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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.
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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.
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Fig. 5 der beiliegenden Zeichnungen zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen
Detektor für eine sich bewegende Person.
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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.
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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.
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Fig. 6 der Zeichnungen zeigt ein Beispiel für einen herkömmlichen
Temperaturstrahlungsdetektor.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nur als Beispiel wird nun eine Ausführungsform der Erfindung detaillierter unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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Fig. 1 ein Blockdiagramm eines IR-Detektors gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung ist;
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Fig. 2 ein Beispiel für eine Zerhacker-Steuerungsschaltung zeigt;
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Fig. 3 Beispiele für einen Wechselstromverstärker und eine Verstärkungsfaktor-
Steuerungsschaltung zeigt;
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Fig. 4 ein Signaldiagramm ist, das den Betrieb des in Fig. 1 gezeigten IR-Detektors zeigt;
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Fig. 5 ein Blockdiagramm eines Beispiels für einen herkömmlichen Detektor für sich
bewegende Personen ist; und
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Fig. 6 ein Blockdiagramm eines Beispiels für einen herkömmlichen
Temperaturstrahlungsdetektor ist.
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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.
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Fig. 1 zeigt ein Blockdiagramm eines IR-Detektors 101 gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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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.
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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.
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Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Zerhacker-Steuerungsschaltung 22.
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Die Zerhacker-Steuerungsschaltung 22 umfaßt einen Operationsverstärker U1,
Transistoren Tr1 und Tr2, einen Kondensator Ct, einen Widerstand Rt sowie
Widerstände R1 bis R5.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 3 zeigt Beispiele für den Wechselstromverstärker 41 und die Verstärkungsfaktor-
Steuerungsschaltung 32.
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Ein Verstärkungsfaktor innerhalb eines Frequenzbandes wird durch die Rs, Cs, Rf, Cf, R6
und R7 bestimmt. Ein Transistor Tr3 wird als bipolarer Schalter verwendet.
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Wenn das Steuerungssignal gleich "L" ist, ist Tr3 aus, und der Verstärkungsfaktor A ist
durch folgende Gleichung gegeben:
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A = Zf/Zs
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worin Zf eine durch Rf und Ct bestimmte Impedanz ist, während Zs eine durch Rs und
Cs bestimmte Impedanz ist.
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Wenn das Steuerungssignal auf "H" geschaltet ist, ist Tr3 an, und der Verstärkungsfaktor
A ist durch folgende Gleichung gegeben:
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A = (Zf/Zs) (R6 + R7)/R7.
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So kann der Verstärkungsfaktor geändert werden, indem R6 und R7 entsprechend
gewählt werden.
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Nachstehend erfolgt eine Beschreibung des Betriebs unter Bezugnahme auf Fig. 4.
Zunächst wird der Betrieb bis zum Zeitpunkt t1 beschrieben.
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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.
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Beim Ausgangssignal vom pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement 1 handelt es sich
um jenes, das der gesamten Infrarotstrahlen-Eingangsenergie entspricht.
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Der Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers 31 wird zwangsweise
beispielsweise auf 38 dB verringert, weil das Steuerungssignal gleich "L" ist.
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So wird der Ausgang vom Wechselstromverstärker 31 durch Verstärken des Ausgangs
vom pyroelektrischen Infrarotdetektorelement 1 beispielsweise mit 38 dB erhalten.
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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.
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Und von der Abtast/Halte-Schaltung 41 wird ein Ausgangswert vom
Wechselstromverstärker 31 ausgegeben, wenn das Abtastsignal eingegeben wird.
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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.
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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.
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Als nächstes erfolgt die Beschreibung des Betriebs ab dem Zeitpunkt t1.
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Ab dem Zeitpunkt t1 ist das Steuerungssignal gleich "H", und der
Zerhackermechanismus 2 wird im offenen Zustand gehalten.
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Der Ausgang vom pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement 1 entspricht der Änderung
der Eingangsinfrarotstrahlung.
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Da das Steuerungssignal "H" ist, ist der Verstärkungsfaktor des Wechselstromverstärkers
31 beispielsweise auf 73 dB angehoben worden.
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So wird der Ausgang vom Wechselstromverstärker 31 erhalten, indem der Ausgang vom
pyroelektrischen Infrarot-Detektorelement 1 beispielsweise mit 73 dB verstärkt wird.
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Zu diesem Zeitpunkt liegt das Abtastsignal nicht vor.
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Der Ausgang von der Abtast/Halte-Schaltung 41 behält den vorherigen Wert bei.
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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.
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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.
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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.
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Als weitere Ausführungsform der Erfindung kann die Zerhacker-Steuerungsschaltung 22
durch eine ersetzt werden, die digitale IC-Inverter und Gatter umfaßt.
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Auch die Verstärkungsfaktor-Steuerungsschaltung 32 kann durch eine ersetzt werden,
die den Rf-Wert in Fig. 3 ändert.
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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.
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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.