Bewegungsdetektion mittels pyroelektrischer Sensoren: Jeder Schritt zählt

Bild 1. Schematische Anordnung aus pyroelektrischem Detektor, Linse und Objekt.
Bild 1. Schematische Anordnung aus pyroelektrischem Detektor, Linse und Objekt.

Bei Bewegungsmeldern auf Basis pyroelektrischer Kristalle hat in den letzten Jahren eine weitreichende Miniaturisierung stattgefunden. Von Interesse sind nicht nur die Grundlagen dieser Sensoren, sondern auch verschiedene Konzepte der Signalverarbeitung: von der rein analogen Signalaufbereitung bis zur vollständig integrierten Digitalisierung.

Es gibt bestimmte Kristalle, die eine permanente elektrische Polarisation aufweisen: die sogenannten pyroelektrischen Kristalle [1]. Sobald sich die Temperatur dieser Kristalle ändert, erzeugt die vorhandene Polarisation an den gegenüberliegenden Oberflächen eine Differenzspannung, die aber relativ schnell wieder durch die Umgebung neutralisiert wird. Eine Temperaturänderung führt daher nur zu einem kurzzeitigen elektrischen Impuls, nicht aber zu einem statischen Signal. Damit können die pyroelektrischen Kristalle zwar nicht direkt eine Absolut-Temperatur messen, sie reagieren aber sehr gut auf kurzfristige Temperaturänderungen.

Üblicherweise reagieren die Kristalle auf Wellenlängen vom sichtbaren Licht bis ins tiefe Infrarotlicht. Um Interferenzen mit sichtbarem Licht zu vermeiden, wird durch entsprechende Filter die Wellenlängenempfindlichkeit auf einen Bereich von etwa 5 bis 20 µm eingeschränkt. Diese Bereiche sind bei den verschiedenen Herstellern der Bewegungssensoren – beispielsweise [3, 4, 5] – unterschiedlich. Gemäß [5] gibt jede Person eine Strahlung mit etwa 9,4 µm Wellenlänge ab, eine Katze etwa mit 9,3 µm. In jedem Fall wird diese Strahlung gut detektiert.

Um die Empfindlichkeit der Sensoren zu vergrößern, wird zwischen dem zu beobachtenden Feld und dem Sensor eine Sammellinse – aus Platz- und Preisgründen meistens eine Fresnellinse [2] – angeordnet. Bild 1 zeigt die prinzipielle Anordnung aus Sensor, Linse und Objekt. Sobald sich ein Objekt in den Detektionsbereich des Sensors hinein bewegt, erzeugt der Sensor ein Signal. Verlässt das Objekt den Detektionsbereich, so wird wiederum ein Signal erzeugt – dieses Mal mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Bei Temperaturänderung findet in den pyroelektrischen Kristallen nur eine geringe Ladungsverschiebung statt. Zugleich sind die Detektoren sind sehr hochohmig und entsprechend langsam. Typische Ausgangsfrequenzen dieser Anordnung liegen im Bereich von etwa 0,1 bis 10 Hz; sie hängen nicht nur von der Geschwindigkeit des bewegenden Objektes ab, sondern auch vom Verhältnis des Abstandes zum Objekt und der Brennweite der Linse. Praktisch bedeutet dies, dass sich eine Gruppe von Personen nicht ohne weiteres von einer Einzelperson unterscheiden lässt. Auch werden extrem schnelle Bewegungen wegen der inhärenten Tiefpasswirkung des Systems nicht registriert.

Zum Auskoppeln dieses kleinen und hochohmigen Signals werden in das Detektorgehäuse zusätzlich ein Feldeffekttransistor sowie ein Gate-Ableitwiderstand eingebaut. Als Folge haben die pyroelektrischen Detektoren, wie in dem Schaltbild gemäß Bild 2 gezeigt, üblicherweise drei Anschlüsse. Der Transistor wird meist als Source-Folger beschaltet; es steht also ein relativ niederohmiges Signal zur Verfügung.

Trotzdem ist für die Signalaufbereitung noch ein beträchtlicher Aufwand notwendig – bestehend aus einem Operationsverstärker zur Signalverstärkung und -filterung sowie einem nachfolgenden Fensterkomparator zur Störsignalunterdrückung. Da die pyroelektrischen Kristalle wegen ihrer Hochohmigkeit nur langsam reagieren, kann die Bandbreite dieser Signalverarbeitung gering sein. Sie liegt so im Bereich weniger Hertz. Beispiele für solche Schaltungen finden sich in [3] und [4].