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Infrarot-MEMS-Thermopile-Array-Sensoren : Ausgabe 04/2016, 03.03.2016

Mit Infrarot Personen erkennen

Mit dem Internet of Things (IoT) entstehen neue Anwendungswelten, in denen Sensoren eine tragende Rolle spielen: als Präsenzmelder in Sicherheitssystemen, zur Patientenerkennung in medizinischen ­Umgebungen oder zur Temperaturmessung in industriellen Prozesssteuerungen. Infrarot-Thermopile- Array-Sensoren machen deren Umsetzung preiswert und einfach.

Autor: Aurelien Ngongang, Product Sales Manager Sensors, Rutronik

Bilder: Rutronik, tXplore-DNA

Bislang waren auf photoelektrischen Effekten basierende Photodetektoren und pyroelektrische Sensoren, basierend auf polarisierten Kristallen, die am häufigsten eingesetzten In­frarotdetektoren (IR). Beide sind sehr komplex und damit teuer in der Herstellung. Zudem können die genannten Technologien keine statischen Objekte detektieren. Eine clevere Alternative bietet die Thermopile-Technologie. Sie basiert auf Thermoelementen und macht sich die Tatsache zu Nutzen, dass die Strahlung eines Objektes grösstenteils aus seiner Temperatur, bzw. dem Temperaturunterschied zur Umgebung, resultiert. Gegenüber den herkömmlichen Technologien bietet Thermopile viele Vorteile, allen voran geringere Kosten und Platzersparnis, zudem benötigt sie weder eine Stromquelle noch ein Steuerungssystem. Gleichzeitig punktet sie mit besserer Linearität und Genauigkeit. Im Gegensatz zu konventionellen Thermosensoren, die die Temperatur nur am Kontaktpunkt messen, können sie die Temperatur für einen ganzen räumlichen Bereich erfassen.

Ein Thermopile kann ein breites Spektrum detektieren

Ein Infrarot-Array-Sensor setzt sich aus einer Linse, einem IR-Bandpass-Filter, einem Thermopile Array, einem Thermistor und einem ASIC zusammen. Mit Hilfe des Thermistors wird die Umgebungstemperatur gemessen. Ein Thermopile besteht aus Thermoelement-Paaren, die elektrisch in Reihe verbunden sind. Die Leiter des Thermoelements sind aus unterschiedlichen Materialien und elektrisch gekoppelt. An ihren beiden Enden wird die Spannung gemessen, die sich gemäss dem Seebeck-Effekt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Kontaktstelle und den beiden Enden verhält. So kann ein Thermopile ein breites Spektrum vom Ultraviolett- bis zum Infrarot-Bereich detektieren. Ein optischer Bandpass-Filter sorgt dafür, dass nur ein bestimmtes Spektrum durchgelassen wird – welches das ist, ist von Applikation zu Applikation unterschiedlich.

Die in einer Matrix angeordneten Thermopile-Elemente ergeben das Array. Sie erfassen die Objekt- und Umgebungstemperatur, woraus die Bewegungsrichtung und das Thermo­bild des Objektes bestimmt werden kann. Sowohl statische als auch bewegte Objekte können somit detektiert werden.

Von Personenerkennung oder -zählung bis Sicherheitssysteme

Die Bandbreite an Applikationen, die von IR-Array-Sensoren profitieren können, ist gross: Eine Personenerkennung oder -zählung lässt sich mit ihnen ebenso realisieren wie Sicherheitssysteme, bei denen sie die Präsenz oder Bewegung von Personen erfassen, so dass ein Alarm ausgelöst wird. In Beleuchtungs- oder Klimaanlagen unterstützt ein IR-Array-Sensor das Energiesparen: Detektiert er keine Präsenz oder Bewegung von Personen, sorgt er dafür, dass das Licht ausgeschaltet oder die Klimaanlage weniger stark kühlt oder heizt. Ebenso in einer Mikrowelle oder im Herd: hat der Sensor ermittelt, dass das Essen die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird das Gerät automatisch ausgeschaltet. Die Möglichkeit, die Temperatur eines Gegenstands oder Menschen zu messen, ist für die Fertigungssteuerung und Prozessüberwachung sowie die Maschinenüberwachung ebenso interessant wie für die Sicherheitstechnik und Brandfrüherkennung und die Echtzeit-Thermografie in Forschung und Entwicklung.

IR-Array mit weitem Sichtfeld

Mit dem MLX90621 bietet Melexis ein IR-Array mit einer 16 × 4-Pixel-Anordnung. Der kostengünstige Sensor verfügt über ein Sichtfeld von bis zu 100 ° × 30 ° in der horizontalen und vertikalen Richtung und damit einen deutlich grösseren Bereich als seine Vorgänger. In Sachen Messgeschwindigkeit und Temperaturauflösung erzielt er 4-fach bessere Werte. Die Reichweite von 8 m kann bei 16 Hz gewährleistet werden. Die vorkalibrierten Arrays arbeiten über einen Temperaturbereich von –40 bis +85 °C und können die exakte Temperatur eines Objekts zwischen –20 und +300 °C messen. Die Schnittstelle und Steuerung erfolgt über das integrierte digitale I2C-Interface. Die Geschwindigkeit ist mit einer Bildrate von 0,5 bis 64 Hz einstellbar.

Der MLX90621 im kompakten TO39-Metallgehäuse ist in drei Varianten mit unterschiedlichem Sichtfeld (60 ° × 15 °; 40 ° × 10 ° und 100 ° × 25 °) verfügbar. Das Modell mit dem grössten Sichtfeld erlaubt etwa eine kostengünstigere und effizientere Regelung der Klimaanlage im Fahrzeug, denn es kann die Temperaturprofile des Fahrers und Beifahrers gleichzeitig erfassen.

Bluetooth-Sensor bereit für IoT

Das Evaluation-Board EVB90621 mit ZIF-Sockel gestattet die Plug-&-Play-Prüfung des IR-Arrays. Mit seiner GUI lassen sich die Messdaten anzeigen und protokollieren, und die wichtigsten Sensorparameter schnell und einfach anpassen. Der erste oberflächenmontierbare Thermopile-Array-Sensor in SMD-Bauform kommt von Panasonic: Grid-EYE verfügt über 64 Thermopile-Elemente in einer 8 × 8-Matrix. Die Elemente sind mit einem MEMS-Sensor-Chip, einem ASIC (I²C-Schnittstelle) und einer Silikon-Linse mit 60 ° Sichtfeld in einem Gehäuse kombiniert. Damit kann Grid-EYE mehrere ruhende oder bewegte Personen gleichzeitig ermitteln und ihre Oberflächentemperatur in Echtzeit äusserst präzise messen.

Grid-EYE ist ein sehr benutzerfreund- licher und kostengünstiger Sensor, der sich in Kombination mit dem Panasonic-Nanopower-Bluetooth-Smart-Modul und der Software für infrarotbasierte Personenerkennung optimal für funkbasierte Internet-of-Things-Anwendungen eignet. 

Infoservice

Rutronik Elektronische Bauelemente AG
Brunnenstrasse 1, 8604 Volketswil
Tel. 044 947 37 37, Fax 044 947 37 47
www.rutronik.com



Zwei auf einen Streich: Das IR-Array MLX90621 von Melexis ermittelt das Temperaturprofil von zwei Fahrzeuginsassen gleichzeitig


Der von Thomas Johann Seebeck entdeckte Effekt besagt: Wenn zwei unterschiedliche, elektrisch leitende Materialien miteinander verbunden und die beiden Kontaktstellen auf unterschiedliche Temperaturen gebracht werden, fliesst Strom


Mit dem MLX90621 bietet Melexis ein IR-Array mit einer 16 × 4-Pixel-Anordnung

Rutronik im swissT.net

Sektion 15: Elektronische Komponenten