Physikalisches Seminar Sensoren Sommersemester Seminararbeit vorgelegt von. Jochen Klein

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1 Bewegungsmelder Physikalisches Seminar Sensoren Sommersemester 2010 Seminararbeit vorgelegt von Jochen Klein Betreuer: Dr. Merten Joost Institut für integrierte Naturwissenschaften Abteilung Physik Koblenz, im Juni 2010

2 ii Inhaltsverzeichnis Bewegungsmelder... i Inhaltsverzeichnis... ii 1. Einleitung Physikalische Grundlagen Dopplereffekt Bewegte Quelle/Ruhender Beobachter Ruhende Quelle/Bewegter Beobachter Infrarotstrahlung Thermische Emission Schwarzer Körper Wiensches Verschiebungsgesetz Pyroelektrizität Pyroelektrische Konstante Fresnel-Linse Sensortypen Aktive Bewegungsmelder (Dopplereffekt) Ultraschall Doppler-Radar Passive Bewegungsmelder Infrarot Fazit Quellenangaben... iii

3 1 1. Einleitung Die Erfassung von Bewegungen durch Bewegungsmelder spielt heutzutage in vielen Bereichen eine große Rolle und ist kaum noch wegzudenken. Bewegungsmelder erleichtern uns an vielen Stellen das Leben und werden dabei kaum noch wahrgenommen oder als Selbstverständlichkeit erachtet. Sie öffnen uns Türen und schalten uns das Licht an. Auf den Straßen erfassen sie Verkehrsaufkommen und helfen somit bei der richtigen Schaltung von Ampeln und anderen Verkehrssignalen. Sie lösen Alarmanlagen aus und warnen somit vor Gefahren. Dabei basieren Bewegungsmelder auf ganz unterschiedlichen Prinzipien der Physik, welche im weiteren genauer erläutert werden.

4 2 2. Physikalische Grundlagen 2.1. Dopplereffekt Der Dopplereffekt beschreibt die Veränderung einer wahrgenommenen Frequenz wenn Quelle und Beobachter sich relativ zueinander bewegen. Wenn sich Beobachter und Quelle nähern, erhöht sich die wahrgenommene Frequenz, entfernen sie sich, wird die wahrgenommene Frequenz niedriger. Dieser Effekt lässt sich sehr gut bei einem Autorennen beobachten. Kommen die Wagen auf den Betrachter zu, so nimmt er ein relativ hohes Motorengeräusch wahr, welches im Moment des Vorbeifahrens sofort zu einem deutlich tieferen Geräusch umschlägt. Grundsätzlich muss man beim Betrachten des Dopplereffektes zwischen ruhender Quelle/bewegtem Beobachter und bewegter Quelle/ruhendem Beobachter unterscheiden Bewegte Quelle/Ruhender Beobachter Ein Signal schwingt mit der Frequenz f. Abhängig von der Art des Signals und des Übertragungsmediums ergibt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit c (z.b. c = 340 m s für Schallwellen im Medium Luft). Die Quelle Q des Signals bewegt sich mit der Geschwindigkeit v auf den Beobachter B zu. Die Wellenlänge λ Q des Signals ist der Quotient der Ausbreitungsgeschwindigkeit und der Frequenz der Wellen: λ Q = c f Q Der Abstand der Wellenberge des Signals einer ruhenden Quelle beträgt also genau λ Q. Da sich die Quelle aber in diesem Fall bewegt, müssen wir noch die Geschwindigkeit der Quelle berücksichtigen und erhalten die vom Beobachter wahrgenommene Wellenlänge: λ B = c ± v f Q +v bei sic entfernender Quelle v bei sic näernder Quelle

5 3 Da die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen konstant und unabhängig von v ist, erhöht bzw. verringert sich die vom Beobachter wahrgenommene Wellenlänge λ B und die Frequenz f B des wahrgenommenen Signals sinkt bzw. steigt und mit λ = c erhält man f f B = c f Q c ± v = f Q 1 ± v c Das bei dem Beobachter ankommende Signal hat somit eine deutlich niedrigere bzw. höhere Frequenz, als das Signal, welches von der Quelle ausgesendet wird. Dopplereffekt - bewegte Quelle Ruhende Quelle/Bewegter Beobachter Bei einer ruhenden Quelle gehen wir von λ Q = c f Q aus aus. Hier resultiert die Veränderung der wahrgenommenen Frequenz aus der Bewegung des Beobachters. Bewegt er sich auf die Quelle zu, verkürzt er die Wellenlänge und die Frequenz steigt. Bewegt er sich weg, wird die Wellenlänge vergrößert und die Frequenz sinkt. Während der Zeitspanne Δt nimmt er somit f B Δt = ± vδt λ Q + wenn er sic auf die Quelle zu bewegt wenn er sic von der Quelle entfernt mehr bzw. weniger Wellen wahr. Wegen λ Q = c f Q ergibt sich die wahrgenommene Frequenz umgestellt f B = f Q + f B = f Q ± f Q v c f B = f Q 1 ± v c

6 Infrarotstrahlung Der Begriff Infrarotstrahlung beschreibt elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen Hz und Hz. Elektromagnetische Wellen bestehen aus gekoppelten elektrischen und magnetischen Feldern. In Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge, kennen wir sie als Gamma-, Röntgen-, UV-Strahlung, sichtbares Licht, Infrarot oder Radio- /Mikrowellen. Je geringer die Wellenlänge, desto höher die Frequenz und die Energie der Strahlung. Für die Wellenlänge gilt λ = c f (c = 3 m 108 s Lictgescwindigkeit) So ergeben sich für Infrarotstrahlung Wellenlängen im Spektralbereich zwischen 780 Nanometer und 1 Millimeter. Sie liegen damit oberhalb der Wellenlängen des für den Menschen sichtbaren Lichtes. Spektralbereich elektromagn. Wellen Thermische Emission Jeder Körper mit einer Temperatur über dem absoluten Nullpunkt (0 Kelvin oder auch 273,15 C) sendet elektromagnetische Strahlung aus. Die Frequenz ist dabei abhängig von der Temperatur des Körpers und liegt unter

7 5 ca. 600 C im unsichtbaren (Infrarot-) Bereich. Dieser Vorgang wird Thermische Emission genannt und wird durch die Wärmebewegung der Atome des Körpers verursacht Schwarzer Körper Als Referenz für die Betrachtung dieses Phänomens zieht man in der Physik einen schwarzen Körper heran. Es handelt sich dabei um einen theoretischen Körper, welcher sämtliche auf ihn treffende elektromagnetische Strahlung absorbiert. Da er keine von außen wirkende Strahlung reflektiert oder durchlässt, ist die abgegebene Strahlung lediglich von seiner Temperatur abhängig Wiensches Verschiebungsgesetz Das Wiensche Verschiebungsgesetz beschreibt den Zusammenhang zwischen der Temperatur T eines schwarzen Körpers und der maximalen Wellenlänge λ max seiner abgegebenen elektromagnetischen Strahlung λ max T = b wobei b die Wiensche Konstante ist b = 2, mk Somit lässt sich die Temperatur eines schwarzen Körpers anhand der maximalen Wellenlänge λ max der von ihm abgegebenen elektromagnetischen Strahlung feststellen. Für andere Körper lässt sich somit in Abhängigkeit von ihrer Absorptionsrate zumindest ein Näherungswert berechnen Pyroelektrizität Einige Ionenkristalle mit permanenter elektrischer Polarisation, besitzen die Eigenschaft sich bei Temperaturschwankungen entgegengesetzt elektrisch aufzuladen, diesen Effekt nennt man Pyroelektrizität. Es lässt sich also eine Spannung zwischen beiden Enden des Kristalls messen.

8 Pyroelektrische Konstante Die Kristalle (z.b. Lithiumtantalat LiTaO 3 ) besitzen eine materialspezifische pyroelektrische Konstante p. Aus ihr und der Temperaturdifferenz ΔT lässt sich die Polarisationsdifferenz ΔP berechnen ΔP = p ΔT Die pyroelektrische Konstante setzt sich aus 2 Faktoren zusammen. Der echte pyroelektrische Effekt p tritt durch die Abstandsänderung der Gitterionen im Kristall auf. Der falsche pyroelektrische Effekt p tritt durch die Änderung des Verhältnisses Ladung zu Volumen im Kristall auf. Er ist also eigentlich kein pyroelektrischer Effekt, sondern entsteht als Nebenprodukt. p = p + p In vielen Fällen überwiegt allerdings der falsche pyroelektrische Effekt.

9 Fresnel-Linse Da die Fresnel-Linse kein zwingendes Bauteil eines Bewegungsmelders ist, aber in fast allen gängigen Infrarotmodellen Verwendung findet, will ich hier nur kurz das Prinzip erläutern. Eine herkömmliche, konvexe Linse kann aufgrund ihrer beiden lichtbrechenden Flächen zur Bündelung elektromagnetischer Wellen verwendet werden. Lichtbündelung an einer konvexen Linse Das Problem hierbei besteht in der Dicke der Linse. Je kürzer die Brennweite, desto dicker die Linse. Eine Fresnel-Linse umgeht dieses Problem durch feine Abstufungen. Prinzip der Fresnel-Linse

10 8 3. Sensortypen 3.1. Aktive Bewegungsmelder (Dopplereffekt) Aktive Bewegungsmelder bestehen aus einem Sender, einem Empfänger und einer Auswertelektronik. Im Gegensatz zu passiven Bewegungsmeldern erzeugen sie selbst ein Signal, welches zur Abtastung des Erfassungsbereichs benutzt wird, daher die Bezeichnung aktive Bewegungsmelder. Beide Bauarten nutzen dabei das Prinzip des Dopplereffekts aus Ultraschall Wie bereits erwähnt, bestehen Ultraschallbewegungsmelder aus einem (Ultraschall)-Sender, welcher im Frequenzbereich zwischen 20KHz und 10MHz arbeitet, einem (Ultraschall empfindlichen) Empfänger und der Auswertelektronik. Prinzip des Ultraschallbewegungsmelders Der Sender stößt, angetrieben von einem Frequenzgenerator, kontinuierlich ein Ultraschall Signal aus, welches von der Umgebung reflektiert wird. Das reflektierte Signal wird von dem Sensor erfasst und von der Auswertelektronik zu einem Schallbild verarbeitet. Solange das gewohnte Schallbild empfangen wird, reagiert die Auswertelektronik nicht. Tritt jedoch eine Veränderung im Schallbild auf, z.b. eine Person betritt den Abtastbereich, treten aufgrund des Dopplereffektes

11 9 Frequenzverschiebungen auf. Dabei darf man nicht den eigentlichen Sender des Bewegungsmelders als Quelle für die empfangenen Signale betrachten, sondern den Körper, der den Schall reflektiert. Das gewohnte Schallbild wird hierdurch verzerrt, die Steuerelektronik erkennt die räumliche Veränderung und löst aus Doppler-Radar Das Doppler-Radar besteht aus den gleichen Bauteilen wie der Ultraschall- Bewegungsmelder, mit dem Unterschied, dass die Sendeeinheit elektromagnetische Wellen ausstößt und die Empfangseinheit für den Empfang ebendieser konstruiert ist. Die Funktion ist ebenso mit der des ultraschallbasierten Bewegungsmelders zu vergleichen. Die elektromagnetische Strahlung wird von der Umgebung zurückgeworfen und die Auswertelektronik generiert ein Bild aus den empfangenen Signalen. Sobald das Bild durch Eintreten einer Person o.ä. verzerrt wird, löst die Elektronik aus Passive Bewegungsmelder Passive Bewegungsmelder (passive infrared kurz PIR) bestehen lediglich aus einem Empfänger und der Auswertelektronik und verarbeiten vorhandene Umgebungsstrahlung zur Erkennung von Bewegung Infrarot In Abschnitt 2.2 wurde erklärt, das jeder Körper dessen Temperatur über dem absoluten Nullpunkt liegt eine elektromagnetische Strahlung abgibt. Diesen Effekt macht sich der Infrarotbewegungsmelder zu Nutze. Er besteht hauptsächlich aus einer Fresnel-Linse einem pyroelektrischen Bauteil und der Auswertlektronik. Die Fresnel-Linse bündelt die einzelnen Felder des Abtastfächers immer abwechselnd auf einen von 2 pyroelektrischen Kristallen. Auf die Kristalle wird also die Strahlung und somit indirekt die Temperatur des Erfassungsbereichs der Linse gebündelt. Eine Auswertelektronik überwacht die an den Kristallen anliegende Spannung, welche unverändert bleibt, solange sich die Temperatur nicht ändert. Tritt eine Person oder ein Tier durch den Erfassungsbereich, ändert sich die Temperatur der Kristalle abwechselnd. Es liegt also abwechselnd eine

12 10 Spannungsdifferenz an, die Auswertelektronik schließt daraus eine Bewegung innerhalb des Überwachungsbereichs und löst aus. Aufbau des PIR Der Erfassungsbereich des PIR kann, je nach Beschaffenheit der Linse, stark variieren und einen breit gefächerten Bereich, wie in der Abbildung unten, abdecken. Beispiel-Erfassungsbereich eines PIR

13 11 4. Fazit Die hier vorgestellten Bewegungsmelder gehören vielleicht nicht zu den wichtigsten Sensoren der heutigen Zeit, aber sie erleichtern uns an vielen Stellen das Leben. Desweiteren dürfte diese Ausarbeitung ein weit verbreitetes Missverständnis aufgeklärt haben. Der klassische Infrarot- Bewegungsmelder, wie ihn sicher viele als Lichtschalter oder Türöffner kennen, ist eigentlich kein richtiger Bewegungsmelder. Er registriert nicht die Bewegung im eigentlichen Sinne, sondern lediglich die gestiegenen Temperaturen der pyroelektrischen Kristalle und interpretiert dies als Bewegung. Und genau das ist auch das Problem der PIR Sensoren. Aufgrund ihres Funktionsprinzips sind sie relativ leicht auszutricksen. Sie lösen nur bei plötzlichen Temperaturschwankungen aus, bewegt man sich sehr langsam durch den Abtastbereich, ist es möglich sich hindurch zu schleichen. Ebenso kann man mit einem Anzug, der die Infrarotstrahlung zurückhält, unbemerkt vorbeikommen. Daher sind passive Bewegungsmelder für sensible Einsatzgebiete wie Alarmanlagen eher ungeeignet. Hier empfiehlt sich der Einsatz von aktiven Bewegungsmeldern, da diese auch minimale Bewegungen sicher erfassen und nicht so leicht zu überlisten sind wie PIRs.

14 iii 5. Quellenangaben [1] Lindner, Helmut - Physik für Ingenieure. 16. Verbesserte Auflage. Fachbuchverlag Leipzig [2] Kuchling, Horst Taschenbuch der Physik. 18. Auflage. Fachbuchverlag Leipzig [3] Wikipedia (Stichworte: Bewegungsmelder, elektromagnetische Wellen, Doppler- Radar, Ultraschall-Bewegungsmelder, Infrarotstrahlung, Pyroelektrizität, Ionenkristalle, Fresnel-Linse) [Stand ] [4] Elektronik Kompendium (Stichworte: Infrarot-Bewegungsmelder, Ultraschall- Bewegungsmelder, Fallenüberwachung) [Stand ] [5] Examensarbeit Jan Kuiper Carl von Ossietzky Universität Oldenburg Der Bewegungsmelder Ein Beispiel für Steuerungstechnik im Technikunterricht - http//: [6] DIAS Infrared GmbH, 2006 Pyroelektrische Infrarotsensoren.