DE19625235A1

DE19625235A1 - Bewegungsmelder zur Detektion von Wärmestrahlung abgebenden, beweglichen Objekten

Info

Publication number: DE19625235A1
Application number: DE19625235A
Authority: DE
Inventors: Rainer Dr Ing Rosch; Robert Zapp
Original assignee: ABB Patent GmbH
Current assignee: ABB Patent GmbH
Priority date: 1996-06-24
Filing date: 1996-06-24
Publication date: 1998-01-02
Also published as: EP0817145A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Detektion von Wärmestrahlung abgebenden, sich bewegenden Objekten, insbe sondere von Personen, verwendet man in der Regel Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder (PIR-Bewegungsmelder). Diese werden in dem zu überwachenden Raum vorzugsweise an einer Wand installiert und sind mit infrarotlichtempfindlichen Sensorelementen aus gestattet, denen über eine Empfangsoptik die emittierte Wärmestrahlung so zugeführt wird, daß Bewegungen der Wärme abgebenden Objekte an den Sensorelementen elektrische Signale hervorrufen. Mit diesen kann dann über eine elektrische Schaltung ein Schaltsignal erzeugt werden, das sich zum Schalten einer Beleuchtungseinrichtung oder auch einer Warnanlage eignet.

Das Schaltsignal kehrt nach einer Verzögerungszeit wieder in den Ausgangszustand zurück, sobald keine Bewegung mehr erkannt wird. Dient das Gerät also z. B. in einem Büro zum Schalten der Beleuchtung, so erfolgt auch dann ein Abschalten der Beleuch tungseinrichtung, wenn die Bewegungen eines auf seinem Bürostuhl sitzenden Mitarbei ters so gering sind, daß sie vom Bewegungsmelder nicht mehr erfaßt werden können. Das hierauf durchgeführte Abschalten der Beleuchtung ist nicht nur für den über sehenen Mitarbeiter unerfreulich, sondern kostet ein Mehr an Energie, weil dann oft mit größeren Verzögerungszeiten gearbeitet werden muß. Es besteht somit ein deutlicher Bedarf für Anwesenheitsmelder, die dann ggf. auch für andere Zwecke als zum Licht schalten eingesetzt werden könnten.

In "Wiss. Z.Techn. Univers. Dresden 43 (1994) H. 6, S. 66" wird ein intelligenter Sen sorschalter beschrieben, der als Anwesenheitsmelder verwendbar ist. Durch den Ein satz von acht anstelle der üblichen zwei Sensorelemente, wird die Aufnahmeempfind lichkeit erhöht. Die Auswertung mit vier Analogkanälen liefert zudem wesentlich mehr Informationen, so daß ein Mikroprozessor diese Informationen mit Hilfe eines selbstler nenden Algorithmus für die Schaltentscheidung auswerten kann.

Weiterhin wird in "Elektronikpraxis, Nr. 24, 16. Dezember 1993, s. 22" die Kombination eines thermo- und pyroelektrischen Infrarot-Meßsystems sowie eines optoelektroni schen Meßsystems in Verbindung mit einem Fuzzi-Logik-Prozessor beschrieben. Die Fuzzi-Logik schlußfolgert aufgrund dreier Meßergebnisse und ermöglicht eine Anwe senheitsmeldung allerdings nur bei geringen Entfernungen zum Melder. Aus der DE 36 16 374 A1 ist außerdem ein Pyrodetektor bekannt, der sich zum bewegungs- und rich tungsselektiven Detektieren eignet. Dieser Sensor arbeitet mit einer Anzahl als Array bogenförmig angeordneter Einzel-Sensorelemente. Die bekannten Systeme sind jedoch entweder relativ aufwendig bezüglich ihrer Realisierung oder sie sind nicht ausreichend empfindlich, um auch kleinste Bewegungen zu erfassen.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, einen Bewegungsmelder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, der auch sehr geringfügige Bewegungen noch sicher er fassen kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.

Die Empfindlichkeit des Sensors wird dadurch deutlich erhöht, daß jeweils ein Elemen tenarray auf engstem Raum so angeordnet ist, daß sich ein zum Strahlungsempfang geeignetes Pixel bildet, dem eine eigene Signalverarbeitungsstufe nachgeschaltet ist. Diese Anordnung wird vervielfacht, indem ein aus mehreren Pixeln dieser Art vorgese henes Pixelarray gebildet wird, das eine strahlungsempfindliche Empfangsfläche ab deckt, die eine vorgegebene Empfangsstruktur aufweist. Da die einzelnen Elementenar rays in Bezug auf Gleichlicht kompensiert sind, was z. B. durch eine Reihenschaltung gegenpoliger Sensorelemente geschehen kann, arbeitet jedes Pixel mit hoher Empfind lichkeit, ohne aber gegen Gleichlicht anfällig zu sein, so daß auch kleinste Bewegungen eines Strahlungsobjektes erfaßt werden. Die den einzelnen Pixeln zugeordneten Si gnalverarbeitungsstufen ermöglichen zusammen mit einer Logikeinheit, daß die Signal auswertung nach einem fest vorgegebenen oder wählbaren Algorithmus in der ge wünschten Weise erfolgen kann. Ein geeignetes Schaltsignal kann daraus durch eine Steuerschaltung erzeugt werden.

Eine zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, daß die Empfangsoptik als Multifresnellinsen- oder Spiegeloptik aufgebaut ist. Die Emp fangsstruktur des Pixelarrays ist von der Anordnung der einzelnen Pixel zueinander ab hängig. Eine erste Möglichkeit besteht darin, die einzelnen Pixel des Pixelarrays auf einer ebenen Fläche kettenartig nebeneinander anzuordnen. Eine andere Möglichkeit ergibt sich, wenn die einzelnen Pixel des Pixelarrays auf einer Mantelfläche koaxial zu einer Multifresnellinse oder einer Spiegelanordnung liegen. Entsprechend der jeweils gewählten Anordnung ergeben sich unterschiedliche Erfassungsbereiche, die allerdings auch noch durch die Empfangsoptik beeinflußt werden.

Eine Selektionswirkung der Empfangseinrichtung, mit der sich eine Standortbestimmung und eine Ermittlung der Bewegungsrichtung durchführen lassen, ist dadurch erreichbar, daß jedes Pixel mit dem ihm zugeordneten Teil der Empfangsoptik auf einen bestimm ten, gegenüber anderen Raumbereichen abgegrenzten Raumbereich ausgerichtet ist.

Zur Gleichlichtkompensation ist vorgesehen, daß eine gleiche Zahl gegenpoliger Senso relemente in Reihe geschaltet ist, wobei aber keineswegs immer zwei hintereinanderlie gende gegenpolige Sensorelemente miteinander verbunden werden müssen, sondern vordringlich ist, daß die Zahl der sich jeweils kompensierenden gegenpoligen Sensore lemente gleich ist. Alternativ zur Reihenschaltung kann die Gleichlichtkompensation auch dadurch erfolgen, daß in der Signalverarbeitungsstufe eine Differenzbildung der Signale von mindestens zwei gleichen Sensorelementen erfolgt.

Eine andere zweckmäßige Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes sieht vor, daß in der Signalverarbeitungsstufe oder der Logikeinheit eine Auswertung des von jedem ein zelnen Pixel abgegebenen Signals derart erfolgt, daß daraus die Größe des strahlenden Objektes und/oder seine Geschwindigkeit und/oder seine Bewegungsrichtung feststell bar ist.

Üblicher Weise wird man dafür sorgen, daß die Logikeinheit nur dann die Steuerschal tung zum Abschalten einer Beleuchtungseinrichtung aktiviert, wenn keines der Pixel innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein Signal abgibt, das über einem vorgege benen Schwellwert liegt. Die Zuverlässigkeit der Einschaltung läßt sich dadurch erhö hen, daß die Logikeinheit nur dann die Steuerschaltung zum Einschalten einer Beleuch tungseinrichtung aktiviert, wenn mindestens zwei der Pixel innerhalb einer vorgegebe nen Zeitspanne ein Signal abgeben, das über einem vorgegebenen Schwellwert liegt.

Es ist vorteilhaft die Logikeinheit mit Hilfe eines Mikroprozessors aufzubauen und im Sinne einer Miniaturisierung weiterhin zweckmäßig, den als Pixelarray aufgebauten py roelektrischen Sensor, die Signalverarbeitungsstufe und die Logikeinheit in einem Schaltkreis zu integrieren. Die Signalverarbeitungsstufe und die Logikeinheit können dann in CMOS-Technik gefertigt und die einzelnen Pixel als pyroelektrische Dünn schichtelemente ausgeführt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Wärmestrahlung aufnehmenden Emp fangsteils,

Fig. 2 das Blockschaltbild von einem als Anwesenheitsmelder geeigneten Bewe gungsmelder,

Fig. 3 ein zu einem Pixel angeordnetes Elementenarray,

Fig. 4 die gegenpolige Reihenschaltung der beiden Sensorelemente des Pixels nach Fig. 3,

Fig. 5 ein aus vier Sensorelementen gebildetes Elementenarray,

Fig. 6 die gegenpolige Reihenschaltung der vier Sensorelemente des Pixels nach Fig. 5.

Wie Fig. 1 erkennen läßt, geht von einem zu detektierenden Objekt, insbesondere einer zu erfassenden Person, eine Wärmestrahlung 1 aus, die über eine Empfangsoptik 2 zu einem pyroelektrischen Sensor 3 gelangt. Die Empfangsoptik 2 besteht im vorliegenden Beispiel aus einem Linsensystem, das in der Regel als Multifresnellinse aufgebaut ist. Selbstverständlich könnte an die Stelle des Linsensystems auch eine Spiegeloptik tre ten, wobei die Spiegelsegmente dann allerdings wegen ihrer Reflektionswirkung gegen über dem Sensor 3 entsprechend anders anzuordnen wären.

In einem überwachten Raum muß man mit Wärmequellen rechnen, die sich als Gleich lichtstrahler betätigen. Die von den Sensorelementen erfaßte Gleichlichtstrahlung läßt sich aber nur kompensieren, wenn alle in die Kompensation einbezogenen Sensorele mente gleich stark mit der konstanten Wärmestrahlung beaufschlagt werden. Demge mäß erfolgt eine Aufteilung des durch die Linsen der Empfangsoptik 2 definierten Erfas sungsbereiches auf eine Vielzahl einzelner Pixel 4, wobei jedes dieser Pixel 4 dadurch gegen Gleichlichtstrahlung kompensiert ist, daß mindestens je zwei gegenpolig in Reihe geschaltete Sensorelemente 5, 6 ein Pixel 4 bilden. Der Aufbau der Pixel 4 aus mehre ren Sensorelementen 5, 6 ist in den Fig. 3 und 5 dargestellt. Wie auch die zugehörigen gegenpoligen Reihenschaltungen der Sensorelemente 5, 6 in den Fig. 4 und 6 erken nen lassen, wird in diesem Beispiel das Pixel 4 aus zwei oder vier Sensorelementen 5, 6 gebildet, wobei aber auch eine größere Zahl gewählt werden kann, falls eine höhere Auflösung innerhalb eines Pixel 4 gewünscht wird.

Wie Fig. 2 zeigt ist jedem Pixel 4 eine eigene Signalverarbeitungsstufe 7 nachgeschal tet, derart daß eine Vielzahl von Signalverarbeitungsstufen 7 an einer gemeinsamen Logikeinheit 8 endet. So ist es möglich die von jedem einzelnen Pixel über dessen Sen sorelemente 5, 6 erzeugten Signale differenziert auszuwerten und dann mit Hilfe der Logikeinheit 8 zusammenzufassen bzw. nach vorgegebenen Kriterien zu ordnen und zu gewichten, um schließlich über eine Steuerschaltung 9 einen Schaltbefehl zu geben, der z. B. eine Lichtquelle ein- oder ausschaltet.

Für die Anordnung der Pixel 4 ergibt sich eine große Zahl möglicher Varianten. Im ein fachsten durch Fig. 1 repräsentierten Fall ist das Pixelarray 3 durch mehrere auf einer ebenen Fläche liegende Pixel 4 gebildet. Für andere Anwendungen zweckmäßiger ist es, die einzelnen Pixel 4 in den Brennpunkt einer ihnen zugeordneten Linse zu legen, so daß bei einer halbringartigen Linsenanordnung auch die Pixel 4 auf einem Bogen zu liegen kämen. Dementsprechend hätte eine Optik mit sphärisch angeordneten Linsen eine entsprechende Anordnung der einzelnen Pixel 4 zur Folge. Dies sind leicht über sehbare Zusammenhänge, die keiner bildlichen Darstellung bedürfen.

Bezugszeichenliste

1 Wärmestrahlung
2 Empfangsoptik
3 Pixelarray
4 Pixel (Elementenarray)
5 positives Sensorelement
6 negatives Sensorelement
7 Signalverarbeitungsstufe
8 Logikeinheit
9 Steuerschaltung

Claims

1. Bewegungsmelder zur Detektion von Wärmestrahlung (1) abgebenden, be weglichen Objekten, insbesondere von Personen, in einem zu überwachenden Raum mit infrarotlichtempfindlichen Sensorelementen (5, 6), denen über eine Empfangsoptik (2) die emittierte Wärmestrahlung (1) so zugeführt ist, daß Bewegungen dieser Objekte an den Sensorelementen (5, 6) elektrische Signale hervorrufen, die über eine elektri sche Schaltung auswertbar sind, und hierbei mehrere infrarotlichtempfindliche Sensore lemente (5, 6) als Elementenarray angeordnet und so geschaltet sind, daß eine Gleich lichtkompensation entsteht, dadurch gekennzeichnet daß das Elementenarray als ein zum Strahlungsempfang geeignetes Pixel (4) ausgebildet und diesem eine eigene Si gnalverarbeitungsstufe (7) nachgeschaltet ist und daß mehrere Pixel (4) dieser Art vor gesehen sind, die wiederum zusammen ein Pixelarray (3) bilden, das eine strahlungs empfindliche Empfangsfläche abdeckt, die eine vorgegebene Empfangsstruktur auf weist und daß die den einzelnen Pixeln (4) zugeordneten Signalverarbeitungsstufen (7) mit einer Logikeinheit (8) verbunden sind, die nach einem fest vorgegebenen oder wählbaren Algorithmus die empfangenen Signale auswertet und an eine Steuerschal tung (9) weitergibt.

2. Bewegungsmelder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Empfangsoptik (2) als Multifresnellinsen- oder Spiegeloptik aufgebaut ist.

3. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die einzelnen Pixel (4) des Pixelarrays (3) auf einer ebenen Fläche kettenartig nebeneinander angeordnet sind.

4. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 2, da durch gekennzeichnet, daß die einzelnen Pixel (4) des Pixelarrays (3) auf einer Mantel fläche koaxial zu einer Multifresnellinse oder einer Spiegelanordnung liegen.

5. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß jedes Pixel (4) mit einem ihm zugeordneten Teil der Empfangsoptik (2) auf einen bestimmten, gegenüber anderen Raumbereichen abgegrenzten Raumbe reich ausgerichtet ist.

6. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß zur Gleichlichtkompensation eine gleiche Zahl gegenpoliger Senso relemente in Reihe geschaltet sind.

7. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, da durch gekennzeichnet, daß zur Gleichlichtkompensation in der Signalverarbeitungsstufe (7) eine Differenzbildung der Signale von mindestens zwei gleichen Sensorelementen erfolgt.

8. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß in der Signalverarbeitungsstufe (7) oder der Logikeinheit (8) eine Auswertung des von jedem einzelnen Pixel (4) abgegebenen Signals derart erfolgt, daß daraus die Größe des strahlenden Objektes und/oder seine Geschwindigkeit und/oder seine Bewegungsrichtung feststellbar ist.

9. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge kennzeichnet, daß die Logikeinheit (8) nur dann die Steuerschaltung (9) zum Abschal ten einer Beleuchtungseinrichtung aktiviert, wenn keines der Pixel (4) innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein Signal abgibt, das über einem vorgegebenen Schwellwert liegt.

10. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinheit (8) nur dann die Steuerschaltung (9) zum Ein schalten einer Beleuchtungseinrichtung aktiviert, wenn mindestens zwei der Pixel (4) innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne ein Signal abgeben, das über einem vorge gebenen Schwellwert liegt.

11. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Logikeinheit (8) mit Hilfe eines Mikroprozessors aufgebaut ist.

12. Bewegungsmelder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als Pixelarray (3) aufgebaute pyroelektrische Sensor, die Si gnalverarbeitungsstufe (7) und die Logikeinheit (8) in einem Schaltkreis integriert sind.

13. Bewegungsmelder nach einem-der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der als Pixelarray (3) aufgebaute pyroelektrische Sensor, die Si gnalverarbeitungsstufe (7) und die Logikeinheit (8) in CMOS-Technik gefertigt sind und die einzelnen Pixel (4) als pyroelektrische Dünnschichtelemente ausgeführt sind.