Teorie měření a regulace

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace snímače princip 3 P-s4.(6) ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 Pokračování o dalších principech snímačů VR - ZS 2009/2010

3 Přímé pokračování - 2. díl o A emisivních principech snímačů VR - ZS 2010/2011

4 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.

5 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!

6 Snímač CCD byl vynalezen v roce 1969 v AT & T Bell Labs výzkumníky Willard Boyle a George E. Smith. Podstatou návrhu je schopnost přenosu náboje podél povrchu polovodiče z jednoho paměťového kondenzátoru na další. Koncept byl v principu podobný sběrné nádobě (hromadí elektrony). První patent ( ) o použití snímačů CCD k zobrazování byl přidělen Michael Tompsett.

7 Aktivní pixelový snímač (APS) je obrazový snímač sestávající z integrovaného 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 CMOS (complementary metal oxide semiconductor).

8 Snímací čip digitálních fotoaparátů složený z matice světlocitlivých 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.

9 Fotoaktivní oblast CCD je, obecně, epitaxní vrstva křemíku - lehce p dopovaná (obvykle borem) - některé oblasti povrchu křemíku jsou implantovány ionty fosforem, označení n-doping - tato oblast definuje kanál kterým potečou fotogenerované 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 nábojová kapacita ve srovnání s CCD povrchu kanálu. Oxid brána, tvořící dielektrikum kondenzátoru, je na horní části epitaxiální vrstvy substrátu.

10 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

11 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 bodů (snímacích buněk) produkuje 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.

12 Poměr velikostí běžných CCD snímačů do kamer Typ čipu Poměr čipu Rozměr (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, mm film 3:2 43,300 43,300 36,000 24,000

13 _tec_foto_jlb

14 CCD sensor px

15 Mikrofotografie reálného CCD skutečná šířka obr. je asi 0,1 mm

16 fotografie reálného senzoru, kde je vidět Bayerova maska a mikroobjektivy. Šířka fotografie odpovídá as MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Buňka (čip, pixel) je v jamce nad jamkou je mikroobjektiv soustřeďující světlo na čip

17 fotografie reálného senzoru, kde je vidět Bayerova maska a mikroobjektivy. Šířka fotografie odpovídá as MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Uspořádání snímacích buněk

18 fotografie reálného senzoru, kde je vidět Bayerova maska a mikroobjektivy. Šířka fotografie odpovídá as MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Uspořádání snímacích buněk

19 fotografie reálného senzoru, kde je vidět Bayerova maska a mikroobjektivy. Šířka fotografie odpovídá as MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Uspořádání snímání náboje z buněk

20 CCD versus CMOS

21 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

22 CCD detektory pro zobrazování rentgenového záření

23 CCD line sensor v keramickém dual in-line pouzdře je 41mm snímač ze skeneru

24 CCD SONY ICX493AQA (Gross 10.75) Mpx APS-C 1.8 (23.98 x 16.41mm) 2.1 megapixel Argus digitální kamera

25

26 spektrální citlivost různých CCD výrobků

27 TERMOGRAFIE EMISIVNÍ - RADIAČNÍ Jeden z hlavních a prakticky nejdůležitější z provozních parametrů, 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

28 TERMOGRAFIE EMISIVNÍ - RADIAČNÍ 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

29 TERMOGRAFIE EMISIVNÍ - RADIAČNÍ 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). VR - ZS 2012/2013

30 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 hlavního 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.

31 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. VR - ZS 2015/2016

32

33 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 použití elektronické závěrky s velmi krátkými časy. Celkově se tedy dá říct, že progresivní snímač je pro digitální fotografii 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. VR - ZS 2015/2016

34

35 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 dojde k posunu náboje po celém snímači o jeden řádek dolů - opakuje se postup od bodu jedna, dokud není načten celý obrázek.

36 Výhody: - přesné zachycení obrazu s minimálním zkreslením. - umožňuje velice krátké časy a použití elektronické závěrky. Nevýhody: - výrobně nákladné a složité řešení.

37 využití - snímače pozlacená mřížka exponenciálně zanikající pole světlo přes mřížku a přes hranol do čipu CCD snímače dopadající optické vlnění směřuje pryč od povrchu v různých úhlech

38 S LASEROVÝM PAPRSKEM Pro stavebnictví se využívají nejrůznější konstrukce laserových přístrojů. Současný vývoj této techniky směřuje od laserů s HeNe - trubicí k dnes nejobvyklejším přístrojům s laserovou polovodičovou 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. VR - ZS 2009/2010

39 ULTRAZVUKOVÉ Moderní snímače, jejichž praktické nasazení umožnil rozvoj mikroelektroniky v posledních desítkách let. Principem je vyhodnocování časového zpoždění mezi okamžikem 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. VR - ZS 2009/2010

40 ULTRAZVUKOVÉ Směr šíření, směr kmitání částic kolem rovnovážných poloh a vlnová délka tohoto kmitání jsou na obrázku. směr pohybu částic λ vlnová délka směr šíření vlnění Lokální zhuštění a zředění vzduchu vůči (normálnímu) barometrickému tlaku představuje akustický tlak zvuk. Rychlost šíření zvuku za normálních podmínek je cca 340 m/s 2 a velmi závisí na teplotě vzduchu a částečně i na barometrickém tlaku, případně i na vlhkosti.. VR - ZS 2009/2010

41 ULTRAZVUKOVÉ 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 dozvuk (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 měřená vzdálenost tedy musí být větší. Samostatný vysilač a samostatný přijímač tuto vadu nemají. VR - ZS 2009/2010

42 ULTRAZVUKOVÉ 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. VR - ZS 2009/2010

43 ULTRAZVUKOVÉ Nevýhodou ultrazvukových metod je značná složitost celé aparatury i vyhodnocení přijatých signálů. Výhodou je, že nemá pohyblivé 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. VR - ZS 2009/2010

44 ULTRAZVUKOVÉ 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. VR - ZS 2009/2010

45 Zobrazení principů funkce ULTRAZVUKOVÉ přijímač 1 přijímač 2 přijímač 1 přijímač 2 vysilač přijímač vysilač vysilač 1 vysilač 2 proudící médium s rychlostí v VR - ZS 2010/2011

46 ULTRAZVUKOVÉ Příklady principu skutečného provedení potrubních ultrazvukových snímačů měřicí potrubí dané délky a průměru vysílač a přijímač ultrazvukového signálu měřicí potrubí dané délky a průměru vysílač a přijímač ultrazvukového signálu VR - ZS 2009/2010

47 Příklady principu skutečného provedení potrubních ultrazvukových snímačů vysilač přijímač výška hladiny h vyhodnocení časového rozdílu mezi okamžikem vyslání signálu a jeho přijmutím po odrazu od hladiny přijímač ULTRAZVUKOVÉ vysilač výška hladiny h vyhodnocení časového rozdílu mezi okamžikem vyslání signálu a jeho přijmutím po odrazu od hladiny VR - ZS 2009/2010

48 CHEMICKÉ Principem chemických snímačů (čidel) je fakt, že některé fyzikální veličiny při svém působení mění chemickou podstatu dané speciální hmoty. Jde o podstatu využití kvalitativní a kvantitativní analýzy a citlivostní analýzy na chemické reakce (přesněji na jejich výsledky). VR - ZS 2009/2010

49 CHEMICKÉ 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. VR - ZS 2009/2010

50 INTELIGENTNÍ 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 veličiny, provést úplné zpracování (včetně filtrace a linearizace) a vyhodnocení změřené veličiny podle předem zadaných kritérií. VR - ZS 2009/2010

51 a to by bylo k informacím o principech snímačů (zřejmě) vše 4.6cv.. VR - ZS 2015/2016

52 VR - ZS 2010/2011