Energieautarke Sensorik Glasbruchsensor gegen Vandalismus

Sensoren können erkennen, wenn jemand eine Glasscheibe in Bus oder Bahn verkratzt. Dazu muss jedoch jede Scheibe mit einem Sensor ausgerüstet werden. Damit auch alte Fahrzeuge nachgerüstet werden, müssen die Sensoren gänzlich ohne Kabel auskommen.

Ganze Züge und Busflotten nachträglich mit Glasbruchsensoren auszurüsten kann teuer werden. Weniger durch die Sensoren selbst, sondern durch die aufwändige Kabelinstallation. Zu jedem Fenster müssen Leitungen für die Versorgung und Kommunikation verlegt werden. Dazu müsste die Innenraumverkleidung an den Fenstern, im Dach oder gar der Boden entfernt werden - ein enormer Arbeitsaufwand, der einen mehrtägigen Werkstattaufenthalt bedeuten würde. 

Könnten die Sensoren aber per Energy Harvesting mit Energie versorgt werden und über Funk kommunizieren, dann ließen sie sich ganz einfach auf die Glasscheiben aufkleben. Eine Montage, die sich dann in der nächtlichen Betriebspause erledigen ließe. Genau diese Zielstellung wurde im Verbundprojekt "mosens-Nets" verfolgt. Hier ging es darum, eine modulare, leistungsfähige und zugleich weitgehend offene Systemarchitektur für komplexe Service-, Safety- und Security-Aufgaben zu entwickeln. Als Basis hierfür dienten Sensor-, Kommunikations- und Verarbeitungsknoten. Als Ergebniss sollten die für Teilfunktionen erforderlichen Komponenten zumindest auf dem Niveau von Demonstratoren den entsprechenden Machbarkeitsnachweis erbringen.

Im Rahmen dieses Verbundprojektes hatte der Optotransmitter Umweltschutz Technologie (OUT) e.V. die Aufgabe, einen neuen optoelektronischen Sensor zur Glasscheibensicherung zu entwicklen. Dieser neuartige Glasbruchsensor sollte auf der Basis eines prinzipiell neuen Wirkprinzips atbeiten, das sich durch eine extrem hohe Empfindlichkeit, geringe Stromaufnahme, geringe Störanfälligkeit und eben vorallem durch eine leichte Nachrüstbarkeit an allen Scheiben - organische und anorganische Gläser - auszeichnet.

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Der Glasbruchsensor im Detail

Im Rahmen eines Verbundprojektes hatte der Optotransmitter Umweltschutz Technologie (OUT) e.V. die Aufgabe, einen neuen optoelektronischen Sensor zur Glasscheibensicherung zu entwicklen.

Der hierfür entwickelte optische Sensor arbeitet nach einem für diesen Anwendungsfall neuen physikalischen Wirkprinzip. Das Prinzip beruht auf der Totalreflexion von Lichtstrahlung an den Innenflächen der Scheibe.

Veränderungen an der Oberfläche der Scheibe z.B. durch Kratzer, verändern das Reflexionsverhalten. Es wird Licht ausgekoppelt, so dass eine Dämpfung detektiert werden kann, die sich für ein Alarmsignal auswerten lässt. Das Prinzip ist einfach und robust. Der Sensor kann daher auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen eingesetzt werden. Er benötigt keine beweglichen Teile und bietet die Chance ihn völlig autark mit Energie zu versorgen. Damit kann der Sensor vollkommen hermetisch versiegelt ausgeführt werden. Alle Schnittstellen (Energiezufuhr und Signalabgabe) arbeiten drahtlos.

Doch bis der Sensor autark per Energy Harvesting betrieben werden konnte war es ein weiter Weg. Zunächst musste entschieden werden welche Art von Umgebungsenergie in dieser Anwendung am besten zu nutzen ist - Wärme, Licht, Vibration, elektromagnetische Strahlung. Gleichzeitig musste geklärt werden, wieviel Energie die Sensorschaltung überhaupt für den Betrieb benötigt - und die Fragen: Muss es so viel Energie sein? Geht es nicht auch mit weniger?

Es ging. Der unter der Leitung von Dr. Adrian Mahlkow entwickelte Glasbruchsensor lässt sich mit der von Fotodioden gewonnenen Energie betreiben. Eingebaut ist die komplette Sensorelektronik mit den im Infraroten emittierenden SMD-LEDs in Profilleisten. Über eine Glasschiene mit prismatischem Querschnitt wird die Sensor-Leiste an einen Rand der Scheibe geklebt.

Die so eingekoppelte Strahlung kann, infolge von Totalreflexion an den Innenflächen, die Scheibe nicht verlassen. An dem der Einkopplung gegenüberliegenden Scheibenrand wird von einer Detektorleiste, die ebenfalls über eine prismatische Glasschiene an die Glasscheibe angeklebt ist, die Strahlung detektiert. Durch den permanenten Vergleich des normalen, sich langsam ändernden Signales mit dem aktuellen Signal, kann eine Elektronik entscheiden, ob Alarm auszulösen ist.

Das Team von Dr. Adrian Mahlkow, hat die Sensorschaltung konsequent auf den Energiesparbetrieb getrimmt. Funktion, Betriebsweise und Bauteilauswahl wurden sukzessive optimiert, um noch ein paar nW einzusparen. Die Vorgehensweise erläutert Dr. Adrian Mahlkow in einem Workshop am 12. Oktober 2010 beim 2. Elektronik ecodesign congress in München.