CH617279A5

CH617279A5 -

Info

Publication number: CH617279A5
Application number: CH776077A
Authority: CH
Inventors: Hansjuerg Dipl Phys Keller
Original assignee: Cerberus Ag
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1977-06-24
Publication date: 1980-05-14
Also published as: AU519546B2; DE2820343A1; SE7807059L; AU3713078A; NL7806748A; DE2820343C2; SE423842B; US4166955A; FR2395555A1; FR2395555B1; JPS5411780A; GB1579778A

Description

Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit wenigstens einem strahlungsempfindlichen Element, das ein der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung entsprechendes elektrisches Signal abgibt, und dessen Verwendung. Solche Strahlungsdetektoren dienen zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung im optischen, infraroten oder ultravioletten Bereich in elektrische Signale. Diese Umwandlung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durch den inneren photoelektrischen Effekt von Halbleitermaterialien bei Photowiderständen, Photodioden, Photoelementen oder Phototransistoren, oder durch die sekundäre Wirkung der durch absorbierte Strahlung im Element entstehenden Wärme, wobei dann zur Umwandlung der Erwärmung in ein elektrisches Signal beispielsweise die Widerstandsänderung eines Thermistors ausgenützt wird oder die Ladungsverschiebungen in einem polarisierten, pyroelektrischen Kristall oder Kunststoff verwendet werden kann. Solche Strahlungsdetektoren sind in zahlreichen Ausführungen bekannt und werden in grossem Umfang verwendet.

Ein Nachteil dieser vorbekannten Strahlungsdetektoren ist es, dass das elektrische Ausgangssignal von einem Rauschsignal überlagert ist, welches für die Strahlungsdetektion eine untere Grenze setzt. Besonders verhängnisvoll wirkt sich dieses Rauschsignal aus, wenn das nachzuweisénde Strahlungssignal einen ähnlichen Verlauf hat, beispielsweise, wenn einzelne Strahlungsimpulse in gewissen Abständen nachzuweisen sind, die vom Rauschsignal nicht unterscheidbar sind. Bei der Verwendung solcher Strahlungsdetektoren in passiven Infrarot-Einbruchdetektoren oder in optischen Flammenmeldern kann daher durch das unvermeidbare Rauschsignal ein Alarmsignal vorgetäuscht werden, obwohl keine Alarmursache vorliegt. Die Empfindlichkeit solcher Geräte kann daher nicht unbeschränkt verbessert werden, sondern muss so gewählt werden, dass nur Strahlung detektiert wird, welche wesentlich intensiver ist als das Rauschsignal.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist bereits versucht worden, zwei getrennte, aber gleichartige Strahlungsdetektoren mit getrennten Verstärkern und Schwellenwertschaltern zu verwenden, welche so verbunden werden, dass ein Ausgangssignal nur auftritt, wenn beide Kanäle gleichzeitig ein Signal aufweisen. Dabei wird davon ausgegangen, dass die Wahrscheinlichkeit, dass beide Kanäle gleichzeitig ein identisches Rauschsignal abgeben, sehr gering ist. Nachteilig ist hierbei, dass die beiden Strahlungsdetektoren nicht immer die gleiche Strahlung erhalten, d. h. dass deren Ausgangssignale einen leicht verschiedenen Verlauf haben. Daher kann es geschehen, dass bei einer solchen Kombination zweier getrennter Strahlungsdetektoren zwar fehlerhafte Alarme weitgehend unterdrückt werden können, jedoch andererseits in gewissen Fällen trotz Vorliegen einer Alarmursache überhaupt kein Ausgangssignal gegeben wird. Abgesehen davon muss bei einer solchen Kombination der gesamte Schaltungsaufwand mehr als verdoppelt werden, was für viele Anwendungen nicht tragbar ist.

Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der erwähnten Nachteile und die Schaffung eines Strahlungsdetektors, bei dem die Wirkung der Rauschsignale weitgehend eliminiert ist, ohne die Nachweissicherheit zu beeinträchtigen und ohne den Schaltungsaufwand und die Zahl der Komponenten wesentlich zu vergrössern, wobei weiterhin die Nachweisempfindlichkeit erhöht ist. Ein solcher Strahlungsdetektor soll sich insbeson-

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dere zur Verwendung in passiven Infrarot-Detektoren zum in diesem Fall sind zwei der Kontakte Ki und IG an den beiden

Nachweis der Strahlung eines Einbrechers oder zur Verwen- Seiten der Elementfläche S angeordnet, während der Kontakt dung in einem Brandmelder zum Nachweis der Strahlung bren- K2 als Mittelstreifen ausgeführt ist. Als Teilsignale können hier nender Gegenstände oder von Flammen eignen. beispielsweise die Signale Ti (Ki, K2) und T2 (K2, K3) zur Aus-

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass 5 wertung verwendet werden.

das oder die strahlungsempfindlichen Elemente mehr als zwei Bei der in Fig. 3 dargestellten Anordnung sind auf einer elektrische Anschlüsse aufweisen und dass eine Schaltung zur streifenförmigen, strahlungsempfindlichen Fläche S die Kon-

Verknüpfung von mindestens zwei zwischen jeweils zwei der takte in Form von Parallelstreifen Ki, K2, Ks, K, und Ks

Anschlüsse auftretenden Teilsignalen vorgesehen ist, bei der angeordnet. In diesem Fall können als Teilsignale die Signale der Wert des Ausgangssignals zunimmt, wenn der Wert eines 10 zwischen jeweils zwei benachbarten Kontakten benützt wer-

beliebigen Eingangssignals zunimmt, und welcher verschwin- den, d. h. Ti (Ki, Ka), Tz (K2, Ks), Ts (Ks, K») und Ti (K4, Ks). Bei det, wenn eines der Eingangssignale Null ist. einer solchen Anordnung kann das strahlungsempfindliche Ele-

Diese Schaltung kann z. B. als Multiplikator ausgebildet ment aus einer durchgehenden strahlungsempfindlichen sein, oder so, dass am Ausgang eine mathematische Funktion Schicht bestehen, auf die die einzelnen Kontaktstreifen parallel des Produktes auftritt. 15 zueinander in gewissen Abständen aufgebracht sind, oder aus

Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, dass durch einzelnen Teilen Si, S2, Ss und S4 die durch Metallschichten K2,

die Multiplikation der Teilsignale zwischen j eweils zwei Detek- K3 und fCt getrennt werden.

torelement-Anschlüssen entstehende Produkt A = TrT2-...-Tn Bei der Anordnung nach Fig. 4 sind ebenso wie in Fig. 1 an nur dann von Null verschieden ist, wenn alle Teilsignale von den Ecken einer quadratischen strahlungsempfindlichen

Null verschieden sind, d. h. wenn in allen Teilsignalen gleichzei- 20 Fläche S Anschlusskontakte Ki, K2, Ks und K4 vorgesehen,

tig ein Rauschimpuls auftritt. Diese Wahrscheinlichkeit ist Zusätzlich wird die Fläche S durch einen kreuzförmigen jedoch äusserst gering. Wird jedoch der Detektor gleichmässig Anschlusskontakt Ko in vier Sektoren geteilt. In diesem Fall ist mit Strahlung beaufschlagt, so werden alle Teilsignale gleich- es zweckmässig, als Teilsignale die Signale Ti (Ko, Ki), T2 (Ko,

zeitig von Null verschieden sein und somit auch das Ausgangs- K2), Ts (Ko, Ks) und T» (Ko, K4) zu verwenden.

signal. 25 Fig. 5 zeigt ein Beispiel einer möglichen Anordnung von

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren Anschlusskontakten an einem körperhaften Detektorelement,

beschrieben. beispielsweise einem Sperrschichtdetektor oder einem pyro-

Die Fig. 1 -4 zeigen vier verschiedene Möglichkeiten der elektrischen Detektor. Dabei ist vorteilhafterweise ein gemein-

Anordnung der Kontakte für die Anschlüsse an einem flächen- samer Grundkontakt Ko auf der Unterseite des Elementes haften Detektorelement. 30 angebracht und mehrere Kontakte Ki, K2 auf der Oberseite.

Fig. 5 zeigt eine mögliche Anordnung an einem körperhaf- Die Sperrschicht J des Detektorelementes liegt in diesem Fall ten Detektorelement. zwischen der Unterseite und Oberseite des Elementkörpers.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen Als Teilsignale ist es dabei zweckmässig, Ti (Ko, Ki) und T2 (Ko,

Strahlungsdetektors. K2) zu verwenden.

Fig. 7 zeigt ein Beispiel einer Schaltung eines solchen Strah- 35 Es sei bemerkt, dass in jedem Fall auch andere Anordnun-

lungsdetektors im Detail. gen von Anschlusskontakten auf oder an Strahlungsdetektor-

In Fig. 1 ist ein Beispiel einer möglichen Anordnung von Elementen vorgesehen sein können und eine beliebige Anzahl

Kontakten für die Anschlüsse auf einem flächenhaften, strah- von Kontakten gewählt werden kann, solange mindestens zwei lungsempfindlichen Element, z. B. einem dünnen Plättchen S Von nicht identischen Kontakten herrührende Signale entnom-aus photoleitendem oder wärmeempfindlichen Material, darge- 40 men werden können.

stellt. An den vier Ecken des quadratischen Elementes S sind Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild eines erfindungsgemässen dazu kleine metallisierte Flächen Ki, K2, Ks und K» aufgebracht, Strahlungsdetektors. Dabei liefert ein Strahlungsdetektor-Ele-

von denen die Anschlüsse abgehen und zwischen denen das ment, welches beispielsweise nach einer der Fig. 1 -4 ausgebil-

strahlungsempfindliche Material liegt. det sein kann, eine Anzahl von Teilsignalen Ti, T2,... Tn an eine

Die Anschlüsse vom Detektorelement S werden, wie in 45 Multiplikations-Einrichtung M, an deren Ausgang das Produkt

Fig. 6 dargestellt, an eine Multiplikations-Einrichtung M a = Ti-T2-...-Tn auftritt, welches einer nachgeschalteten, nicht geführt, welche, eventuell nach geeigneter Verstärkung der dargestellten Auswerteeinrichtung zugeführt wird, welche bei

Teilsignale, das Produkt der Teilsignale zwischen bestimmten Vorliegen bestimmter Kriterien ein Signal abgibt.

Kombinationen von je zwei Anschlüssen Ki...Km bildet. Vorteil- Fig. 7 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung im Detail,

haft kann es dabei sein, nicht alle möglichen Kombinationen 50 wobei das in Fig. 2 dargestellte strahlungsempfindliche Ele-

oder Teilsignale zur Auswertung heranzuziehen, sondern nur ment S mit den Anschlüssen Ki, IG und Ks sowie den strah-

diejenigen, deren Rauschsignale möglichst unabhängig vonein- lungsempfindlichen Flächen Si und S2 verwendet wird. Diese ander sind. So können beispielsweise bei der Kontaktanord- beiden strahlungsempfindlichen Widerstandsstrecken Si und S2

nung nach Fig. 1 die beiden Teilsignale Ti (Ki, K4) und T2 (IG, liegen jeweils mit einem Widerstand Ri und R2 zwischen zwei

K3) verwendet werden. Hierbei ist es von Vorteil, dass die nach- 55 Leitungen mit positiver und negativer Versorgungsspannung,

zuweisende Strahlung beide Teilsignale Ti und T2 fast in glei- während der Mittelabschnitt K2 auf Nullpotential liegt. Die an eher Weise beeinflusst, während das Rauschsignal verschieden den Anschlüssen Ki und K3 auftretenden Signale werden über ist. Stattdessen können jedoch auch die beiden Signale Ts (Ki, die Kondensatoren Ci und C2 dem Xi- und dem Yi-Eingang

K2) und T4 (K3, K4) vom Multiplikator M ausgewertet werden. einer Multiplikationsschaltung M zugeführt. Als Multiplikator

Falls ein etwas komplizierterer Multiplikator in Kauf genom- 60 kann z. B. eine handelsübliche integrierte Schaltung vom Typ men werden kann, können aber auch alle 6 möglichen Kombi- MC 1595 (Motorola) oder ein äquivalentes Erzeugnis dienen, nationen oder Teilsignale verwendet werden. Ein Strahlungsde- Der X2- und Y^Eingang des Multiplikators M liegt auf Nullpo-

tektor-Element nach Fig. 1 kann mit besonderem Vorteil dort tential also auf dem gleichen Potential wie der Mittelabgriff IG,

eingesetzt werden, wo die nachzuweisende Strahlung nur einen so dass am Ausgang des Multiplikators das Ausgangssignal A =

geringen Querschnitt hat und die Empfängerfläche daher mög- 65 (Yi - Y2) • (Xi - X2) = Ti • T2 erscheint Dieses Ausgangssignal A

liehst klein sein muss. ist also gleich Null, solange über die Kondensatoren Ci und C2

Fig. 2 zeigt eine andere mögliche Anordnung der kein Signal zugeführt wird. A ist dann, und nur dann von Null Anschlusskontakte auf einer strahlungsempfindlichen Fläche S. verschieden, wenn gleichzeitig Signale an den Eingängen Yi

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und Xi zugeführt werden, d. h. wenn beide Teilspannungen Ti (Ki, K2) und T2 (K2, K3) gleichzeitig von Null verschieden sind. Es sei noch bemerkt, dass es zweckmässig ist, die Eingänge Xi und Yi sowie die Ausgänge Ai und A2 des Multiplikators M durch entsprechende Widerstände R3, R4, Rs und Re zu stabilisieren.

Es sei bemerkt, dass die Multiplikation der Teilsignale grundsätzlich auf beliebige Art erfolgen kann. Dazu geeignete Schaltungen sind in grosser Zahl bekannt als Multiplikatorschaltungen, nichtlineare Verstärker, Modulatoren oder Produktdetektoren. Anstelle einer solchen Einrichtung zur Multiplikation von Signalen können im Sinne der Erfindung auch solche Schaltungen verwendet werden, bei denen keine reine Multiplikation stattfindet, jedoch das Ausgangssignal wenigstens teilweise eine multiplikative Verknüpfung der Eingangssignale enthält. So können z. B. die Teilsignale mit logarithmischen oder teilweise oder angenähert logarithmischen Verstärkern verarbeitet werden, deren Ausgangssignale sodann addiert werden. Dabei ist das Ausgangssignal der Logarithmus des Produktes. Die für die Erfindung verwendete Verknüpfungs-Schaltung kann als Ausgangssignal auch eine andere mathematische Funktion des Produktes haben oder eine Funktion mit äquivalenten Eigenschaften, bei welcher der Wert des Ausgangssignales zunimmt, wenn der Wert eines beliebigen Eingangssignales zunimmt, und welches verschwindet, wenn eines der Eingangssignale Null ist. Die Anzahl der Eingangssignale ebenso nicht auf zwei beschränkt, wie im Schaltungsbeispiel nach Fig. 7 dargestellt, sondern kann auch grösser als zwei sein entsprechend der Zahl der zur Verfügung stehenden 5 Anschlusskontakte des strahlungsempfindlichen Elementes.

Solche vorstehend beschriebenen Strahlungsdetektoren, bei welchen Detektorelemente mit mehr als zwei Anschlüssen an eine derartige Verknüpfungsschaltung angeschlossen sind, 10 eignen sich besonders für die Verwendung zum Nachweis der Eigenstrahlung eines Objektes, beispielsweise der Infrarotstrahlung eines Einbrechers, dessen Körperstrahlung mittels geeigneter optischer Mittel auf den Strahlungsdetektor gerichtet wird. Dabei ist die Optik, wie beispielsweise in den deut-15 sehen Gebrauchsmustern 7 615 724,7 616 715,7 636 763 oder 7 636 764 beschrieben, so ausgebildet und angeordnet, dass diskrete Empfangszonen oder -richtungen entstehen und bei einer Bewegung des Einbrechers die auf den Strahlungsempfänger auftreffende Strahlung moduliert wird. Eine andere Verwen-20 dung ist die Benützung als Brandmelder, wobei die flackernde Flammenstrahlung brennender Gegenstände aufgenommen wird. In beiden Fällen lassen sich Störungen durch Rauschsignale in der beschriebenen Weise eliminieren, so dass die'Empfindlichkeit ohne wesentliche Vergrösserung des Aufwandes 25 erhöht werden kann.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

617279 PATENTANSPRÜCHE

1. Strahlungsdetektor mit wenigstens einem strahlungsempfindlichen Element, das ein der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung entsprechendes elektrisches Signal abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das oder die strahlungsempfindlichen Elemente (S) mehr als zwei elektrische Anschlüsse (Ki, K2) aufweisen, und dass eine Schaltung (M) zur Verknüpfung von mindestens zwei zwischen jeweils zwei der Anschlüsse auftretenden Teilsignalen vorgesehen ist, deren Ausgangssignal zunimmt, wenn der Wert eines beliebigen Teilsignales zunimmt, und deren Ausgangssignal verschwindet, wenn eines der Teilsignale Null ist.

2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung zur Verknüpfung eine Einrichtung (M) zur Multiplikation aufweist.

3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (M) zur Verknüpfung von mindestens zwei Teilsignalen so ausgebildet ist, dass am Ausgang das verstärkte Produkt der Teilsignale auftritt.

4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (M) zur Verknüpfung der Teilsignale so ausgebildet ist, dass am Ausgang eine mathematische Funktion des Produktes der Teilsignale auftritt.

5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schaltung (M) zur Verknüpfung der Teilsignale so ausgebildet ist, dass am Ausgang der Logarithmus des Produktes der Teilsignale auftritt.

6. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element (S) eine strahlungsempfindliche Schicht aufweist, an dessen Rand die Anschlusskontakte (Ki, K2...) vorgesehen sind.

7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht (S) eine viereckige Form hat, wobei die Anschlusskontakte (K1...K4) aus an den vier Ecken angebrachten Metallschichten bestehen.

8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element (S) eine strahlungsempfindliche Schicht (S1...S5) aufweist, auf welcher die Anschlusskontakte in Form von wenigstens angenähert parallelen Streifen (K1...K5) angebracht sind.

9. Strahlungsdetektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsignale die Signale zwischen benachbarten Anschlusskontakten (K1-K2, K2-K3,...) sind.

10. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht (S) das photoelektrische Halbleitermaterial eines Photowiderstandes ist.

11. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass die strahlungsempfindliche Schicht (S) als Thermistor ausgebildet ist.

12. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element (S) ein strahlungsempfindlicher Körper mit einer Sperrschicht (J) ist, wobei die Anschlusskontakte (Ko, Ki, K2) auf der Oberfläche des Elementes auf beiden Seiten der Sperrschicht angeordnet sind.

13. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlungsempfindliche Element (S) ein pyroelektrischer Körper ist.

14. Verwendung des Strahlungsdetektors nach Anspruch 1 zum Nachweis der Eigenstrahlung eines Gegenstandes.

15. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Körperstrahlung einer Person nachgewiesen wird.

16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Infrarot-Körperstrahlung bei Bewegung der Person mittels einer Optik mit diskreten Empfangsbereichen moduliert auf den Strahlungsdetektor geleitet wird.

17. Verwendung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Flammenstrahlung eines brennenden Objektes nachgewiesen wird.