DE2428333C3 - Pyroelektrischer Detektor für Wärmestrahlung - Google Patents
Pyroelektrischer Detektor für WärmestrahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen pyroelektrischen Detektor 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 beispielsweise Polyvinylidenfluorid, Triglycinsulfat,
Triglycinselenat, Triglycinfluorberyllat, Strontiumbariumniobat, Bleizirkonat-Titanat usw. Aus solchen Stoffen
hergestellte pyroelektrische Detektoren haben die
ίο 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 für Überwa-
is chungseinrichtungen stieß jedoch bisher auf Schwierigkeiten, 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 Umgebungstempe-
ratur 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
so daß ein resultierendes elektrisches Signal überbleibt
das als Anzeige für die Strahlung ausgenutzt wird.
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 Ausführungsbei
spiel des erfindungsgemäßen Detektors verwendet
wird,
F i g. 3 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen pyroelektrischen Detektors von
der Seite.
Der in F i g. 1 dargestellte Detektor ist allgemein mit
10 bezeichnet Der Detektor 10 besteht aus einer dünnen Platte oder Folie 12 eines pyroelektrischen,
homogenen Materials mit zwei entgegengesetzten Oberflächen 14 und 16. Die strahlungsempfindliche
Platte 12 besteht z.B. aus Polyvinylydenfluorid,
Triglycinsulfat Strontiumbariumniobat, Bleizirkonat-Titanat
oder dergleichen. Auf der Oberfläche 14 der Platte
12 befindet sich eine Gruppe beabstandeter paralleler Elektroden 18a, 186, ISc1 tSd und 18e aus einem
Metallfilm. Die Elektroden 18*—18e haben gleichmäßigen
Abstand voneinander, und die am Rand liegenden Elektroden 18a und 18e sind, wie dargestellt, schmäler
als die dazwischen liegenden Elektroden 186, 18c und 18d Diese mittleren Elektroden 18b—18c/haben jeweils
gleiche Breite. Auf der Oberfläche 16 der Platte 12 befindet sich eine zweite Gruppe beabstandeter
paralleler Metallfilmelektroden 20a, 206, 20c und 2Od
Die Elektroden 20a—2Od haben gleichen Abstand zueinander und gleiche Breite. Jede der Elektroden
20a—2Od überlappt zwei der Elektroden 18a— 18e. So
überlappt die Elektrode 20a die Elektrode 18a und einen Teil der Elektrode 186. Die Elektrode 206 überlappt
jeweils einen Teil der Elektroden 186 und 18c. Die Elektrode 20c überlappt jeweils einen Teil der
Elektroden 18c und 184 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 22h zwischen den gestrichelten Linien definiert, um die
Wirkungsweise des Detektors verdeutlichen zu können. Durch die besondere Anordnung der beiden Elektrodengruppen
18a— 18e und 20a—20d bilden die nebeneinander
liegenden Einzeldetektoren 22a—22Λ eine Reihenschaltung von der Elektrode 18a zur Elektrode
18e; wie es mit der wellenförmig verlaufenden gestrichelten Linie 24 angedeutet ist
In F i g. 2 ist ein Überwachungsgerät dargestellt, in welchem 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—22Λ 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—32/; die parallel zu den Elektroden des
Detektors 10 verlaufen. Alle Stäbe 32a—32/haben die
gleiche Breite, wie die Einzeldetektoren 22a—22h, und
ihr Abstand ist gleich der Breite zwischen den Einzeldetektoren ist Das Gitter 30 ist so angeordnet
daß die Stäbe über jedem zweiten der Einzeldetektoren des Detektors verlaufen. Wie in F i g. 2 zu erkennen ist,
verläuft jeder der Stäbe 326—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 22h eine Spannung der entgegen gesetzten 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,
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 nur die Einzeldetektoren 22eund 22^ 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 32d des Gitters 30 schirmt
dann einen Teil der Wärmestrahlung derart ab, daß nur die Einzeldetektoren 22d und 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
22dund22i
Beim Abkühlen der Einzeldetektoren 22e und 22g wird an ihnen eine Spannung erzeugt, deren Polarität
SS 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 Polaritat derjenigen Spannung ist, die an den Einzeldetektoren
22eund 22g be\ deren Erwärmung erzeugt wird. Das
Abkühlen der Einzeldetektoren 22e und 22g und die Erwärmung der Einzeldetektoren 22c/und 22/führt also
an diesen Einzeldetektoren zu Spannungen der selben Polarität so daß der Detektor 10 ein Signal 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 Fig.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; 122e und 122g· in der einen Richtung und die Einzeldetektoren 1226, 122c/, 122/ und 122Λ in der
entgegengesetzten Richtung polarisiert sind, wie es mit den Pfeilen in F i g. 3 gezeigt ist. Ähnlich wie bei dem
Detektor 10 sind auch die Einzeldetektoren 122a bis 122Λ 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 120c/ auf der Oberfläche 116 der pyroelektrischen Platte erreicht
wird. Da abwechselnde Einzeldetektoren 122a bis 122Λ in entgegengesetzten Richtungen polarisiert sind, hat
eine gleichmäßige Erwärmung aller Einzeldetektoren 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 Ausgangssignai liefert, weiches 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 Muster 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 oben allgemein beschrieben) verwendetes Gitter entsprechend ausgebildet sein.
Claims (9)
1. Pyroelektrischer Detektor für Wärmestrahlung
mit einem Körper aus pyroelektrischem Material, 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 Elektrodenanordnung aus einer Gruppe beabstandeter Elektroden
(18a bis 18e; 118a bis 118e; 20a bis 2Od, IZOa bis 12Oe;
besteht und daß mit Ausnahme zweier Endelektroden (18a, 18e; 118a, tt&e) jede Elektrode (z. B. 2OaJ
der einen Gruppe zwei Elektroden (z. B. 18a und i8b) der anderen Gruppe überlappt, derart, daß
jedes Paar sich überlappender Elektroden (z. B. 18a,
2Oa) im Körper (12,112) einen Einzeldetektor (z. B.
22b) bestimmt, die nebeneinander durch den Körper
(12, i 12) 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 22h; 122a bis i22h)zu
bilden.
3. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (12) überall in derselben
Richtung zwischen seinen Oberflächen (14, 16) polarisiert ist
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. 22b, 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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