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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Verwendung einer derartigen Bewegungssensorvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik sind Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtungen nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs allgemein bekannt. Diese werden, üblicherweise in einem Innenraum, insbesondere für Zwecke der Beleuchtungssteuerung als Reaktion auf die detektierte Bewegung eingesetzt, wobei, in ansonsten bekannter Weise, ein von den Sendemitteln abgestrahltes (emittiertes), kontinuierliches Sendesignal einer typischen Trägerfrequenz von ca. 40kHz von einem sich im Erfassungsraum bewegenden Objekt reflektiert wird, das reflektierte Signal von dem Ultraschall-Empfangsmitteln empfangen wird und dann durch Mischer- und Detektormittel eine von einer Bewegungsgeschwindigkeit des Detektionsobjekts abhängige Dopplerfrequenz im Rahmen der Demodulation des Empfangssignals ermittelt und zur gewünschten Bewegungsdetektion ausgewertet wird. Üblicherweise erfolgt eine Filterung, um lediglich (etwa menschliche) Bewegungen in einem gewünschten Frequenzfenster der Detektion zugänglich zu machen.
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Eine derartige, für Bewegungssensorzwecke genutzte Ultraschall-Dopplertechnologie ist seit vielen Jahren bewährt, großserientauglich und langlebig in der Anwendung, so dass, mit dem Schwerpunkt Innenräume, diese Technologie eine weite Verbreitung gefunden hat, nicht zuletzt auch aufgrund einer kostengünstigen Realisierbarkeit durch einfache und unkritische Montage in Verbindung mit niedrigen Komponentenkosten. Allerdings ist eine derartige bekannte Technologie im Alltagsbetrieb auch nicht unproblematisch: So ist es nur mit hohem technischen Aufwand vermeidbar, dass etwa das Ultraschall-Sendesignal parasitär in die Ultraschall-Empfangsmittel eingekoppelt wird, insbesondere bei räumlicher Nähe der jeweiligen Ultraschalleinheiten in einem gemeinsamen Sensorgehäuse. Eine zu starke Rückkopplung wirkt sich nachteilig auf eine (maximale) Bewegungssensorreichweite aus, bis hin zu einem völligen Ausfall der gattungsgemäßen Sensortechnologie.
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Ein weiterer Nachteil der bekannten Technologie, insbesondere bei einer Verwendung einer Mehrzahl gattungsgemäßer Ultraschall-Doppler-Bewegungsvorrichtungen in einem gemeinsamen Raum oder im Bereich jeweiliger (benachbarter) Sensoren, liegt in unerwünschten Beeinflussungen der jeweiligen benachbarten Geräte, bis hin zu Fehldetektionen bzw. Fehlauslösungen. Eine Ursache dieses Problems liegt darin, dass bei (üblicherweise quarzgesteuerten) Ultraschalloszillatoren die Signale benachbart vorgesehener bzw. montierter Sensorvorrichtungen im Frequenzbereich derart nah beieinander liegen, dass ein Empfangsteil einer ersten Einheit ein Sendesignal einer zweiten Einheit als Bewegungs-Detektorsignal fehlinterpretieren kann.
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Schließlich ist ein generelles (und im vorliegenden Kontext der Bewegungssensorik auch zu Fehlauslösungen führendes) Problem, dass etwa Druckschwankungen in der Umgebungsluft nicht immer vermieden werden können und gleichermaßen Störungen verursachen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtung nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, welche im Hinblick auf die skizzierten Problemfelder, nämlich unerwünschte Rückkopplungen von den Sendemitteln in die Empfangsmittel, unerwünschte Beeinflussungen benachbarter Ultraschall-Bewegungssensorvorrichtungen in einem gemeinsamen bzw. überlappenden Erfassungsraum sowie schädliche Beeinflussungen durch Schwankungen im Umgebungsluftdruck, bestmöglich vermieden bzw. reduziert werden können, so dass insbesondere die Detektionsgüte gattungsgemäße Sensorvorrichtungen in Verbindung mit einem möglichst großen Erfassungsraum bei weitgehender Unempfindlichkeit gegen Störungen optimiert werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtung mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst; vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Zusätzlich Schutz im Rahmen der Erfindung wird beansprucht für eine Verwendung der erfindungsgemäßen Bewegungssensorvorrichtung für die Leuchten- bzw. Beleuchtungssteuerung, wobei diese Verwendung eine bevorzugte Anwendung der erfindungsgemäßen Technologie wiedergibt, diese jedoch nicht auf diese Verwendung beschränkt ist.
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In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise sind den Mischer- und Detektormitteln Mittel zur einstellbaren Erzeugung eines Phasenversatzes zwischen einer Phase des (z.B. sinusförmigen) kontinuierlichen Ultraschall-Sendesignals und einem am Mischer zur Demodulation anliegenden periodischen Impulssignal so zugeordnet, dass dieser Phasenversatz (Phasenverschiebung) größer 0° ist. Da typischerweise sowohl das (kontinuierliche, periodische) Sendesignal, als auch das impulsförmige Abtastsignal, welche auch dieselbe Frequenz – im vorliegenden Gebiet der Ultraschall-Detektortechnologie z.B. 40kHz – haben können, ist eine gleiche Frequenz dieser Signale nicht notwendig. Im Rahmen der Erfindung sorgt jedoch der realisierte Phasenversatz dafür, dass wirksam eine durch Rückkopplung bzw. unbeabsichtigte Einkopplung des Sendersignals in das Empfangsteil erzeugte Störung vermieden werden kann: So würde nämlich ein parasitär in das Empfangsteil ein- bzw. rückgekoppeltes Sendesignal mit diesem gleichphasig sein; der erfindungsgemäß erzeugte Phasenversatz des das Empfangssignal abtastenden Impulssignals lässt damit diese Störungen unberücksichtigt.
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Im Rahmen bevorzugter Weiterbildungen der Erfindung ist zudem dieser Phasenversatz einfach zu realisieren; im vorliegenden Realisierungskontext würde nämlich, auf der Basis geeignet digitalisierter Signale, im Rahmen einer Mikrocontroller- oder Mikroprozessorumgebung dieser Phasenversatz durch Programmierung bzw. eine Softwarelösung realisiert, so dass im Rahmen der weiterbildungsgemäß vorgesehenen Steuereinheit die erfindungsgemäßen Mittel zur Erzeugung des Phasenversatzes einfach umgesetzt werden können. Die eigentliche Mischung erfolgt dann in Form eines zeitdiskret realisierten, von einem Microcontroller getakteten Mischers, welcher entweder mit diskreten Bauelementen oder alternativ auch durch den Microcontroller selbst realisiert sein kann. Im Rahmen insbesondere großserientauglicher Realisierungen der Erfindung sind üblicherweise mittels eines Quarz-Oszillators bzw. Quarz-Stabilisators Schwingungsgeneratormittel vorgesehen, welche sowohl sende- als auch empfangs-(demodulator-)seitig benutzt werden können.
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Diesbezüglich sieht dann eine mögliche Weiterbildung der Erfindung vor, die Stabilisierungs- bzw. Oszillatorfrequenz eines derartigen Schwingungsgenerators verstimmen zu können, etwa durch manuell einstellbare Bauteile im Schwingkreis, ergänzend oder alternativ durch im Rahmen der mikrocontroller- bzw. mikroprozessor-realisierten Steuereinheit vorgesehene Softwareroutinen. Eine derartige gezielt für ein jeweiliges Produkt der Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtung vorsehbare Verstimmung, typischerweise in der Größenordnung von 100Hz für die hier vorliegenden üblichen Ultraschall-Trägerfrequenzen, beseitigt dann in eleganter Weise einen unerwünschten Einfluss einer benachbarten Bewegungssensorvorrichtung etwa in einem gemeinsamen Raum (und damit in einem überlappenden Erfassungsraum). Alternativ, und insbesondere im Rahmen eines erfindungsgemäßen Systemgedankens einer vorliegenden und in einem gemeinsamen Raum bzw. Deckenbereich zu montierenden der Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtungen der vorliegenden Erfindung mit der Möglichkeit gegenseitiger Beeinflussung, ist vorgesehen, die jeweiligen Oszillatoren durch Auswahl der jeweiligen (Stabilisierungs-)Quarze so einzurichten, dass diese in ihren Oszillatorfrequenzen sehr nah beieinander liegen, bis hin zu einem ein- oder zweistelligen Hz-Bereich. Aus Mischungssignalen bzw. der gegenseitigen Beeinflussung der benachbarten Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtungen entstehen dann Schwebungsfrequenzen mit entsprechend niedriger Frequenz, welche dann insbesondere bei der nachfolgenden Signalverarbeitung einfach und zuverlässig ausgefiltert und damit eliminiert werden können. Tatsächlich hat dies dann in der Betriebspraxis mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen dadurch geführt, dass tatsächlich, bedingt durch absolut höhere Ultraschall-Signalpegel im betreffenden Raum durch Überlagerung, ein höherer Empfangspegel an den einzelnen Empfängern zur Verfügung steht und mithin die Bewegungssensitivität verbesserbar ist. Damit erzeugt dann auch diese Maßnahme eine potentielle Erweiterung des nutzbaren Detektions- bzw. Erfassungsbereichs der erfindungsgemäßen Bewegungssensorvorrichtung(en).
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In der praktischen Realisierung bedeutsam weisen die erfindungsgemäßen Mittel zur Erzeugung des Phasenversatzes einen Nulldurchgangsdetektor auf, welcher etwa jeweilige Nulldurchgänge des periodischen (sinusförmigen) kontinuierlichen Ultraschall-Sendesignals detektieren und diese Nulldurchgänge dann als Basis für den erfindungsgemäßen Phasenversatz (welcher auch rechnerisch erfolgen kann) verwenden kann. Wiederum in herstellungstechnisch und schwingungstechnisch günstiger Weise enthalten etwa die Sendemittel Einheiten zur Konstanthaltung der Phase des Ultraschall-Sensorsignals, welche in ansonsten bekannter Weise etwa mittels einer Phasenregelschleife realisiert werden können.
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Zur weiteren Verbesserung der Störungsunempfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, insoweit als weitere bevorzugte Ausführungsform, sind den Mischer- und Detektormitteln Mittel zur Einstellung einer Impulsbreite (Impulsweite) des periodischen Impulssignals für die Demodulation zugeordnet. Auch hierdurch kann die Störunterdrückung verbessert werden und damit insbesondere die als problematisch festgestellten unerwünschten Druckschwankungen in der Umgebungsluft wirksam reduziert werden. Insbesondere führt nämlich eine Verlängerung der Impulsbreite zu einer verbesserten Reduktion höherfrequenter Signalkomponenten.
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Im Ergebnis entsteht durch die vorliegende Erfindung in überraschend einfacher und wirksamer Weise eine im Hinblick auf ihr Betriebsverhalten und ihre Störunempfindlichkeit verbesserte Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtung, welche, bei nach wie vor günstigen Betriebs- und Herstellungseigenschaften, die Unempfindlichkeit gegenüber Rückkopplungen zwischen den Sende- und Empfangsmitteln, eine Unempfindlichkeit gegenüber einer Beeinflussung durch benachbarte Bewegungssensoreinheiten im selben Raum sowie eine Unempfindlichkeit gegenüber Druckstörungen oder dergleichen in der Umgebungsluft wirksam erhöht.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in
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1 ein schematisches Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Ultraschall-Doppler-Bewegungssensorvorrichtung gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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2 ein exemplarisches Signaldiagramm zur Darstellung eines kontinuierlichen Sendesignals, eines Empfangssignals, eines gepulsten periodischen Signals für die Demodulation und eines bei einer exemplarischen Bewegung auftretenden (demodulierten) Dopplersignals in der unmittelbaren Gegenüberstellung als jeweilige Amplitude über der Zeit.
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Die in 1 im schematischen Blockdiagramm gezeigte Vorrichtung im ersten Ausführungsbeispiel weist senderseitig einen üblichen Ultraschallgeber (Ultraschallsender) 10 auf, welcher von einer Treibereinheit 12 mit einem sinusförmigen kontinuierlichen Signal (CW) beaufschlagt wird; eine typische Senderfrequenz ist 40kHz. Treiberseitig erfolgt eine Konstanthaltung des Sendersignals im Rahmen einer dort realisierten Phasenregelschleife (PLL).
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Der Treibereinheit ist eine zentrale Regel- und Filtereinheit 14 vorgeschaltet, welche ein aus einer Quarz-Oszillatoreinheit 16 gewonnenes Stabilisierungssignal empfängt und auch der Treibereinheit 12 anlegt. Das Signal der Oszillatoreinheit (Stabilisierungseinheit) 16 wird damit auch benutzt, um ein 40kHz-Impulssignal im Rahmen der mittels einer Mikroprozessoreinheit realisierten Baugruppe 14 zu erzeugen. Dieses Impulssignal, wiederum auch in der Einheit 14 gegenüber einer Phase des Sendesignals 14 durch digitale Mittel, etwa geeignete Programmierung im Rahmen der Einheit 14, phasenverschoben, liegt dann einer (diskret aufgebauten) Mischereinheit 18 an, welche in ansonsten bekannter Weise an einer nicht-linearen Kennlinie das phasenverschobene Impulssignal mit einer aus einer Ultraschall-Empfangseinheit 20 mit nachgeschalteter Filter- und Verstärkereinheit 22 (hier ist insbesondere auch eine an typische Bewegungsmuster und entsprechende Doppler-Frequenzen angepasste Bandfilterfunktionalität realisiert) demoduliert, so dass am Ausgang der Mischereinheit 18 entsprechend dem im Rahmen der überlagerten Dopplerfrequenz des Empfangssignals detektierten Bewegung ein Bewegungs-Detektionssignal zur weiteren Verarbeitung im Rahmen einer Filter- und Verstärkereinheit 24 und dann zur Auswertung im Rahmen der zentralen Steuereinheit 14 anliegt.
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Vorteilhaft bewirkt der Phasenversatz, dass unmittelbar durch die Sendeeinheit 10 in die Empfangseinheit 20 einstrahlende (rückkoppelnde) Signale unberücksichtigt bleiben, wie dies insbesondere auch im Signaldiagramm der 2 erkennbar ist.
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So zeigt zunächst das oberste Diagramm gemäß 2(a), das kontinuierliche Ultraschall-Sendesignal, wie es von der Treibereinheit 12 an die Sendeeinheit 10 angelegt und nachfolgend in den Erfassungsbereich der Vorrichtung abgestrahlt wird. In der 1 ist dies durch den Hinweis auf 2(a) markiert. Gleichermaßen und im selben Zeitmaßstab (wie dies im Übrigen auch für die weiteren Kurven der 2 gilt) zeigt die Teilfigur (b) das empfangsseitig vorliegende Signal vor der Mischeinheit 18, phasenverschoben und frequenzgleich mit dem Sendesignal (a), wobei, ab etwa der Mitte des entlang der Horizontalen in 2 gezeigten Zeitfensters, das Empfangssignal (b) eine Doppler-bedingte Verschiebung, zunächst in der Phase nach links, dann nach rechts in der Zeitachse, zeigt. Teilfigur (c) von 2 verdeutlicht die Abtastsignale am Eingang des Mischers 18, erzeugt von der zentralen Einheit 14. Schließlich verdeutlicht die Teilfigur (d) das Ergebnis der Demodulation vor der Verstärkereinheit 24; deutlich wird, dass das ab etwa der Hälfte des in 2 gezeigten Zeitfensters die detektierte und im Doppler-Versatz von Teilfigur (b) erkennbare Bewegung in Richtung auf das Nutzsignal gemäß Teilfigur (d) demoduliert wird, während im ersten Zeitabschnitt kein für die Auswertung relevantes Demodulationssignal auftritt.
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In den Figuren nicht gezeigt ist die Möglichkeit, durch geeignete Funktionalität im Rahmen der Steuereinheit 14 eine Impulsbreite der der Mischereinheit 18 zugeführten Impulse zu variieren.
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Die gezeigte Vorrichtung ist dann etwa in ein zur Wand- oder Deckenmontage geeignetes Gehäuse einbaubar, wobei weiter bevorzugt sowohl die Sende- als auch die Empfangseinheit, geeignet benachbart und mechanisch entkoppelt, im gemeinsamen Gehäuse vorgesehen und auf einen Bewegungsdetektionsraum ausgerichtet bzw. ausrichtbar sind. Eine besonders bevorzugte Verwendung dieser Ausführungsform liegt dann in der Beleuchtungssteuerung, wobei geeignete Leuchtmittel dann entweder unmittelbar am oder im Sensorgehäuse vorgesehen sein können, um insoweit eine Gesamteinheit zu realisieren, alternativ dann über eine geeignete drahtgebundene oder drahtlose Verbindung ein Detektions- und Aktivierungssignal der in 1 gezeigten Sensorvorrichtung einem davon räumlich getrennt vorgesehenen Leuchtmittelkörper zur Beleuchtungsaktivierung zugeführt werden kann.
