DE4218151A1 - System und verfahren zum erfassen einer waermequellenbewegung - Google Patents

System und verfahren zum erfassen einer waermequellenbewegung

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System und ein Verfahren zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle und insbesondere auf ein System und ein Verfahren, bei denen ein pyroelektri­ scher Infrarot-Detektor benutzt wird.
Wenn ein bestimmtes Dielektrikum erwärmt wird, wird an dessen Oberfläche eine Spannung erzeugt oder die elektrische Ladung daran gesteigert, so daß die Wärmeenergie in elektri­ sche Energie umgesetzt wird. Diese Erscheinung wird allge­ mein als "pyroelektrischer Effekt" bezeichnet. Die Materia­ lien, die den pyroelektrischen Effekt zeigen, werden als "pyroelektrische Materialien" bezeichnet.
Viele dieser pyroelektrischen Materialien sind Keramikmate­ rialien. Aus diesen pyroelektrischen Materialien hergestell­ te pyroelektrische Infrarot-Sensoren wurden in Systemen für das Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle eingesetzt. Die mittels der pyroelektrischen Infrarot-Sensoren zu entdecken­ de Wärmequelle ist normalerweise ein menschlicher Körper. Die pyroelektrischen Infrarot-Sensoren werden für verschie­ denerlei Anwendungszwecke eingesetzt wie in einer Klimaanla­ ge, deren Blaserichtung in Abhängigkeit von der Bewegung des menschlichen Körpers veränderbar ist, oder in einer Beleuch­ tungsanlage, deren Ausrichtung in Abhängigkeit von der Bewegung des Körpers der Person veränderbar ist.
Für das Erfassen der Bewegung des menschlichen Körpers hat ein Wärmequellenbewegungs-Detektorsystem, bei dem mehrere derartige pyroelektrische Infrarot-Sensoren benutzt werden und das nach dem Stand der Technik gestaltet ist, eine Gestaltung gemäß der Darstellung in Fig. 2.
Gemäß Fig. 2 umfaßt das System einen pyroelektrischen Infra­ rot-Sensor 10a mit einem Beobachtungsbereich A, einen pyroe­ lektrischen Infrarot-Sensor 10b mit einem Beobachtungsbe­ reich B und einen pyroelektrischen Infrarot-Sensor 10c mit einem Beobachtungsbereich C. Falls ein jeweiliger dieser pyroelektrischen Infrarot-Sensoren wie beispielsweise der Sensor 10a "+1" erfaßt, bedeutet dies, daß eine Person in den Bereich A eingetreten ist. Falls der pyroelektrische Infrarot-Sensor 10a "-1" erfaßt, bedeutet dies, daß die Person aus dem Bereich A herausgetreten ist.
Obzwar der pyroelektrische Infrarot-Sensor 10a auf zufrie­ denstellende Weise das Eintreten und Austreten der Wärme­ quelle in den bzw. aus dem Bereich A erfassen kann, kann der Sensor nicht eine Bewegung der Wärmequelle innerhalb des Bereichs A erfassen, außer dann, wenn durch die Bewegung der Wärmequelle irgendeine Temperaturänderung auftritt.
Zum Vermeiden einer solchen Einschränkung sind nach dem Stand der Technik gemäß der Darstellung in Fig. 2 zusätzlich zu dem Bereich A die anderen Bereiche B und C vorgesehen. Falls sich die Wärmequelle von dem Bereich A zu dem Bereich B bewegt, sinkt die Temperatur in dem Bereich A, während die Temperatur in dem Bereich B ansteigt. Das Sinken und Anstei­ gen der Temperatur kann mittels der pyroelektrischen Infra­ rot-Sensoren 10a und 10b erfaßt werden. Dies wird durch das System dahingehend ausgewertet, daß sich die Wärmequelle von dem Bereich A zu dem Bereich B bewegt hat. Gleichermaßen wird der Fall, daß das Absinken der Temperatur in dem Be­ reich B gleichzeitig mit dem Anstieg der Temperatur in dem Bereich C erfaßt wird, durch das System dahingehend bewer­ tet, daß sich die Wärmequelle von dem Bereich B zu dem Bereich C bewegt hat. Falls ferner das Sinken der Temperatur in dem Bereich C gleichzeitig mit dem Anstieg der Temperatur in dem Bereich A erfaßt wird, bewertet dies das System dahingehend, daß sich die Wärmequelle von dem Bereich C zu dem Bereich A bewegt hat.
Auf diese Weise kann das System die Bewegung der Wärmequelle innerhalb eines Raums erfassen, wenn in dem Raum an den jeweiligen Bereichen angeordnete mehrere pyroelektrische Infrarot-Sensoren die Bewegung der Wärmequelle zwischen den Bereichen erfassen.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen kann jedoch das System nach dem Stand der Technik nicht eine Bewegung der Wärme­ quelle innerhalb eines jeden der Bereiche A, B und C erfas­ sen, falls nicht irgendeine Temperaturänderung durch die Bewegung der Wärmequelle entsteht. Für das Erhöhen der Erfassungsgenauigkeit ist es erforderlich, daß jeder der Bereiche verkleinert wird und auch die Anzahl der pyroelek­ trischen Infrarot-Sensoren erhöht wird. Hierdurch werden die gesamten Abmessungen des Systems und auch die Herstellungs­ kosten höher.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein System und ein Verfahren zu schaffen, mit denen die Bewegung einer Wärmequelle im gleichen Raum besser erfaßbar ist, ohne daß die Anzahl pyroelektrischer Infrarot-Sensoren erhöht wird.
Zur Lösung der Aufgabe wird erfindungsgemäß eine Einrichtung für das Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle in durch mehrere pyroelektrische Infrarot-Sensoren überwachten Berei­ chen geschaffen, von denen jeder durch eine Fresnel-Linsen­ vorrichtung in mehrere Einzelzonen unterteilt ist. Die Einrichtung enthält ferner eine Überlappungseinrichtung, die die zu den jeweiligen verschiedenen pyroelektrischen Infra­ rot-Sensoren gehörigen Einzelzonen zu einer Überlappungszone überlagert, und eine Zonenerkennungsschaltung, die entspre­ chend den Erfassungsinformationen aus den pyroelektrischen Infrarot-Sensoren die Bewegung der Wärmequelle in einer jeden der Zonen erkennt, wodurch die Bewegung der Wärmequel­ le zwischen den Überlappungszonen, zwischen einer einzelnen Zone und der Überlappungszone und zwischen zwei einzelnen Zonen erfaßt werden kann, welche jeweils durch die verschie­ denen pyroelektrischen Infrarot-Sensoren überwacht sind.
Bei dieser Gestaltung ist jeder der durch die pyroelektri­ schen Infrarot-Sensoren überwachten Bereiche durch die Fresnel-Linsenvorrichtung in mehrere Zonen unterteilt. Diese unterteilten Zonen werden durch die Überlappungseinrichtung zu einer Überlappungszone und zu einzelnen Zonen überlagert.
Die Zonenerkennungsschaltung erkennt die Bewegung der Wärme­ quelle zwischen den verschiedenen Überlappungszonen, zwi­ schen einer einzelnen Zone und der Überlappungszone und zwischen zwei verschiedenen einzelnen Zonen, so daß mit der Einrichtung die Bewegung der Wärmequelle über den ganzen durch die Sensoren überwachten Bereich erfaßt werden kann. Falls ein Sensorenteil eine vorbestimmte Anzahl von Infra­ rot-Sensoren enthält, können innerhalb der durch den Senso­ renteil überwachten Bereiche Überwachungszonen gebildet werden, deren Anzahl diejenige der pyroelektrischen Infra­ rot-Sensoren übersteigt. Dies bedeutet, daß für das Erfassen der Bewegung der Wärmequelle die Anzahl der pyroelektrischen Infrarot-Sensoren im Gesamtsystem verringert werden kann.
Im einzelnen wird die Aufgabe der Erfindung mit dem System gemäß Patentanspruch 1 bzw. mit dem Verfahren gemäß Patent­ anspruch 6 gelöst.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Blockdarstellung eines Aus­ führungsbeispiels für ein erfindungsgemäß gestaltetes System zum Erfassen einer Wärmequellenbewegung.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines gemäß dem Stand der Technik gestalteten Wärmebewegung-Detektorsystems.
Fig. 3 veranschaulicht die Funktion des Systems nach Fig. 1.
Fig. 4 veranschaulicht die Kombination von Zonen bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1.
Fig. 5 veranschaulicht die Aufteilung und Überlagerung von Zonen bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Fig. 1 zeigt ein Wärmequellen-Detektorsystem, das einen Sensorenteil 12 für das Empfangen von Infrarotstrahlen und das Erfassen von Änderungen hinsichtlich der empfangenen Infrarotstrahlen und einen Signalprozessor 14 zum Aufnehmen und Verarbeiten von Signalen aus dem Sensorenteil 12 auf­ weist. Der Sensorenteil 12 enthält ein Sensorsystem X und ein Sensorsystem Y. Das Sensorsystem X enthält eine Fresnel-Linse 16X, einen pyroelektrischen Infrarot-Sensor 18X und einen Verstärker 20X, während das Sensorsystem Y eine Fres­ nel-Linse 16Y, einen pyroelektrischen Infrarot-Sensor 18Y und einen Verstärker 20Y enthält.
In dem Sensorsystem X ist die Fresnel-Linse 16X in drei Abschnitte 16A, 16B und 16C unterteilt. Die Fresnel-Linse 16Y des Sensorsystems Y ist gleichfalls in drei Abschnitte 16a, 16b und 16c unterteilt. Über diese Fresnel-Linsen-Ab­ schnitte 16A, 16B, 16C bzw. 16a, 16b, 16c in dieser Anord­ nung werden Infrarotstrahlen in die pyroelektrischen Infra­ rot-Sensoren 18X und 18Y geleitet.
Jeder der pyroelektrischen Infrarot-Sensoren 18X und 18Y ist an eine Konstantspannungsquelle V angeschlossen. Eine jegli­ che Änderung der von dem pyroelektrischen Material in dem Infrarot-Sensor 18X oder 18Y aufgenommenen Infrarotstrahlen wird in eine Änderung der Spannung umgesetzt, die an den entsprechenden Verstärker 20X bzw. 20Y angelegt wird. Wenn die durch die jeweiligen Verstärker 20X und 20Y verstärkten Signale dem Signalprozessor 14 zugeführt werden, wird die Bewegung einer Wärmequelle aus den verschiedenen Änderungen der Infrarotstrahlen auf folgende Weise ermittelt:
Gemäß Fig. 3 wird durch die Fresnel-Linsen-Abschnitte 16A, 16B und 16C ein durch das Sensorsystem X hinsichtlich einer Änderung der Infrarotstrahlen zu überwachender Bereich in Zonen A, B und C unterteilt. Andererseits wird durch die Fresnel-Linsen-Abschnitte 16a, 16b und 16c ein durch das Sensorsystem Y hinsichtlich einer Änderung der Infrarot­ strahlen zu überwachender Bereich in jeweilige Zonen a, b und c unterteilt. Die Zonen A und a sind überlagert und bilden eine Überlappungszone. Jede der übrigen Zonen bildet eine Einzelzone.
Die Fig. 4 zeigt, wie das erfindungsgemäße Wärmequellenbewe­ gung-Detektorsystem die Bewegung der Wärmequelle zwischen einer Einzelzone und der Überlappungszone bewertet. Falls das Sensorsystem X einen Wert "1" erfaßt, bedeutet dies, daß der pyroelektrische Infrarot-Sensor 18X eine Temperaturände­ rung erfaßt hat. Falls das Sensorsystem X "0" abgibt, zeigt dies, daß durch den gleichen Infrarot-Sensor keine Tempera­ turänderung erfaßt worden ist. Das gleiche gilt auch für das Sensorsystem Y.
Aus der vorangehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß die Sensorsysteme X und Y gleichzeitig eine Temperaturänderung erfassen, wenn sich die Wärmequelle aus irgendeiner anderen Zone zu der Überlappungszone (A, a) bewegt. Falls sich dagegen die Wärmequelle von irgendeiner anderen Zone zu der einzelnen Zone B oder C bewegt, wird von dem Sensorsystem X eine Temperaturänderung erfaßt, während das Sensorsystem Y keine Temperaturänderung erfaßt. Falls sich die Wärmequelle aus irgendeiner anderen Zone zu der einzelnen Zone b oder c bewegt, wird von dem Sensorsystem Y eine Temperaturänderung erfaßt, während das Sensorsystem X keine Temperaturänderung erfaßt.
Falls beide Sensorsysteme X und Y eine Temperaturänderung erfassen, wird das von dem Wärmequellenbewegung-Detektor­ system als Bewegung der Wärmequelle aus irgendeiner anderen Zone zu der Überlappungszone (A, a) bewertet. Falls nur das Sensorsystem Y eine Temperaturänderung erfaßt, wird dies von dem System als Bewegung der Wärmequelle aus irgendeiner anderen Zone zu der einzelnen Zone b oder c bewertet. Falls nur das Sensorsystem X eine Temperaturänderung erfaßt, wird dies von dem System als Bewegung der Wärmequelle aus irgend­ einer anderen Zone zu der einzelnen Zone B oder C bewertet.
Im einzelnen erkennt der Signalprozessor 14 im Prinzip die Bewegung der Wärmequelle als Bewegung aus irgendeiner ande­ ren Zone zu der einzelnen Zone B oder C bei X=+1 und Y=0, die Bewegung aus der einzelnen Zone B oder C zu irgendeiner anderen Zone bei X=-1 und Y=0, die Bewegung aus irgendeiner anderen Zone zu der einzelnen Zone b oder c bei X=0 und Y=+1, die Bewegung aus der einzelnen Zone b oder c zu ir­ gendeiner anderen Zone bei X=0 und Y=-1, die Bewegung aus irgendeiner anderen Zone zu der Überlappungszone (A, a) bei X=+1 und Y=+1 und die Bewegung aus der Überlappungszone (A, a) zu irgendeiner anderen Zone bei X=-1 und Y=-1.
Falls sich beispielsweise die Wärmequelle aus der einzelnen Zone B oder C zu der Überlappungszone (A, a) bewegt, wird von dem Sensorsystem X keine Temperaturänderung erfaßt, während das Sensorsystem Y eine Temperaturänderung erfaßt. In diesem Fall erkennt das Wärmequellenbewegung-Detektor­ system die Bewegung der Wärmequelle als Bewegung aus der einzelnen Zone B oder C zu der Überlappungszone (A, a), da Y zu +1 wird, während X weiterhin 0 bleibt. Falls sich die Wärmequelle aus der Überlappungszone (A, a) zu der einzelnen Zone b oder c bewegt, wird von dem Sensorsystem Y keine Temperaturänderung erfaßt, während das Sensorsystem X eine Temperaturänderung erfaßt. In diesem Fall bewertet das Detektorsystem die Bewegung der Wärmequelle als Bewegung aus der Überlappungszone (A, a) zu der einzelnen Zone b oder c, da X zu -1 wird, während Y weiterhin 0 bleibt. Falls sich die Wärmequelle aus der einzelnen Zone B oder C zu der einzelnen Zone b oder c bewegt, wird von beiden Sensorsyste­ men X und Y eine Wärmeänderung erfaßt. Da X und Y jeweils zu -1 bzw. +1 werden, wird durch das System die Bewegung der Wärmequelle als Bewegung zwischen den verschiedenen einzel­ nen Zonen, d. h., zwischen den einzelnen Zonen B, C und b, c erkannt.
Auf diese Weise können die beiden Sensorsysteme X und Y in dem Wärmequellenbewegung-Detektorsystem Temperaturänderungen in drei Bereichen (B, C), (b, c) und (A, a) erfassen.
Es besteht jedoch ein Abstand zwischen den einzelnen Zonen B und C, der durch die Infrarot-Sensoren nicht überwacht werden kann. Falls sich die Wärmequelle aus der einzelnen Zone B zu der einzelnen Zone C bewegt, ändert sich der Wert X aufeinanderfolgend von -1 über 0 auf +1. Ein solcher Zwischenraum außerhalb des Erfassungsbereichs kann in Abhän­ gigkeit von der Anwendungsform verändert werden.
Vorstehend wurde das Ausführungsbeispiel als System mit drei Fresnel-Linsen-Abschnitten und drei Zonen für jedes Sensor­ system beschrieben. Falls eine Vielzahl von Infrarot-Sensor­ systemen wie bei diesem Ausführungsbeispiel eingesetzt wird, ist eine Gestaltung vorteilhaft, bei der die äußeren Randzo­ nen C und c mit Zonen eines anderen Infrarot-Sensorsystems überlappen. Falls ein einzelner Raum durch drei Zonen abge­ deckt werden kann, können die zusätzlichen Zonen C und c weggelassen werden.
Die Erfindung ist nicht auf die dreigeteilten Zonen be­ schränkt, sondern kann gleichermaßen bei vier Teilzonen A, B, C und D gemäß Fig. 5a angewandt werden. Falls die vierge­ teilten Zonen gemäß der Darstellung in Fig. 5b kombiniert werden, kann eine Bewegung der Wärmequelle auf feinere Weise erfaßt werden.
Es ist daher ersichtlich, daß die erfindungsgemäße Gestal­ tung bei allen möglichen Kombinationen und/oder Unterteilun­ gen hinsichtlich der Überwachungszonen angewandt werden kann.
Aus dem vorstehenden ist ersichtlich, daß erfindungsgemäß zusätzlich zu der einzelnen Zone die Überlappungszone gebil­ det wird, so daß in einem durch das Wärmequellenbewegung-Detek­ torsystem überwachten Bereich Überwachungszonen gebil­ det werden können, deren Anzahl die Anzahl der Infrarot-Sensoren übersteigt. Daher kann die Bewegung der Wärmequelle unter Verwendung einer verringerten Anzahl von Infrarot-Sensoren erfaßt werden. Dies ergibt eine Verringerung der Abmessungen des ganzen Wärmequellenbewegung-Detektorsystems zugleich mit einer Verringerung der Herstellungskosten.
Zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle in einem erwei­ terten Bereich unter Verwendung einer verringerten Anzahl von pyroelektrischen Infrarot-Sensoren enthält ein Senso­ renteil zwei Infrarot-Detektoren X und Y. Der durch den Infrarot-Detektor X überwachte Bereich wird in zwei Zonen A und B unterteilt, während der durch den Infrarot-Detektor Y überwachte Bereich in zwei einzelne Zonen a und b unterteilt wird. Die einzelnen Zonen A und a werden einander zum Bilden einer Überlappungszone (A, a) überlagert. Zum Erfassen der Bewegung der Wärmequelle in dem durch den Sensorenteil zu überwachenden Gesamtbereich wird die Bewegung zwischen der einzelnen Zone B und der einzelnen Zone b, zwischen der Überlappungszone (A, a) und der einzelnen Zone B und zwi­ schen der Überlappungszone (A, a) und der einzelnen Zone b ermittelt. Auf diese Weise können drei Überwachungszonen mit zwei Infrarot-Detektoren abgedeckt werden.

Claims (10)

1. System zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle mit einem Sensorenteil, der mehrere Infrarot-Detektoren für das Erfassen von Temperaturänderungen enthält, gekennzeichnet durch
eine Aufteilungsvorrichtung (16) zum Aufteilen des durch die Detektoren zu überwachenden Bereichs in jeweils mehrere Zonen (A, B, C, a, b, c),
eine Überlagerungsvorrichtung (16) zum Überlagern der Zonen für das Bilden von Überlappungszonen (A, a) aus je­ weils mehreren Zonen und von einzelnen Zonen (B, C, b, c) ohne Überlappung und
eine Unterscheidungseinrichtung (14) zum Erkennen der Bewegung der Wärmequelle zwischen verschiedenen Überlap­ pungszonen, zwischen einer einzelnen Zone und einer Überlappungszone und zwischen verschiedenen einzelnen Zonen, wo­ durch die Bewegung der Wärmequelle in dem ganzen durch den Sensorenteil zu überwachenden Bereich erfaßbar ist.
2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Infrarot-Detektoren (X, Y) jeweils einen pyroelektrischen Infrarot-Sensor (18) enthalten.
3. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilungsvorrichtung (16) jeweils eine Fresnel-Linse ist.
4. System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufteilungsvorrichtung (16) jeweils eine Fresnel-Linse ist.
5. System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorenteil (12) zwei Infrarot-Sensoren X und Y enthält, wobei der durch den Infrarot-Sensor X zu überwachende Be­ reich durch die Fresnel-Linse (16X) in drei einzelne Zonen A, B und C unterteilt ist, während der durch den Infrarot-Sensor Y zu überwachende Bereich durch die Fresnel-Linse (16Y) in drei einzelne Zonen a, b und c unterteilt ist, daß die Überlagerungsvorrichtung (,6) die einzelnen Zonen A und a zu einer Überlappungszone (A, a) zusammenfaßt und daß die Unterscheidungseinrichtung (14) zum Erkennen der Bewegung der Wärmequelle zwischen den einzelnen Zonen B und b, zwi­ schen der Überlappungszone (A, a) und der einzelnen Zone B und zwischen der Überlappungszone (A, a) und der einzelnen Zone b ausgelegt ist, wodurch die Bewegung der Wärmequelle in dem ganzen durch den Sensorenteil zu überwachenden Be­ reich erfaßbar ist.
6. Verfahren zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle in einem zu überwachenden Gesamtbereich mittels eines Senso­ renteils, der mehrere Infrarot-Detektoren für das Erfassen von Temperaturänderungen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch den Sensorenteil zu überwachender Bereich in mehrere Zonen unterteilt wird, daß die Zonen zu Überlap­ pungszonen aus mehreren Zonen und zu einzelnen Zonen überla­ gert werden und daß die Bewegung der Wärmequelle als Bewe­ gung zwischen verschiedenen Überlappungszonen, zwischen einer einzelnen Zone und einer Überlappungszone und zwischen verschiedenen einzelnen Zonen bewertet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Infrarot-Detektoren jeweils pyroelektrische Infrarot-Sensoren verwendet werden.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bereichaufteilung jeweils Fresnel-Linsenvorrichtun­ gen verwendet werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß für die Bereichaufteilung jeweils Fresnel-Linsenvorrichtun­ gen verwendet werden.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorenteil mit zwei Infrarot-Sensoren X und Y verwen­ det wird, wobei der durch den Infrarot-Sensor X zu überwa­ chende Bereich durch die Fresnel-Linse in drei einzelne Zonen A, B und C unterteilt ist, während der durch den Infrarot-Sensor Y zu überwachende Bereich durch die Fresnel-Linse in drei einzelne Zonen a, b und c unterteilt ist, daß die einzelnen Zonen A und a zu einer Überlappungszone A, a zusammenfaßt werden und daß die Bewegung der Wärmequelle als Bewegung zwischen den einzelnen Zonen B und b, zwischen der Überlappungszone A, a und der einzelnen Zone B und zwischen der Überlappungszone A, a und der einzelnen Zone b bewertet wird, um die Bewegung der Wärmequelle in dem ganzen durch den Sensorenteil zu überwachenden Bereich zu erfassen.
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