Bild 1: Panasonics IR-Grid-Eye kann mehrere ruhende oder bewegte Objekte gleichzeitig ermitteln und ihre Oberflächentemperatur in Echtzeit präzise erfassen.

Bild 1: Panasonics IR-Grid-Eye kann mehrere ruhende oder bewegte Objekte gleichzeitig ermitteln und ihre Oberflächentemperatur in Echtzeit präzise erfassen. Rutronik

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

Wärmestrahlung im Raster erfassen

Bislang waren auf photoelektrischen Effekten basierende Photodetektoren und pyroelektrische Sensoren basierend auf polarisierten Kristallen die am häufigsten eingesetzten Infrarot-Detektoren (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 IR-Strahlung eines Objektes größtenteils aus seiner Oberflächentemperatur, beziehungsweise dem Temperaturunterschied zur Umgebung, resultiert.

Eckdaten

Für viele Anwendungen die Oberflächentemperaturen und Objektbewegungen erfassen müssen, sind Infrarot-Array-Sensoren auf Basis von Thermoelementen einen kostengünstige Alternative zu klassischen Photo- und pyroelektrischen Sensoren. Verkettete Messelemente (Thermopile) bilden in Gruppen verschaltet eine Matrix und erfassen rasterförmig Wärmestrahlung bis zu einigen Metern Entfernung.

Gegenüber den herkömmlichen Technologien bietet der Einsatz von Thermopile (Thermosäule oder -kette) viele Vorteile, allen voran geringere Kosten und Platzersparnis. Zudem benötigen diese Sensorelemente selbst weder eine Stromquelle noch ein Steuerungssystem. Gleichzeitig punkten sie mit besserer Linearität und Genauigkeit. Im Gegensatz zu konventionellen Thermosensoren, welche die Temperatur nur an einem Kontaktpunkt messen, können die IR-Strahlungdetektoren die Temperatur für einen größeren räumlichen Bereich rasterförmig erfassen.

Bild 2: Funktionsprinzip eines Thermoelements (Seeberg-Effekt).

Bild 2: Funktionsprinzip eines Thermoelements (Seeberg-Effekt). www.xplore-dna.net

Ein Infrarot-Array-Sensor besteht aus einer Linse, einem IR-Bandpass-Filter, einem Thermopile-Array, einem Thermistor und einem ASIC zur Steuerung. Die Umgebungstemperatur in Chipnähe erfasst ein Thermistor. Ein Thermopile besteht aus Thermoelement-Paaren, die thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltet sind. An einem Ende des Thermoelements sind die Drähte aus zwei unterschiedlichen Materialien mechanisch verbunden (verdrillt oder verschweißt) und damit elektrisch gekoppelt, sodass hier eine Thermospannung entsteht. An den beiden offenen Drahtenden wird eine Spannung gemessen, die sich gemäß dem Seebeck-Effekt proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Kontaktstelle und dem Messanschluss verhält (Bild  2). So kann ein Thermopile ein breites Spektrum von Ultraviolett- bis zur Infrarot-Strahlung detektieren. Ein optischer Bandpass-Filter begrenzt dabei den applikationsrelevanten Spektralbereich.

Bild 3: Mehrere thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltete Thermoelemente bildet eine Thermosäule (Thermopile) , welche zur Messung von Wärmestrahlung eingesetzt wird.

Bild 3: Mehrere thermisch parallel und elektrisch in Reihe geschaltete Thermoelemente bildet eine Thermosäule (Thermopile) , welche zur Messung von Wärmestrahlung eingesetzt wird. http://wanda.fiu.edu

Die in einer Matrix angeordneten Thermopile-Elemente bilden das Sensor-Array. Sie erfassen die Wärmestrahlung von Objekten und der Umgebung, woraus die Bewegungsrichtung und das Thermobild des Objektes resultieren. Sowohl statische als auch bewegte Objekte können somit detektiert werden.

Anwendungsbereiche für IR-Arrays

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 und daraufhin einen Alarm auslösen.

In Beleuchtungs- oder Klimaanlagen unterstützt ein IR-Array-Sensor das Energiesparen: Detektiert der Sensor keine Präsenz oder Bewegung von Personen, schaltet er das Licht aus oder regelt die Klimaanlage zurück, sodass sie 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 zurückgeregelt oder ausgeschaltet.

Die Möglichkeit, die Oberflächentemperatur eines Gegenstands oder Menschen zu messen, ist für die Fertigungssteuerung und Prozessüberwachung sowie die Maschinenüberwachung
ebenso interessant wie für die Sicherheitstechnik,  die Brandfrüherkennung und die Echtzeit-Thermografie in Forschung und Entwicklung.

Kostengünstiges IR-Array mit weitem Erfassungsbereich

Bild 4: Das IR-Array-MLX90621 von Melexis ermittelt das Temperaturprofil von zwei Fahrzeuginsassen gleichzeitig.

Bild 4: Das IR-Array-MLX90621 von Melexis ermittelt das Temperaturprofil von zwei Fahrzeuginsassen gleichzeitig. Rutronik

Mit dem MLX90621 bietet Melexis ein IR-Array mit einer 16 × 4 Pixel-Anordnung. Der kostengünstige Sensor verfügt mit einen horizontalen Öffnungswinkel von 100° und vertikal 30° über einen deutlich größeren Bereich als seine Vorgänger. In Sachen Messgeschwindigkeit und Temperaturauflösung erzielt er 4-fach bessere Werte. Mit einer Reichweite von 8 m misst der Baustein in einem Messintervall von 16 Hz. 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 Kommunikation und Steuerung erfolgt über das integrierte digitale I2C-Interface. Eine Bildrate ist von 0,5 bis 64 Hz einstellbar.

Im kompakten TO39-Metallgehäuse ist der Thermobaustein in drei Varianten mit unterschiedlichem Erfassungsbereichen von 60° × 15°; 40° × 10° und 100° × 25° verfügbar. Das Modell mit dem größten Sichtfeld ermöglicht zum Beispiel eine kostengünstigere und effizientere Regelung der Klimaanlage im Fahrzeug, denn es kann die Temperaturprofile des Fahrers und Beifahrers gleichzeitig erfassen (Bild 4).

Das Evaluation-Board EVB90621 mit ZIF-Sockel ermöglicht die Plug & Play-Prüfung des IR-Arrays von Melexis. Per GUI lassen sich die Messdaten anzeigen und protokollieren und die wichtigsten Parameter des Sensors schnell und einfach anpassen.

Bild 5: Zur schnellen Funktionserkundung des IR-Grid-Eye-Sensors bietet Panasonic Entwicklern das Evaluation-Board Nanopower an.

Bild 5: Zur schnellen Funktionserkundung des IR-Grid-Eye-Sensors bietet Panasonic Entwicklern das Evaluation-Board Nanopower an. Rutronik

IR-Array-Sensor für Oberflächenmontage

Der erste oberflächenmontierbare Thermopile-Array-Sensor in kompakter SMD-Bauform kommt von Panasonic: Grid-Eye verfügt über 64 Thermopile-Elemente in einer 8 × 8 Matrix (Bild 1). Sie sind mit einem MEMS-Chip (Micro-Electro-Mechanical-System), einem ASIC (I²C Schnittstelle) und einer Silikon-Linse mit 60° Öffnungswinkel in einem Gehäuse kombiniert. Damit kann Grid-Eye mehrere ruhende oder bewegte Personen (in ihrer Bewegungsrichtung) gleichzeitig ermitteln und ihre Oberflächentemperatur in Echtzeit präzise messen.

Grid-Eye ist ein sehr benutzerfreundlicher und kostengünstiger Sensor, der sich in Kombination mit dem Bluetooth-Smart-Modul Nanopower von Panasonic (Bild 5) und einer Software für infrarotbasierte Personenerkennung optimal für Funkanwendungen im Internet of Things eignet.