Welche Sensortechnologie punktet bei welcher Anwendung?

Auf der Suche nach Bewegungsdetektoren führt kein Weg an der Passiv-Infrarot-Messtechnik vorbei. Die Sensortechnologie hat sich als Lösung für Low-Budget-Märkte einen Namen gemacht. Radar hingegen gilt in diesem Segment noch als aufsteigender Underdog. Für Integratoren der Sensorik stellt sich nun die Frage: Etablierte PIR-Technik oder aufstrebende Radartechnologie? Um eine Antwort darauf zu halten, müssen die Hersteller über beide Messtechnologien informiert sein, die Unterschiede kennen und die Vor- und Nachteile für Ihren Anwendungsfall abwägen. Eine kleine Hilfestellung für die Entscheidung bieten wir Ihnen mit diesem Blogbeitrag zur Gegenüberstellung der beiden Konkurrenten.

Bewegungen erfassen.

Beginnend betrachten wir die Aufgabenstellung und Erwartungen an die Bewegungssensoren. Die Elektronik dient dazu, Bewegungen in einem begrenzten Bereich zuverlässig zu erkennen und die Information über ein Bewegungsereignis weitergeben. Mit der Weiterleitung der Information über festgestelltes Vorkommnis ist es möglich Anlagen, Maschinen oder Geräte abhängig von Bewegungen automatisch zu steuern. Die Sensoren sind dabei meist in ein Endprodukt integriert und dienen als eine Art Auslöser für weitere technische Funktionen.

Beliebte Technik.

Die Bewegungsdetektion nutzen wir im Alltag vielfältig. Beispielsweise sparen wir auf diese Weise Energie, erhöhen den Komfort oder lassen uns bei unerwarteten Bewegungen Alarmieren. Die Technik ist Teil der Automatisierung und begegnet uns zunehmend in den eigenen vier Wänden. Sogar Spielzeug und Multimedia-Geräte nutzen solche Sensoren, um auf anwesende Personen zu reagieren.

Die Bewegungsmelder nehmen uns das konkrete Auslösen der gewünschten Funktion ab oder machen uns auf etwas aufmerksam. Beispielsweise reicht das Erscheinen einer Person aus, um die mit einem Bewegungssensor ausgestattete Tür elektronisch zu öffnen. Oder wir betreten einen Raum und schon geht das Licht an. Beim Verlassen des Raums schaltet die Leuchte ab.

 Der aktuelle Markt für Bewegungsdetektion

Die Bewegungserfassung hat ein großes Anwendungsspektrum. Darunter fallen auch die komplexe Umgebungsdetektion und Datenauswertung in der Automotive oder Robotik-Branche. Sie ist unverzichtbar, wenn es um Sicherheits- und Überwachungsfunktionen in Industrie und Militär geht.

Doch klassische Anwendungen von Bewegungsmeldern sind deutlich einfacher gestrickt. Die Sensoren benötigen keine komplizierten Features, umfangreiche Informationsverarbeitung oder aufwendige Integrations- und Entwicklungsarbeit. Typische Beispiele hierfür sind die Türöffnung, die Lichtsteuerung und Rolltreppenaktivierung. Viele dieser Einsatzmöglichkeiten sind im preislich umkämpften Consumer-Markt angesiedelt. Häufig müssen sie, wie im Bereich Gebäudetechnik, aufgrund hoher Nachfrage und Nützlichkeit in großen Serien verfügbar sein.

Hierfür rücken PIR und Radar in den Fokus. Andere Technologien wie Ultraschall und Kamera sind weniger vertreten (mehr dazu lesen Sie hier). Während PIR extrem günstig ist und sich seit Jahren als Bewegungssenorik bewährt hat, muss sich Radar im LowCost-Bereich erst noch behaupten. Doch angesichts des technischen Könnens von Radarsensoren sollte dies kein Problem darstellen. Im Perimeterschutz oder Fahrzeug beweist fortschrittliche Radartechnik schon lange, was sie drauf hat und meistert Herausforderungen, die Infrarot nicht lösen kann. Schwierig war bisher noch die Preisgestaltung von Radar für die einfache Bewegungsdetektion.

Erst jetzt, nach jahrelanger Entwicklungszeit, hat Radar ein attraktives Preis-Leistungsniveau für Bewegungsmelder erreicht. Die Kostensenkung bringt immer mehr Hersteller dazu, Radar als echte Alternative zu PIR zu sehen.

Starten wir das für und wider bezüglich des Einsatzes von PIR und Radar bei einfachen Bewegungsdetektionsaufgaben.

Grundlegender Unterschied: Das Messprinzip

 Beide Sensorarten funktionieren grundlegend unterschiedlich. Sie arbeiten in verschiedenen Wellenspektra und auch das Senden und Empfangen von Signalen läuft anders ab. Denn PIR ist, wie bereits im Namen enthalten, ist ein passives Messverfahren um Bewegungsinformationen abzugreifen und Radar sendet aktiv Impulse auf der Suche nach Bewegungen aus.

Was ist PIR?

Passive Infrarot-Sensoren nehmen die Wärmestrahlung wahr. Die Bewegungsdetektion stützt sich auf die Körpertemperatur von Personen oder Tieren innerhalb der Reichweite. PIR misst hierfür die zeitliche Veränderung des Umgebungswärmebildes. Dabei registriert das Messverfahren ein Ereignis, wenn sich der Wert der Wärmestrahlung von einem Zeitpunkt zum anderen ändert. Bleibt eine Person ruhig stehen, findet keine Veränderung statt, die der Sensor erfasst. Wie bereits erwähnt ist diese Messtechnik eine passive Detektionsmethode. Der Sensor selbst sendet keine Signale zur Ortung von Bewegungen oder Präsenzen aus, sondern empfängt lediglich die Daten, die bei einem Bewegungsereignis von einem Wärme abstrahlendes Ziel ausgehen.

Was ist Radar?

Radartechnik ist hingegen ein aktives Sende- und Empfangsverfahren, welches elektromagnetische Wellen im Hochfrequenzbereich nutzt, um Objekte, Personen oder Tiere innerhalb des Erfassungsbereichs zu detektieren. Hierzu sendet eine Antenne aktiv einen Impuls mit einer bestimmten Frequenz aus. Dieses Signal verändert sich, sobald es auf eine Oberfläche trifft. Die Empfangsantenne erhält dann die veränderte Reflektion und kann die Veränderung des Antwortsignals auswerten. Bewegt sich eine Person in Reichweite, entsteht eine zeitliche Modifikation des empfangenen Signals. Bei der Bewegungsdetektion nutzen viele Sensoren den Mikrowellen-Bereich von 10 GHz. Die 24 GHz Frequenz erfreut sich dank technischer Weiterentwicklung jedoch nach und nach an Beliebtheit. Lesen Sie mehr dazu in unserem Blogartikel 10 GHz vs. 24 GHz.

Gegenüberstellung – was kann welche Technik?

Blicken wir nun nach Klärung der unterschiedlichen Funktionsweise genauer auf die daraus resultierenden Fähigkeiten der Technologien. Denn aufgrund des Messprinzips haben PIR und Radar andere Eigenschaften und Herausforderungen.

Was kann PIR?

Die Technologie funktioniert hervorragend für die Detektion von Lebewesen, die sich quer zum Sensor bewegen. Auch eine Temperaturmessung ist mit dieser Technologie möglich. PIR Sensoren haben typischerweise einen Blickwinkel von 120° und eine maximale Reichweite von 10m. Die Sonneneinstrahlung bereitet dabei übrigens keine Probleme, dafür Lichtquellen mit hohen Infrarot-Anteil und hohe Temperaturen.

Weitere Besonderheiten von PIR-Sensoren: Die Technologie ist extrem günstig. Sie benötigt jedoch eine Kuppel aus Linsen, milchig & aus Kunststoff. Die Sensorik hat einen sehr geringen Strombedarf.

Was kann Radar?

Die Temperatur hat auf Radar hingegen keine Auswirkung und gilt als allwettertauglich. Die Radarwellen durchstrahlen Kunststoffe und können so hinter verschiedenen Abdeckungen (z. B. ein Lichtschalter) platziert werden. Die Sensortechnologie hat hohe Reichweiten und erkennt nicht nur die Bewegung, sondern liefert auch weitere Daten wie Geschwindigkeit, Entfernung, Bewegungsrichtung und Winkelposition für eine dreidimensionale Ortung im Raum. Sie erfasst hervorragend Objekte oder Personen, die sich frontal auf den Sensor zu oder wegbewegen. Radare sind aufgrund der zusätzlichen Messinformationen auch in der Lage verschiedene Objekte im Erfassungsbereich auseinanderzuhalten und als einzelne Einheit zu identifizieren. Dieses Können fußt auf einem größeren Entwicklungsaufwand und resultiert in höheren Kosten. Die Signalverarbeitung benötigt zudem einen vermehrten Strombedarf.

Praxisbezogene Vor- und Nachteile

Insbesondere bei der einfachen Bewegungsdetektion spielen technische Grundlagen meist eine kleinere Rolle, da sich die Hersteller auf die Anwendungsfunktionalität konzentrieren. Sie haben stets den Nutzen für den Endanwender im Blick. Also, was bedeuten diese Features eigentlich für die Praxis?

PIR und Radar auf dem Prüfstand:

Der praktische Einsatz der Sensortechnologien stellt die Funktionalität gerne mal vor verschiedene Herausforderungen. Da die Wärme Auswirkung auf Infrarot-Sensoren hat, haben beispielsweise Orte, wo die Abwärme von Heizungen oder Klimasysteme in Reichweite ist, einen negativen Effekt auf die Performance hat. Auch ein Föhn kann sich nachteilig äußern. Isolierende Kleidung oder Verschmutzung verhindert auch die Bewegungserfassung. Bezüglich des Wetters sind Nebel und direktes Sonnenlicht für PIR eine weitere Herausforderung. Da Radar unabhängig von Wetter- und Lichtverhältnissen funktioniert, ist die Technologie häufig im Outdoor-Bereich im Einsatz. Radardetektion ist im Vergleich zu PIR deutlich sensibler. Auch Windbewegungen lassen sich damit erfassen. Um Fehlalarme durch sich bewegende Fahnen oder Bäume zu verhindern, verfügen die Sensoren über Filter und Sensitivitätskonfigurationen.

Für Ungeduldige – die Technikmerkmale auf einen Blick:

PIR:

+ Bewegungen, die seitlich zum Sensor verlaufen

+ sehr günstig

– Bewegungen, die frontal zum Sensor stattfinden

– Schwierigkeiten bei hohen Außentemperaturen

– Wärmeisolierende Kleidung verringert Detektionswahrscheinlichkeit

– Eingeschränkte Reichweite

– benötigt spezielle Linse

– Keine Unterscheidung zwischen Objekttyp (Person oder Tier)

– Wetterempfindlich

Radar:

+ mehr Daten

+ Bewegungen, die frontal zum Sensor ablaufen

+ durchstrahlt Materialien

+ hohe Reichweiten

+ Mehrzielfähigkeit

+ Wetter- und lichtunabhängig

– Bewegungen, die schräg zum Sensor verlaufen

– höhere Preise

Und nun?

Die zwei Technologien haben Vor- und Nachteile, die Sie für Ihren Anwendungsfall abwägen müssen. Alternativ ist auch auf dem Markt die Kombination vertreten: Um die Schwächen der jeweiligen Sensortechnologien auszugleichen, kombinieren hochpreisige Bewegungsmelder beide Technologien. Der Dual-Sensor-Ansatz gilt als sehr zuverlässig und reduziert die Wahrscheinlichkeit von Fehlalarmen stark. Erst wenn beide Sensoren ein Bewegungsereignis erfassen, gibt der Dual-Sensor die Information weiter. Diese Technik kommt häufig im Sicherheitsbereich zum Einsatz.

Sollen neben der reinen Bewegungserkennung noch Zusatzfunktionen hinzukommen wie Regulierung der Sensitivität oder Dauer sowie die Erkennung von An- oder Abwesenheit, ist dies meist ein Fall für fortschrittlichere Technologien. Hier punktet Radartechnik, da sie mehr Daten für die Konfiguration bereitstellen kann.

Nach all diesen Informationen fällt es Ihnen immer noch schwer, die richtige Technologie für Ihr Produkt auszumachen? Kein Problem, schließlich ist kein Sensor-Profi vom Himmel gefallen. Bezüglich Radartechnik beraten Sie unsere Experten gerne ausführlich und diskutieren mit Ihnen die Möglichkeiten und Herausforderungen von Radar bei Ihrem konkreten Anwendungsfall. Insbesondere, wenn es um mehr als einfache Bewegungsmelder-Funktionen geht, ist das Thema Radar umfangreicher.

Berührungslose und intelligente Steuerung für moderne Technik

Radarsensoren übernehmen für uns viele Aufgaben und machen auf diese Weise unseren Alltag leichter, sicherer und effizienter. Sie sind eine Art Sinnesorgan für Objekte zur Wahrnehmung ihrer Umgebung. Diese technischen Helfer eröffnen uns neue Möglichkeiten zur Bedienung von Geräten: Die berührungslose Interaktion zwischen Mensch und Technik. Die Sensoren sind das Bindeglied, um bestimmte Aktionen kontaktlos auszulösen oder zu automatisieren.