DE2428333B2 - Pyroelektrischer detektor fuer waermestrahlung - Google Patents
Pyroelektrischer detektor fuer waermestrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detek- (\s
tor für Wärmestrahlung, wie er im Oberbegriff des Anspruchs 1 vorausgesetzt ist. Speziell soll damit eine
Bewegung warmer Körper erfaßt werden.
Sogenannte pyroelektrische Materialien sind homogene Stoffe die so polarisiert werden können, daß sie
gegenüber Wärmestrahlung empfindlich sind und eine Spannung liefern, wenn sie einer Temperaturänderung
unterworfen werden. Stoffe mit diesen Eigenschaften sind be;spielsweise Polyvinylidenfluorid, Tnglycinsulfat,
Triglycinselenat, Triglycinfluorberyilat, Strontiumbariumniobat,
Bleizirkonat-Titanat usw. Aus solchen Stoffen hergestellte pyroelektrische Detektoren haben die
angenehme Eigenschaft, daß sie bei Zimmertemperatur arbeiten Sie wären daher gut für Zwecke wie
Einbruchmelder, industrielle Kontrollgeräte und andere Überwachungseinrichtungen geeignet. Die Verwendung
solcher Materialien als Detektoren fur Überwachungseinrichtungen stieß jedoch bisher auf Schw.erigkeiten,
weil sie den Nachteil haben, auf eine nahegelegene Wärmequelle nur mit einer ziemlich schwachen
Spannung zu reagieren, während ihre Empfindlichkeit gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur
relativ groß ist. Ein Detektor in einer Überwachungseinrichtung
muß jedoch auf Änderungen der überwachten Wärmestrahlung mit der Erzeugung einer relativ
großen Spannung reagieren, während er andererseits im wesentlichen unempfindlich gegenüber Schwankungen
der Umgebungstemperatur sein muß.
Aus der US-PS 34 53 432 ist ein pyroelektrischer Strahlungsdetektor der eingangs genannten Art bekannt,
bei dem ein aktives Detektorelement zusammen mit einem ebenso großen Kompensationselement (oder
mit zwei halb so großen Kompensationselementen) auf einer gemeinsamen Unterlage montiert ist. Der aktive
Detektor ist mit einer strahlungsabsorbierenden Oberflächenschicht
versehen, während der Kompensationsdetektor mit einer Strahlungsreflektierenden Schicht
versehen ist. Das pyroelektrische Material des einen Detektors ist in entgegengesetzter Richtung elektrisch
polarisiert wie das Material des anderen, und beide Detektoren sind einander parallelgeschaltet. Infolgedessen
heben sich bei Änderungen der Umgebungstemperatur die von beiden Detektoren erzeugten elektrischen
Signale gegeneinander auf, so daß kein Ausgangssignal abgenommen wird. Trifft dagegen eine Strahlung auf
den Gesamtdetektor auf, so erwärmt sich das mit der absorbierenden Oberflächenschicht versehene aktive
Element stärker als das mit der reflektierenden Oberflächenschicht versehene Kompensationselement,
so daß ein resultierendes elektrisches Signal überbleibt, das als Anzeige für die Strahlung ausgenutzt wird.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen pyroelektrischen Detektor zu schaffen, der sich sowohl
zur Anzeige bewegter Wärmequellen eignet, als auch gewünschtenfalls zur Überwachung der Umgebungstemperatur
ausgestaltet werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Darstellungen einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert.
F i g. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Detektors in perspektivischer
Darstellung,
F i g. 2 zeigt das Schema eines Überwachungsgeräts, in welchem das in F i g. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel
des erfindungsgemäßen Detektors verwendet wird,
Fig.3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines
erfindungsgemäßen pyroelektrischen Detektors von
Der in Fig· 1 dargestellte Detektor ist allgemein mit
in bezeichnet. Der Detektor 10 besteht aus einer dünnen Platte oder Folie 12 eines pyroelektrischen,
homogenen Materials mit zwei entgegengesetzten Oberflächen 14 und 16. Die strahlungiempfindliche
Platte 12 besteht z. B. aus Polyvinylidenfluorid,
T.jgiycinsulfat, Strontiumbariumniobat, Bleizirkonat-Titanat
oder dergleichen. Auf der Oberfläche 14 der Platte 12 befindet sich eine Gruppe beabstandeter paralleler
Elektroden 18a, 180, 18c, 18d und 18e aus einem
Metallfilm. Die Elektroden 18a—18e haben gleichmäßigen Abstand voneinander, und die am Rand liegenden
Elektroden 18a und ISe sind, wie dargestellt, schmäler
als die dazwischen liegenden Elektroden 186, 18c und Md. Diese mittleren Elektroden 186—18d haben jeweils
gleiche Breite. Auf der Oberfläche 16 der Platte 12 befindet sich eine zweite Gruppe beabstandeter
paralleler Metallfiimelektroden 20a, 206, 20c und 2Od
Die Elektroden 20a—2Od haben gleichen Abstand zueinander und gleiche Breite. Jede der Elektroden
20a-20d überlappt zwei der Elektroden 18a—18e. So überlappt die Elektrode 20a die Elektrode 18a und einen
Teil der Elektrode 18Zx Die Elektrode 20b überlappt jeweils einen Teil der Elektroden 18b und 18c. Die
Elektrode 20c überlappt jeweils einen Teil der Elektroden 18c und 18d, und die Elektrode 2Od
überlappt die Elektrode 18e und einen Teil der Elektrode 18d.
In dem Detektor 10 bildet jeweils der Teil der Platte
12, der zwischen zwei einander überlappenden Elektroden liegt, einen Einzeldetektor. Da eine Vielzahl solcher
überlappender Elektrodenteile vorhanden ist, wird eine Vielzahl von Einzelelektroden gebildet, die sich im
wesentlichen nebeneinander quer über die Platte 12 erstrecken. Obwohl es keine eigentliche physikalische
Grenze zwischen den Einzeldetektoren gibt, sind sie in der Zeichnung durch die Abschnitte 22a bis 22Λ
zwischen den gestrichelten Linien definiert, um die Wirkungsweise des Detektors verdeutlichen zu können.
Durch die besondere Anordnung der beiden Elektrodengruppen 18a— 18e und 20a—2Od bilden die nebeneinander
liegenden Einzeldetektoren 22a—22h eine Reihenschaltung von der Elektrode 18a zur Elektrode
18e, wie es mit der wellenförmig verlaufenden gestrichelten Linie 24 angedeutet ist.
In Fig.2 ist ein Überwachungsgerät dargestellt, in
weichem der pyroelektrische Detektor 10 verwendet wird. Für das Überwachungsgerät wird die pyroelektrische
Platte 12 des Detektors 10 gleichmäßig in einer einzigen Richtung polarisiert, wie es mit den Pfeilen in
Fig.2 dargestellt ist. Bekanntlich erreicht man eine
solche Polarisierung der pyroelektrischen Platte 12 dadurch, daß man eine gleichmäßige Spannung
zwischen die Oberflächen 14 und 16 legt und die Platte dabei leicht erwärmt. Die Elektrode 18a ist über die
Leitung 26 mit Masse verbunden, und die Elektrode 18e ist über eine Leitung 28 mit einer geeigneten (nicht
dargestellten) Schaltungsanordnung zur Erfassung des Ausgangssignals des Detektors 10 verbunden. Somit
sind die Einzeldetektoren 22a-22h elektrisch in Reihe zueinander zwischen die Leitungen 26 und 28 geschaltet.
Im Abstand zur Oberfläche 16 des Detektors 10 und parallel zu dieser Fläche erstreckt sich ein Gitter 30. Das
Gitter 30 enthält eine Vielzahl beabstandeter paralleler Stäbe 32a-32f, die parallel zu den Elektroden des
Detektors 10 verlaufen. Alle Stäbe 323-32/ haben die
Bleiche Breite, wie die Einzeldetektoren 22a-22h, und ihr Abstand ist gleich der Breite zwischen den
fcmzeldetektoren ist. Das Gitter 30 ist so angeordnet, daß die Stäbe über jedem zweiten der Einzeldetektoren
des Detektors verlaufen. Wie in Fig.2 zu erkennen ist,
> verläuft jeder der Stäbe 32b-32e über einem der
Einzeldetektoren 226,22d, 22/und 22Λ.
Da alle Einzeldetektoren des Detektors in derselben Richtung polarisiert sind und elektrisch in Reihe
zueinander zwischen die Leitungen 26 und 28 geschaltet
ίο sind, wird bei einer Temperaturänderung der pyroelektrischen
Platte 12 an den Einzeldetektoren 22a, 22c, 22e und 22g eine Spannung einer bestimmten Polarität
erzeugt, während an den Einzeldetektoren 226, 22d, 22/"
und 22/j eine Spannung der entgegen gesetzten
is Polarität erzeugt wird. Wenn also die gesamte
pyroelektrische Platte 12 eine gleichmäßige Temperaturänderung erfährt, wie es beispielsweise bei einer
Änderung der Umgebungstemperatur der Fall ist, dann werden in den Einzeldetektoren Spannungen erzeugt,
ίο die sich gegenseitig auslöschen. Der Detektor 10 ist
daher unempfindlich gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur.
Wenn jedoch auf der dem Detektor 10 abgewandten Seite des Gitters ein wärmestrahlender Körper
vorhanden ist, und wenn sich dieser Körper quer zum Gitter bewegt, dann liefert der Detektor 10 ein
Ausgangssignal. Wenn sich z. B. der wärmestrahlende Körper zunächst in einer Position in Richtung der
Linien 34-34 befindet, dann gelangt die Wärmestrahlung dieses Körpers längs der Linien 34-34 zum Detektor 10.
Der Stab 32ddes Gitters 30 hält jedoch einen Teil der
Wärmestrahlung ab, so daß pur die Einzeldetektoren 22e und 22g von der Wärmestrahlung getroffen werden,
wodurch sich diese Einzeldetektoren erwärmen und eine Spannung erzeugen. Wenn sich der Körper
anschließend so bewegt, daß er in die Richtung der Linien 36-36 zu liegen kommt, dann gelangt die
Wärmestrahlung der Körpers längs dieser Linien 36-36 zum Detektor 10. Der Stab 32ddes Gitters 30 schirmt
j,o dann einen Teil der Wärmestrahlung derart ab, daß nur
die Einzeldetektoren 22dund 22/des Detektors 10 von
der Wärmestrahlung getroffen werden, wodurch sich diese Einzeldetektoren erwärmen und eine Spannung
erzeugen. Wenn sich der wärmestrahlende Körper aus seiner Position in Richtung der Linien 34-34 in die
Position in Richtung der Linien 36-36 bewegt, wird jedoch die Wärmestrahlung von den Einzeldetektoren
22e und 22g fortgenommen. Die beschriebene Bewegung des wärmestrahlenden Körpers führt somit zu
einer Abkühlung dieser Einzeldetektoren 22e und 22g und gleichzeitig zu einer Erwärmung der Einzeldetektoren
22dund22/
Beim Abkühlen der Einzeldetektoren 22e und 22g wird an ihnen eine Spannung erzeugt, deren Polarität
entgegengesetzt gegenüber der Polarität der beim Erwärmen dieser Einzeldetektoren erzeugten Spannung
ist. Wie oben erwähnt, erzeugen die Einzeldetektoren 22d und 22/ bei Erwärmung ebenfalls eine
Spannung, deren Polarität entgegengesetzt der Polari-
tat derjenigen Spannung ist, die an den Einzeldetektoren
22eund 22^bei deren Erwärmung erzeugt wird. Das
Abkühlen der Einzeldetektoren 22e und 22g und die Erwärmung der Einzeldetektoren 22dund 22/führt also
an diesen Einzeldetektoren zu Spannungen der selben Polarität, so daß der Detektor JO ein Signa! liefert,
welches gleich der Zusammenfassung der Spannungen an allen diesen vier Einzeldetektoren ist. Dieses
Ausgangssignal wird von der an die Leitung 28
angeschlossenen Schaltungsanordnung erfaßt und kann dazu herangezogen werden, eine Signalvorrichtung wie
zum Beispiel eine Lampe oder ein Alarm einzuschalten.
Wenn sich der Wärmekörper vollständig über die Überwachungseinrichtung bewegt, wird jeder zweite
Einzeldetektor erwärmt, während sich die dazwischen liegenden Einzeldetektoren abkühlen, so daß die
Bewegung des warmen Körpers in der oben beschriebenen Weise angezeigt wird. Wenn sich der warme
Körper quer zu der Überwachungseinrichtung bewegt, werden durch diese Bewegung die zunächst erwärmten
Einzeldetektoren abgekühlt, wodurch sich die Polarität des Ausgangssignals des Detektors 10 umgekehrt. Dies
führt zu einem Wechselsignal, welches durch die an den Detektor 10 angeschlossene Schaltungsanordnung von
den kontinuierlichen Signalen, die eventuell durch Drift oder Abwanderung hervorgerufen werden, getrennt
werden kann. Die den Detektor 10 enthaltende Überwachungseinrichtung zeigt somit die Bewegung
eines warmen Körpers quer zu der Einrichtung und nicht lediglich das Vorhandensein dieses Körpers an. Bei
dem »warmen« Körper kann es sich um irgend einen Körper handeln, der Wärmeenergie abstrahlt, zum
Beispiel ein Mensch oder ein mechanischer Gegenstand.
In der F i g. 3 ist ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Detektors
dargestellt, der insgesamt mit 100 bezeichnet ist. Der Detektor 100 hat den selben Aufbau wie der Detektor
10, mit der Ausnahme, daß die pyroelektrische Platte 112 derart polarisiert ist, daß die Einzeldetektoren 122a,
122c, 122c und \12g in der einen Richtung und die Einzeldetektoren 122b, 122d, 122/" und 122Λ in der
entgegengesetzten Richtung polarisiert sind, wie es mit den Pfeilen in Fig.3 gezeigt ist. Ähnlich wie bei dem
Detektor 10 sind auch die Einzeldetektoren 122a bis I22/7 in Reihe zueinander zwischen der Masseleitung
126 und der Leitung 128 angeordnet, was mit den Metallfilmelektroden 118a bis 118e auf der Oberfläche
114 und mit den Elektroden 120a bis 12Od auf der Oberfläche 116 der pyroeiektrischen Platte erreicht
wird. Da abwechselnde Einzeldetektoren 122a bis 122Λ in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, hat
eine gleichmäßige Erwärmung aller Einzeldutektoren zur Folge, daß an allen Einzeldetektoren in der
elektrischen Reihenschaltung zwischen den Leitungen 126 und 128 Spannungen derselben Polarität erzeugt
werden. Bei gleichmäßiger Erwärmung oder Abkühlung der pyroelektrischen Platte 112, wie sie bei einer
Änderung der Umgebungstemperatur auftritt, erzeugt der Detektor 100 somit ein Ausgangssignal, welches
gleich der Summe der an allen Einzeldetektoren erzeugten Spannungen ist. Der Wärmestrahlungsdetektor
100 kann somit dazu verwendet werden, entweder die Änderungen der Umgebungstemperatur des Detektors
100 anzuzeigen oder die einfallende Strahlung anzuzeigen.
Mit der vorliegenden Erfindung wird also ein pyroelektrischer Detektor für Wärmestrahlungen mit
einer Platte aus pyroelektrischem Material geschaffen, worin eine Vielzahl nebeneinanderliegender Einzeldetektoren
eine elektrische Reihenschaltung bilden, so daß der Detektor ein Ausgangssignal liefert, welches die
Summe der Ausgangssignale der Einzeldetektoren ist. Durch Polarisierung aller dieser Einzeldetektoren in
derselben Richtung und Kombination des Detektors mit einem geeigneten Gitter wird eine Überwachungseinrichtung
geschaffen, welche die Bewegung eines warmen Körpers quer zum Detektor anzeigt und
unempfindlich gegenüber Änderungen der Umgebungstemperatur ist. Mit Polarisierung abwechselnder Einzeldetektoren
in entgegengesetzten Richtungen kann der Detektor zur Anzeige von Änderungen der Umgebungstemperatur
verwendet werden.
Abweichend von den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen können die Elektroden auch als
konzentrische Kreise oder Ovale ausgebildet sein, oder sie können ein Muster aus beliebig anders gestalteten
Metallbereichen bilden. Ungeacht der jeweiligen Form der Elektroden muß jede der auf der einen Oberfläche
der pyroelektrischen Platte befindlichen Elektroden zwei Elektroden der gegenüberliegenden Oberfläche
der Platte überlappen, und die Elektroden müssen in einem Musler angeordnet sein, durch welches eine
elektrische Reihenschaltung zwischen den Elektroden und durch die Platte hindurch gebildet wird. Falls die
Elektroden beispielsweise kreisförmig oder in einem Oval verlaufen, dann sollte ein eventuell (wie ober
allgemein beschrieben) verwendetes Gitter entspre chend ausgebildet sein.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (9)
1. Pyroelektrischer Detektor für Wärmestrahlung
mit einem Körper aus pyroelektrischem Material, S der zwei einander gegenüberliegende Oberflächen
aufweist, auf deren einer eine erste Elektrodenanordnung und auf deren anderer eine zweite
Elektrodenanordnung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß jede Elektrodenanord- m
nung aus einer Gruppe beabstandeter Elektroden (18a bis I8e; 118a bis 118e; 20a bis 2OJ, 120a bis 120ej
besteht und daß mit Ausnahme zweier Endelektroden (18a, 18e; 118a, 118e; jede Elektrode (z. B. 20a;
der einen Gruppe zwei Elektroden (z.B. 18a und 186; der anderen Gruppe überlaopt, derart, daß
jedes Paar sich überlappender Elektroden (z. B. 28a, 20a; im Körper (12, 112) einen Einzeldetektor (z. B.
22b) bestimmt, die nebeneinander durch den Körper (12,112) verlaufen und durch die Elektroden in Reihe
verbunden sind.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Elektroden in jeder
Gruppe ausreichend groß ist, um eine gerade Zahl von Einzeldetektoren (22a bis 22Λ; 122a bis 122/?; zu
bilden.
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) überall in derselben
Richtung zwischen seinen Oberflächen (14, 16) polarisiert ist. jo
4. Detektor nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich im Abstand zu einer der
Oberflächen (16) des Körpers (12) und parallel zu dieser Oberfläche ein Gitter (30) aus einer Vielzahl
beabstandeter Stäbe (32a bis 32/; erstreckt, die parallel zu den auf dem Körper befindlichen
Elektroden (18,20) verlaufen (F i g. 2).
5. Detektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Breite der Stäbe (32) des
Gitters (30) als auch ihr gegenseitiger Abstand gleich der Breite der Einzeldetektoren (z. B. 22a;ist.
6. Detektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (32) des Gitters (30) jedem
zweiten der Einzeldetektoren (z.B. 22Z>, 22d) gegenüberliegen.
7. Detektor nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung von sich
bewegenden Strahlungsquellen eine Schaltungsanordnung zur Feststellung von Wechselsignalen
angeschlossen ist.
8. Detektor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine solche Polarisierung des Körpers
(112), daß abwechselnde Einzeldetektoren (z.B. 122a, i22b) in entgegengesetzten Richtungen zwischen
den Oberflächen (114,116) des Körpers (112)
polarisiert sind (F i g. 3).
9. Detektor nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodengruppen
aus geradlinigen parallelen Elektroden oder aus konzentrischen kreisförmigen oder
ovalen Elektroden bestehen.
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