DE2820343C2 - Strahlungsdetektor - Google Patents
StrahlungsdetektorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Strahlungsdetektor mit wenigstens einem strahiungscmpfindlichen Element, für
einen passiven Infrarot-Einbruchsmelder oder einen Flammcnmelder, welches Element ein der auftreffenden
Strahlung entsprechendes elektrisches Signal erzeugt.
Solche Strahlungsdetektoren dienen zur Umwandlung von elektromagnetischer Strahlung in elektrische
Signale. Diese Umwandlung kann auf verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise durcVJen 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 Ladungsverschiebung in einem polarisierten,
pyrorelektrischcn Kristall oder Kunststoff verwendet werden kann. Solche Strahlungsdetektoren sind in
zahlreichen Ausführungen bekannt und werden auf vielen Gebieten verwendet, wie zum Beispiel zur Erzeugung
von Ortsinformationen, mit deren Hilfe Raumfahrzeuge und Raketen in der Weise gesteuert werden, daß
falsche Ziele von den gewünschten Zielen getrennt werden.
In dem US-Patent 38 48 129 erfolgt dies durch einen
Strahlungsdetektor, der durch vorgeschaltete Spektralfilter aufbereitete Lichtstrahlen abwechselnd empfängt
und mittels seiner fünf Elektroden die Abweichung des proji/.icrtcn Ziclbildcs von seiner MiUenelektrodc dctckticrt.
Dieser Wert der Abweichung wird in einer nachfolgenden Elektronik in Azimut und Höhe umgerechnet
und auf die Stcucrorgane der Rakete beziehungsweise des Raumfahrzeuges gegeben.
In dem US-Patent 39 44 167 ist ein Strahlungsdetektor
vorgesehen, welcher durch ein vorgeschaltetes Filter und eine Blende aufbereitete Lichtstrahlen empfängt
und in Folge seiner besonders geformten Elektroden die Abweichung des projizierten Zielbildes detektiert. Dieser
Wert der Abweichung wird in einer nachfolgenden Elektronik in Azimut und Höhe umgerechnet und auf
Steuerorgane der Rakete gegeben.
Die DE-OS 23 25 157 beschreibt einen Horizontsensor zum Detektieren der augenblicklichen Lage eines
Raumfahrzeuges. Hierbei sind vier gesonderte slrahlungsempfindliche
Detektoren hintereinander in derjenigen Richtung angeordnet, in welcher das durch ein
optisches System projizierte Bild eines Gegenstandes sich bewegt. Bei dieser Anordnung werden ebenfalls
Ortsinformationen für die Steuerung des Raumfahrzeuges gesammelt.
Ein Nachteil dieser vorbekannten Strahlungsdetckloren
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
nachzuweisende Strahlungssignal einen ähnlichen Verlauf hat, beispielsweise, wenn einzelne Sirahlungsimpulse
in gewissen Abständen nachzuweisen sind, die vom Rauschsignal nicht unterscheidbar sind, öei der Verwendung
solcher Strahlungsdetektoren in passiven Infrarot-Einbruchdetektoren
oder in optischen Flammenmeidern 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 7war fehlerhafte Alarme
weitgehend unterdrückt werden können, jedoch andererseits in gewissen Fällen trotz Vorliegen emer
Alarmursachc überhaupt kein Ausgangssignal gegeben wird. Abgesehen davon muß bei einer sollchen Kombination
der gesamte Schaltungsaufwand mehr als verdoppeli werden, was für viele Anwendungen nicht tragbar
ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Strahlungsdetektor zu schaffen, bei dem die Wirkung
der Rauschsignale ohne Beeinträchtigung der Nachweissicherheit und ohne wesentliche Vergrößerung des
Schaltungsaufwands sowie der Zahl der Komponenten weitgehend eliminiert ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die bo
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei ist unter »Einrichtung zur Multiplikation« eine Einrichtung mit
mehreren Eingängen und einem Ausgang zu verstehen, bei welcher der Wert des Ausgangssigmiiles zunimmt,
wenn der Wert mindestens eines beliebigen Eingangssignales zunimmt, und bei welcher das Ausgangssignal
verschwindet, wenn mindestens einer der Eingangssignal Null ist.
Die Erfindung macht sich die Tatsache zunutze, daß das durch die Multiplikation der Teilsignale zwischen
jeweils zwei Detektorelement-Anschlüssen entstehende Produkt A = T\ ■ T2 ■ ... · Tn nur dann von Null verschieden
ist. wenn alle Teilsignale von Null verschieden sind, d. h. wenn in allen Teilsignalen gleichzeitig ein
Rauschimpuls auftritt. Diese Wahrscheinlichkeil ist jedoch äußerst gering. Wird jedoch der Detektor gleichmäßig
mit Strahlung beaufschlagt, so werden alle Teilsignale gleichzeitig von Null verschieden sein und somit
auch das Ausgangssignal.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert Die
Fig. 1—7 zeigen vier verschiedene Möglichkeiten
der Anordnung der Kontakte für die Anschlüsse an einem flächenhaften strahlungsempfindlichen Element.
F i g. 8 zeigt eine mögliche Anordnung an einem körperhaften strahlungsempfindlicheii Element
F i g. 9 zeigt das Blockschaltbild eines Strahlungsdetektors.
Fig. 10 zeigt ein Beispiel eine-. Schaltung eines solchen
Strahlungsdetektors im Detaii.
In Fig. 1 ist ein Beispiel einer möglichen Anordnung
von Kontakten für die Anschlüsse auf einem flächenhaften, strahlungsempfindlichen Element, z. B. einem dünnen
Plättchen S aus photoleitendem oder wärmeempfindlichen Material, dargestellt. An den vier Ecken des
quadratischen Elementes S sind dazu kleine metallisierte Flächen Ali, K2, Ki und Kt aufgebracht, von denen die
Anschlüsse abgehen und zwischen denen das strahlungsempfindliche Material liegt.
Die Anschlüsse vom Detektorelement 5 werden, wie
in Fig.9 dargestellt, an eine Multiplikations-Einrichtung M geführt, welche, eventuell nach geeigneter Verstärkung
der Teilsignale, das Produkt der Teilsignale zwischen bestimmten Kombinationen von je zwei Anschlüssen
Ki ... Kn, bildet. Zweckmäßig kann es dabei
sein, nicht alle möglichen Kombinationen oder Teilsignale zur Auswertung heranzuziehen, sondern nur diejenigen,
deren Rauschsignale möglichst unabhängig voneinander sind. So können beispielsweise bei der
Kontaktanordnung nach Fig. 1 die beiden Teilsignale T{ (Ku Ka) und 7j (K2, Ki) verwendet werden. Hierbei ist
es von Vorteil, daß die nachzuweisende Strahlung beide Teilsignale Ti und Tj fast in gleicher Weise beeinflußt,
während das Rauschsignal verschieden ist. Stattdessen können jedoch auch die beiden Signale T3 (Ki, K2) und
T< (K,, Ka) vom Multiplikator M ausgewertet werden.
FaIIIs ein etwas komplizierterer Multiplikator in Kauf genommen werden kann, können aber auch alle 6 möglichen
Kombinationen oder Teilsignale verwendet werden. Ein Strahlungsdetektor-Element nach Fig. 1 kann
mit besonderem Vorteil dort eingesetzt werden, wo die najh.iuweisende Strahlung nur einen geringen Querschnitt
hat und die Empfängerfläche daher möglichst klein sein muß. Die Form des strahlungscmpfindlichen
Elementes braucht jedoch nicht quadratisch zu sein. F i g. 2 zeigt ein Beispiel eines runden, kreisförmigen
Elementes S, up dessen Rand die vier Kontakte K]... Kt
vorgesehen sind.
Fig.3 zeigt ein dreieckiges Element 5 mit je einem
Anschluß Ad, K2, Ki in den drei Ecken. Zur Auswertung
können dabei z. B. die Teilsignale T\ (Ku Ki) und Ti (Kj.
Ki) dienen.
Fig.4 zeigt e;nc andere mögliche Anordnung der
drei Anschlußkontakte K], K2, Ki auf einer quadratischen,
strahlungsempfindlichen Fläche 5. In diesem Fall sind zwei der Kontakte K] und K, an den beiden Seiten
der Elementfläche S angeordnet, während der Kontakt
K2 als in dis Fläche 5hineinragender Mittelstreifen ausgeführt
ist. Als Teilsignalc können hier beispielsweise
die Signale T, (K1, K2) und T2 (K2, K1) zur Auswertung
verwendet werden. Der Mittelstreifen kann dabei, wie F i g. 5 zeigt, auch gsinz durchgehend ausgeführt sein, so
daß zwei getrennte strahlungscmpfindliche Flächen St,
S2 auf dem gleichen strahlimgisempfindlichen Material
entstehen. Je nach Länge oder Größe des Mittclkontaktes ergibt sich eine unterschiedliche Abhängigkeit der
Ausgangssignale und Rauschsignale voneinander.
Bei der in Fig.6 dargestellten Anordnung sind auf
einer streifenförmigen, strahlurigsempfindlichen Fläche
S mehrere Kontakte in Form von Parallelstrcifen Kt, K2,
Ki. Ka und Ki angeordnet In diesem Fall können als is
Teilsignale die Signale zwischen jeweils zwei benachbarten Kontakten benützt werden, d. h. Γι (K\, K2), T2
(K2. K1), Ti (Ki. Ki) und Ta (K,. /C5). Bei einer solchen
Anordnung kann d:is strahlungsempfindlichc Element aus einer durchgehenden strahlungsempiindlichen
Schicht bestehen, auf die die einzelnen Kontaktstreifen parallel zueinander in gewissen Abständen aufgebracht
sind, oder aus einzelnen Teilen St. Sj. Sj und Sa aus dem
gleichen Material, die durch Metallschichten K2, K\ und
Ka getrennt werden.
Bei der Anordnung nach Fug.7 sind ebenso wie in
Fig. 1 an den Ecken einer quadratischen strahlungscmpfindlichen
Fläche S AnschluQkontakte K\, K2. K\
und Ka vorgesehen. Zusätzlich wird die Fläche Sdurch
einen kreuzförmigen Anschlußkontakt Kn in vier Sekto- jo
ren geteilt. In diesem Fall ist es zweckmäßig, als Teilsignale
die Signale Γ, (K0. K1), T., (K0. K2% T1 (Kn. K1) und
Ti (Kq, Ka) zu verwenden.
Fig.8 zeigt ein Beispiel einer möglichen Anordnung
von Anschlußkontakten an einem körperhaften Detek- J5
torelement. beispielsweise einem Sperrschichtdetektor oder einem pyroelektrischen Detektor. Dabei ist vorteiihafterweise
ein ,gemeinsamer Grundkoniaki Ko auf
der Unterseite des Elementes angebracht und mehrere Kontakte Ki. K2 auf der Oberseite. Die Sperrschicht J
des Detektorelementes liegt in diesem Fall zwischen der Unterseite und der Oberseite des Elementkörpers. Als
Teilsignale ist es daibei zweckmäßig, Ti (Ko, /C1) und T2
(K<\. K2) zu verwenden.
Es sei bemerkt, daß in je:dem Fall auch andere Anordnungen
von Anschlußkontaluen auf oder an Strahlungsdetektor-Elementen
vorgesehen sein können und eine beliebige Anzahl von Kontakten gewählt werden kann,
solange mindestens zwei von nicht identischen Kontakten herrührende Signale entnommen werden können.
Fig.9 zeigt das Blockschaltbild eines Strahlungsdetektors.
Dabei liefert ein Strahlungsdetektor-Element, welches beispielsweise nach einer der Fig. I —4 ausgebildet
sein kann, eine Anzahl von Teilsignalen 71, T2
Tn an eine Multiplikations-Einrichtung M. an deren Ausgang
das Produkt A = Ti ■ T2 ■ ... ■ Tn auftritt, welches
einer nachgeschalteten. nicht dargestellten Auswerteeinrichtung zugeführt wird, welche bei Vorliegen bestimmter
Kriterien ein Signal abgibt.
Fig. 10 zeigt eine mögliche Schaltungsanordnung im w
Detail, wobei das in Fig.* oder 5 dargestellte strahlungsempfindliche
Element S mit den Anschlüssen K>. K2 und Ki sowie den stra Wungsempfindüchen Flächen
St und S2 verwendet wird. Diese beiden strahlungsempfindlichen
Widerstandsstrei:kein S-, und S2 liegen jeweils t>5
mit einem Widerstand R\ und R2 zwischen zwei Leitungen
mit positiver und negativer Versorgungsspannung, während der Mitteiabschniu K2 auf Nullpotential liegt.
Die an den Anschlüssen K\ und K3 auftretenden Signale
werden über die Kondensatoren Ci und C2 dem Xi- und
dem Ki-Eingang einer Multiplikationsschaltung M zugeführt.
Als Multiplikator kann z. B. eine handelsübliche integrierte Schaltung vom Typ MC 1595 (Motorola)
oder ein äquivalentes Erzeugnis dienen. Der X2- und
Y2-Eingang des Multiplikators M liegt auf Nullpotential
also auf dem gleichen Potential wieder Mittclabgriff K2.
so daß am Ausgang des Multiplikators das Ausgangssignal A - (Y1 - Y2) ■ (Xi - X2) -TyT2 erscheint.
Dieses Ausgangssignal A ist also gleich Null, solange über die Kondensatoren C\ und C2 kein Signal zugeführt
wird. A ist dann und nur dann von Null verschieden, wenn gleichzeitig Signale an den Eingängen Vt und Xi
zugeführt werden, d. h. wenn beide Teilspannungen T\ (K\, K2) und T2 (K2, K1) gleichzeitig von Null verschieden
sind. Es sei noch bemerkt, daß es zweckmäßig ist, die Eingänge Xi und Vi sowie die Ausgänge A\ und A2
des Multiplikators M durch entsprechende Widerstände K). Ra, R*, und Rb zu stabilisieren.
Es sei bemerkt, daß die Multiplikation der Teiisignale grundsätzlich auf beliebige Art erfolgen kann. Dazu geeignete
Schaltungen sind in großer Zahl bekannt als Multiplikatorschaliungcn, nichtlineare Verstärker, Modulatoren
oder Produktdelckloren. ■
Solche vorstehend beschriebenen Strahlungsdetektoren, bei welchen Detcktorelemente mit mehr als zwei
Anschlüssen an eine Multiplikationseinrichtung angcschlosse.i
sind, eignen sich besonders für die Verwendung zum Nachweis der Higenstrahlung eines Objektes,
beispielsweise der Infrarotstrahlung eines Einbrechers, dessen Körperstraiilung mittels geeigneter optischer
Mittel auf den Strahlungsdetektor gerichtet wird. Dabei ist die Optik, wie beispielsweise in den deutschen Gebrauchsmustern
76 15 724. 76 16 715, 76 36 763 oder 76 36 764 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 Verwendung ist die Benützung als
Brandmclder, 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 erhöht werden kann.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (18)
1. Strahlungsdetektor mit wenigstens einem strahlungsempfindlichen
Element für einen passiven Infrarot-Einbruchsmelder oder einen Flammenmelder,
welches Element ein der auftreffenden Strahlung entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, dadurch
gekennzeichnet, daß zur Unterdrückung des Rauschpegels das strahlungsempfindliche
Element (S) mehr als zwei elektrische Anschlüsse (K0, K i, KZ K 3, KA, KS) für den Abgriff von
jeweils zwischen zwei Anschlüssen auftretenden Teilsignalen (TU TZ Tn)aufweist und die Anschlüsse
mit e:iner nachgeordneten Einrichtung (M) zur Multiplikation von mindestens zwei der jeweils zwischen
zwei Anschlüssen auftretenden Teilsignale verbunden sind.
2. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche
Element (SJtsme strahlungsempfindliche Schicht aufweist,
an dessen Rand die Kontakte der Anschlüsse (K l,K2,K3,K4,K 5) vorgesehen sind.
3. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche
Schicht 'äine viereckige Form hat, wobei die Kontakte der Anschlüsse (K 1, K 2, K I, K 4) aus an den vier
Ecken angebrachten Metallschichten bestehen.
4. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche
Schicht Kreisform besitzt und die Kontakte der Anschlüsse (K U K2, K 3, K 4) am Kreisrand vorgesehen
sind.
5. Strahlungsdetektor nach Anspruch 2, dadurch gekenm:e ichnet, daß die strt ilungsempfindliche
Schicht Dreieckform besitzt und die Kontakte der Anschlüsse (K 1, K 2, K 3) an den drei Ecken vorgesehen
sind.
6. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennze ichnet, daß das strahlungsempfindliche
Element: (S) eine strahlungsempfindliche Schicht aufweist, auf welche die Kontakte der Anschlüsse (K 1.
K 2, K 3. K 4, K 5) in Form von parallelen Streifen
angebracht sind.
7. Strahlungsdetektor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilsignale (TU 72, 7«; die
Signale zwischen benachbarten Kontakten sind.
8. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche
1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche Schicht aus einem photoelektrisehen
Halbleitermaterial eines Photowiderstandes besteht.
9. Strahlungsdetektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7. dadurch gekennzeichnet, daß die strahlungsempfindliche
Schicht als Thermistor ausgebildet ist.
10. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche
Element (S) ein strahlungsempfindlichcr Körper mit einer Sperrschicht ist, wobei die Kontakte (K 0, K I, eo
K 2) der Anschlüsse auf der Oberfläche des Elementes auf beiden Seiten der Sperrschicht angeordnet
sind.
11. Strahlungsdetektor nach Anspruch I, dadurch
gekennzeichnet, daß das strahlungsempfindliche bs
Element (S)ein pyroclcklrischcr Körper ist.
12. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die Einrichtung (M)v.ur Multiplikation von mindestens zwei Teilsignalen (Ti, 72,
Tn) so ausgebildet ist, daß am Ausgang das Produkt (A^derTeilsignale auftritt.
13. Strahlungsdetektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (M) zur Multiplikation
der Teilsignale (Ti, 72, 7njfso ausgebildet
ist, daß am Ausgang eine mathematische Funktion des Produktes der Teilsignale auftritt
14. Strahlungsdetektor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (ivi) zur
Multiplikation der Teilsignale (TU 72, Tn;so ausgebildet
ist, daß am Ausgang der Logarithmus des Produktes der Teilsignale auftritt
15. Verwendung des Strahlungsdetektors nach Anspruch l.zum Nachweis der Eigenstrahlung eines
Gegenstandes.
16. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Körperstrahlung einer
Person nachgewiesen wird.
17. Verwendung nach Anspruch lö, dadurch gekennzeichnet,
daß die Infrarot-Körperstrahlung bei Bewegung der Person mittels einer Optik mit diskretem
Empfangsbereich moduliert auf den Strahlungsdetektor geleitet wird.
18. Verwendung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet,
daß die Flammenstrahlung eines brennenden Objektes nachgewiesen wird.
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