setron / Excelitas Bewegungen pyroelektrisch detektieren

Seit Jahrzehnten werden Bewegungsmelder auf Basis pyroelektrischer Kristalle eingesetzt. Dabei hat in den letzten Jahren eine weitreichende Miniaturisierung dieser Detektoren stattgefunden.

Der folgende Beitrag beschreibt die Grundlagen dieser Sensoren und verschiedene Konzepte der Signalverarbeitung.

Pyroelektrische Kristalle haben eine permanente elektrische Polarisation (1). Sobald sich die Temperatur dieser Kristalle ändert, erzeugt die vorhandene Polarisation an den gegenüberliegenden Oberflächen eine Differenzspannung, die aber 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 Infrarot. Um Interferenzen mit sichtbarem Licht zu vermeiden, wird durch Filter die Wellenlängenempfindlichkeit eingeschränkt auf einen Bereich von etwa 5 µm bis 20 µm. Diese Bereiche sind bei den verschiedenen Herstellern der Bewegungssensoren unterschiedlich. Eine Person gibt eine Strahlung von etwa 9,4 µm Wellenlänge ab, eine Katze etwa 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 angeordnet, aus Platz- und Preisgründen meistens eine Fresnellinse. Bild 1 zeigt die prinzipielle Anordnung aus Sensor, Linse und Objekt. Sobald sich ein Objekt in den Detektionsbereich des Sensors hineinbewegt, erzeugt der Sensor ein Signal. Verlässt das Objekt den Detektionsbereich, wird wiederum ein Signal erzeugt, dieses Mal aber mit entgegengesetztem Vorzeichen.

Bei Temperaturänderung findet in den pyroelektrischen Kristallen nur eine geringe Ladungsverschiebung statt, die Detektoren sind sehr hochohmig und entsprechend langsam. Typische Ausgangsfrequenzen dieser Anordnung liegen zwischen etwa 0,1 Hz und 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 eine Gruppe von Personen nicht ohne weiteres von einer Einzelperson unterschieden werden kann. 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 und ein Gate-Ableitwiderstand eingebaut. Deswegen haben die pyroelektrischen Detektoren üblicherweise drei Anschlüsse, wie in Bild 2 gezeigt. 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 und liegt so im Bereich weniger Hertz.