Mechatroniczne

systemy

sensoryczne

i wykonawcze:

1

dr inż. Marcin Jasiński

pok. 1.3.B

[e-mail]

1. Sensory radioaktywne (Czujniki izotopowe):
2. Sensory CCD I CMOS

2

Inne Czujniki

- Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera)
- Czujnik dymu
- Pomiary grubości
- Pomiary gęstości
- Wagi izotopowe
- Czujnik poziomu

3

Sensory radioaktywne (Czujniki

izotopowe)

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera)

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera) – urządzenie
opracowane przez Hansa Geigera wraz z Walterem Müllerem w
1928 roku, mierzące promieniowanie jonizujące.

Ponieważ jonizacja gazów wewnątrz licznika zachodzi nie tylko
w wyniku promieniowania alfa, ale także innych rodzajów
promieniowania jonizującego (beta i gamma), toteż licznik
Geigera zlicza w istocie niemal całkowity poziom czynników
jonizujących w otoczeniu.

Licznikiem Geigera można oceniać także liczbę fotonów światła
(jak np. w fotodiodzie gazowanej) i promieniowania
rentgenowskiego, ale nie można nim badać bezpośrednio
natężenia strumienia neutronów – cząstek nie wywołujących
jonizacji.

Jednak

istnieje

rozwiązanie

pomijające

wspomnianą

przeszkodę.

4

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera)

Licznik taki albo wypełnia się wodorem (neutrony zderzają się z
jądrami wodoru – protonami, powodując ich ruch) lub też
otacza się folią kadmową, wówczas neutrony pochłaniane przez
kadm, wywołują w nim reakcję jądrową, wynikiem czego jest
powstanie promieniowania gamma.
Następnie promieniowanie gamma przenika do objętości
czynnej licznika powodując powstanie sygnału.

Warunkiem

wykorzystania

kadmu,

jest

wcześniejsze

spowolnienie neutronów do energii otoczenia (neutrony
termiczne), co można otrzymać, np. poprzez umieszczenia
licznika w bloku parafinowym, teflonowym itp.

5

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera)

Rozwinięciem licznika Geigera jest opracowany w 1947 przez
Sydneya Lebsona licznik halogenowy (wykorzystujący pary
rtęci).

Różni się od pierwowzoru większą trwałością i niższym –
bezpieczniejszym – napięciem polaryzującym, co jest istotne w
zastosowaniu do urządzeń przenośnych.

Obniżenie napięcia pracy można również otrzymać poprzez
dodanie domieszki chlorowców do gazu roboczego.

6

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera)

Budowa licznika.
Konstrukcja licznika sprowadza się do szczelnego szklanego
cylindra i umieszczonej w nim rury metalowej (z miedzi lub
aluminium – na rysunku niebieskiej), która stanowi elektrodę
ujemną – katodę. Przez środek rury katody przebiega cienki
drut stanowiący elektrodę dodatnią – anodę (na rysunku
czerwony). Cylinder szklany wypełniony jest mieszaniną gazów:
ok. 90 % argonu lub innego gazu szlachetnego i ok. 10 % par
alkoholu. Ciśnienie mieszaniny gazów w cylindrze wynosi
kilkadziesiąt hektopaskali, a zatem znacznie mniej od
atmosferycznego.
Z elektronicznego punktu widzenia
jest to zatem lampa gazowana podobna
trochę do gazotronu albo
gazowanej fotodiody z usuniętym
elementem światłoczułym.

7

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera)

Działanie licznika.
Elektrody muszą być spolaryzowane napięciem rzędu kilkuset
woltów.
Jeśli do wnętrza licznika trafi np. cząstka alfa, to wywoła
jonizację atomów gazu wzdłuż swojego toru ruchu.
Powstałe w wyniku jonizacji elektrony i jony gazu przyspieszane
są w polu elektrycznym, a następnie zderzają się z innymi
atomami powodując dalsze jonizacje i w efekcie wyładowanie
lawinowe.
Wyładowanie to objawia się w zewnętrznym obwodzie
elektrycznym zamkniętym rezystorem R powstaniem impulsu
napięcia, będącym skutkiem wychwytywania przez cylindryczną
katodę jonów gazu.
Impuls ten przez kondensator kierowany jest do układu
pomiarowego.
Czas trwania impulsu, wywołanego pojedynczą cząstką, tzn.
czas

upływający

od

chwili

rozpoczęcia

wyładowania

lawinowego do jego wygaśnięcia, nazywany jest czasem
martwym licznika.

8

Licznik Geigera (licznik Geigera-Müllera)

Działanie licznika.
Istotne jest, aby był on jak najkrótszy.
Wówczas możliwe jest odróżnienie od siebie kolejnych, szybko
po sobie nadlatujących cząstek.
Wpływ na to ma zarówno konstrukcja elektrod (ich wielkość i
odległość od siebie), ciśnienie mieszaniny gazów, jak i skład tej
mieszaniny: np. pary alkoholu tłumią wyładowania.
Czas martwy przeciętnego licznika jest rzędu stu mikrosekund.

Za kondensatorem układ pomiarowy typowego licznika zawiera
obwody zliczające pojawiające się impulsy i przekształcające je
w sygnały dźwiękowe (trzaski – to najwcześniej stosowana
wersja), błyski, albo na wskazania bądź to wskaźnika
wychyłowego, bądź to wyświetlacza alfanumerycznego.

9

Czujnik dymu

Czujnik dymu zawiera alfa-promieniotwórcze izotopy

238

Pu –

Pluton (czujniki starszego typu) lub

241

Am – Ameryk. Cząstki

emitowane przez te izotopy jonizują powietrze znajdujące się w
otwartej komorze jonizacyjnej, co powoduje przepływ prądu o
stałym natężeniu. Działanie czujników jest oparte na zmianie
natężenia prądu po dostaniu się do komory jonizacyjnej cząstek
dymu, a zmiany te są rejestrowane przez układ elektryczny
uruchamiający sygnalizację.

10

Czujnik dymu

11

Tabele z zastosowaniem izotopów

promieniotwórczych w technice:

12

Pomiary grubości

Grubościomierze były pierwszymi urządzeniami izotopowymi,
które zostały opracowane w skali technicznej i są
eksploatowane w przemyśle przez ponad 50 lat.

Unowocześniane i modernizowanie w miarę postępu elektroniki
i innych technologii towarzyszących, są dzisiaj nowoczesnymi
przemysłowymi

urządzeniami

pomiarowymi

o

wysokiej

niezawodności i dokładności.

Grubościomierze działają głównie na zasadzie absorpcji i
rozpraszania promieniowania gamma i beta.

13

Pomiary grubości

Promieniowanie beta jest wykorzystywane w urządzeniach
izotopowych do pomiaru grubości materiałów arkuszowych o
małej gęstości, takich jak, papier, plastyk czy cienkie folie
metalowe, zwykle w geometrii transmisyjnej.

Również promieniowanie beta, ale w geometrii odbiciowej jest
stosowane do pomiarów grubości powłok.

Grubościomierze, w których wykorzystuje się absorpcję
promieniowania gamma są stosowane do pomiarów grubości
blach walcowanych na zimno i gorąco.

Zakres pomiaru grubości jest bardzo szeroki i wynosi od
ułamków milimetra do kilkunastu centymetrów.

14

Zakresy mas powierzchniowych mierzalnych

przy użyciu cząstek lub fotonów z różnych

źródeł izotopowych.

15

Promieniowanie beta jest wykorzystywane w urządzeniach izotopowych do pomiaru grubości materiałów arkuszowych o małej gęstości, takich jak, papier, plastyk czy cienkie folie metalowe, zwykle w geometrii transmisyjnej. Również promieniowanie beta, ale w geometrii odbiciowej jest stosowane do pomiarów grubości powłok. Grubościomierze, w których wykorzystuje się absorpcję promieniowania gamma są stosowane do pomiarów grubości blach walcowanych na zimno i

gorąco. Zakres pomiaru grubości jest bardzo szeroki i wynosi od ułamków milimetra do kilkunastu centymetrów. W tabeli poniżej podano zakresy mas powierzchniowych mierzalnych przy użyciu cząstek lub fotonów z różnych źródeł izotopowych.

Po – Polon, Pu – Pluton;
Kr – Krypton, Sr – Stront, Pm – Promet, Tl – Tal;
Co – Kobalt, Cs – Cez, Am – Ameryk.

Pomiary grubości

Wśród grubościomierzy tak jak i wśród innych mierników
można wyróżnić mierniki transmisyjne i odbiciowe.

Grubościomierze transmisyjne stosuje się zwykle wtedy, gdy
istnieje możliwość instalowania źródła promieniowania i
detektora po przeciwnych stronach badanych warstw.

Z prawa oddziaływania cząstek z materią wynika, że zakres
mierzalnych grubości jest nieograniczony.

W praktyce takie ograniczenie wynika jednak z faktu, że przy
zbyt dużych grubościach absorbentu rejestrowany przez
detektor sygnał staje się już porównywalny z tłem.

Oznacza to, że czułość metody staje się równa zeru.

16

Pomiary grubości

W przypadku grubościomierzy rozproszeniowych mierzone
natężenie rozproszonego wstecznie promieniowania jest
rosnącą funkcją grubości badanej warstwy aż do pewnej
wartości

nasycenia,

określonej

przez

zasięg

fotonów

rozproszonych w danym materiale.

17

Zaznaczona na rysunku grubość nasycenia d

n

stanowi tu

równocześnie granicę zakresu pomiarowego.
Granica ta zależy od energii fotonów emitowanych przez źródło
(ich energii początkowej) i składu chemicznego materiału
rozpraszającego, a ściślej mówiąc jego efektywnej liczby
atomowej.

Pomiary grubości

Czułości obu metod osiągają wartości maksymalne przy
określonych energiach początkowych fotonów i określonych
grubościach określonych warstw.

W praktyce sprowadza się to właściwego doboru źródła
promieniowania.

Radiometryczną

kontrolę

grubości

różnych

materiałów

przeprowadza się to statycznie (punktowo), bądź też w sposób
ciągły w przypadku warstw ruchomych.

Celem takich pomiarów może być kontrola grubości
bezwzględnych lub ich odchyłek od określonych wartości
znamionowych.

18

Pomiary grubości

Przykładem

przemysłowego

zastosowania

izotopowych

mierników grubości, może być ciągła kontrola grubości różnych
blach w czasie ich walcowania na gorąco lub na zimno.

Tego rodzaju grubościomierze bezkontaktowe okazały się
bezkonkurencyjne, zwłaszcza w przypadku blach gorących, to
znaczy

o

temperaturach

rzędu

1000 K.

Tak

wysoka

temperatura

uniemożliwia

stosowanie

jakichkolwiek stykowych mierników mechanicznych.

Również duża prędkość przesuwu blach w czasie ich
walcowania (10m/s) oraz znaczne wibracje utrudniają
przeprowadzanie wszelkich pomiarów stykowych.

19

20

Pomiary gęstości

Kontrola gęstości różnych materiałów ma istotne znaczenie w
wielu dziedzinach techniki, takich jak inżynieria chemiczna,
przemysł spożywczy, geologia inżynierska, hydrotransport, itp.

Zasada fizyczna pomiarów gęstości przy użyciu promieniowania
gamma opiera się na zależności między tym parametrem
ośrodka

i

strumieniem

fotonów

transmitowanych

lub

rozpraszanych w danym materiale.

21

Pomiary gęstości

Natężenie rozproszonego promieniowania w określonej
odległości od źródła zależy od liniowych współczynników
rozpraszania i absorpcji, z których każdy zależy od gęstości
danego ośrodka.

 
 

Jak widać z rysunku, jednoznaczna zależność natężenia
promieniowania zachodzi tu w zakresach gęstości mniejszych
lub większych od pewnej wartości 

o

odpowiadającej maksimum

tej funkcji.

Z doświadczenia wiadomo, że dla ośrodków złożonych z
pierwiastków lekkich wartość 

o

wynosi około 1g/cm

3

.

22

Pomiary gęstości

W praktyce wybór odpowiedniej sondy zależy głównie od stanu
skupienia badanego materiału.

W przypadku materiałów zwięzłych (skały, beton, twardy grunt
itp.) stosuje się powierzchniowe sondy gamma-gamma.

Do pomiarów gęstości cieczy, zawiesin lub pulp (gęstych
zawiesin ciał stałych w wodzie) można stosować którąkolwiek z
przedstawionych sond wgłębnych.

Z kolei do pomiarów gęstości różnych mediów przepływających
w rurociągach wykorzystuje się metody transmisyjne lub
transmisyjno-rozproszeniowe.

23

Różne rodzaje gęstościomierzy opartych na

zjawisku rozpraszania i absorpcji

24

Pomiary gęstości

Radioizotopowe mierniki gęstości cieczy znalazły zastosowanie
głównie

w

przemyśle

chemicznym,

petrochemicznym,

spożywczym.

Tego rodzaju pomiary można przeprowadzać zarówno w
zbiornikach, jak i rurociągach.

Zakresy mierzonych gęstości wynoszą tu zwykle od około 0,6 do
3 g/cm

3

.

Względne odchylenie standardowe takich pomiarów można
szacować na około 0,3%, w zależności od rodzaju źródła
promieniowania, jego odległości od detektora, zakresu
pomiarowego .

25

Pomiary gęstości

Jednym

z

przykładowych

zastosowań

gęstościomierza

transmisyjno-rozproszeniowego może być kontrola gęstości
cieczy mieszanych w dużych zbiornikach z wykorzystaniem
promieniowaniem gamma .
 
 

Na czas pomiaru źródło promieniotwórcze

137

Cs jest wciągane

zdalnie z pojemnika ołowianego znajdującego się wewnątrz
zbiornika.

26

Pomiary gęstości

Pomiary gęstości znalazły także zastosowanie w geologii
inżynierskiej. Zajmuje się ona badaniem stabilności podłoża.

Konwencjonalne metody kontroli wymagają pobierania licznych
próbek a wyniki znane są dopiero po kilku godzinach. Z tych
względów wprowadzenie metod radiometrycznych stanowiło
znaczny postęp umożliwiając bieżącą kontrolę gęstości warstw
ziemnych.

W

wyniku

pomiarów

przeprowadzonych

przy

użyciu

powierzchniowych sond gamma-gamma ze źródłem

137

Cs

otrzymuje się informacje o średniej gęstości objętościowej
przypowierzchniowej warstwy gruntu o grubości około 15 cm.
Taki jest bowiem zasięg penetracji w gruncie rozproszonego
promieniowania.

27

Wagi izotopowe

Metody izotopowe są stosowane również do pomiaru masy.

Mogą to być materiały takie jak węgiel, kruszywo, cement,
płody rolne itp.

Tego rodzaju wagi mogą działać na zasadzie osłabiania lub
rozpraszania wiązki promieniowania w danym materiale.

W tym drugim przypadku między źródłem i detektorem
umieszczony jest absorbent ołowiany, ekranujący detektor
przed promieniowaniem padającym wprost ze źródła.

Do detektora dociera więc tylko promieniowanie rozproszone w
materiale transportowanym przez taśmociąg.

28

Wagi izotopowe

29

Wagi izotopowe

Źródłami promieniowania stosowanymi w wagach izotopowych
są taśmy lub pręty z naniesionymi na nie izotopami o długości
równej szerokości taśmociągu.
Jako detektory wykorzystuje się zestawy kilku liczników
Geigera-Müllera o odpowiednio dużych rozmiarach lub liczniki
scyntylacyjne ze specjalnymi scyntylatorami.
Pomiary przeprowadza się w sposób ciągły w długich
przedziałach czasowych.
Daje to uśrednioną po czasie informację o całkowitej masie
danego materiału przeniesionego w tym czasie przez
przenośnik.
Trudnym problemem technicznym jest ich kalibracja mająca na
celu

uzyskanie

wyników

pomiarów

w

jednostkach

bezwzględnych.
Jednak niewątpliwą zaletą tych urządzeń jest niezawodność
wynikająca z mniejszej wrażliwości na czynniki zewnętrzne
występujące w warunkach przemysłowych.
Można je stosować zarówno w przypadku taśmociągów
horyzontalnych jak i biegnących pod pewnym kątem do
poziomu.

30

Czujnik poziomu

Zasada działania:
Promieniowanie wysyłane przez źródło jest częściowo
pochłaniane przez substancję.
Jeśli jej poziom zwiększy się lub zmniejszy to nastąpi zmiana
promieniowania docierającego do odbiornika.
Za pośrednictwem wzmacniacza i przełącznika następuje
włączenie silnika, który przesuwa źródło i odbiornik wzdłuż
prowadnic,

aż

do

osiągnięcia

poprzedniego

stopnia

promieniowania.

31

Czujnik poziomu

32

Opis budowy:
1 - zbiornik z cieczą lub ciałem sypkim; 2 - źródło
promieniowania; 3 - odbiornik promieniowania; 4 -
wzmacniacz z przełącznikiem;
5 - silnik.

Czujnik poziomu

Istnieją ponadto izotopowe mierniki poziomu:
Pomiar izotopowy jest realizowany w oparciu o zjawisko
pochłaniania promieniowania przez produkt.
Natężenie promieniowania rejestrowane przez urządzenie jest
proporcjonalne do poziomu w zbiorniku.
Układ pomiarowy składa się zawsze z jednostki sterującej,
detektora promieniowania oraz źródła izotopowego w
pojemniku ochronnym.
Detektor i pojemnik ze źródłem są montowane na zewnątrz
zbiornika.
Konfiguracja układu jest zawsze dostosowywana do konkretnej
aplikacji.
Możliwe konfiguracje układu pomiarowego do ciągłego pomiaru
poziomu: detektor liniowy-źródło liniowe, detektor punktowy-
źródło liniowe, detektor liniowy-źródło punktowe.
W przypadku sygnalizacji poziomu zawsze jest stosowany
układ: detektor punktowy-źródło punktowe.

33

Czujnik poziomu

34

Zasada pomiaru
Materiał

izotopowy

wytwarza

promieniowanie

elektromagnetyczne, które przenikając przez medium
ulega osłabieniu wskutek absorpcji. Kompaktowy
przetwornik

z

detektorem

scyntylacyjnym,

zamontowany po przeciwległej stronie zbiornika,
przetwarza odebraną wiązkę promieniowania na
sygnał elektryczny, proporcjonalny do poziomu cieczy.
Osłabienie promieniowania i aktywność izotopu zależą
m.in. od długości wiązki pomiarowej, gęstości i
grubości materiałów w jej torze.

Czujnik poziomu

W detekcji rozdziału faz metodą radiometryczną
wykorzystuje się zjawisko pochłaniania w różnym
stopniu promieniowania elektromagnetycznego w
zależności od gęstości danej cieczy. Przetwornik jest
kalibrowany, gdy w zbiorniku znajduje się ciecz
o mniejszej gęstości a następnie o większej. Uzyskana
korelacja

absorpcji

promieniowania

umożliwia

wyznaczenie granicy rozdziału faz cieczy.

Czujnik poziomu

Literatura

 

• D. Schmid, Mechatronika
• Dziunikowski B. Zastosowania izotopów promieniotwórczych.
Kraków 1995
• Hanna Górkiewicz-Galwas, Bogdan Galwas Przyrządy
elektronowe,
Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Wydanie IV
poprawione,

Warszawa

1986
• www.introl.pl
• www.focus.pl
• portalwiedzy.onet.pl

37

- Historia
- Budowa i zasada działania matrycy CCD
- Budowa i zasada działania matrycy CMOS
- Porównanie CCD i CMOS
- Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

38

Sensory CCD i CMOS

Historia

Blisko 5 wieków temu, protestancki uczony George Fabricius,
zauważył, że chlorek srebra zaczernia się pod wpływem
promieni słonecznych. W 1727r - filolog Johann Heindrich
Schulze uzyskał pierwsze odwzorowanie obrazu na emulsji
światłoczułej sporządzonej z chlorku srebra na podkładzie z
białej kredy... Były to początki ery fotografii. W XIX wieku
opracowano skuteczną i w miarę prostą metodę robienia,
utrwalania i wywoływania zdjęć.

Fotografia ciągle rozwijała się, lecz sama metoda rejestrowania
obrazu pozostawała praktycznie bez zmian. Początek końca ery
fotografii analogowej dało odkrycie dwóch pracowników
słynnego Bell Telephone Laboratories. W 1969 Willard Boyle i
George Smith zbudowali pierwszą matrycę CCD, składającą się
z 8 pikseli ułożonych w jednym rzędzie. Od tej pory sensory
CCD zaczęły zdobywać coraz większą popularność i coraz
szersze zastosowanie.

39

Budowa i zasada działania matrycy CCD

Matryca CCD (Charge Coupled Device), to krzemowa płytka
zbudowana z elementów światłoczułych, która jest detektorem
wyłapującym i rejestrującym światło, padające na nią w postaci
fotonów. Podzielona jest ona na wiele bardzo małych,
niezależnych od siebie elementów zwanych pikselami. Ich
rozmiar stanowi zazwyczaj od kilku do kilkudziesięciu
mikrometrów kwadratowych.

40

Budowa i zasada działania matrycy CCD

Do każdego piksela przyłożona jest elektroda, która po
doprowadzeniu

napięcia,

powoduje

powstanie

studni

potencjału.

41

Budowa i zasada działania matrycy CCD

Foton padający na matrycę CCD na skutek zjawiska
fotoelektrycznego wewnętrznego, wytrąca elektron, któremu
przekazuje swoją energię. Taki wybity elektron podąża w
kierunku dodatnio naładowanej studni potencjału i tam zostaje
uwięziony. Im dłużej trwa ekspozycja, tym więcej elektronów
gromadzimy.
Po jej zakończeniu, przez inne
elektrody, umieszczone na
końcu każdego rzędu pikseli,
zgromadzony sygnał trafia do
wyjściowego wzmacniacza i
opuszcza chip.

42

Budowa i zasada działania matrycy CCD

Po "policzeniu" elektronów z każdego elementu dostajemy
informację ile światła (jego natężenie) padło na każdy piksel.
Potem już tylko przetwornik analogowo-cyfrowy przetwarza
otrzymany sygnał, na postać zrozumiałą dla komputera, czy
innego urządzenia zewnętrznego.

43

Budowa i zasada działania matrycy CCD

Po przetworzeniu na postać cyfrową, sygnał jest zazwyczaj
wysyłany do procesora sygnałowego (DSP – Digital Signal
Processor) w celu utworzenia spójnej ramki z obrazem, a także
poprawienia pewnych standardowych błędów.

W przypadku matrycy mozaikowej (każdy piksel mierzy jeden
kolor), w tym procesorze następuje interpolacja barw i
wytworzenie właściwego obrazu.

44

Budowa i zasada działania matrycy CMOS

CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), to
technologia

wykonania

elementów

półprzewodnikowych,

charakteryzującą się niskim napięciem zasilania, znikomym
poborem mocy i dość wysoką odpornością na zakłócenia.
Sposób ich działania jest analogiczny jak dla układów CCD, z tą
tylko różnicą, że sczytuje się od razu cały sygnał z detektora, a
nie poszczególne wiersze W matrycach CMOS każdy piksel jest
zintegrowany z przetwornikiem ładunku elektrycznego na
napięcie i wzmacniaczem tego napięcia. Taka budowa sprawia,
szumy wynikające z transportu ładunków są znikome.

45

Budowa i zasada działania matrycy CMOS

W matrycy CMOS piksele są adresowalne, mają określoną
współrzędną x,y. Pozwala to nie tylko na odczytywanie pikseli w
dowolnej kolejności, ale też dowolnej ich liczby. Z matrycą
CMOS jest na ogół zintegrowany dodatkowy wzmacniacz
napięcia i przetwornik analogowocyfrowy, więc faktycznie
odczytujemy z przetwornika od razu liczby reprezentujące
jasność poszczególnych pikseli.
Te elementy dają matrycom CMOS przewagę nad sensorami
CCD jeżeli chodzi o szybkość działania i elastyczność odczytu.
Mimo wyżej przedstawionych zalet sensor ten posiada również
wady. Fotodiody wykonane w technologii CMOS mają mniejszą
czułość (w przeliczeniu na jednostkę powierzchni) i większy
prąd ciemny, który przejawia się jako szum.
Mniejszą czułość fotodiod rekompensuje się stosowaniem w
matrycach CMOS pikseli o większej powierzchni, co jednak
wymaga większych rozmiarów całego sensora.

46

Budowa i zasada działania matrycy CMOS

47

Na rysunku widzimy zielone prostokąty, które symbolizują układ
elektroniczny konwersji ładunku na napięcie i wzmacniacz tego
napięcia.
Zintegrowanie z fotodiodą przetwornika
ładunku na napięcie i odczytywanie tego
napięcia w systemie adresowym (x, y)
jest najistotniejszym wyróżnikiem
matryc CMOS.

Taka architektura znacząco
skraca czas odczytu całej
matrycy, gdyż przetwarzanie
ładunków na napięcie
odbywa się równocześnie
dla wszystkich pikseli.

Budowa i zasada działania matrycy CMOS

Konstrukcja matryc CMOS ma jednak pewną wadę.
Z technologicznego punktu widzenia nie da się wytworzyć kilku
czy kilkunastu milionów idealnie jednakowych układów
zamieniających ładunek na napięcie.
Tak więc przy równym naświetleniu całej matrycy CMOS z
każdego piksela odczytamy nieco inne napięcie, co objawi się
na zdjęciu jako szum.
Ta wada jest bardzo prosto usuwana. Obraz jest porównywany z
obrazem przy zamkniętej migawce mechanicznej.
Układ różnicowy od napięć reprezentujących obraz obiektu
odejmuje napięcia reprezentujące obraz z zamkniętą migawką.
W ten sposób eliminuje się zarówno szumy pochodzące od
nierównomiernego wzmacniania sygnału przy poszczególnych
pikselach, jak i szumy pochodzące od prądu ciemnego.

48

Porównanie CCD i CMOS

CCD: Zalety
• Technologia cyfrowa - obrazy CCD to obrazy cyfrowe
łatwiejsze

do

obróbki

i

przetwarzania
• Zasięg i dynamika - CCD w stosunku do kliszy ma dużo
wiekszy

zasięg

i

dynamiczną głębię
• Otoczenie - obrazy z CCD są mniej czułe na ingerencje
otoczenia

świetlnego

co

ma duże znaczenie przy obecnym stanie dużej emisji
zbędnego

światła

(miasta,

samochody, oświetlenia uliczne)
• Czas naświetlania - dla układów CCD są dużo niższe dla
uzyskania

zbliżonego

efektu do kliszy fotograficznej
• Wygoda obróbki - obrazy cyfrowe umożliwiają nakładanie ich
na

siebie

i

obróbkę co poprawia ich jakość, a takiej cechy pozbawione są
klisze
fotograficzne.

49

Porównanie CCD i CMOS

CCD: Wady
• Szum sczytywania pikseli - readout noise, szum powstający
podczas
sczytywania pikseli, jego poziom nie zależy od czasu
ekspozycji

i

nie

zależy

od temperatury.
• Nierównomierności stałe - stałe niezmienne w czasie
nierównomierności
jasności tła obrazu, ich jasność nie zależy od czasu
ekspozycji,

zależy

natomiast od temperatury.
• Stała wartość jasności - stała wartość dodana specjalnie po to
by

szum

nie

osiągał wartości ujemnych i nie został obcięty, niezależna od
czasu

ekspozycji

i

temperatury, nie wnosząca szumów.
• Prąd ciemny - dark current, elektrony wybijane poprzez ciepło
detektora,

ich

liczba jest zależna od czasu ekspozycji i temperatury.

50

Porównanie CCD i CMOS

CCD: Wady
• Martwe piksele - piksele które posiadają większy prąd ciemny
od

pozostałych,

ich jasność zależy od czasu naświetlania i temperatury, ale
niektóre

piksele

mogą zmieniać jasność w sposób nieprzewidywalny nie dając
się

tym

samym

usuwać przez elektronikę sterującą.
• Szum nierównomiernej czułości pikseli - sąsiednie piksele
minimalnie

różnią

się czułością co powoduje powstanie szumu, wygląda to tak
jakby

piksele

minimalnie różniły się wielkością co ma wpływ na różną ilość
światła
docierającą do nich, szum ujawnia się dopiero na bardzo
mocno

naświetlonych

ekspozycjach lub podczas sumowania nie przesuniętych
względem

siebie

obrazów, powodując że nie można uzyskać spodziewanych
efektów.

51

Porównanie CCD i CMOS

CMOS: Zalety
• małe zakłócenia w przesyłaniu danych, w związku z małą
odległością
fotodiodaprzetwornik A/C.
• niski koszt produkcji, wynika to z tego że matryce można
produkować

na

maszynach wykonujących inne elementy w technologi CMOS.
• niski pobór mocy (cecha wszystkich układów w technologii
CMOS)
• szybki odczyt - bez potrzeby zaciemnienia matrycy jak ma to
miejsce w CCD
• łatwe resetowanie - elektroniczna migawka
• możliwość odczytu wybranych pikseli wykorzystywane przy
ustawianiu
ostrości

52

Porównanie CCD i CMOS

CMOS: Wady
• mniejsza światłoczułość w porównaniu z CCD. Część matrycy
nie

jest

światłoczuła (tam gdzie są przetworniki), oraz fotodiody
wykonane

w

technologi CMOS też wykazują mniejszą światłoczułość.
• duży prąd ciemny (zakłócenia własne pojawiające się
szczególnie

przy

długich

czasach naświetlania)
• ciężko jest utrzymać reżim jakościowy każdego wzmacniacza
(ponieważ

każdy

piksel ma własny wzmacniacz), co powoduje, że każdy piksel
wskazuje

trochę

inne parametry przy tym samym oświetleniu.
• podatność na uszkodzenia przepięciowe
• problemy z produkcją przetworników o dużej rozdzielczości i
stosunkowo
niewielkich rozmiarach
• małe wypełnienie piksela (w CCD 100%, w CMOS około 40-
60%)
współczynnik wypełnienia to stosunek powierzchni całego
piksela

do

powierzchni wystawionej na działanie światła.

53

Porównanie CCD i CMOS

54

Porównanie CCD i CMOS

55

Producenci w ramach tych dwóch typów
przetworników (CCD lub CMOS) stosują rożne
technologie. Przetwornik to bowiem nie tylko warstwa
światłoczuła składająca się z pikseli, ale i technologia
ich ułożenia oraz przekazywania do procesora kamery.
I tak np. w przypadku Sony możesz obecnie spotkać
przetworniki CMOS o trzech różnych nazwach:
ClearVid CMOS, Exmor CMOS i Exmor R CMOS. W
tym ostatnim Sony zastosowało najlepsze rozwiązanie,
polegające na innym ułożeniu punktów światłoczułych
w stosunku do elektroniki (przewodników). Powoli
również inni producenci zaczynają wykorzystywać
podobną technologię we własnych przetwornikach
CMOS. Inny przykład to Samsung, który w niektórych
modelach na 2010 rok zastosował matryce CMOS z
tylnym podświetleniem, co również z założenia
redukuje szumy przy słabym świetle (Samsung nazywa
tą technologię BSI CMOS).

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

Foto i Video
Panasonic Lumix DMC-LX5
Sercem aparatu Panasonic Lumix LX5 jest matryca CCD
o rozmiarze 1/1.63" i o całkowitej liczbie 11 300 000 pikseli.
Oprogramowanie aparatu pozwala odczytać informację
maksymalnie z 10 100 000 pikseli i taka liczba podawana jest
jako efektywna liczba megapikseli.

56

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

Foto i Video
Nikon D90 - jest to pierwsza na świecie lustrzanka cyfrowa
wyposażona w funkcję filmowania, zapewniająca prawdziwie
kinowe efekty, przy zachowaniu najwyższej jakości obrazu. Jest
wyposażony w nowo zaprojektowaną matrycę CMOS w
formacie DX o rozdzielczości 12,3 mln pikseli.

57

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

Foto i Video
Panasonic SDR-S26 kamera cyfrowa (czarny)
SDR-S26 posiada matrycę CCD o rozdzielczości 800 000
pikseli.

58

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

Foto i Video
Kamera cyfrowa Sony HVR-A1 E (cena ok. 11000 PLN)
Ultra-kompaktowa, profesjonalna kamera nagrywająca wysokiej
jakości materiał w pełnej rozdzielczości 1080i. Zastosowano w
niej 1/3-calowy przetwornik CMOS o proporcjach 4:3 oraz
całkowitej liczbie pikseli wynoszącej 2.97 mln.
Atutami takiego rozwiązania są m.in.
szeroki zakres dynamiki, wysoka czułość
oraz niski poziom szumów.

59

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

WIDEOREJESTRACJA
Polscy policjanci dysponują 251 nieoznakowanymi radiowozami
z wideorejestratorami, 18 radiowozami oznakowanymi oraz 9
motocyklami (2 oznakowanymi i 7 nieoznakowanymi, które są
wyposażone w te urządzenia (październik 2010 r.). W 2011 r.
zakup 120 samochodów Alfa Romeo 159 wyposażonych w
najnowsze wersje tych urządzeń.

60

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

61

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

62

http://www.polcamsystems.pl/polcam.html

WideoRejestrator PolCam PC2006

Polskiej produkcji PolCam PC2006 jest przyjaznym dla
użytkownika,

wielofunkcyjnym

systemem

rejestrującym,

stworzonym

do

kontroli

ruchu

drogowego,

działań

prewencyjnych i dochodzeniowych, nadzoru granic i wielu innych
zadań. System PolCam PC2006 posiada zatwierdzenie typu
prezesa Głównego Urzędu Miar i może być wykorzystywany do
pomiarów prędkości.

Modułowa architektura systemu PolCam umożliwia jego
instalację w niemal dowolnym pojeździe oraz dopasowanie
konfiguracji

do

indywidualnych

wymogów

użytkownika,

zapewniając przy tym łatwy dostęp w celach serwisowych i
modernizacyjnych.

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

63

Wersja motocyklowa systemu PolCam PC 2006 posiada takie
same funkcje i możliwości, jak wersja standardowa, tzn. generuje
wysokiej jakości obraz w każdych warunkach oświetlenia,
umożliwia precyzyjny pomiar prędkości oraz nagranie na
standardowym dysku 80 GB ponad 300 godzin.
Jedynymi różnicami są:
- użycie dysku twardego o podwyższonej odporności na wstrząsy i
wibracje
- dodatkowy, 3-calowy monitor zainstalowany w wodoodpornej
obudowie
- dodatkowy ergonomiczny zestaw przycisków (obsługiwany 1
palcem) sterujących przy kierownicy
- wodoodporna obudowa kamer
Rejestrator cyfrowy, jednostka centralna, pilot oraz 7-calowy
monitor montowane są na ogół w jednej z bocznych sakw
skorupowych motocykla. W czasie jazdy dostęp do pilota systemu
i głównego monitora nie są możliwe - w tym celu system
wyposażono w dodatkowy zestaw przycisków sterujących.
Dodatkowy 3-calowy monitor informuje podczas jazdy kierowcę o
statusie systemu. Rozwiązania te umożliwiają bezpieczne
korzystanie z systemu PolCam nawet przy prędkościach powyżej
200 km/h.

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

64

Konfiguracja podstawowa:

•

jednostka

centralna

kontrolująca

pracę

wszystkich

podzespołów

• pilot zdalnego sterowania

• kamera (26x zoom)

• 7" monitor LCD wysokiej rozdzielczości

• cyfrowe urządzenie nagrywające

• wymienny dysk HDD

• mikrofon

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

65

Konfiguracja rozszerzona

• dodatkowa kamera (do 3 sztuk poza podstawową) różnych
typów:

• standardowa (jak główna), do obserwacji perymetru tylnego,
bocznego itp.

• kamery typu PTZ

• kamery termowizyjne i na podczerwień

• bezprzewodowe kamery zdalne z mikrofonem

• ręczne, radarowe lub laserowe mierniki prędkości

• system, rozpoznawania tablic rejestracyjnych (ANPR)

• dodatkowe dyski twarde

• odbiornik GPS

• drukarka pokładowa

• łącze do bezprzewodowej transmisji video i danych

• pokładowa nagrywarka DVD/CD

• urządzenie "PiP" (obraz w obrazie - wyświetlanie obrazu z
dwóch kamer jednocześnie)

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

66

http://www.polcamsystems.pl/polcam_ec_II_stalker.ht

ml

PolCam

EC-II

-

WideoRejestrator

z

urządzeniem

do

bezpośredniego pomiaru prędkości

PolCam EC-II to przyjazny dla użytkownika, wielozadaniowy
system

rejestracji

do

montażu

w

pojazdach.

System

zaprojektowany jest do kontroli ruchu drogowego z użyciem
pomiaru średnich prędkości oraz pomiaru przy użyciu technologii
radaru dopplerowskiego. System posiada budowę modułową,
która pozwala na instalacje w niemal każdym pojeździe.
Możliwości

dostosowania

konfiguracji

pozwalają

spełnić

wymagania każdego użytkownika oraz są otwarte na przyszłe
modyfikacje/udoskonalenia.

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

67

Wideorejestrator PoLCam ECII spełnia wymogi Dziennik Ustaw
RP nr 225 z dnia 03 grudnia 2007 r. poz. 1663; Rozporządzenie
Ministra Gospodarki z dnia 9 listopada 2007 r. w sprawie
wymagań,

którym

powinny

odpowiadać

przyrządy

do pomiaru prędkości pojazdów w ruchu drogowym, oraz
szczegółowego

zakresu

badań i sprawdzeń wykonywanych podczas prawnej kontroli
metrologicznej tych przyrządów pomiarowych.

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

68

Funkcjonalność:

• instalacja w pojeździe pozwalająca na natychmiastową
gotowość do pracy po włączeniu

• komfortowa instalacja na wyciągnięcie ręki wszystkich
elementów wchodzących w skład systemu

• brak czasochłonnych ustawień przed rozpoczęciem pracy

• praca z wnętrza pojazdu niezależnie od warunków pogodowych
jak śnieg, deszcz, silny wiatr, wysoka lub niska temperatura

• praca w niemal każdych temperaturach

• prosty w obsłudze

Nowy Ergonomiczny Pilot:

• wszystkie funkcje łącznie z kamerą sterowane są przy użyciu
pilota

Różne typy zastosowanych monitorów:

• montaż zarówno na desce rozdzielczej jak i wysuwane z konsoli

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

69

Najnowsza technologia zapisu obrazu :

• na jednym dysku twardym można zapisać od 450 nawet do
1000 godzin pracy przy ciągłym nagrywaniu 25 kl/s w
rozdzielczości D1 (Pełen PAL)

Oprogramowanie

• Oprogramowanie pozwala na przygotowanie krótkiego
materiału dowodowego z nagranego materiału. Lista nagrań jest
łatwo dostępna bezpośrednio z wymiennego dysku rejestratora.
Wyszczególniane są Alarmy informujące o przekroczeniu
prędkości.

Materiał dowodowy może być przygotowany w różnym formacie:

• specjalny zaszyfrowany kodek wideo ze znakiem wodnym

• dowolny kodek .AVI akceptowalny przez stacjonarne
odtwarzacze wideo

• zdjęcia w formacie BMP lub JPG wybranych klatek obrazu

• eksport materiału odbywa się przez zaznaczenie jedynie
początku i końca materiału

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

70

TECHNOLOGIA ROZPOZNAWANIA KIERUNKU

• Automatyczne śledzenie pasa

• Kontrola kierunku (nadjeżdżające, odjeżdżające, w obu
kierunkach)

• Rozróżnianie silniejszych oraz szybszych obiektów

• Silniejsze oraz szybsze obiekty mogą być indywidualnie
zablokowane.

• Głosowe powiadomienia o blokadzie celu

• Tryb stopera

• Immunologiczne RFI cyfrowe anteny

• Podświetlany bezprzewodowy pilot zdalnego sterowania IR

• Odłączany, wielobarwny wyświetlacz

• Wodoodporne anteny

• Tony Audion fal Dopplera

• Procesor DSP

• Mikro złącze anten

• Kontrola oprogramowania

• Interfejs do systemu Video

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

71

Konfiguracja podstawowa:

•

jednostka

centralna

kontrolująca

pracę

wszystkich

podzespołów

• pilot zdalnego sterowania

• kamera (26x zoom)

• 7" monitor LCD wysokiej rozdzielczości

• cyfrowe urządzenie nagrywające

• wymienny dysk HDD

• mikrofon

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

72

Konfiguracja rozszerzona

• dodatkowa kamera (do 3 sztuk poza podstawową) różnych
typów:

• standardowa (jak główna), do obserwacji perymetru tylnego,
bocznego itp.

• kamery typu PTZ

• kamery termowizyjne i na podczerwień

• bezprzewodowe kamery zdalne z mikrofonem

• ręczne, radarowe lub laserowe mierniki prędkości

• system, rozpoznawania tablic rejestracyjnych (ANPR)

• dodatkowe dyski twarde

• odbiornik GPS

• drukarka pokładowa

• łącze do bezprzewodowej transmisji video i danych

• pokładowa nagrywarka DVD/CD

• urządzenie "PiP" (obraz w obrazie - wyświetlanie obrazu z
dwóch kamer jednocześnie)

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

FOTORADARY

73

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

MONITORING SAMOCHODOWY, KAMERY COFANIA
Takie urządzenia ułatwiają pracę np. samochodom dostawczym.
Zazwyczaj takie pojazdy mają ograniczony tylni i boczny widok.
Zamontowanie kamery choćby w zderzaku oraz zainstalowanie
monitora w kabinie pojazdu ułatwia sprawne manewrowanie
pojazdem. To nie tylko podnosi bezpieczeństwo ale także
redukuje do minimum wypadek. Kamery umieszczane z przodu
samochodu mogą nam także pomóc w razie wypadku (materiały
dowodowe).

74

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

75

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

76

http://www.polcamsystems.pl/polcam_lite.html

PolCam Lite - Mobilny Rejestrator Przebiegu Służby

CHARAKTERYSTYKA

• rejestracja przebiegu służby funkcjonariuszy wewnątrz jak i na
zewnątrz pojazdu patrolowego

• możliwość instalacji do 4 szerokokątnych kamer

• dwa mikrofony w tym jeden bezprzewodowy o zasięgu do 30
metrów

• opcjonalnie możliwość podglądu "na żywo" - moduł GSM

• wymienny dysk twardy HDD lub SSD o pojemności max.500GB
kompatybilny z komputerami klasy PC/laptopami

•

oprogramowanie

do

archiwizacji

i

przeglądania

zarejestrowanego materiału

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

77

PolCam Lite to mobilny rejestrator przebiegu służby, rejestrujący
pracę funkcjonariusza podczas wykonywania obowiązków.
System wyposażony jest w wideorejestrator z kompresją obrazu
H.264

z

możliwością

podłączenia

maksymalnie

do

4

szerokokątnych kamer oraz dwa mikrofony: przewodowy-
rejestrujący

dźwięki

wewnątrz

pojazdu

patrolowego,

bezprzewodowy-typu

"clip"

z

zaczepem

do

munduru

funkcjonariusza, rejestrujący dźwięki w momencie wykonywania
czynności poza pojazdem patrolowym, w promieniu 30 metrów.

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

78

System PolCam Lite przystosowany jest do montażu zarówno w
samochodach jak i w motocyklach.

Mobilny rejestrator wyposażony jest w wymienny dysk twardy o
pojemności minumum 32GB, a dzięki wbudowanemu złączu High
Speed USB 2.0 możliwe jest podłączenie go do dowolnego
komputera PC/laptopa w celu archiwizacji zarejestrowanego
materiału oraz jego przeglądania, odsłuchu bez możliwości
ingerencji w jego treść.
Urządzenie rejestrujące może być wyposażone w dodatkowe
moduły:

• moduł GPS (global positioning system - system nawigacji
satelitarnej) - rejestracja informacji o pozycji

• moduł GSM (global system for mobile communications - system
komunikacji telefonii komórkowej) - bezprzewodowy podgląd (na
żywo), bezprzewodowa transmisja materiału audio/wideo

• moduł WiFi (wireless fidelity - standard komunikacji
bezprzewodowej) - automatyczna archiwizacja zarejestrowanego
materiału audio/wideo

Literatura

 

• Mariusz Wawer „Jak działa kamera?”; E-photo 1/200
• Materiały szkoleniowe firmy SAMAL Sp. z o.o.
•
http://groups.google.com/group/pl.rec.foto.cyfrowa/msg/5fc429
be874bbc55
•

http://grb.fuw.edu.pl/pi/user/juzycki/docs/CCD%20Toolkit-

Aga.ppt
• http://www.polcamsystems.pl/

79