Pyrosensor Dank abgestrahlter Wärme lassen sich Personen erkennen

Ein Pyrosensor erkennt bewegte Objekte an der abgestrahlten Wärme. Das macht ihn gerade für die Personenerkennung interessant. Wir zeigen Ihnen im Text den Aufbau sowie die Vorteile des Detektors.

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Längst sind Sensoren zur Personenerkennung nicht nur in Treppenhäusern und Hauseingängen zum automatischen Einschalten der Beleuchtung anzutreffen. Mittlerweile werden solche Sensoren auch in der Sicherheitstechnik zur Raumüberwachung, zur Aktivierung von Displays in Hausgeräten oder zur intelligenten Steuerung des Raumklimas verwendet.

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Als Messprinzipien kommen grundsätzlich berührungslose Temperatursensoren, sogenannte Thermopiles, Kameramodule mit nachgeschalteter Bildverarbeitung, Radarsensoren, Ultraschallsensoren und Pyrosensoren in Frage. Die einfachste und kostengünstigste Technik ist der auf Pyrosensoren basierende Bewegungsmelder. Dieser erkennt Objekte, die sich hinreichend schnell bewegen und Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 9,4 µm abstrahlen. Das kann beispielsweise eine Personen sein.

Wie ein Pyrosensor seine Umgebung wahrnimmt

Im folgenden Text wird zunächst auf das Funktionsprinzip der Pyrosensoren des Herstellers Nippon Ceramic eingegangen. Erklärt wird, wieso der Sensor nur bewegte Objekte detektieren kann. Dabei wird diskutiert, welche Rolle Fresnellinsen spielen, die für die Funktion der Sensoren von elementarer Bedeutung sind. Anschließend wird die neueste Generation der Pyrosensoren mit digitalem Ausgang vorgestellt, mit deren Hilfe Bewegungsmelder sehr einfach aufgebaut werden können. Schließlich wird erklärt, welche Eigenschaften der Pyrosensoren für eine gegebene Applikation wichtig sind.

Das Herzstück der Pyrosensoren, der auch PIR- (Passiv-InfraRot-)Sensor genannt wird, bildet das pyroelektrische Element. Pyroelektrische Materialien weisen an ihrer Oberfläche eine permanente elektrische Polarisation auf, die in der Regel durch in der Umgebung vorhandene geladene Teilchen und die intrinsische Leitfähigkeit des Materials kompensiert wird.

Das Bild 1 zeigt das pyroelektrische Element jeweils vor und nach der Erwärmung. Nur wenn sich die Polarisation ändert, sind kurzzeitig an der Oberfläche freie Ladungen und damit eine Spannung messbar, bis erneut ein Ladungsausgleich stattgefunden hat. Die Zeitkonstante für diesen Ausgleich liegt bei einer Sekunde. Eine solche Änderung der Polarisation des Elements wird durch die Längenausdehnung aufgrund von Erwärmung verursacht.

Den prinzipiellen Aufbau zeigt das Bild 2. Durch das Fenster aus Silizium trifft IR-Strahlung auf die beiden pyroelektrischen Elemente. Eine in der Nähe befindliche Person mit einer Körpertemperatur von 37 °C sendet ausreichend Infrarotstrahlung ab, um eine messbare Erwärmung des Elements zu bewirken. Ein aus einem einzigen pyroelektrischen Element bestehender Pyrosensor kann Personen nicht von anderen Wärmequellen mit der gleichen Temperatur, wie Sonneneinstrahlung erwärmte Gegenstände, unterscheiden. Der entscheidende Trick: Bei Pyrosensoren für Bewegungsmelder werden zwei oder manchmal vier pyroelektrische Elemente verwendet, die mit entgegengesetzt gerichteter Polarität in Reihe geschaltet sind.

Eine stationäre Wärmequelle erwärmt beide Elemente gleichermaßen, und durch die antiparallele Anordnung kompensieren sich beide Signale zu Null. Werden beide Elemente nicht gleichzeitig, sondern nacheinander erwärmt, lässt sich ein Signal messen. Bei Bewegungsmeldern ist deshalb vor dem Pyrosensor eine dünne Kunststofflinse angeordnet, die sogenannte Fresnellinse.

Ihre Aufgabe ist es, die von der zu detektierenden Person abgestrahlte Wärme auf die Sensorelemente zu fokussieren. Bewegt sich die Person, wandert das in die Element-Ebene abgebildete Wärmebild bei geeigneter Bewegungsrichtung sequenziell über beide Elemente hinweg. Damit werden beide Elemente nacheinander erwärmt und es entsteht ein messbares Signal, das jedoch mit einer Zeitkonstante von ungefähr 1 Sekunde wieder abklingt.

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