskriminatoreinrichtung auf Anwesenheit einer Person schließt, wenn die Zeitdifferenz zwischen den Ausgabezeiten Zweier Infrarot-Detektoren, die zwei benachbarten Zonen entsprechen, innerhalb eines vorbestimmten Bereiches liegt, so daß auf gleichzeitige Anwesenheit der Person in diese zwei benachbarten Zonen geschlossen wird, und wenn jeweils das Verhältnis zwischen den Pegelspitzen Vi der Detektorelemente und der maximalen Pegelspitze Vmax einen Wert K(0 < k < 1) überschreitet.

Wenn auch damit die Störanfälligkeit derartiger Erfassungseinrichtungen minimiert wird, bleibt der hohe Aufwand beim Einsatz als Alarmgeber erhalten.

Der Erfindung liegt im Ansatz 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.

Diese Aufgabe soll durch die Schaffung eines positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion- Sensors 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, wobei mehrere infrarotempfindliche Empfänger 2, 3, 4, 5 in Form von thermoelektrischen Säulen, derart angeordnet sind, daß jeder Empfänger 2, 3, 4, 5 Wärmestrahlung aus einem andern Winkelbereich erfaßt, sich aneinander angrenzende Winkelbereiche teilweise überdecken und das Signal des positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusions-Sensors 1 durch Vergleich der Signale der einzelnen infrarotempfindlichen Empfänger 2, 3, 4, 5 gebildet ist, und jeweils zwei Empfänger mit Winkelerfassungsbereichen, die sich nicht überdecken, so in Reihe geschaltet sind, daß ihre Signalspannungen entgegengesetzt gerichtet sind, gelöst werden, bei dem erfindungsgemäß mindestens zwei dieser Reihenschaltungen so geschaltet sind, daß der Quotient der Spannungen der Reihenschaltung, die Vorzeichen der Spannungen und der Größenvergleich der Spannungen der Reihenschaltung gebildet werden und hieraus die Winkellage des wärmestrahlenden Objektes im Erfassungsbereich ermittelt und zur Anzeige gebracht wird.

Gemäß den Merkmalen der Ansprüche 2 bis 5 wird die Erfindung weiter ausgebildet.

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 Empfängeranord nung erfassen,

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 Objektes 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 erfas sen.

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

In Ausbildung der Erfindung sind die infrarotempfindlichen Strahlungsempfünger Strah lungsthermosäulen. 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 Materialien 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 Erfin dung befinden sich Chips 9 der Empfänger 2, 3, 4, 5 in separaten Gehäusen 6 oder die einzel nen 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 geschal tet, 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 Span nungen, 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 entste henden 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 Span nungen von mindestens zwei der Anti-Reihenschaltungen gespeichert und als Maß für even tuell vorhandene stationäre Temperaturstrahlungszustände des zu überwachenden Raumes, die sich dem Meßsignal 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 Miniaturausfüh rung. Die Thermosäulen 11, 12, 13, 14 sind in Richtung der Beobachtungsrichtung des Objek tes 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 Empfänger flächen 10 der Thermosäulen 11, 12, 13, 14 relativ zu ihren Strahlungseintrittsfenstern 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 Signalspannun gen der Thermosäulen 11 bis 14 sind in Abhängigkeit von der Winkellage des Objektes vor dem positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusion-Sensor 1 gemäß 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 Teilbereiche aufgeteilt. Der Wert dieses Quotienten oder seines reziproken Wertes bestimmt in Kombination mit dem jeweili gen 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, wobei mehrere infrarotempfind liche Empfänger (2, 3, 4, 5) in Form von thermoelektrischen Säulen, derart angeordnet sind, daß jeder Empfänger (2, 3, 4, 5) Wärmestrahlung aus einem andern Winkelbereich erfaßt, sich aneinander angrenzende Winkelbereiche teilweise überdecken und das Signal des positionsselektiven passiven Infrarot-Intrusions-Sensors (1) durch Vergleich der Signale der einzelnen infrarotempfindlichen Empfänger (2, 3, 4, 5) gebildet ist, und jeweils zwei Empfänger mit Winkelerfassungsbereichen, die sich nicht überdecken, so in Reihe geschaltet sind, daß ihre Signalspannungen entgegengesetzt gerichtet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei dieser Reihenschaltungen so geschaltet sind, daß der Quotient der Spannungen der Reihenschaltung, die Vorzeichen der Span nungen und der Größenvergleich der Spannungen der Reihenschaltung gebildet werden und hieraus die Winkellage des wärmestrahlenden Objektes im Erfassungsbereich ermittelt und zur Anzeige gebracht wird.

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

3. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor nach den Ansprüchen 1 oder 2, 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.

4. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor nach Anspruch 3, 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.

5. Positionsselektiver passiver Infrarot-Intrusion-Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, 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.