Slajd 1

Mechatroniczne

systemy

sensoryczne

i wykonawcze:

dr inż. Marcin Jasiński

pok. 1.3.B

jachuu@simr.pw.edu.pl

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.

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.

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.

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.

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

chwili

rozpoczęcia

wyładowania

lawinowego do jego wygaśnięcia, nazywany jest czasem
martwym licznika.

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.

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.

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

wysokiej

niezawodności i dokładności.

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

Pomiary grubości

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.

Zakresy mas powierzchniowych mierzalnych

przy użyciu cząstek lub fotonów z różnych

źródeł izotopowych.

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.

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.

Zaznaczona na rysunku grubość nasycenia d

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.

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

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.

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

strumieniem

fotonów

transmitowanych

lub

rozpraszanych w danym materiale.

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 

odpowiadającej maksimum

tej funkcji.

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

wynosi około 1g/cm

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.

Pomiary gęstości

Radioizotopowe mierniki gęstości cieczy znalazły zastosowanie
głównie

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

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

Pomiary gęstości

Jednym

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.

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.

wyniku

pomiarów

przeprowadzonych

przy

użyciu

powierzchniowych sond gamma-gamma ze źródłem

137

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

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.

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

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.

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

osiągnięcia

poprzedniego

stopnia

promieniowania.

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.

Zasada pomiaru
Materiał

izotopowy

wytwarza

promieniowanie

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

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

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.

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.

Budowa i zasada działania matrycy CCD

Do każdego piksela przyłożona jest elektroda, która po
doprowadzeniu

napięcia,

powoduje

powstanie

studni

potencjału.

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.

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.

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.

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.

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.

Budowa i zasada działania matrycy CMOS

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.

Porównanie CCD i CMOS

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

obróbki

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

zasięg

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

świetlnego

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

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

Porównanie CCD i CMOS

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

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

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

ich

liczba jest zależna od czasu ekspozycji i temperatury.

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.

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

    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

Porównanie CCD i CMOS

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

jest

światłoczuła (tam gdzie są przetworniki), oraz fotodiody
wykonane

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

powierzchni wystawionej na działanie światła.

Porównanie CCD i CMOS

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.

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.

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.

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.

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

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

WideoRejestrator PolCam PC2006

Polskiej produkcji PolCam PC2006 jest przyjaznym dla
użytkownika,

wielofunkcyjnym

systemem

rejestrującym,

stworzonym

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

indywidualnych

wymogów

użytkownika,

zapewniając przy tym łatwy dostęp w celach serwisowych i
modernizacyjnych.

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

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

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

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

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

PolCam

EC-II

WideoRejestrator

urządzeniem

bezpośredniego pomiaru prędkości

PolCam EC-II to przyjazny dla użytkownika, wielozadaniowy
system

rejestracji

montażu

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

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

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

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

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

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

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

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).

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

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

archiwizacji

przeglądania

zarejestrowanego materiału

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

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

możliwością

podłączenia

maksymalnie

szerokokątnych kamer oraz dwa mikrofony: przewodowy-
rejestrujący

dźwięki

wewnątrz

pojazdu

patrolowego,

bezprzewodowy-typu

"clip"

zaczepem

munduru

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

Zastosowanie sensorów CCD I CMOS

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/

Document Outline