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1. (WO1992010819) PASSIVE INFRA-RED MOVEMENT DETECTOR
Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters
Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder

B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder der im Oberbegriff des Anspruchs l angegebenen Art.

Derartige Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder werden hauptsächlich als Einbruchmeldeanlagen benutzt, dienen aber auch anderen Zwecken, wie beispielsweise zum Einschalten von Beleuchtungen. Dabei wird die von einer Person oder einer anderen Wärmequelle emittierte Infrarotstrahlung von einer Optik gebündelt und auf einen einzigen Detektor gerichtet. Im Meßbereich der Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder können dabei kleinste Strahlungsflußänderungen, das heißt zeitliche Änderungen der Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur und der jeweiligen Oberflächentemperatur der Person/Ob ektes, detektiert werden.

Nach dem bisherigen Stand der Technik wird der Überwa- chungsbereich von Passiv-Infrarot-Bewegungsmeldern durch Mehrfach-Fresnel-Linsen-Anordnungen oder Spiegeloptiken in mehrere Gesichtsfelder mit dazwischenliegenden Dunkelfeldern eingeteilt, welche auf einem Sensorelement abgebildet werden.

Die Größe der betreffenden Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder wird hauptsächlich durch die verwendeten Fresnel-Linsen-Anordnungen bzw. Spiegeloptiken bestimmt, welche keine Mi-niaturisierung der Geräte ermöglichen. Diese Geräte werden meistens in relativ großen kastenförmigen Gehäusen untergebracht, die an der Raumdecke oder an einer Wand befestigt werden und somit die uneingeschränkte Erfassung von Bewegungen im überwachten Bereich ermöglichen. Nachteilig ist dabei - neben dem großen Bauvolumen - jedoch, daß die Bewegungsmelder damit ohne weiteres als solche zu erkennen sind und unbefugte Personen sich über die installierten Sicherheitsmaßnahmen jederzeit ohne weiteres Kenntnis verschaffen können.

In vielen Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei Museen oder anderen Kultureinrichtungen, ist bei der Auswahl und Installation der Sicherungsanlagen neben den sicherheitstechnischen Aspekten auch die Erhaltung der Raumästhetik von besonderer Bedeutung.

Die bisherigen Versuche die Nachteile der bekannten Vorrichtungen zu umgehen, bestanden darin, die Bewegungsmelder üblicher Baugröße durch Tarnungsmaßnahmen zu verbergen:

So ist in der DE-OS 39 00 605 ein ein Bewegungsmelder beschrieben, dessen Form derjenigen einer herkömmlichen Glühlampe nachgebildet ist.

Gemäß DE-OS 29 20 217 werden Bewegungsmelder auch in Buch-form zur Aufstellung in Bücherregalen hergestellt. Eine derartige Tarnung setzt aber voraus, daß in dem zu überwachenden Raum auch Bücher aufzustellen sind, ohne als ungewöhnliche Objekte aufzufallen.

Aus der DE-OS 29 20 217 ist ferner ein Infrarotbewegungsmelder bekannt, dessen äußere Umrisse die Form und die Abmessungen einer Unterputzdose einer Standard-Stromver-sorgungs-Netzanlage aufweisen. Damit ist der Infrarot-Bewegungsmelder als solcher zwar ausreichend getarnt - die möglichen Installationsorte sind aber auf die für Unterputzdosen üblichen Anbringungsorte beschränkt.

Weiterhin ist in der DE-PS 34 47 350 die Kombinaton eines Reiseweckers mit einem Bewegungsmelder vorgeschlagen. Ei-nen Vorteil dieser Lösung stellt zwar die Tarnung des Bewegungsmelders dar, die Anwendung ist aber ebenfalls sehr eingeschränkt.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, einen Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder anzugeben, der die uneingeschränkte Erfassung des zu überwachenden Bereichs gewährleistet und dabei trotz eines ausreichenden Überwa- chungsbereichs eine gegenüber den bisherigen Ausführungen so weit verkleinerte Bauform aufweist, daß er nicht ohne weiteres als Bewewgungsmelder zu erkennen ist und damit keiner besonderen - den Herstellungsaufwand vergrößernden Tarnung bedarf.

Diese Aufgabe wurde durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung enthält die Erkenntnis, daß bei Bewegungsde- tektoren durch das Vorsehen eines passiven Infrarotdetektors, der als Mehrelementesensor in Form einer oder mehrerer Zeilen hinter einer Sammellinse angeordnet ist, wobei das Gesichtsfeld des so gebildeten Passiv-Infrarot-Bewegungsmelders vor der Sammellinse, entsprechend der Anzahl, Geometrie und Anordnung der Mehrelementesensoren in mehrere kleinere Gesichtsfelder mit dazwischen liegenden Dunkelfeldern unterteilt ist, die Auswerteschaltung Alarm auslöst, wenn eine Bewegung von Personen/Objekten im Gesichtsfeld der erfindungsgemäßen Vorrichtung registriert wird, eine wesentliche Miniaturisierung der Baugröße erzielbar ist.

Die Mehrelementesensoren stellen Strahlungsempfänger zur Aufnahme der von Personen und/oder Objekten emittierten Wärmestrahlung dar. Besonders geeignet sind hierfür pyro-elektrische Sensoren, die kostengünstig hergestellt und ohne zusätzliche Kühlung betrieben werden können.

Die Sammellinse ermöglicht die Fokussierung der einfallenden Wärmestrahlung auf die Mehrelementesensoren und damit eine wesentliche Miniaturisierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu bekannten Geräten. Durch die Verwendung mehrerer nebeneinander angeordneter Sensoren wird die auswertbare Sensorfläche wesentlich vergrößert. Damit verringert sich die geometrische Baugröße der optischen Anordnung, welche den Erfassungsbereich auf dem Detektor abbildet, wesentlich. Außerdem entfallen die bisher notwendigen Kammern, welche zur Trennung der Abbildungen verschiedener Erfassungsbereiche auf dem gemeinsamen Sensorelement dienten.

Durch die zentrale Anordnung einer Lochblende vor der Sam-mellinse wird zudem der Einfall von flach verlaufenden Strahlen und von Streulicht auf die Linse und zudem Totalreflexionen innerhalb der Linse vermieden, so daß die Empfindlichkeit gegenüber vergleichbaren Geräten üblicher Baugröße sogar noch erhöht ist.

Die Gesichtsfeldsektoren des miniaturisierten Passiv-Infrarot-Bewegungsmelders lassen sich so dimensionieren, daß zu detektierende Personen und/oder Objekte sicher erfaßt werden können.

Die an den Mehrelementesensoren auftretenden Signale werden in dazugehörigen Vorverstärkern verstärkt, im A/D-Wandler digitalisiert und in der Auswerteschaltung verarbeitet. Diese löst einen Alarm aus, wenn in den Ge-Sichtsfeldern der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Bewegung registriert wird. Durch die Verwendung eines Interfe- renzfilters vor der Sammellinse wird verhindert, daß Störstrahlung, wie beispielsweise Sonnen- oder Autoscheinwerferlicht, auf die Mehrelementesensoren fallen kann.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Bewegungsdetektors werden die AusgangsSignale der verschiedenen pyroelektrischen Sensorelemente elektrisch zusammengefaßt und einem gemeinsamen Verstärker zugeleitet. Da die Elemente jeweils einen hochohmigen Aus- gang haben, lassen sie sich ohne weitere logische Verknüp- fungsselemente mit ODER-Wirkung zusammenfassen, so daß bereits jede Veränderung bei einem einzelnen Sensorelement ein eine Bewegung anzeigendes Ausgangssignal auslöst.

Insbesondere ist der durch einen Mehrelementesensor gebildete Detektor in einem bis auf einen mit einer hinter einer Blende mit einer Sammellinse versehenen Fenster lichtdichten Gehäuse vorgesehen, wobei die vorzugsweise plankonvexe Linse die Öffnung hermetisch verschließt. Der Mehrelementesensor ist auf einer Schaltungsplatine zusammen mit den weiteren elektrischen Schaltungselementen angebracht, die parallel zu der der Öffnung gegenüberliegenden Gehäusewandung befestigt ist. Damit hat der erfindungsgemäße Bewegungssensor die Form eines quaderförmigen Behältnisses in der Größe des Gehäuses einer hochintegrierten elektronischen Schaltungsbaugruppe, beispielsweise eines üblichen Prozessors, und kann damit an beliebigen Orten unauffällig plaziert werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben und werden im folgenden Ausführ-ungsbeispiel erläutert. Es zeigen:

Figur 1 eine mögliche Anordnung der Mehrelementesensoren in einer Zeile, als Detail eines Ausführungsbeispiels, wie es in Figur 3 dargestellt ist,

Figur 2 einen schematische Schnittansieht des Ausführungs-beispiels mit den zugehörigen Gesichtsfeldsektoren sowie

Figur 3 eine detailliertere Schnittdarstellung des Ausführungsbeispiels, aus dem die Anordnung der verschiedenen Baugruppen in einem miniaturisierten Gehäuse ersichtlich ist.

In Figur 1 ist zunächst als Detail ein Mehrelementedetektor 1 , bestehend aus acht in einer Zeile angeordneten ein-zelnen pyroelektrischen Sensorelementen 1.1 bis 1.8 in Form eines Arrays in Draufsicht vergrößert dargestellt. Durch die strichpunktierten Linien ist jeweils die Zusammenfassung zweier Sensorelemente zu einer dualen Erfassungsbaugruppe angedeutet .

Die einzelnen elektrisch getrennten Sensorelemente weisen bei quadratischer bis rechteckiger Ausgestaltung jeweils eine Fläche in der Größenordnung von 0,5 bis 2 mm2 auf. Zwischen den einzelnen der in einer Reihe angeordneten Elemente befindet sich jeweils ein Zwischenraum, welcher einen Abstand in der Größenordnung der Kantenlänge der Sensorelemente bildet. Die gewünschte Geometrie des Gesichtsfeld dieses Mehrelementesensors wird von der Form und dem Brechungsindex der Linse und von Abstand der Meh-relementesensoren zur Linse bestimmt. Durch die gewählte Anordnung steht jedem einem Sensorelement zugeordneten Teilbild des zu überwachenden Bereichs die volle Empfindlichkeit der Elementenfläche zur Verfügung, so daß Bewegungen mit hoher Empfindlichkeit detektierbar sind.

Die Figur 2 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Bewegungsmelders im Schnitt. Das Gesichtsfeld 4 umfaßt eine Anzahl von Sektoren 4.1 bis 4.8, wobei Bewegungen in den einzelnen Sektoren jeweils zu einer Spannungsänderung bei dem zugeordne- ten pyroelektrischen Element 1.1 bis 1.8 gemäß Figur 1 führen. Die Anzahl von Sektoren ist in der Darstellung um n-1 größer als die Anzahl der Sensorelemente, da zwischen den den einzelnen Sensorelementen zugeordneten Sektoren jeweils ein nicht erfaßter Bereich vorgesehen ist.

In der Brennebene einer im wesentlichen halbkugelförmigen und aus Kunststoff bestehenden (plankonvexen) Linse 2 befindet sich der Detektor 1, dessen Längserstreckung in die Zeichenebene fällt. Vor der planen Seite der Linse ist ei-ne Lochblende 3 zentrisch angeordnet, die flache Strahlen und Streulicht von der Linse fernhält und das Auftreten mon Totalreflexionen in der Linse verhindert. Das gesamte Gesichtsfeld der erfindungsgemäßen Vorrichtung, welches einen Winkelbereich von 120° parallel zur Zeile und einen Winkelbereich von 8° senkrecht zur Zeile umfaßt, besteht aus acht kleineren Gesichtsfeldern 4.1 bis 4.8, die alle einen Öffnungswinkel von 8° besitzen und den dazwischen liegenden Dunkelfeldern. Die Gesichtsfelder reihen sich bei der dargestellten Ausführung linear aneinander. Hier-mit ist die Überwachung eines länglichen Raums oder eines Eingangs bevorzugt möglich. Hat der zu überwachende Be- reich auch wesentliche Querabmessungen, so kann entsprechend ein mehrreihiges Array verwendet werden.

Die weiteren elektrischen Baugruppen, wie Vorverstärker, Multiplexer, Analog/Digital-Wandler und Auswerteschaltung und das zugehörige Gehäuse sind in Figur 3 näher dargestellt.

Bei dem in Figur 3 im Querschnitt detailliert dargestell-ten Ausführungsbeispiel ist die Linse 2 in einem im übrigen lichtdichten quaderförmigen Gehäuse 5 eingelassen, wobei die plane Seite der plankonvexen Linse 2 bündig mit der ebenen Gehäuseoberfläche abschließt. Die Blende 3 ist ebenfalls Teil des Gehäuses, welches eine Aussparung auf-weist, in die die Linse eingelassen ist.

An der gegenüberliegenden Gehäusewandung 6, welche die von dem zu detektierenden Objekt abgewandte Wandung des Gehäuses 5 bildet, ist eine Platine 7 vorgesehen, welche den Sensor 1 trägt. Bei dem dargestellten Ausführungbeispiel sind die Ausgänge sämtlicher Sensorelemente am Eingang eines Verstärkers 8 (mit der Wirkung einer ODER-Verknüpfung) zusammengefaßt, dem ein Analog-Digital-Wandler 9 nachgeschaltet ist, dessen Ausgangssignal zu einer Auswerte-Schaltung 10 gelangt. Das Ausgangssignal der Auswerteschaltung steht wiederum an Kontaktstiften 11 bis 14 zur Verfügung, die in Reihen angeordnet sind und auch die Stromversorgungsanschlüsse bilden. Eine Baugruppe 15 ist zur Stabilisierung der Versorgungsspannung vorgesehen.

Bei einer weiteren - nicht dargestellten Ausführung kann auch jedem Sensorelement jeweils ein Verstärker nachgeord- net sein, wobei die Ausgangssignale dann über einen zusätzlichen Multiplexer weiterverarbeitet werden. Hierbei werden die Spannungsänderungen der pyroelektrischen Elemente dann nacheinander vom Analog-Digital-Wandler abge- fragt und bei Erfassung eines Objekts durch ein Sensorelement ein einen Alarmzustand anzeigendes Signal am Ausgang abgegeben.

Die in Figur 3 dargestellte Anordung weist etwa die Bau- große des Gehäuses einer komplexeren integrierten elektronischen Schaltung auf. Bedarfsweise ist im Bereich der Öffnung der Lochblende 3 ein Interferenzfilter 16 (gestrichelt dargestellt) vorgesehen.

Durch die Erfindung wurde eine Vorrichtung geschaffen, die trotz großen Erfassungsbereichs wesentlich kleiner als herkömmliche mit Fresnel-Linsen-Anordnungen oder Spiegeloptiken versehene Passiv-Infrarot-Bewegungsmelder ausgebildet ist und somit im Raum weder ohne weiteres ausge-macht werden kann noch durch ihre Installation den ästhetischen Raumeindruck verschlechtert.

Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbei-spiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
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