DE4218151C2 - System zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle - Google Patents

System zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein System zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle und insbesondere auf ein System, bei dem 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.
Die US 4,963,749 schlägt ein System gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 vor, das die Bewegung einer Wärmequelle mit Hilfe eines Paars Sensorvorrichtungen mit jeweils zwei pyroelektrischen Infrarot-Sensoren erfaßt. Die Sensor­ vorrichtungen sind so angeordnet, daß die zwei Über­ wachungsbereiche je eines Infrarot-Sensors der beiden Sensorvorrichtungen eine gemeinsame Überlappungszone bilden.
Des Weiteren wird auf die JP 62-280628 (A) der Anmelderin in Patents Abstracts of Japan, Vol. 12/No. 166, 19. Mai 1988 (p-704) verwiesen. Diese beschreibt ein System, das eine Sensor­ vorrichtung mit zwei pyroelektrischen Infrarot-Sensoren und einem Spiegelkörper umfaßt, der den von den Infrarot- Sensoren zu überwachenden Bereich in vier von beiden Infrarot-Sensoren abgedeckte Überlappungszonen und mehrere dazwischenliegende, von nur jeweils einem Infrarot-Sensor abgedeckte Einzelzonen aufteilt. Dieses System kann zwar die Bewegung einer Wärmequelle zwischen einer Überlappungs­ zone und einer Einzelzone, nicht aber zwischen verschiede­ nen Überlappungszonen und zwischen verschiedenen Einzel­ zonen erkennen und ist daher nur in der Lage, die Bewegung an sich, nicht aber die Richtung oder die Art der Bewegung zu erfassen.
Die CH 657 928 A5 offenbart ferner ein System mit zwei Infrarot-Sensoren, deren Überwachungsbereich in zehn sich nicht überlappende Zonen aufgeteilt ist und deren Einzel­ signale sich bei gleichmäßiger Bestrahlung zwar weitgehend zu null aufsummieren, deren Einzelempfindlichkeiten aber auf zwei Halbräume aufgeteilt sind, so daß die Empfindlich­ keit auf sich bewegende Wärmequellen im Nahbereich erhalten bleibt.
Schließlich wird noch die US 4,734,585 genannt, die eine Sensorvorrichtung mit einem Infrarot-Sensor und mehreren Fresnel-Linsensegmenten offenbart, die den Überwachungs­ bereich des Infrarot-Sensors aufweiten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System zur Verfügung zu stellen, mit dem sich die Bewegung einer Wärmequelle genauer beurteilen läßt, ohne daß die Anzahl der Infrarot-Sensoren erhöht wird.
Die Erfindung sieht zur Lösung dieser Aufgabe ein System gemäß Patentanspruch 1 vor, wobei die Unteransprüche Weiterbildungen des Lösungskonzepts angeben.
Die Unterscheidungsvorrichtung erkennt die Bewegung der Wärmequelle zwischen verschiedenen Überlappungszonen, zwischen einer einzelnen Zone und einer Überlappungszone und zwischen zwei verschiedenen, einzelnen Zonen, so daß mit dem System die Bewegung der Wärmequelle über den gesamten, von den Infrarot-Sensoren überwachten Bereich erfaßt werden kann. Da der Überwachungsbereich der Infrarot-Sensoren in mehrere, sich teilweise überlappende Zonen aufgeteilt wird und die Anzahl der sich überlappenden und der sich nicht überlappenden Zonen insgesamt die Anzahl an Infrarot- Sensoren übersteigt, kann die Anzahl der Infrarot-Sensoren im Gesamtsystem verringert werden.
Fig. 1 ist eine Blockdarstellung eines Aus­ führungsbeispiels für ein System zum Erfassen einer Wärmequellenbewegung gemäß der Erfindung.
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- Abschnitte 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 die 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 Wärmequellenbewe­ gungs-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 Wärmequellenbewegungs-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 Wärmequellenbewegungs-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 Wärmequellenbewegungs-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- Detektorsystem 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.

Claims (4)

1. System zum Erfassen der Bewegung einer Wärmequelle, mit:
einem Sensorteil (12), der mehrere Sensorvorrichtungen (X, Y) mit jeweils einem Infrarotsensor (18) für die Erfassung von Temperaturänderungen in dem von dem jeweiligen Infrarotsensor (18) zu überwachenden Bereich und mit jeweils einer Aufteilungsvorrichtung (16) zum Aufteilen des von dem jeweiligen Infrarotsensor (18) zu überwachenden Bereichs in mehrere Zonen (A, B, C, a, b, c) aufweist,
einer Überlagerungsvorrichtung zum Überlagern von jeweils zwei oder mehr Zonen (A, B, C, a, b, c) verschiedener Sensorvorrichtungen (x, y) für das Bilden von Überlappungszonen (A, a), wobei zwischen zwei Sensor­ vorrichtungen (X, Y) mindestens eine Überlappungszone (A, a) gebildet wird; und
einer Unterscheidungsvorrichtung zum Erkennen der Bewegung der Wärmequelle zwischen verschiedenen Überlappungszone (A, a), zwischen einer Zone (B, C, b, c) und einer Überlappungszone (A, a) und zwischen Zonen (B, C, b, c), die zu verschiedenen Infrarotsensoren (18) gehören,
dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl der Überlappungszonen (A, a) und der Zonen (B, C, b, c) insgesamt die Anzahl der Infrarotsensoren (18) übersteigt.
2. System nach Anspruch 1, bei dem die Infrarotsensoren (18) pyroelektrische Infrarotsensoren (18) sind.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Aufteilungsvorrichtungen (16) jeweils eine Fresnel-Linse (16X, 16Y) sind.
4. System nach Anspruch 3,
bei dem der Sensorenteil (12) zwei Sensorvorrichtungen (X, Y) enthält und
bei dem der durch die Sensorvorrichtungen (X, Y) zu überwachende Bereich durch die Fresnel-Linsen (16X, 16Y) in jeweils drei Zonen (A, B, C, a, b, c) aufgeteilt wird und die Überlagerungsvorrichtung je eine Zone der beiden Sensorvorrichtungen (X, Y) zu einer Überlappungszone (A, a) zusammenfaßt.
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