Как работают датчики: датчик кислорода

Датчик кислорода, также называемый датчиком O2, выполняет функцию, указанную в его названии, а именно измеряет количество кислорода в отработавших газах. И хотя это может показаться несложной задачей, датчик O2 является одним из наиболее важных датчиков транспортного средства, который отвечает за соблюдение баланса между топливом и воздухом и сведение к минимуму объема вредных выбросов. Поэтому вам полезно будет узнать, для чего он предназначен, почему он выходит из строя, и, что важно, как его заменить в случае поломки.

Как работает датчик O2?

В большинстве автомобилей установлено по крайней мере два кислородных датчика, расположенных в выхлопной системе. Один из них обязательно устанавливается перед каталитическим нейтрализатором, а один или несколько — после каталитического нейтрализатора. Кислородный датчик, установленный перед каталитическим нейтрализатором, регулирует подачу топлива, а датчик, расположенный после него, измеряет эффективность работы каталитического нейтрализатора.

Датчики O2 обычно можно отнести к категории узкодиапазонных или широкодиапазонных.  Чувствительный элемент находится внутри датчика, заключенного в стальной корпус. Молекулы кислорода из выхлопных газов проходят через крошечные прорези или отверстия в стальной оболочке датчика, чтобы достичь чувствительного элемента, или ячейки Нернста. С другой стороны ячейки Нернста кислород из воздуха вне выхлопной системы перемещается вниз по датчику O2 и контактирует с ним. Разница в количестве кислорода между наружным воздухом выхлопными газми вызывает поток ионов кислорода и создает напряжение.

Если смесь выхлопных газов слишком богата и в выхлопе слишком мало кислорода, в электронный блок управления (ЭБУ) двигателя подается сигнал на уменьшение количества топлива, поступающего в цилиндр. Если смесь выхлопных газов слишком бедна, то посылается сигнал на увеличение количества топлива, подающегося в двигатель. Если топлива слишком много, в выхлопных газах присутствуют углеводороды и угарный газ. Если топлива слишком мало — загрязняющие атмосферу оксиды азота. Сигнал датчика помогает поддерживать оптимальный состав смеси. Широкодиапазонные датчики O2 имеют дополнительную насосную ячейку O2 для регулирования количества кислорода, подающегося к чувствительному элементу.  Это позволяет производить измерения в гораздо более широком диапазоне соотношения компонентов топливной смеси.

Почему возникают неисправности датчиков кислорода?

Поскольку датчик кислорода находится в потоке выхлопных газов, он может загрязниться. Обычно причиной загрязнения является чрезмерно богатая топливная смесь или выброс масла в более старых двигателях, а также просачивание в камеру сгорания охлаждающей жидкости через прокладки. Он также подвергается воздействию чрезвычайно высоких температур и, как и любой другой компонент, может со временем изнашиваться. Все это может повлиять на характеристики отклика кислородного датчика, что способно привести к увеличению времени отклика или изменению кривой напряжения датчика, а в долгосрочной перспективе — к снижению эффективности датчика.  

Каковы признаки неисправности датчика кислорода?

При поломке датчика кислорода компьютер больше не может определять соотношение топливно-воздушной смеси, поэтому он вынужден «гадать». В связи с этим существует несколько контрольных признаков, на которые стоит обратить внимание:

• Индикатор проверки двигателя: хотя он может загореться по многим причинам, обычно это связано с выхлопными газами.
• Большой расход топлива: неисправный кислородный датчик нарушит правильное смешивание воздуха и топлива, что приведет к увеличению расхода топлива.
• Неровная работа двигателя на холостом ходу или пропуски зажигания: поскольку выходной сигнал датчика кислорода помогает контролировать синхронизацию двигателя, интервалы сгорания и топливно-воздушную смесь, неисправность датчика может стать причиной неровной работы двигателя.
• Вялый разгон.

Устранение неисправностей датчика O2

Чтобы определить причину неправильной работы датчика O2, выполните следующие действия:

• Считайте коды неисправностей с помощью диагностического прибора. Обратите внимание, что при обнаружении проблем с датчиками O2 прибор часто выдает несколько кодов неисправностей.
• Лямбда-зонды имеют внутренний нагреватель, поэтому следует проверить сопротивление нагревателя — оно обычно бывает довольно низким.
• Проверьте подачу питания на нагреватель — зачастую это провода одного цвета.
• Проверьте электрический разъем на наличие повреждений или грязи. 
• Проверьте выпускной коллектор и топливные форсунки на наличие утечек, а также состояние элементов системы — это может повлиять на правильность работы датчика.
• Проверьте правильность показаний датчика O2, выполнив замер концентрации кислорода с помощью четырех- или пятикомпонентного газоанализатора.
• Используйте осциллограф для проверки сигнала на холостом ходу и при 2500 об/мин.
• Если доступ к проводке датчика затруднен, используйте данные в реальном времени, чтобы проверить наличие сигнала.
• Проверьте состояние защитной трубки чувствительного элемента датчика на наличие признаков повреждения и загрязнения.

Коды распространенных неисправностей

Ниже приведены коды самых распространенных неисправностей и причины их возникновения:

• P0135: датчик кислорода перед каталитическим нейтрализатором 1, отопительный контур / разомкнут
• P0175: богатая топливная смесь (ряд 2)
• P0713: неправильно сбалансирован состав смеси (ряд 2)
• P0171: бедная топливная смесь (ряд 1)
• P0162: неисправность цепи датчика O2 (ряд 2, датчик 3)

Как произвести замену датчика кислорода

Советы по замене кислородных датчиков

• Прежде чем заменить датчик, вам необходимо выявить причину неисправности.  Подключите диагностический прибор, например Delphi DS, выберите нужный автомобиль и считайте код(-ы) неисправности(-ей).  Подтвердите код неисправности, выбрав действительные данные и сравнив значение с датчика, в котором вы предполагаете неисправность, со значением заведомо рабочего датчика. При необходимости обратитесь к данным производителя автомобиля, чтобы найти правильное значение для сравнения.Чтобы убедиться в том, что проблема обусловлена неисправным датчиком, а не проводкой, могут потребоваться другие инструменты или оборудование. 
• Поскольку во многих автомобилях новых моделей имеется несколько датчиков кислорода, убедитесь, что вы правильно определили неисправный датчик, чтобы по ошибке не заменить исправный.  Производители транспортных средств несколько по-разному обозначают положение датчиков «ряд 1» и «ряд 2», «перед/зад» и «до/после», поэтому следует убедиться в том, что вы нашли нужный (неисправный) датчик. Лучший способ сделать это — с помощью диагностического инструмента посмотреть данные в реальном времени.
• После этого отсоедините провод от датчика.
• С помощью гаечного ключа или специального торцевого ключа для датчиков кислорода выкрутите датчик из его посадочного места.  Затем утилизируйте старый датчик и замените его новым.
• В большинстве случаев резьбовое соединение датчика имеет специальное токопроводящее покрытие от прикипания, поэтому достаточно просто установить новый датчик на место старого.
• Чтобы предотвратить схватывание датчика в резьбе, все датчики Delphi поставляются с высокотемпературным противозадирным составом, который либо наносится на заводе-изготовителе, либо прилагается в комплекте.  При необходимости нанесите состав на новый датчик перед установкой. Не наносите чрезмерное количество противозадирного средства на резьбу, так как это может привести к загрязнению чувствительного элемента.
• Затяните датчик рекомендованным моментом.
• После установки датчика подключите электронный разъем.
• Теперь снова подключите диагностический прибор и удалите все сопутствующие коды неисправностей.
• Наконец, включите зажигание и убедитесь, что индикатор проверки двигателя погас, а затем проведите ходовые испытания.

Что такое датчик давления, типы и технические характеристики

Содержание:

1. Что такое датчик давления
2. Типы датчиков
3. Технические характеристики и преимущества
4. Устройство датчика давления
5. Области применения
6. Как выбрать

Точные измерительные приборы – важная составляющая деятельности всех современных отраслей хозяйства. Они служат для своевременного учета расхода разных жидкостей, нужны в работе с газовыми смесями и паром.

Кроме классических расходомеров, обладающих различными принципами действия, часто применяются еще и электронные приборы, измеряющие давление. Подобные устройства – обязательный элемент большей части измерительных комплексов и теплосчетчиков. Они часто входят в состав систем, служащих для осуществления автоматического контроля.

Так называемые датчики давления востребованы на предприятиях энергетического комплекса, в производстве продуктов питания, нефтеперерабатывающей сфере и других отраслях, где требуется знать цифровое значение давления для обеспечения бесперебойной и безопасной работы оборудования.

Что такое датчик давления

Датчик давления – это прибор, предназначенный для мониторинга давления в жидкостной либо газообразной среде с передачей сигнала о полученных измерениях на соответствующее оборудование. Это необходимо для своевременной корректировки параметров различных технологических процессов.

Датчик для измерения давления является компактным устройством, представляющим собой жидкокристаллический дисплей в алюминиевом корпусе. В него входят специальные трубки, которые оценивают давление конкретной среды – жидкости, газа или пара, а затем преобразовывают его либо выводят на экран его числовое значение при помощи аналогового или цифрового сигнала.

Принцип осуществления деятельности данного прибора напрямую зависит от типа измеряемого давления:

• абсолютное – полное значение по отношению к принятому нулю (точке перехода вакуума в давление),
• дифференциальное – диапазон давления между двумя заданными точками,
• избыточное – значение по отношению к атмосферному давлению.

Типы датчиков

Датчики давления используются преимущественно в пищевом или же химическом производстве. Особенно интересным вариантом можно назвать практичный и современный интеллектуальный датчик, служащий для измерения абсолютного давления, а также реализующий измерение относительно величины абсолютного вакуума.

Данное измерение наиболее часто применяется там, где необходимо произвести быстрый учет давления газа, пара или же тепловой энергии.

По конструкции элементов чувствительности датчики делятся на волоконно-оптические и оптоэлектронные. Первые включают оптический волновод и определяют давление в результате поляризации света. Вторые проводят свет через многослойную конструкцию, каждый слой которой меняет его свойства в зависимости от давления среды.

По виду измерений для датчиков давления принята следующая классификация:

1. Датчик дифференциального давления помогает удачно решать задачи по учету расходования замеряемой среды. Принцип его действия заключается в замере разностей давления между двумя находящимися рядом полостями – плюсовой и минусовой. Он применяется для успешного учета расходов. Узкое устройство в коммуникациях является местным сопротивлением. В процессе прохождения через него происходит изменение характера скорости потока. Перед данным сужающим устройством давление в атмосферах значительно возрастет, а после него – снижается.

Чем более высокого коэффициента достигает разница, имеющаяся на входе, а далее и на выходе сужающего устройства, тем выше будет расход той среды, которая протекает по данной трубе. Подобный датчик без особых проблем позволит произвести учет объема данной жидкости не только в самой трубе, но и в данной емкости. Это можно осуществить при помощи измерения давления в столбе жидкости, которая воздействует на плюсовую мембрану. Кроме того, в некоторых случаях производится измерение результатов в минусовой полости давления, которая находится непосредственно под куполом данной емкости. Это необходимо для того, чтобы надежно произвести исключение чрезмерного влияния большинства насыщенных паров. Этот способ называется гидростатическим.

2. Датчик избыточного давления нужен для успешной регулировки и дальнейшего управления всеми техническими процессами. Он может применяться в составе большинства водяных систем, используемых для дальнейшего теплоснабжения; входит в необходимую комплектацию узлов, служащих для коммерческого и полноценного технологического учета всех требуемых жидкостей, газов и пара.

3. Датчики абсолютного давления. Сюда относятся интеллектуальные преобразователи, способные справиться с непрерывным измерением величин абсолютного и избыточного давления. Такие приборы также являются незаменимыми помощниками в случаях, когда нужно одновременно узнать точное значение дифференциального или же гидростатического давления, определиться с величиной давления в разреженных, жидких или же газообразных средах, в которых находится насыщенный или перегретый пар.

Комплексное исполнение датчика давления позволяет использовать его по назначению. Такое устройство применяется в условиях низких и высоких температур, а также в наиболее агрессивных средах.

В каждой из отраслей хозяйства необходимость того или иного датчика определяется сугубо индивидуальным способом, а также реальной надобностью. Выбор прибора зависит от того, какие перед ним поставлены задачи, а также от текущих условий эксплуатации. Заказчик самостоятельно выбирает материал, требующийся для изготовления мембраны разделения, а также корпуса электронного блока.

Технические характеристики и преимущества

К ключевым техническим опциям интеллектуальных датчиков давления можно отнести следующие:

• измерение абсолютного, избыточного, дифференциального, гидростатического давления;
• универсальность использования – измеряемой средой может выступать морская вода, различные виды масел, дизельное топливо, керосин, газ, мазут;
• максимальная температура измеряемой среды — 120 градусов;
• диапазон температур окружающей среды – от -60 до +70;
• абсолютное давление – от 2,5 КПа до 16 МПа;
• избыточное давление – от 0,16 КПа до 100 МПа;
• погрешность измерения — от 0,1 до 0,5%;
• высокий уровень пыле- и влагозащищенности — IP54, IP67.
• межповерочный интервал составляет 5 лет;
• срок гарантии – 3 года.

Датчик давления имеет высокую точность измерений. Если осуществляется специальный заказ, погрешность не превышает 0,04%. Датчики хорошо показывают себя в широком диапазоне измерений, в процессе самодиагностики и перегрузки.

Интеллектуальный счётчик — это надежное средство измерения, которое отвечает заявленным метрологическим и технико-эксплуатационным параметрам, легко работает в агрессивной среде и при низких температурах. Дополнительные плюсы – высокий уровень визуализации, простота использования, комфортный вывод информации на дисплее. Своевременно узнав о превышении давления, можно спланировать действия для предотвращения серьезных проблем.

Устройство датчика давления

Датчик давления состоит из преобразующего элемента; элемента, воспринимающего давление; приемника давления; системы вторичной обработки цифрового сигнала и устройства вывода информации. Все это скрывается в общем корпусе, оснащенном цифровым дисплеем.

Методы измерения давления при помощи датчика:

• тензометрический – чувствительные комплектующие измеряют давление за счет чуткости элементов, которые жестко припаиваются к мембране;
• пьезорезистивный – основан на применении преобразователя давления (мембрана из монокристаллического кремния), находящегося в металло-стеклянном корпусе;
• емкостные преобразователи применяют метод изменения емкости конденсатора;
• резонансный – в основе лежат акустические или электромагнитные процессы;
• индуктивный – основан на постоянных вихревых потоках.

Области применения

Датчики можно использовать в следующих областях:

• медицинской сфере;
• пищевой промышленности;
• тепло- и водоснабжении;
• машиностроительном производстве, а также автомобильной промышленности;
• электронной промышленности, роботостроении.

Счетчики давления позволяют держать под контролем большинство производственных процессов, успешно применяются в важных социальных сферах. Без них невозможно представить нормальную жизнедеятельность.

Как выбрать

Для того чтобы избежать серьезных финансовых расходов и правильно подойти к выбору датчика давления, необходимо учесть несколько важных качественных характеристик:

• диапазон давления – для разных целей использования диапазоны могут резко отличаться друг от друга;
• точность осуществления измерений – в некоторых случаях требуется высочайший уровень точности, например, при разработке двигателей для гоночных автомобилей;
• температура является крайне важным и серьезным показателем, ведь приборы широко востребованы для тех устройств, которые используются в различных температурных диапазонах;
• качество выходного сигнала на данном приборе;
• принцип передачи информации о текущем давлении;
• удобство присоединения датчика давления к технологическому процессу;
• материал изготовления датчика – это существенно, если планируется использовать его в условиях высоких нагрузок;
• наличие сертификата качества, что делает применение датчика максимально безопасным;
• сроки доставки.

Учитывая соответствующие факторы, можно найти подходящий датчик давления, который прослужит максимально долгое время без поломок и прочих проблем. Важно лишь подобрать достойного производителя, имеющего нужную документацию и положительные отзывы, а также правильно произвести установку и начальную настройку.

Электричество и датчики — Science Learning Hub

Добавить в коллекцию

+ Создать новую коллекцию

Все материалы состоят из мельчайших частиц, называемых атомами. Атомы состоят из еще более мелких частиц, называемых протонами, нейтронами и электронами. Протоны в атоме имеют положительный заряд, а электроны – отрицательный. Эти заряды уравновешивают друг друга, придавая атому общий нейтральный заряд.

Электрические токи

Электричество может проявляться как поток электронов или зарядов. Поток электронов или зарядов известен как электрический ток.

Электрическая цепь будет содержать свободно удерживаемые электроны на всем своем пути. Когда в цепи подается электрическая энергия, создается электрическое поле, заставляющее эти электроны в цепи течь одновременно, как вода, текущая по трубе или шлангу.

Электрические цепи

Искусственные датчики основаны на электрических цепях. Электрические цепи состоят из определенных электрических компонентов, источника питания и соединительных проводов, и они могут переключать или изменять электрический ток. Поток электрических зарядов в цепи контролируется электропроводностью используемого материала, компонентов и конструкции цепи. Цепь может быть спроектирована таким образом, чтобы в разных частях цепи протекало различное количество электрических зарядов, поэтому части цепи могут иметь разные, но взаимодействующие функции.

Электроника — это использование небольших компонентов, таких как полупроводниковые устройства, в электрических цепях для управления потоком электрических зарядов или выполнения определенной функции. Это делается путем увеличения или уменьшения тока или полной остановки потока. В большинстве электрических устройств используется электроника — от простого выключателя, который включает свет, когда становится темно, до сложной схемы, выполняющей множество функций, например, в стиральных машинах или роботах.

Проводимость

Когда электрические заряды проходят через что-либо, мы называем это электропроводностью. Вещество, по которому текут электрические заряды, называется проводником.

Различные материалы имеют разную электропроводность. Это мера того, насколько легко электрический ток проходит через материал. Обратной стороной проводимости является удельное сопротивление — насколько трудно электрическому заряду двигаться через материал.

Некоторые материалы, такие как металлы, имеют свободно удерживаемые электроны в своей атомной структуре, которые позволяют легко протекать электрическим зарядам и поэтому очень полезны в качестве проводов, соединяющих различные компоненты в цепи. Металлическая медь является примером хорошего проводника и часто используется в качестве соединительных проводов.

Вещества, препятствующие прохождению электрических зарядов, называются изоляторами. Например, резина, пластмасса и воздух являются плохими проводниками и поэтому могут использоваться в качестве изоляторов для блокирования потока электрических зарядов.

Другие материалы с проводящими свойствами, которые находятся между хорошими проводниками и изоляторами, такие как кремний, называются полупроводниками. Их электропроводность может быть изменена типом атомов, используемых для легирования их примесями. Полупроводниковые компоненты, такие как диоды и транзисторы, могут изменять свою способность проводить заряд в зависимости от определенных условий, таких как напряжение. Это делает полупроводники полезными в качестве датчиков и переключателей, реагирующих на изменения физических условий.

Например, тепловой датчик, называемый термистором, изменяет свою способность пропускать через себя электрические заряды в зависимости от температуры. Поместив термистор в электрическую цепь, можно включить или выключить ток в другой части цепи, например, выключить нагреватель, если воздух станет слишком горячим. Точно так же, как датчики в коже человека посылают импульсы в мозг, где информация анализируется, и мы чувствуем себя жарко или холодно, в машинах электроника используется для анализа физических условий, воспринимаемых через изменения электрического тока.

Как работают сенсоры?

Датчики реагируют на изменение физических условий изменением своих электрических свойств. Таким образом, большинство искусственных датчиков полагаются на электронные системы для сбора, анализа и передачи информации об окружающей среде. Эти электронные системы основаны на тех же принципах работы, что и электрические цепи, поэтому способность контролировать поток электрической энергии очень важна.

Проще говоря, датчик преобразует такие раздражители, как тепло, свет, звук и движение, в электрические сигналы. Эти сигналы передаются через интерфейс, который преобразует их в двоичный код и передает его на компьютер для обработки.

Многие датчики действуют как переключатели, контролирующие поток электрических зарядов в цепи. Переключатели являются важной частью электроники, поскольку они изменяют состояние цепи. Компоненты датчиков, такие как интегральные схемы (микросхемы), транзисторы и диоды, содержат полупроводниковый материал и включены в схемы датчиков, так что они действуют как переключатели. Например, транзистор работает, используя небольшой электрический ток в одной части цепи для включения большого электрического тока в другой части цепи.

Активные и пассивные датчики

Большинство датчиков используют излучение, такое как свет или лазер, инфракрасное излучение, радиоволны или другие волны, такие как ультразвуковые волны, для обнаружения объектов и изменений в их окружении. Они могут сделать это, имея внутри себя источник энергии, который позволяет им излучать излучение в сторону целевого объекта. Это излучение отражается обратно объектом и обнаруживается датчиком, который называется активным датчиком, например, при использовании радара.

Пассивные датчики не излучают собственное излучение или волны — они обнаруживают излучение, испускаемое целевыми объектами, такое как тепловое или тепловое инфракрасное излучение, или обнаруживают излучение от какого-либо внешнего источника, такого как Солнце, которое отражается объекты. Примером может служить термистор для электронного измерения температуры.

Ценность использования сенсоров в том, что они ненавязчивы и способны чувствовать на расстоянии. Как активные, так и пассивные датчики могут быть установлены на спутниках, вращающихся вокруг Земли, для сбора информации о нашей окружающей среде. Излучение, волны или другие физические явления, обнаруженные датчиками, преобразуются в электрические сигналы и обрабатываются компьютерами.

MARVIN Робот оснащен активными датчиками, такими как инфракрасные датчики, ультразвуковые датчики и лазерные датчики. Датчик счетчика, определяющий расстояние, пройденное MARVIN, является пассивным датчиком.

Роботы-датчики рассказывают историю MARVIN — мобильного автономного транспортного средства для навигации внутри помещений, а в статье «Мехатроника» объясняется сочетание электроники, компьютерного программирования и механики, благодаря которым роботы, подобные MARVIN, функционируют.

Природа науки

Научные идеи подвержены изменениям. Изменились представления об электропроводности, что привело к развитию электроники.

Идеи для занятий

Эти задания знакомят учащихся с наукой об электрических цепях.

• Общение с помощью символов учит учащихся тому, как рисовать ряд простых принципиальных схем, используя специальные символы для электрических компонентов, понятные во всем мире.
• Испытание на проводимость включает в себя создание простых электрических цепей для проверки различных материалов на их проводящие свойства.
• Управление сопротивлением исследует концепцию переменного сопротивления с помощью простой электрической схемы.
• Сложные выключатели включают в себя построение электрических цепей для изучения роли переключателей.

Полезная ссылка

Узнайте об активных и пассивных датчиках от НАСА.

Опубликовано 2 сентября 2010 г. Ссылки Статьи Статьи

Перейти к полному глоссарию

Добавить 0 пунктов в коллекцию

1. + Создайте новую коллекцию

Скачать 00003

Скачать все

. | LUCID Vision Labs Датчик изображения — один из важнейших компонентов любой камеры машинного зрения.
Хотя функция датчика состоит в том, чтобы преобразовывать свет в электрический сигнал,
не все датчики устроены одинаково. Узнать больше о том, как работают датчики изображения и как они классифицируются
, поможет вам лучше выбрать правильный.

1. Домашняя страница
2. Технические обзоры
3. Введение в датчики изображения

Датчики можно классифицировать по нескольким признакам, таким как тип их структуры (ПЗС или КМОП), тип цветности (цветной или монохроматический) или тип затвора (глобальный или рольставни). Их также можно классифицировать по разрешению, частоте кадров, размеру пикселя и формату сенсора. Понимание этих терминов может помочь лучше понять, какой датчик лучше всего подходит для их применения.

Как бы они ни классифицировались, назначение датчиков изображения одинаково; для преобразования входящего света (фотонов) в электрический сигнал, который можно просмотреть, проанализировать или сохранить. Датчики изображения представляют собой твердотельные устройства и служат одним из наиболее важных компонентов внутри камеры машинного зрения. Каждый год производятся новые разновидности датчиков с улучшенными размерами, разрешением, скоростью и светочувствительностью. В этой статье мы обсудим некоторые основы технологии датчиков изображения, используемые в камерах машинного зрения, и то, как они соотносятся с их классификациями.

СОДЕРЖАНИЕ

Компоненты датчика изображения

Изображение кремниевые пластины

Функции датчиков внутри камеры

Различия между CCD и CMOS

Mono и цветовые датчики

Сенсор изображения (размер)

Pixel Size Размер

Строительные. Ответ

Типы Global и Rolling Shutter

Компоненты датчика изображения

Ниже приведен типичный датчик изображения CMOS. Чип датчика находится в упаковке с защитным стеклом. На упаковке есть контактные площадки, которые соединяют датчик с платой.

Примечание сбоку

Различные датчики поставляются в разных упаковках. Например, на фото выше датчик с керамическим корпусом PGA.

Вверху: Схема датчика изображения CMOS

Чип твердотельного датчика изображения содержит пиксели, состоящие из светочувствительных элементов, микролинз и микроэлектрических компонентов. Чипы производятся полупроводниковыми компаниями и вырезаются из пластин. Проволочные соединения передают сигнал от матрицы к контактным площадкам на задней стороне датчика. Упаковка защищает микросхему датчика и проводные соединения от физического и экологического вреда, обеспечивает рассеивание тепла и включает в себя соединительную электронику для передачи сигнала. Прозрачное окно в передней части упаковки, называемое защитным стеклом, защищает сенсорный чип и провода, позволяя свету достигать светочувствительной области.

Датчики изображения из кремниевых пластин

Матрицы датчиков производятся большими партиями на кремниевых пластинах. Пластины разрезаются на множество частей, каждая из которых содержит один кристалл датчика. Чем больше размер кристалла датчика, тем меньшее количество датчиков на пластине. Обычно это приводит к более высоким затратам. Одиночный дефект на пластине с большей вероятностью повлияет на датчик изображения большего размера.

Вверху: матрицы датчиков удаляются с пластины с помощью прецизионной резки

Примечание

Производственный процесс от чистой кремниевой пластины до отдельных элементов датчика изображения может занять до нескольких месяцев.

Функции датчика внутри камеры

В системе камеры датчик изображения принимает падающий свет (фотоны), который фокусируется через линзу или другую оптику. В зависимости от того, является ли датчик ПЗС или КМОП, он будет передавать информацию на следующий этап либо в виде напряжения, либо в виде цифрового сигнала. Датчики CMOS преобразуют фотоны в электроны, затем в напряжение, а затем в цифровое значение с помощью встроенного аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Вверху: типичная компоновка камеры CMOS.

В зависимости от производителя камеры общая компоновка и используемые компоненты могут различаться. Основная цель этого макета — преобразовать свет в цифровой сигнал, который затем можно проанализировать, чтобы вызвать какое-то действие в будущем. Камеры потребительского уровня будут иметь дополнительные компоненты для хранения изображений (карта памяти), просмотра (встроенный ЖК-дисплей), а также ручки управления и переключатели, которых нет у камер машинного зрения.

Различия между ПЗС и КМОП

Датчики ПЗС (устройство с заряженной парой)  запускают и останавливают экспозицию для всех пикселей одновременно. Это известно как глобальный затвор. Затем ПЗС передает этот экспозиционный заряд в сдвиговый регистр горизонтальной развертки, откуда он затем направляется в плавающий диффузионный усилитель. Примечание. В 2015 году Sony объявила о планах прекратить производство ПЗС-матриц и прекратить поддержку ПЗС-матриц к 2026 году. 0002 Характеристики ПЗС:
• Глобальный затвор
• Низкий уровень шума
• Высокий динамический диапазон
• Средняя частота кадров
• Возможны смазывания

запускать и останавливать экспозицию по одной строке пикселей за раз, что известно как скользящий затвор. Со временем ситуация изменилась, и сейчас на рынке доступно множество КМОП-сенсоров с глобальным затвором. Датчики CMOS используют меньшие АЦП для каждого столбца пикселей, что обеспечивает более высокую частоту кадров, чем ПЗС. Датчики CMOS претерпели значительные усовершенствования за эти годы, сделав большинство современных датчиков CMOS равными или превосходящими ПЗС-матрицы по качеству изображения, скорости изображения и общей ценности.

Современные характеристики CMOS:
• Модели с глобальным затвором и скользящими затворами
• От низкого до очень низкого уровня шума
• От высокого до очень высокого динамического диапазона
• Очень высокая частота кадров
• Без смазывания

Монохромные и цветные датчики

Датчики видимого света (кроме инфракрасного, ультрафиолетового или рентгеновского) бывают двух основных типов; цвет и моно. Датчики цвета имеют дополнительный слой, расположенный под микролинзой, называемый цветным фильтром, который поглощает нежелательные цветовые длины волн, так что каждый пиксель чувствителен к определенной цветовой длине волны. Для моносенсоров цветной фильтр отсутствует, поэтому каждый пиксель чувствителен ко всем длинам волн видимого света.

Вверху слева: плоскость моносенсора. Справа вверху: плоскость датчика цвета с шаблоном Байера.

Для примера с датчиком цвета, показанного выше справа, используемая матрица цветовых фильтров представляет собой шаблон фильтра Байера. Этот шаблон фильтра использует массив 50% зеленого, 25% красного и 25% синего. В то время как большинство цветных камер используют шаблон фильтра Байера, существуют и другие доступные шаблоны фильтров с другим расположением шаблонов и разбивкой RGB.

Примечание

Для некоторых датчиков, особенно датчиков с меньшим размером пикселя, используются дополнительные микролинзы, помогающие направлять фотоны в фотодиод.

Формат датчика изображения (размер)

Датчики изображения бывают разных форматов (также называемых оптическим классом, размером или типом датчика) и упаковок. Разрешение и размер пикселя определяют общий размер датчика, при этом датчики большего размера имеют либо более высокое разрешение, либо больший размер пикселей, чем датчики меньшего размера. Знание формата сенсора важно для выбора объектива и оптики для камеры. Все объективы предназначены для определенных форматов датчиков и разрешений. Обратите внимание, что форматы датчика описывают только область чипа датчика, а не весь корпус датчика.

Выше размеры сенсора (слева направо): 1/6″, 1/3″, 2/3″, 1″

тип формата 2/3″. Однако фактический размер диагонали кристалла составляет всего 0,43 дюйма (11 мм). Текущие дюймовые типы датчиков НЕ являются фактическим размером диагонали датчика. Хотя может показаться, что типы форматов датчиков определены несколько неоднозначно, на самом деле они основаны на трубках старых видеокамер, где размер в дюймах относится к внешнему диаметру видеотрубки. Ниже приведена таблица с наиболее распространенными типами форматов датчиков и их реальными размерами диагоналей датчиков в мм.

Боковая записка

Вот пример трубки старой видеокамеры. Диаметр этих старых трубок служит классификацией формата датчика для сегодняшних современных датчиков.

Sensor Format vs. Actual Size

Image Sensor Format (Type)	1″	2/3″	1/1.8″	1/3″
Image Sensor Diagonal ( мм)	16 мм	11 мм	8,9 мм	~6 мм

Размер пикселя сенсора

Размер пикселя измеряется в микрометрах (мкм) и включает всю площадь как фотодиода, так и окружающей электроники. Пиксель CMOS состоит из фотодиода, усилителя, затвора сброса, затвора переноса и плавающей диффузии. Однако эти элементы не всегда могут быть внутри каждого пикселя, поскольку они также могут быть общими для разных пикселей. На приведенной ниже диаграмме показана упрощенная компоновка монохромного и цветного пикселя CMOS.

Вверху, упрощенная CMOS монохромная и цветная компоновка пикселей

Как правило, больший размер пикселя лучше подходит для повышения светочувствительности, поскольку фотодиод имеет большую площадь для приема света. Если формат сенсора остается прежним, а разрешение увеличивается, размер пикселя должен уменьшаться. Хотя это может снизить чувствительность сенсора, улучшения в структуре пикселей, технологии шумоподавления и обработки изображений помогли смягчить это. Чтобы получить более точное представление о чувствительности датчика, лучше всего обратиться к спектральному отклику датчика (квантовая эффективность), а также к другим результатам работы датчика.

Монохромный и цветной спектральный отклик

Из-за физических различий между монохромными и цветными датчиками, а также различий между технологиями производителей датчиков и структурой пикселей разные датчики воспринимают свет в разной степени. Один из способов получить более точное представление о чувствительности датчика к свету — прочитать его спектральную диаграмму отклика (также известную как диаграмма квантовой эффективности).

Две приведенные ниже таблицы представляют собой черно-белую и цветную версии одной и той же модели датчика. Слева показана спектральная характеристика моносенсора, а справа — цветового сенсора. По оси X отложена длина волны (нм), а по оси Y отложена квантовая эффективность (%). В большинстве цветных камер машинного зрения установлены ИК-фильтры, блокирующие длины волн ближнего ИК-диапазона. Это удаляет ИК-шум и цветовой переход из изображения, лучше всего соответствуя тому, как человеческий глаз интерпретирует цвет. Тем не менее, в ряде приложений может быть полезно получать изображения без ИК-фильтра. Независимо от того, установлен ИК-фильтр или нет, цветовой датчик никогда не будет таким же чувствительным, как монохромный датчик.

Вверху:  2 примера кривых спектрального отклика с использованием одного семейства датчиков.
Монохромный датчик (слева) и датчик цвета без ИК-фильтра (справа)

Чем выше квантовая эффективность, тем лучше датчик воспринимает свет. Приведенные выше диаграммы являются одним из многих результатов производительности, основанных на стандартах измерения EMVA 1288. Стандарт EMVA 1288 определяет, как тестировать и отображать результаты производительности, чтобы пользователи могли лучше сравнивать и сопоставлять модели разных поставщиков. Посетите сайт EMVA 1288 для получения дополнительной информации.

Global Shutter и Rolling Shutter

Важной функцией датчика является его тип затвора. Двумя основными типами электронных затворов являются глобальный затвор и скользящий затвор . Эти типы затворов различаются по своей работе и конечным результатам изображения, особенно когда камера или цель находятся в движении. Давайте подробно рассмотрим, как они работают и как это влияет на визуализацию.

Общее время затвора

На диаграмме слева показано время экспозиции Датчик глобального затвора . Все пиксели начинают и заканчивают экспозицию одновременно, но считывание по-прежнему происходит построчно. Эта синхронизация создает неискаженные изображения без колебания или перекоса. Датчики глобального затвора необходимы для визуализации движущихся с высокой скоростью объектов.

Синхронизация скользящего затвора

На схеме слева показана синхронизация экспозиции датчика скользящего затвора . Время экспозиции отличается построчно, при этом сброс и считывание происходят в сдвинутое время. Эта экспозиция ряд за рядом приводит к искажению изображения, если цель или камера находятся в движении. Датчики со скользящим затвором обеспечивают превосходную чувствительность для визуализации статических или медленно движущихся объектов.

Заключение

Если вы только начинаете познавать мир камер машинного зрения, приведенная выше информация является отличным началом для понимания того, как индустрия машинного зрения классифицирует датчики.