DE69228041T2 - Infrarot-Detektor - Google Patents

Infrarot-Detektor

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Infrarot-Detektor und im spezielleren einen IR(Infrarot)-Detektor, der sowohl das Detektieren einer sich bewegenden Person als auch das Detektieren von Temperaturstrahlung unter Verwendung eines einzigen pyroelektrischen Infrarot-Detektorelements ermöglicht.
  • Bei einem pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement handelt es sich um ein Infrarot- Detektorelement thermischer Art, dessen Ausgangseigenschaften dem Differentialtyp zuzuordnen sind und das aufgrund seiner Merkmale, wie hohe Empfindlichkeit, Verfügbarkeit bei Raumtemperatur und geringe Kosten, für verschiedene Anwendungen eingesetzt worden ist. Zu den typischen Anwendungen gehören ein Detektor für sich bewegende Personen und ein Detektor für Temperaturstrahlung bei einer Katastrophenverhütungseinrichtung und anderen industriellen Geräten.
  • Fig. 5 der beiliegenden Zeichnungen zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen Detektor für eine sich bewegende Person.
  • Dieser Detektor 201 für eine sich bewegende Person umfaßt ein pyroelektrisches Infrarot-Detektorelement 1, einen Wechselstromverstärker 30, der den Ausgang vom pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement im Wechselstrommodus verstärkt, und einen Komparator 71, der die Ausgangsgröße vom Wechelstromverstärker 30 mit dem vorher festgelegten Bezugswert vergleicht und ein Signal für die Detektion einer sich bewegenden Person abgibt, wenn eine Person in den Wirkungsbereich des pyroelektrischen Infrarot-Detektorelements 1 kommt.
  • Beim Detektor 201 für eine sich bewegende Person ist das Detektionsziel lediglich eine durch die Bewegung einer Person verursachte Änderung innerhalb des gesamten Infrarotstrahlen-Energieeingangs in das pyroelektrische Infrarot-Detektorelement 1. Dieses Ausmaß an Veränderung ist sehr gering, und demgemäß ist ein Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 30 von etwa 70 dB erforderlich.
  • Fig. 6 der Zeichnungen zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen Temperaturstrahlungsdetektor.
  • Der Temperaturstrahlungsdetektor 202 umfaßt das pyroelektrische Infrarot- Detektorelement 1, einen Zerhackermechanismus 2 zum zyklischen Unterbrechen des Infrarotstrahleneingangs in das pyroelektrische Infrarot-Detektorelement 1, eine Zerhacker-Treiberschaltung 21, die den Zerhackermechanismus 2 treibt, einen Wechselstromverstärker 40, der den Ausgang vom pyroelektrischen Infrarot- Detektorelement 1 im Wechselstrommodus verstärkt, eine Abtast/Halte-Schaltung 41 zum synchronen Detektieren eines Ausgangssignals vom Wechselstromverstärker 40, eine Abtastsignalerzeugungsschaltung 42, die ein Abtastsignal synchron mit dem Ausgangssignal von der Zerhacker-Treiberschaltung 21 erzeugt und das Abtastsignal an die Abtast/Halte-Schaltung 41 abgibt, einen Temperaturkompensator 51, der auf Basis der Temperaturinformation, die von einem (nicht gezeigten) Temperaturdetektionselement detektiert wird, das nahe dem Zerhackermechanismus 2 vorgesehen ist, ein Temperaturkompensationssignal erzeugt, sowie einen Wechselstromverstärker 61, der ein Temperaturstrahlungsdetektionssignal erzeugt, das proportional zum Infrarotstrahlen-Energieeingang in das pyroelektrische Infrarot-Detektorelement 1 ist; und ein Temperaturstrahlungsdetektionssignal abgibt, das proportional zur Intensität der Infrarotstrahlenenergie ist, die von einem Objekt innerhalb eines Wirkungsbereichs des pyroelektrischen Infrarot-Detektorelements 1 abgestrahlt wird, das heißt zur Temperaturstrahlung des Objektes.
  • Bei einem Strahlungstemperaturdetektor 202 ist das Detektionsziel der gesamte Infrarotstrahlen-Energieeingang in das pyrolelektrische Infrarot-Detektorelement 1. Das wird durch zyklisches Unterbrechen des Infrarotstrahlen-Energieeingangs in das pyroelektrische Infrarot-Detektorelement 1 mit dem Zerhackermechanismus 2 ermöglicht. Das Gesamtausmaß dieser Infrarotstrahlenenergie ist relativ hoch, und der Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 40 liegt im Bereich von 30 bis 40 dB.
  • In den letzten Jahren sind die Funktionen elektrischer Haushaltsgeräte aufgrund der Einführung von Mikrocomputern immer höher entwickelt worden, und nun ist der Einbau eines Detektors zum Sammeln verschiedener Arten von Steuerungsinformationen erforderlich.
  • Beispielsweise ist bei Klimaanlagen für zu Hause der Einbau eines Detektors für sich bewegende Personen, um Informationen über die Bewegung menschlicher Körper zu sammeln, oder eines Temperaturstrahlungsdetektors zum Sammeln von Informationen über die Temperatur einer Bodenfläche oder einer Wandfläche in einem Raum erforderlich.
  • Wenn aber sowohl der Detektor 201 für die sich bewegende Person als auch der Temperaturstrahlungsdetektor 202 in ein Gerät eingebaut werden sollen, würde dadurch die Konfiguration zu kompliziert und die Größe zu voluminös werden, und auch der Preis würde zu hoch werden.
  • Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen IR-Detektor bereitzustellen, der sowohl das Detektieren einer sich bewegenden Person als auch das Detektieren von Temperaturstrahlung ermöglicht.
  • Gemäß vorliegender Erfindung wird ein IR-Detektor bereitgestellt, der ein pyroelektrisches Infrarot-Detektorelement, einen Zerhackermechanismus, der einen Infraroteingang zum pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement zyklisch unterbricht, eine Zerhacker-Treiberschaltung, die den Zerhackermechanismus treibt, und einen Wechselstromverstärker aufweist, der ein Ausgangssignal vom pyroelektrischen Infrarot- Detektorelement im Wechselstrommodus verstärkt, worin der IR-Detektor eine Zerhacker-Steuerungsschaltung für den Zerhackermechanismus, eine Verstärkungsfaktorsteuerschaltung für den Wechselstromverstärker und ein Steuerungssignal zum Erzeugen eines ersten Betriebszustands des Detektors, in dem der Zerhackermechanismus in der offenen Position angehalten wird und der Verstärker einen ersten Verstärkungsfaktorwert aufweist, wodurch der Detektor die IR-Strahlung von einem sich bewegenden Körper messen kann, sowie eines zweiten Betriebszustands des Detektors umfaßt, in dem der Zerhackermechanismus zyklisch betreibbar ist und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers einen zweiten, niedrigeren Wert aufweist, wodurch der Detektor die IR-Strahlung von einem statischen Objekt messen kann.
  • Die JP-A-01124721 offenbart einen IR-Detektor nach Anspruch 1, aber es gibt keine Offenbarung eines Steuerungseingangs in den Verstärker zur Änderung seines Verstärkungsfaktors von einer Größe ungleich null auf eine andere Größe ungleich null oder einen Hinweis darauf. Der bekannte IR-Detektor ist so angeordnet, daß er in seinem nicht-zerhackenden Modus einen sich bewegenden menschlichen Körper detektiert und dann in seinen Zerhackermodus umschaltet.
  • Nur als Beispiel wird nun eine Ausführungsform der Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
  • Fig. 1 ein Blockdiagramm eines IR-Detektors gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist;
  • Fig. 2 ein Beispiel für eine Zerhacker-Steuerungsschaltung zeigt;
  • Fig. 3 Beispiele für einen Wechselstromverstärker und eine Verstärkungsfaktor- Steuerungsschaltung zeigt;
  • Fig. 4 ein Signaldiagramm ist, das den Betrieb des in Fig. 1 gezeigten IR-Detektors zeigt;
  • Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Beispiels für einen herkömmlichen Detektor für sich bewegende Personen ist; und
  • Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Beispiels für einen herkömmlichen Temperaturstrahlungsdetektor ist.
  • Nachstehend erfolgt eine detaillierte Beschreibung der Erfindung anhand von in den Figuren gezeigten Ausführungsformen. Es ist jedoch festzuhalten, daß die Erfindung nicht auf die Ausführungsformen beschränkt ist.
  • Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines IR-Detektors 101 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Dieser IR-Detektor 101 umfaßt ein pyroelektrisches Infrarot-Detektorelement 1, einen Zerhackermechanismus 2, einen Zerhacker-Treibermechanismus 21, eine Zerhacker- Steuerungsschaltung 22, die den Betrieb der Zerhacker-Treiberschaltung 21 steuert, einen Wechselstromverstärker 31, der den Ausgang vom pyroelektrischen Infrarot- Detektorelement 1 verstärkt, einen Komparator 71, eine Verstärkungsfaktor-Steuerungsschaltung 32, die einen Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31 gemäß einem Ausgang von der Zerhacker-Steuerungsschaltung 22 ändert, eine Abtast/Halte- Schaltung 41, eine Abtastsignalerzeugungsschaltung 42, einen Temperaturkompensator 51 und einen Gleichstromverstärker 61.
  • Die Zerhacker-Steuerungsschaltung 22 setzt den Betrieb des Zerhackermechanismus 21 in Gang, wenn ein Steuerungssignaleingang an einen Eingangsanschluß 85 "L" ist, und unterbricht den Betrieb des Zerhackermechanismus 21 im offenen Zustand, wenn das Steuerungssignal "H" ist.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Zerhacker-Steuerungsschaltung 22.
  • Die Zerhacker-Steuerungsschaltung 22 umfaßt einen Operationsverstärker U1, Transistoren Tr1 und Tr2, einen Kondensator Ct, einen Widerstand Rt sowie Widerstände R1 bis R5.
  • Wenn das Steuerungssignal "L" ist, führt der Operationsverstärker U1 als nicht-stabiler Vibrator Oszillation gemäß einer Frequenz, die durch die Zeitkonstanten für Ct und ßt bestimmt ist, und die durch R1 bis R3 bestimmte Schwellenspannung aus. Dieser Oszillationsausgang wird über R5 und Tr2 an die Zerhacker-Treiberschaltung 21 übermittelt.
  • Wenn das Steuerungssignal "H" erreicht, schaltet sich Tr1 ein und unterbricht das Laden von Ct. Damit wird die Oszillation unterbrochen, und der Oszillationsausgang wird der Zerhacker-Treiberschaltung 21 nicht zugeführt. Aus diesem Grund wird der Betrieb der Zerhacker-Treiberschaltung 21 unterbrochen, und der Zerhackermechanismus 2, auf den eine Vorspannungskraft ausgeübt wird, so daß er in einen offenen Zustand gelangt, wird im offenen Zustand angehalten.
  • Die Verstärkungsfaktor-Steuerungsschaltung 32 verringert einen Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31, wenn der Steuerungssignaleingang in einen Steuerungseingangsanschluß 85 gleich "L" ist, und erhöht den Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31, wenn das Steuerungssignal gleich "H" ist.
  • Fig. 3 zeigt Beispiele für den Wechselstromverstärker 41 und die Verstärkungsfaktor- Steuerungsschaltung 32.
  • Ein Verstärkungsfaktor innerhalb eines Frequenzbandes wird durch die Rs, Cs, Rf, Cf, R6 und R7 bestimmt. Ein Transistor Tr3 wird als bipolarer Schalter verwendet.
  • Wenn das Steuerungssignal gleich "L" ist, ist Tr3 aus, und der Verstärkungsfaktor A ist durch folgende Gleichung gegeben:
  • A = Zf/Zs
  • worin Zf eine durch Rf und Ct bestimmte Impedanz ist, während Zs eine durch Rs und Cs bestimmte Impedanz ist.
  • Wenn das Steuerungssignal auf "H" geschaltet ist, ist Tr3 an, und der Verstärkungsfaktor A ist durch folgende Gleichung gegeben:
  • A = (Zf/Zs) (R6 + R7)/R7.
  • So kann der Verstärkungsfaktor geändert werden, indem R6 und R7 entsprechend gewählt werden.
  • Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des Betriebs unter Bezugnahme auf Fig. 4. Zunächst wird der Betrieb bis zum Zeitpunkt t1 beschrieben.
  • Das Steuerungssignal ist bis zum Zeitpunkt t1 gleich "L", und der Zerhackermechanismus 2 geht zyklisch zwischen dem offenen Zustand und dem geschlossenen Zustand hin und her. Die Betriebsfrequenz ist beispielsweise 1,5 Hz.
  • Beim Ausgangssignal vom pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement 1 handelt es sich um jenes, das der gesamten Infrarotstrahlen-Eingangsenergie entspricht.
  • Der Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31 wird zwangsweise beispielsweise auf 38 dB verringert, weil das Steuerungssignal gleich "L" ist.
  • So wird der Ausgang vom Wechselstromverstärker 31 durch Verstärken des Ausgangs vom pyroelektrischen Infrarotdetektorelement 1 beispielsweise mit 38 dB erhalten.
  • Zu diesem Zeitpunkt ist das Abtastsignal ein Impuls mit einer Breite tw (beispielsweise 12 ms) bei einer Verzögerungszeit-Zeitgebung td (beispielsweise 200 ms) vom Umschalten aus dem offenen Zustand in den geschlossenen Zustand des Zerhackermechanismus 2.
  • Und von der Abtast/Halte-Schaltung 41 wird ein Ausgangswert vom Wechselstromverstärker 31 ausgegeben, wenn das Abtastsignal eingegeben wird.
  • Ein Temperaturstrahlungsdetektionssignal (nämlich Ausgang vom Gleichstromverstärker 61) ist ein Wert, der durch Kompensieren des Ausgangswerts von der Abtast/Halte- Schaltung 41 gemäß der Temperatur erhalten wird. Dieser Wert ist proportional zu einer Durchschnittstemperatur eines Objekts, das im Wirkungsbereich des pyroelektrischen Infrarot-Detektorelements 1 vorhanden ist.
  • Ein Detektionssignal für eine sich bewegende Person (nämlich Ausgang vom Komparator 71) wird nicht erzeugt, weil der Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31 verringert worden ist und der Ausgang vom Wechselstromverstärker 31 den Bezugswert Vth nicht übersteigt.
  • Als nächstes erfolgt die Beschreibung des Betriebs ab dem Zeitpunkt t1.
  • Ab dem Zeitpunkt t1 ist das Steuerungssignal gleich "H", und der Zerhackermechanismus 2 wird im offenen Zustand gehalten.
  • Der Ausgang vom pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement 1 entspricht der Änderung der Eingangsinfrarotstrahlung.
  • Da das Steuerungssignal "H" ist, ist der Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31 beispielsweise auf 73 dB angehoben worden.
  • So wird der Ausgang vom Wechselstromverstärker 31 erhalten, indem der Ausgang vom pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement 1 beispielsweise mit 73 dB verstärkt wird.
  • Zu diesem Zeitpunkt liegt das Abtastsignal nicht vor.
  • Der Ausgang von der Abtast/Halte-Schaltung 41 behält den vorherigen Wert bei.
  • Beim Temperaturstrahlungsdetektionssignal (nämlich dem Ausgang vom Gleichstromverstärker 61) handelt es sich um einen Wert, der erhalten wird, indem der Ausgangswert von der Abtast/Halte-Schaltung 41 gemäß der Temperatur kompensiert wird, aber dieser Wert ist hier bedeutungslos.
  • Ein Detektionssignal für eine sich bewegende Person (nämlich Ausgang vom Komparator 71) wird zu einem Detektionssignal für einen sich bewegenden menschlichen Körper, weil der Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31 angehoben worden und der Ausgang vom Wechselstromverstärker, der vorliegt, wenn sich eine Person bewegt, den Bezugswert Vth übersteigt.
  • Beim IR-Detektorelement 101, wie oben beschrieben, ist es möglich, sowohl die Bewegung einer Person als auch die Temperaturstrahlung zu detektieren, indem eine einzige Einheit des pyroelektrischen Infrarot-Detektorelements 1 verwendet wird. Daher ist es möglich, einen IR-Detektor mit geringer Größe und niedrigen Kosten zu schaffen.
  • Als weitere Ausführungsform der Erfindung kann die Zerhacker-Steuerungsschaltung 22 durch eine ersetzt werden, die digitale IC-Inverter und Gatter umfaßt.
  • Auch die Verstärkungsfaktor-Steuerungsschaltung 32 kann durch eine ersetzt werden, die den Rf-Wert in Fig. 3 ändert.
  • Weiters kann Detektion einer sich bewegenden Person und Detektion der Temperaturstrahlung mittels Analog-Digital-Umsetzung des Ausgangs vom Wechselstromverstärker 31 und Verarbeitung durch einen Mikrocomputer durchgeführt werden.
  • Beim Infrarot-Detektor gemäß vorliegender Erfindung können ein Detektor für eine sich bewegende Person und ein Temperaturstrahlungsdetektor in einer einzigen Einheit vereinigt werden. Auch die Minimierung eines Detektors und Kostenreduktion sind mögt ich.

Claims (3)

1. IR-Detektor (101), der ein pyroelektrisches Infrarot-Detektorelement (1), einen Zerhackermechanismus (2), der einen Infraroteingang zum pyroelektrischen Infrarot- Detektorelement (1) zyklisch unterbricht, eine Zerhacker-Treiberschaltung (21), die den Zerhackermechanismus (2) treibt, und einen Wechselstromverstärker (31) aufweist, der ein Ausgangssignal vom pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement (1) im Wechselstrommodus verstärkt, worin der IR-Detektor (101) eine Zerhacker- Steuerungsschaltung (22) für den Zerhackermechanismus (2), eine Verstärkungsfaktor- Steuerschaltung (32) für den Wechselstromverstärker (31) und ein Steuerungssignal zum Erzeugen eines ersten Betriebszustands des Detektors (101), in dem der Zerhackermechanismus (2) in der offenen Position angehalten wird und der Verstärker (31) einen ersten Verstärkungsfaktorwert aufweist, wodurch der Detektor (101) die IR- Strahlung von einem sich bewegenden Körper messen kann, sowie eines zweiten Betriebszustands des Detektors (101) umfaßt, in dem der Zerhackermechanismus (2) zyklisch betreibbar ist und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (31) einen zweiten, niedrigeren Wert aufweist, wodurch der Detektor (101) die IR-Strahlung von einem statischen Objekt messen kann.
2. IR-Detektor (101) nach Anspruch 1, bei dem die Zerhacker-Steuerungsschaltung (22) einen Oszillator umfaßt, der die Oszillation gemäß dem Steuerungssignal in Gang setzt und unterbricht.
3. IR-Detektor (101) nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, bei dem das Steuerungssignal von außerhalb des IR-Detektors (101) eingegeben wird.
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