snímače 3 - T-MaR - předn. č. 5 · grovaného obvodu obsahující řadu pixelových senzorů -...

Ústav technologie, mechanizace

a řízení staveb

Teorie měření

a regulace

© 2015 - Ing. Václav Rada, CSc.

P-s4.(6)ZS – 2015/2016

snímače – princip 3

Pokračování

o

dalších

principech

snímačů …………

T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

© VR - ZS 2009/2010


© VR - ZS 2010/2011

A

Přímé pokračování - 2. díl

o

emisivních principech

snímačů …………

CCD = Charge Coupled Device = zařízení s vázanými náboji

CCD využívá fotoelektrický jev, při kterém jsou z látky (nejčastěji

kovu) uvolňovány (emitovány) elektrony v důsledku pohlcování

(absorpce) elektromagnetického záření (částic světla).

Emitované elektrony jsou označovány jako fotoelektrony.

Částice světla (fotony), když narazí do atomu kovu, mu předají

energii a v důsledku toho dojde k přemístění některého z jeho

elektronů do vyšších energetických hladin, čemuž se říká

excitovaný (vybuzený) stav.


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

CCD uvolněné elektrony zadržuje

- elektrody jsou od svých polovodičů (pixelů) izolované tenkou

vrstvičkou oxidu křemičitého

- v prvku se elektrony shromažďují a jsou v relativně složitém

vnitřním systému této elektronické součástky zpracovány

- vytvořený elektrický proud odpovídající počtu zadržených

elektronů v jednotlivých pixelech je zesílen na napěťové úrovně

vhodné pro další zpracování obrazu

- tyto jevy probíhají v mikro a nano světě!


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Snímač CCD byl vynalezen v roce 1969 v AT & T Bell Labs výzkum-

níky Willard Boyle a George E. Smith.

Podstatou návrhu je schopnost přenosu náboje podél povrchu polovo-

diče z jednoho paměťového kondenzátoru na další.

Koncept byl v principu podobný sběrné nádobě (hromadí elektrony).

První patent (4085456) o použití snímačů CCD k zobrazování byl

přidělen Michael Tompsett.


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Aktivní pixelový snímač (APS) je obrazový snímač sestávající z inte-

grovaného obvodu obsahující řadu pixelových senzorů - každý pixel

obsahuje fotodetektor a aktivní zesilovače. Jedním z typů je CMOS.

Snímač CMOS byl vytvořen výzkumníkem Tsutomu Nakamura,

který pracoval na nábojovém APS zařízení pro modulaci - popsal ho

Noble v roce 1968, Chamberlain v roce 1969, a Weimer v roce 1969

a obecně definoval Eric Fossum v 1993.

CMOS (complementary metal oxide semiconductor).


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Snímací čip digitálních fotoaparátů složený z matice světlocitli-

vých buněk, reaguje na dopadající světlo vytvářením elektrického

náboje (nashromážděné, zadržené elektrony), které jsou z elektrod

snímány jako napětí.

Napětí je úměrné intenzitě světla.

Čip na výstupu poskytuje elektrický analogový signál, který se

následně převádí do digitální formy.

Rozlišení barvy světla je řešeno předsazením barevných filtrů.


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Fotoaktivní oblast CCD je, obecně, epitaxní vrstva křemíku - lehce p dopovaná

(obvykle borem) - některé oblasti povrchu křemíku jsou implantovány ionty fos-

forem, označení n-doping - tato oblast definuje kanál kterým potečou fotogene-

rované nábojové pakety (množství) – je to tenká vrstva (0,2 - 0,3 nm) držící i po

úplném vybití nahromaděné fotogenerované náboje v dostatečné vzdálenosti od

povrchu.

Tato struktura má výhodu vyšší účinnosti přenosu – nevýhodou je menší nábo-

jová kapacita ve srovnání s CCD povrchu kanálu.

Oxid brána, tvořící dielektrikum kondenzátoru, je na horní části epitaxiální vrstvy

substrátu.

Snímač je složen z velkého množství samostatných miniaturních

buněk zaznamenávajících a reagujících na světlo samostatně.

Velkým nedostatkem snímače je jeho veliká složitost a náročnost na

výrobu.

CMOS (complementary metal oxide semiconductor) nabízí více

funkcí na čipu při nižší spotřebě energie.

CCD a CMOS jsou obrazové snímače, ale vyráběné dvěma různými

technologiemi


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Digitální obraz je vždy složen z jednotlivých bodů (pixelů).

Každý bod má svojí barvu a jednotlivé body dohromady vytvářejí

mozaiku obrazu. Jedna buňka snímače vyprodukuje právě ten jeden

bod jedné barvy na výstupu.

Čím více buněk má snímač, tím větší získáme obraz. Rozlišení

snímače se udává v celkovém počtu buněk.

Např. snímač s rozlišením 850 000 bodů (snímacích buněk) pro-

dukuje obraz s rozlišením 1024x768 bodů.

Každý snímací prvek je citlivý na světlo – hodnota se většinou

pohybuje v rozsahu 75 až 200 (u dobrých a nejlepších až 1000)

stupňů ISO.


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPYs CCD prvkem

Poměr

velikostí

běžných

CCD

snímačů

do kamer

Typ čipuPoměr

čipuRozměr (mm)

Úhlopříčka

(mm)

Délka

(mm)

Šířka

(mm)

1/3,6" 4:3 7,056 5,000 4,000 3,000

1/3,2" 4:3 7,938 5,680 4,536 3,416

1/3" 4:3 8,467 6,000 4,800 3,600

1/2,7" 4:3 9,407 6,721 5,371 4,035

1/2,5" 4:3 10,160 7,182 5,760 4,290

1/2" 4:3 12,700 8,000 6,400 4,800

1/1,8" 4:3 14,111 8,933 7,176 5,319

1/1,7" 4:8 14,941 9,500 7,600 5,700

2/3" 4:3 16,933 11,000 8,800 6,600

1" 4:3 25,400 16,000 12,800 9,600

4/3" 4:3 33,867 22,500 18,00 13,500

1,8" 3:2 45,720 28,400 23,700 15,700

35 mm film 3:2 43,300 43,300 36,000 24,000

© VR - ZS 2014/2015


s CCD prvkem

http://technet.idnes.cz/vime-proc-mate-na-fotkach-osklivy-sum-jak-

pracuje-snimaci-cip-v-digitalu-1n-/tec_foto.aspx?c=A070625_

094646_tec_foto_jlb

http://www.digitalbolex.com/global-shutter/

http://www.microscopyu.com/articles/digitalimaging/ccdintro.html

http://en.wikipedia.org/wiki/Charge-coupled_device

http://en.wikipedia.org/wiki/Active_pixel_sensor

© VR - ZS 2014/2015


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

CCD sensor 320 × 234 px


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Mikrofotografie reálného CCD –

skutečná šířka obr. je asi 0,1 mm


s CCD prvkem

Buňka (čip, pixel)

je v jamce – nad

jamkou je mikro-

objektiv sou-

střeďující světlo

na čip

Mikroskopická fotografie reálného senzoru, kde je vidět Bayerova maska a mikroobjektivy. Šířka fotografie odpovídá asi 0,1 mi

© VR - ZS 2014/2015


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Uspořádání snímacích buněk



s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015


Uspořádání snímacích buněk


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015


Uspořádání snímání náboje z buněk


s CCD prvkemCCD versus CMOS

© VR - ZS 2014/2015


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

Výhody CCD oproti CMOS

při základních ISO citlivostech obraz méně šumí

produkují kvalitnější obraz (již přestává platit)

je podstatně citlivější na světlo (nejsou však citlivější než novější

BSI CMOS snímače)

Nevýhody CCD oproti CMOS

CCD čip pracuje pomaleji

jeho výroba je nákladnější (již přestává platit)

spotřebovává více energie


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

CCD detektory pro zobrazování rentgenového záření


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

CCD line sensor v keramickém

dual in-line pouzdře – je 41mm

– snímač ze skeneru


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

2.1 megapixel Argus

digitální kamera

CCD SONY ICX493AQA

10.14 (Gross 10.75) Mpx

APS-C 1.8“

(23.98 x 16.41mm)


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015


s CCD prvkem

© VR - ZS 2014/2015

spektrální

citlivost

různých

CCD

výrobků


EMISIVNÍ - RADIAČNÍTERMOGRAFIE

© VR - ZS 2012/2013

Jeden z hlavních – a prakticky nejdůležitější z provozních para-

metrů, které je nutno respektovat, znát a na kameře nastavit – je

emisivita tělesa.

Ideálně černé těleso má emisivitu 1, lesklá tělesa mají emisivitu

velmi malou (až 0,1).

Malá emisivita tělesa většinou znamená menší přesnost měření -

do měřeného zářivého toku tělesa totiž může značným způsobem

vstoupit zdánlivá odražená teplota, která ovlivňuje naměřený

výsledek.



© VR - ZS 2012/2013

Termovizní snímky mohou být radiometrické a neradiometrické

(pouze zobrazující).

Radiometrické termovizní systémy umožní vypočítat teplotu na

povrchu tělesa – základem pro výpočet je množství snímaného

infračerveného zářivého toku.

V plně radiometrickém termogramu lze provádět měření teplot a

upravit parametry snímku i po jeho uložení.



© VR - ZS 2012/2013

Na naměřenou hodnotu v bodě má vliv velikost obrazového bodu

snímače – bude li velikost obrazového bodu větší než měřený

objekt, pak bude výsledek měření ovlivněn okolím měřeného

objektu – nutno uvažovat vliv použité optiky.

Rozlišení detektoru je u nejlevnějších kamer asi 80x80 obrazových

bodů (pixelů).

Dalším důležitým parametrem je teplotní citlivost, která u dobrých

kamer může dosahovat až 50 mK (rozliší rozdíl teplot od 0,05°C).

Digitální obraz je skládán bod po bodu.

Postup práce u digitálního fotoaparátu je tedy následující:

- proběhne expozice senzoru

- pomocnými registry je odveden náboj z lichých řádků do hlav-

ního registru, řádek po řádku

- následně je stejnou cestou zpracován náboj ze sudých řádků

- mimo snímač (v navazující elektronice) je obraz složen

dohromady a uložen do paměti nebo exportován dále

- zpracování je pomalé a vylučuje rychlé časy závěrky.

Díky masové výrobě video kamer a digitálních fotoaparátů jsou

tyto snímače poměrně levné. Jejich výrobní technologie je dnes

zvládnuta i když zůstává přijatelně komplikovaná.

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

s CCD prvkem

T- MaR

© VR - ZS 2014/2015

Prokládané snímače ( interlaced )Byly původně vyvinuty pro televizní a video techniku, ale jsou i

digitálních fotoaparátů.

Jejich konstrukce je přizpůsobena zpracování televizního obrazu,

tedy řádkově - obraz je rozložen na řádky a zvlášť se přenášejí

liché a zvlášť sudé řádky – tj. po expozici (dopadu světla obrazu)

se v navazující elektronice nejprve zpracují liché řádky obrazu a

pak zpracují sudé – zobrazovač (TV nebo monitor) skládá liché a

sudé půl-snímky do jediného výsledného obrázku a počítá se se

setrvačností lidského oka při skládání celého obrázku.

Pro tuto technologii jsou uzpůsobeny tzv. prokládané snímače.


s CCD prvkem

T- MaR

© VR - ZS 2015/2016


s CCD prvkem

T- MaR

© VR - ZS 2014/2015

Progresivní snímače ( progressive )Druhou velkou skupinu snímačů tvoří takzvané progresivní snímače

- zpracovávají celý obraz najednou (zaznamenává se a zpracovává se

ve všech buňkách současně), což je sice technologicky složitější, ale

přináší to velké výhody – kvalitnější obraz, vyšší ostrost, přesnost

podání obrazu a to hlavně barevnou a samozřejmě to umožňuje pou-

žití elektronické závěrky s velmi krátkými časy.

Celkově se tedy dá říct, že progresivní snímač je pro digitální foto-

grafii i pro ostatní aplikace využívající digitální obraz nějaké reality,

zatím nejlepším řešením, které je k dispozici.

Progresivní snímače se vyrábějí poměrně velmi komplikovanou

technologií v malých sériích, takže jsou dražší – dnes ale cena klesá.


s CCD prvkem

T- MaR

© VR - ZS 2015/2016


s CCD prvkem

T- MaR

© VR - ZS 2014/2015

Zpracování může probíhat dvěma způsoby.

Používá se takzvané řádkové čtení:

- dojde k expozici všech buněk

- náboj z prvního řádku se přenese do pomocného registru a z něj je

postupně zpracován bránou

- do prvního řádku se posune náboj z druhého řádku a postupně doj-

de k posunu náboje po celém snímači o jeden řádek dolů

- opakuje se postup od bodu jedna, dokud není načten celý obrázek.


s CCD prvkem

T- MaR

© VR - ZS 2014/2015

Výhody:

- přesné zachycení obrazu s minimálním zkreslením.

- umožňuje velice krátké časy a použití elektronické závěrky.

Nevýhody:

- výrobně nákladné a složité řešení.


s CCD prvkem

T- MaR

© VR - ZS 2014/2015


využití - snímače s CCD prvkem

T- MaR

světlo přes mřížku a přes hranol do čipu CCD snímače dopadající

optické vlnění směřuje pryč od povrchu v různých úhlech

exponenciálně

zanikající pole

pozlacená

mřížka

© VR - ZS 2014/2015

Pro stavebnictví se využívají nejrůznější konstrukce laserových

přístrojů. Současný vývoj této techniky směřuje od laserů s HeNe

- trubicí k dnes nejobvyklejším přístrojům s laserovou polovodi-

čovou GaAs diodou.

Oba typy zdrojů laserového záření mají schopnost pracovat jak ve

viditelném (vlnová délka 632 až 635 nebo 650 nanometrů), tak i v

neviditelném infračerveném světelném spektru (vlnová délka 780

až 815 nanometrů).

Jejich energetický výkon je malý (řádově v jednotkách mW).

U přístrojů používajících rozmítaný laserový paprsek je praktický

energetický efekt ještě menší.


S LASEROVÝM PAPRSKEM

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

Moderní snímače, jejichž praktické nasazení umožnil rozvoj mi-

kroelektroniky v posledních desítkách let.

Principem je vyhodnocování časového zpoždění mezi okam-

žikem vyslání (impulsního) signálu a jeho přijetím.

Pracovní frekvence je nad akustickým pásmem (slyšitelné zvuky),

tj. nad 20 kHz – jsou to ultrazvukové. Pokud je frekvence ještě ve

slyšitelném spektru – mluví se o sonických.

Podstatou ultrazvuku je podélné (kongitudální) zhušťování a

zřeďování vzduchu (vzduchových vln). Zvuk jako takový tedy

není (při šíření vzduchem) elektromagnetické vlnění – viz

obrázek.


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

Směr šíření, směr kmitání částic kolem rovnovážných poloh

a vlnová délka tohoto kmitání jsou na obrázku.


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

Lokální zhuštění a zředění vzduchu vůči (normálnímu) baromet-

rickému tlaku představuje akustický tlak – zvuk. Rychlost šíření

zvuku za normálních podmínek je cca 340 m/s2 a velmi závisí na

teplotě vzduchu a částečně i na barometrickém tlaku, „případně“

i na vlhkosti..

λ – vlnová délka směr šíření vlněnísměr pohybu částic

Ultrazvukové snímače využívají změny útlumu vlnění v prostředí

mezi vysílačem a přijímačem podle druhu materiálu v němž se šíří.

Při odrazu nedochází k přímému kontaktu ultrazvuku s materiálem

v místě dotyku – vadí zpěněný povrch, páry na povrchu a rovněž i

prašné prostředí, které navíc zalepuje vysílač i přijímač (!!!).

Nevýhodou je, že ultrazvukový měnič (zdroj kmitů) má určitý doz-

vuk (dobu doznívání – ringing), kdy nemůže fungovat jako přijímač

(platí pokud se jako vysílač i přijímač používá jeden prvek). Proto

tyto snímače mají tzv. „mrtvou zónu“ velikosti 0,2 až 0,8 m a měře-

ná vzdálenost tedy musí být větší. Samostatný vysilač a samostatný

přijímač tuto vadu nemají.


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

Zdrojem ultrazvukového vlnění ve snímači bývá vyvoláno:

- mechanickým chvěním pružné membrány

- chvěním piezoelektrického prvku (krystalové destičky).

Buzení ultrazvukového vysílače může být:

- spojitým (trvalým) signálem – měření je pak založeno

* na měření změny fáze přijatého signálu – čili na zpoždění

příchodu signálu

* na měření změny frekvence přijatého signálu

- impulsním signálem – měření je pak založeno

* na měření času potřebného pro průchod impulzu médiem

* na měření fáze přijatého impulzu – čili na zpoždění příchodu.


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

Nevýhodou ultrazvukových metod je značná složitost celé apara-

tury i vyhodnocení přijatých signálů. Výhodou je, že nemá po-

hyblivé části a povrchy vysilače i snímače lze vyrobit s vysoce

otěruvzdorných materiálů.

Mají vysokou přesnost: 0,1 % pro rozsah rychlosti proudění

média od 0,5 do 30 m/s.

Konstrukčním provedením jsou vhodné pro nízké i pro vysoké

tlaky – tj. > 10 MPa.

Snímače s ultrazvukovými elementy mohou pracovat v libovolné

poloze.

Pro měření plynných nebo tekutých médií je velkou výhodou, že

nemění průřez potrubí a tudíž nezvětšují odpor proudícího média

– nevstupují do profilu kterým médium proudí.


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

Při měření vlastnosti daného média, rychlosti proudění, hmotnosti

procházejícího média a dalších fyzikálních veličin je principem

vyhodnocování časového zpoždění mezi okamžikem vyslání

(impulsního) signálu a jeho přijetím – zpoždění je přímo úměrné

rychlosti proudícího média, kterým ultrazvukový signál prošel.

Vysílač a dva přijímače jsou v protilehlých stěnách.

Jiný princip je založen na „snosu“ signálu, čili na rozdílu polohy

místa dopadu od ideálního bodu dopadu – vyžaduje dvě dvojice

vysílač*přijímač.

Třetí princip je založen na Dopplerově efektu – čili na měření

časového rozdílu mezi okamžikem vyslání signálu a okamžikem

jeho návratu po odrazu od proudícího média.


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

T- MaR

Zobrazení principů funkce


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2010/2011

vysilač

vysilač 1

přijímač 1 přijímač 2

vysilač 2

přijímač

1

přijímač 2 vysilač přijímač

proudící

médium –

s rychlostí v

T- MaR

Příklady principu skutečného provedení potrubních ultrazvuko-

vých snímačů


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

vysílač a přijímač ultrazvukového signálu

měřicí potrubí dané délky a průměru

vysílač a přijímač ultrazvukového signálu

měřicí potrubí dané délky a průměru

T- MaR

Příklady principu skutečného

provedení potrubních ultrazvu-

kových snímačů


ULTRAZVUKOVÉ

© VR - ZS 2009/2010

vysilačpřijímač

výška

hladiny

h

vyhodnocení časového rozdílu mezi

okamžikem vyslání signálu a jeho

přijmutím po odrazu od hladiny

vyhodnocení časového rozdílu mezi

okamžikem vyslání signálu a jeho

přijmutím po odrazu od hladiny

vysilač

přijímač

výška

hladiny

h

Principem chemických snímačů (čidel) je fakt, že některé fyzikální

veličiny při svém působení mění chemickou podstatu dané spe-

ciální hmoty.

Jde o podstatu využití kvalitativní a kvantitativní analýzy a citli-

vostní analýzy na chemické reakce (přesněji – na jejich výsledky).


CHEMICKÉ

© VR - ZS 2009/2010

Typy využitých principů:

- elektrochemický – jednoduchá konstrukce a nízká cena –

využívá principu napěťového a proudového (základem je aplikace

potenciálových elektrod a buněk měřících proud, zjišťování pH

parametru voltmetrickými metodami), potenciometrického

(základem je funkce nulového indikátoru při vyvážení pomocí

potenciometrického prvku), odporového, kapacitního a indukčního

- akustický – piezoelektrický (základem je chemické působení na

krystal a jeho akustická reakce)

- optický – kolorometrie a spektrometrie

- termický (teplotní) – teplo jako produkt chemické reakce.


CHEMICKÉ

© VR - ZS 2009/2010


INTELIGENTNÍ

© VR - ZS 2009/2010

Princip těchto SNÍMAČŮ – víceméně kterékoliv z uvedených

čidel je doplněno o obvody úpravy a vyhodnocení signálu – vše v

jednom pouzdře a díky dnešní miniaturizaci to ani na velikosti

není moc poznat.

Doplňkové obvody umožní například za provozu měnit některé

jejich vlastnosti, měnit způsob zpracování signálu měřené veliči-

ny, provést úplné zpracování (včetně filtrace a linearizace) a vy-

hodnocení změřené veličiny podle předem zadaných kritérií.

4.6cv..

T- MaR

© VR - ZS 2015/2016

… a to by bylo

k informacím o principech

snímačů

(zřejmě)

vše

T- MaR

© VR - ZS 2010/2011

……………

Date post:	19-Nov-2020
Category:	Documents
Upload:	others
View:	0 times
Download:	0 times

snímače 3 - T-MaR - předn. č. 5 · grovaného obvodu obsahující řadu pixelových senzorů -...

Documents