DE19625235A1 - Motion detector for the detection of moving objects emitting heat radiation - Google Patents
Motion detector for the detection of moving objects emitting heat radiationInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Bewegungsmelder nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a motion detector according to the preamble of claim 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.For the detection of heat radiation emitting, moving objects, esp especially of people, passive infrared motion detectors are usually used (PIR motion detector). These are preferred in the room to be monitored installed on a wall and are made with infrared light-sensitive sensor elements allowed, to which the emitted heat radiation is fed via a receiving optic is that movements of heat-emitting objects on the sensor elements produce electrical signals. With these you can then use an electrical circuit a switching signal is generated, which is used to switch a lighting device or a warning system.
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.The switching signal returns to its initial state after a delay back as soon as no movement is detected. Does the device serve z. B. in one Office for switching the lighting, so the lighting is also switched off device when the movements of an employee sitting in his office chair ters are so small that they can no longer be detected by the motion detector. Switching off the lighting on this is not just for the over seen employees unpleasant, but costs more energy, because then often with larger delay times must be worked. There is therefore a clear one Requirement for presence detectors, which may then also be used for purposes other than light switch could be used.
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.In "Wiss. Z.Techn. Univers. Dresden 43 (1994) H. 6, p. 66" an intelligent Sen described switch that can be used as a presence detector. By the one set of eight instead of the usual two sensor elements, the recording sensitivity increased. The evaluation with four analog channels also delivers much more Information so that a microprocessor can use this information with the help of a selfler can evaluate the algorithm for the switching decision.
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.Furthermore, the combination is in "Electronics Practice, No. 24, December 16, 1993, p. 22" a thermo and pyroelectric infrared measuring system and an optoelectroni Measuring system described in connection with a Fuzzi logic processor. The Fuzzi logic concludes on the basis of three measurement results and enables an application However, the security message is only at a short distance from the detector. From DE 36 16 374 A1 a pyrodetector is also known, which is moving and rich tion-selective detection is suitable. This sensor works with a number as an array single sensor elements arranged in an arc. However, the known systems are either relatively complex to implement or they are not sufficient sensitive to capture even the smallest movements.
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.The object of the invention is therefore a motion detector according to the preamble to create the claim 1, he even very slight movements can grasp.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprüchen genannt.This object is achieved by the features characterized in claim 1. Appropriate refinements and developments of the subject matter of the invention are mentioned in the subclaims.
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.The sensitivity of the sensor is significantly increased by one element each tenarray is arranged in a confined space so that there is a radiation reception forms a suitable pixel, which is followed by its own signal processing stage. This arrangement is multiplied by reading one of several pixels of this type henes pixel array is formed, which a radiation-sensitive receiving area covers, which has a predetermined reception structure. Because the individual elements rays are compensated in relation to constant light, which z. B. by a series connection opposite polarity sensor elements can happen, each pixel works with high sensitivity sensitivity, but without being susceptible to constant light, so that even the smallest movements of a radiation object can be detected. The Si assigned to the individual pixels Signal processing stages together with a logic unit enable the signal Evaluation according to a predefined or selectable algorithm in the ge desired way can be done. A suitable switching signal can be identified by a Control circuit can be generated.
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.An expedient development of the subject matter of the invention provides that the Reception optics is constructed as a multi-lens or mirror optics. The emp The initial structure of the pixel array depends on the arrangement of the individual pixels with respect to one another pending. A first option is to look at the individual pixels of the pixel array to arrange a flat surface next to each other like a chain. Another possibility results when the individual pixels of the pixel array coaxially on a lateral surface a multi-lens or a mirror arrangement. According to each The selected arrangement results in different detection areas, however can also be influenced by the receiving optics.
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.A selection effect of the receiving device with which a location can be determined and have the direction of movement determined can be achieved that each pixel with its assigned part of the receiving optics to a certain ten, is delimited from other room areas.
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.For constant light compensation it is provided that an equal number of opposite pole Senso relemente is connected in series, but by no means always two in a row opposite polarity sensor elements must be connected, but It is imperative that the number of counterpolar sensors compensating each other elements is the same. As an alternative to the series connection, constant light compensation can be used also take place in that a difference formation of the Signals from at least two identical sensor elements.
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.Another expedient development of the subject matter of the invention provides that in the signal processing stage or the logic unit an evaluation of each one individual pixels emitted signal is such that the size of the radiating Object and / or its speed and / or its direction of movement is cash.
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.Usually you will ensure that the logic unit only then the control scarf device for switching off a lighting device activated if none of the pixels emits a signal within a predetermined period of time that is above a predetermined one threshold lies. This increases the reliability of the switch-on hen that the logic unit only then the control circuit to turn on a light device activated when at least two of the pixels within a given output a signal that is above a predetermined threshold value.
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.It is advantageous to build the logic unit using a microprocessor and in In terms of miniaturization, it is also advisable to use the py roelectric sensor, the signal processing stage and the logic unit in one Integrated circuit. The signal processing stage and the logic unit can then manufactured in CMOS technology and the individual pixels as pyroelectric thin layer elements are executed.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:Embodiments of the invention are shown in the drawings and are in following described in more detail. Show it:
Fig. 1 den prinzipiellen Aufbau eines Wärmestrahlung aufnehmenden Emp fangsteils, Fig. 1 receiving the basic structure of a heat radiation Emp collecting part,
Fig. 2 das Blockschaltbild von einem als Anwesenheitsmelder geeigneten Bewe gungsmelder, Fig. 2 is a block diagram of a suitable as a presence detector BEWE supply detector,
Fig. 3 ein zu einem Pixel angeordnetes Elementenarray, Fig. 3 is a arranged to form a pixel array elements,
Fig. 4 die gegenpolige Reihenschaltung der beiden Sensorelemente des Pixels nach Fig. 3, Fig. 4, the opposite polarity series connection of the two sensor elements of the pixel of FIG. 3,
Fig. 5 ein aus vier Sensorelementen gebildetes Elementenarray, Fig. 5 is a formed of four sensor elements elements array,
Fig. 6 die gegenpolige Reihenschaltung der vier Sensorelemente des Pixels nach Fig. 5. Fig. 6, the opposite polarity series connection of the four sensor elements of the pixel in 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.As can be seen in FIG. 1, an object to be detected, in particular a person to be detected, emits thermal radiation 1 , which reaches a pyroelectric sensor 3 via an optical receiving system 2 . In the present example, the receiving optics 2 consist of a lens system, which is usually constructed as a multifressional lens. Of course, a mirror optic could also take the place of the lens system, although the mirror segments would then have to be arranged differently because of their reflective effect on the sensor 3 .
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.In a monitored room, one must count on heat sources that operate as constant light emitters. However, the constant light radiation detected by the sensor elements can only be compensated if all sensor elements involved in the compensation are subjected to the same amount of heat with the constant heat radiation. Demge Mäss Partition the Erfas sungsbereiches defined on a plurality of individual pixels 4 through the lenses of the optical receiving system 2, wherein each of these pixels is 4 compensated against direct light radiation, that at least in each case two opposite poles are connected in series sensor elements 5, 6, a pixel 4 form. The structure of the pixels 4 from several sensor elements 5 , 6 is shown in FIGS. 3 and 5. As can also be seen in the corresponding antipolar series connections of the sensor elements 5 , 6 in FIGS . 4 and 6, in this example the pixel 4 is formed from two or four sensor elements 5 , 6 , but a larger number can also be selected if a higher resolution within a pixel 4 is desired.
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. As shown in FIG. 2, each pixel 4 has its own signal processing stage 7 , such that a multiplicity of signal processing stages 7 ends at a common logic unit 8 . It is thus possible to evaluate the signals generated by each individual pixel via its sensor elements 5 , 6 in a differentiated manner and then to combine them with the aid of the logic unit 8 or to order and weight them according to predetermined criteria, in order to finally give a switching command via a control circuit 9 , the z. B. switches a light source on or off.
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.There are a large number of possible variants for the arrangement of the pixels 4 . In the simplest case represented by FIG. 1, the pixel array 3 is formed by a plurality of pixels 4 lying on a flat surface. For other applications it is more expedient to place the individual pixels 4 in the focal point of a lens assigned to them, so that in the case of a semi-ring-like lens arrangement the pixels 4 would also lie on an arc. Accordingly, optics with spherically arranged lenses would result in a corresponding arrangement of the individual pixels 4 . These are easily visible relationships that do not require any visual representation.
BezugszeichenlisteReference list
1 Wärmestrahlung
2 Empfangsoptik
3 Pixelarray
4 Pixel (Elementenarray)
5 positives Sensorelement
6 negatives Sensorelement
7 Signalverarbeitungsstufe
8 Logikeinheit
9 Steuerschaltung 1 heat radiation
2 receiving optics
3 pixel array
4 pixels (element array)
5 positive sensor element
6 negative sensor element
7 signal processing stage
8 logic unit
9 control circuit
Claims (13)
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Legal Events
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Owner name: ABB PATENT GMBH, 68526 LADENBURG, DE |
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| 8130 | Withdrawal |