Merenja u elektrotehnici

VISOKA ŠKOLA ELEKTROTEHNIKE I RAČUNARSTVA STRUKOVNIH STUDIJA

Predmet:

Senzori i aktuatori na vozilima Seminarski rad:

Davači temperature

Student: Veselinović Petar

- Školska godina 2008/2009.-

Veselinović Petar - seminarski rad: Davači temperature

Davači temperature Merene promenljive Temperatura je definisana kao ne usmerena veličina koja kategorizuje energecko stanje date sredine, i koja može biti funkcija zavisna od vremena i lokacije: T=T(x,y,z,t) Gde su: x, y, z prostorne koodinate, t je vreme, i T je merena veličina u stepenima Celzijusima ili Kelvina. Uopšteno govoreći, u posmatranoj sredini koja je u gasnoj ili tečnoj formi, merenje može biti izvršeno u bilo kojojm tački. U slučaju čvrstih tela, merenja su uglavnom vezana za površinu tela. Sa najčešće korišćenim senzorom temperature,u cilju da senzor primi temperaturu sredine sto je preciznije moguće, senzor mora biti u direktnom kontaktu sa sredinom u kojoj se merenje vrši (termometri sa direktnim kontaktom). U specijalnim slučajevima, blizinski ili bezkontaktni senzori temperature se koriste tako što mere temperaturu sredine na način (infra-crvenog) toplotnog zračenja (radijacioni(zračni) termometar = Pirometar, termalna (toplotna) kamera). Uopšteno govoreći, temperaturni senzor treba da odražava ovu zavisnost sa tačnošću, drugim rečima, treba da se odražava sto je tačnije moguće lokalne promene temperature u funkciji vremena. U posebnim slučajevima, najverovatnije iz funkcijonalnih razloga, ovaj uslov donekle može biti ubalžen. Potreba za visokom rezolucijom i brz odziv zahtevaju da senzor bude što manjih dimenzija, posto ne sme da utiče na rezultat merenja tako što će sam da upije deo toplote. Drugim rečima treba da ima malu toplotnu kapacitivnost. U cilju osiguranja da izmerena temperatura ostane bez ikakvog uticaja od strane kućišta senzora koji je obično različite temperature, treba biti dobro toplotno izolovan od njega. Pošto i izolacija utiče na rezultate, toplota razvijena od većine senzora u aktivnom stanju treba biti na minimumu (< 1 mW). Dinamički odziv temperaturnog senzora je određen vremenskom konstantom τ (tau). Ovo vreme definiše vreme potrebno da senzor dostigne 63%, 90% ili 99% njegovih krajnjih rezultata kada je izlošen skokovitoj promeni temperature. Ovo vreme ne zavisi samo od njegove toplotne kapacitivnosti, ali takođe i velikog opsega usled koeficienta prenosa toplote izmedju senzora i merene sredine. Sto je koeficient veći, senzor brže dostiže krajnje rezultate. Naravno, ovaj koeficijent je mnogo veći za tečne sredine nego za gasne. Takođe treba naglasiti da je koeficient prenosa toplote pod velikim uticajem brzine protoka ν u datoj sredini. Uvećava se za približno √ν. Drugim rečima, 2


vremenska konstanta temperaturnog senzora uvek treba biti specifikovana u odnosu na navedenu brzinu protoka u datoj sredini. Merenje temperature u vozilu se uglavnom zasniva na promeni otpornosti usled promene temperature sa pozitivnim (PTC) ili negativnim (NTC) temperaturnim koeficientom. Termometri sa direktnim kontaktom zasnivaju se na ovoj pojavi. Najčešće, pretvaranje temperaturne promene u analogni naponski signal vrši se dodavanjem još jednog otpornika da bi se formirao delitelj napona ( koji takođe ima linearizujući efekat). U poslednje vreme namena bezkontakto (pirometrijsko) temperaturno merenje korišćeno je za zaštitu putnika u vozilu (davanje pozicije osoba u vozilu zbog aktiviranja vazdušnih jastuka) kao i za komfort i udobnost (klima u kombinaciji sa merenjem temperature kože, prevencija zamagljavanja stakala). Bila je potrebna unapređena mikro-sistemska tehnologija da bi ovaj (pirometriski) metod bio moguć sa financijskog gledišta. Tabela 1 predstavlja temperature u vozilu koje moraju biti merene. Raspon merenih temperatura na raznim tačkama u vozilu.

3


Šema 1: Metode za pretvaranje otpora/napona. I0 strujno napajanje. U0 naponsko napajanje. Rv redni temperaturno nezavisni otpornik. R(T) temperaturno zavisni merni otpornik. Ua(T) izlazni napon.

Nije samo merenje u širokom opsegu koje zahteva mnoštvo raznih tehnologija i koncepta senzora, već zahtevi za različitim tačnostima i dinamičkim odzivima vode do raznih vrsta senzora. Na mnogim mestima, temperatura se takođe meri u slučajevima gde promena temperature izaziva greške ili izvršava neku radnju, nepoželjan uticaj.

Merni principi za kontaktne senzore Činjenica da su svi fizički procesi temperaturno zavisni, to znači da postoji skoro isto toliko načina merenja temperature. Preferirane metode su one u kojima temperaturni efekat karakterističan i dominantan i koliko je god moguće da ima sto linearniju karakteristiku. Takođe, elementi za merenje trebaju biti pogodni za masovnu proizvodnju, kao i pogodni za umnožavanje i ne stareći. Uzimajući u obzir ove činjenice, savremene tehnike senzora došle su u prvi plan, neke su primenjene i u automobilskoj tehnologiji: Otpornički senzori U formi dvopolnih elemenata, temperaturno zavisni električni otpornik posebno je pogodan za merenje temperature, bez obzira da li u žičanom namotaju, sintetičkoj keramici, foliji, tankom filmu, debelom filmu ili monokristalnoj formi. Obično u težnji da se dobije naponsko-analogni signal oni se kombinuju sa stalnim opornikom Rv da bi se formirao delitelj napona, ili se pusti nezavisna struja (Šema 1). Kolo delitelja napona menja originalne karakteristike senzora R(T) u malo drugačiju karakteristiku U(T): U drugu ruku, pustanje struje snabdevanja Io u kolo omogućava da kriva otpornika bude reprodukovana tačno po obrascu:

4


Merenje osetljivosti je umanjena manje ili više u zavisnosti od konstrukcije kola delitelja napona. Uz ove činjenice, u slučaju karakteristike otpornika koje prikazuje da ima slabo naprednu krivu nema linerizujući uticaj (efekat koji je inače dobrodošao). Često, u ovakvoj vezi pomoćni otpornik dimenzioniran je tako da je jednak mernom otporniku u određenom trenutku na temperaturi T0 (na oko 20 stepeni): Ako perciznost nije dovoljna, kod otporničkog senzora se mogu podesiti početnu vrednost i temperaturni koeficient, pomoću paralelno vezanog promenljivog otpornika Rp i rednog otpornika Rs (Šema 2). Naravno, kada se dodaju stalni otpornici temperaturni koeficient je smanjen a i karakteristika se donekle menja. Šema 2: Podešavanje otpornika na njegovu početnu vrednost. a Otpornički senzor b Krive karakteristika 1 Dodatni kontakti 2 Most RNi Nikl-film otpornik Rtot(T) ukupan otpor u zavisnosti od temperature T Rp promenljivi paralelni otpornik Rs promenljivi redni otpornik

Sinterovani-keramički NTC otpornik Kao rezultat njihove preciznosti i jeftine izrade, najčešće korišćeni poluprovodni otpornici su zasnovani na čvrstim metalnim oksidima i oksidiranim mešanim kristalima. Oni su sinterovani u obliku zrna ili diska (Slika 3) i imaju polikristalnu strukturu. Zvog njihove veoma strme temperaturne krive, takođe su 5


poznati i kao NTC otpornici ili termistori. Uz dobru aproksimaciju i primenom eksponencijalnog zakona njihova karakteristika može biti opisana ovako:

Gde su R0 =R(T0), B = 2000 do 5000, K=const, T apsolutna temperatura Ovde, nagib karakteristike krive ili procenat promene otpora kao funkcije od temperature, su jako zavisni od radnog trenutka. Ovo znači da mogu biti definisani samo u datom trenutku: Slika 3: Primeri NTC otpornika. a Oblik zrna b Oblik diska c Krive karakteristike sa ograničenim promenama

Karakteristika se značajno menja sa povećanjem temperature, a i otpornost takođe varira 4 do 5 desetih delova, obično od 100kΩ do par desetina oma. Ova izrazita temperaturna promena znači da je primena ograničena na oko 200 K. Primena može biti u opsegu od -40 ْC do približno 850 ْC. Opseg tolerancije do 6


±0.5 K u datoj referentnoj tački postignut je selektivnim procesom, ili čak potapanjem u ulje, metod koji dosta utiče na cenu. Period starenja je dosta produžen u poređenju sa starim verzijama, sto znači da je sasvim moguće da dobra tolerancija senzora se zadrži kroz negov radni vek. PTC metalni otpornici sa tankim filmom/debelim filmom Metalni otpornici sa tankim filmom sa dva dodatna temperaturno neutralna kalibraciona otpornika sa zajedničkom oblogom imaju prilično visoku tačnost. Mogu biti uske tolerancije u odnosu sa njihovim karakteristikama krive i mogu biti izradjeni da budu stabilni dugo vremena i dodatno su oblikovani laserskim sečenjem. Upotreba tehnologije slojevite gradnje omogućava da se spajaju razni materijali (keramička, staklena, plastična folija) i da se spoljni slojevi (plastični kalup ili boja, zapečaćena folija, stakleni i keramička kućišta) dobro montiraju, i time obezbeđuje zaštitu od posmatrane okoline. Mada su metalni slojevi manje osetljivi na manje promene od keramičkih-oksidnih poluprovodnih senzora, linearnost i reproduktivnost su bolje: Sledi formula za proračun ovih senzora: Gde su ∆T=T-T0 i T0=20 ْC(referentne temperature), α lenearni temperaturni koeficient (TC), β kvadratni temperaturni koeficient. Čak iako je β koeficient veoma mali za metale, ne može biti ignorisan. Zato osetljivost merenja ovakvih senzora kategoriše se po temperaturnom faktoru TC, ’’TC 100’’. TC 100 se podudara sa glavnim nagibima kriva između 0 ْC i 100 ْC (Tabela 2 i Dijagram 4).

Gde Tabela 2: Temperaturni koeficient TC 100

7


Dijagram 4: definicija glavnog temperaturnog koeficienta TC 100 = α100

Sve u svemu platina(Pt) ima najniži temperaturni koeficient, to nisu samo najprecizniji pasivni temperaturni senzori, već imaju i najbolju karakteristiku stabilnosti pri starenju. Na tržištu su u prodaji pod oznakom ”PT 100” ili ”PT 1000” (100Ω ili 1000Ω nominalnog otpora na referentnoj temperaturi od 20 ْC) u mnoštvu klasa tolerancija (do 0.1 ْC) (Diagram 5). Na temperaturama do 1000 ْC, platinumski senzori sa debelim filmom su korisni ukoliko se platinumski sloj stabilizuje sa specijalnim aditivima. Otpornici sa debelim filmom (PTC/NTC) Pasta debelog filma sa visokom otpornošću (mali zahtev za površinom) i pozitivni i negativni temperaturni koeficient su obično upotrebljeni za temperaturne senzore koji se koriste u kompenzacionu svrhu. Imaju nelinearnu karakteristiku (koja međutim nije kao krivina kao kod čvrstog NTC otpornika), i

8


pogodni su za lasersko oblikovanje. Efekat merenja je unapređen formiranjem kola delitelja napona od PTC i NTC materijala. Diagram 5: Dijagram tolerancije Pt otpornika

Monokristalni silikonski poluprovodnički otpornik (PTC) Prosto rečeno, sa monokristalnim poluprovodničkim temperaturnim senzorom od materijali kao što je silikon (Si), moguće je da se dograde i druge aktivne i pasivne komponente kola na čip senzora. Usled bliskih tolerancija, nihovi proizvođači koriste princip ”otpor širenja” (Šema 6a). Struja teče kroz merni otpornik i kroz površinski kontakt pre stizanja do silikonske mase. A ond nastavlja, široko distribuirana, do kontra elektrode napajajući bazu čipa tog senzora. Uz dodatak visoke reproduktivnosti materijalnog sadržaja, velika gustina struje iza kontaktne tačke (visoka tačnost zahvaljujući izrade optičke litografije) uglavnom definiše otpornost senzora. U cilju pravljenja senzora jako ne zavisnog od polariteta, ovi senzori su obično redno vezani u paru u suprotnom poravnanju (verzija sa dve rupe, Slika 6). Bazna elektroda može biti u formi temperaturnog kontakta (nema električnu funkciju).

9


Slika 2: Princip delenje otpora (način sa dve rupe) a Crtež b Kriva karakteristike 1 Kontakti 2 Pasivacija 3 Si podloga 4 Kontra elektroda bez spoja R(T) Temperaturno zavisni otpornik

Merna osetljivost je skoro duplo veca od Pt otpornika (TC=7.73*10-3/K). Progresivno zakrivljenje temperaturne krive je izraženije nego kod metalnih senzora. Opseg merenja je ograničen na otprilike +150 ْC u zavisnosti od provodnosti materijala (Slika 6b). Postoje specijalne verzije (Slika 7) koje je moguće koristiti i na 300 ْC.

10


Slika 7: Otpornički senzor širenja (bezpolarna verzija za temperature do 300 ْC) 1 Metalna žica 2 Staklo 3 Si kristal

Termoparovi Termoparovi se uglavnom koriste za merenje opsega manjih od 1000 ْC. Rade na Sibekovom efektu, prema kome na krajevima provodnika postoji napon ako su krajevi različite temperatue. Ovaj termoelektrični napon Uth zavisi od temperaturne razlike ∆T na krajevima provodnika (Slika 8). Izračunava se po jednačini: gde je konstanta proporcionalnosti specifična za materijal i uslovni Sibekov koeficient. Pošto instrumen korišćen za merenje napona na metalnom provodniku mora biti opremljen terminalima (na primer napravljeni od bakra), oni takođe podnse istu temperaturnu razliku, tako da je na nesreću merena razlika između metalnog provodnika i poveznih kablova. Termoelektrićni naponi su uvek u navedeni u odnosu na platinu kao referentni materijal (Tabela 3).

11


Slika 8: Sibekov efekat 1 Izvor toplote 2 Metalni provodnik + Visoko, - Nisko termalno ubrzanje elektrona T2 Visoka temperatura T1 Niska temperatura Uth Termoelektrični napon

Tabela 3: Termoelektrični napon Uth za razne materijale

U cilju dobijanja sto većih napona koriste se provereni materijali (Dijagram 9, kao sto su grožđe-konstantan i drugi). Važno je da su površine provodnika dobro spojene tako da su provodne na krajevima na koje dolazi toplota (na način uvrtanja, zavarivanja, lemljenja itd. Slika 10).

12


Dijagram 9: Karakteristike nekih termo parova 1 Bakar-konstantan 2 Gvožđe-konstantan 3 Niklhrom-nikl 4 Platinarodijum-platina

Slika 10: Podešavane termo para za merenje A/B par materijala (kontakti termopara) 1 Merna tačka (električno provodni spoj) 2 Spojna glava 3 Kompenzacini kabl 4 Referentna tačka 5 Povezni kabl (Cu) TM merena temperatura TR Referentna temperatura Uth Termoelektrični napon

Termoparovi su obično manjih dužina, a produžeci koji se koriste za dovođenje signala do tačke u kojoj se meri koriste se produžetci od istih materijala od kojih su i termoparovi. Bitno je da oba slobodna kraja konfiguracije termoelementa budu iste temperature, inače će temperaturna razlika uticati na merenje. Tako da termoparovi mere temperaturnu razliku u odnosu na referentnu tačku. Ako bi se merila apsolutna referentna temperatura, drugi senzori bi se morali koristiti za to (kao sto je otpornički senzor). Kriva termoelektričnog napona i temperature nije uvek linearna sto je dato u jednačini:

13


Signali senzora su obično mali pa se koriste (ICs) za pojačanje i linerizaciju signala. U cilju pojačanja merenog napona, često se praktikuje vezivanje više termoparova u rednu vezu. Oni imaju svoju vrući spoj temperature koja se meri i hladan spoj koja predstavlja njihovu referentnu temperaturu (Slika 11, termonaslage). Slika 11: Višestruki termoparovi vezani redno a Princip višestrukih termoparova b Primer postavljanja 1 Osetljiva površina 2 Topli spoj na mernoj temperaturi TM 3 Hladni spoj na referentnoj temperaturi TR 4 Višestruki termoparovi

Sve u svemu termoparovi su robusni (na primer, visok nivo EMC usled malog unutrašnjeg otpora), nisu tačni kao druge sprave za merenje. Njihovo odstupane može lako da dostigne 5ْ C do 15 ْC mernog opsega, a i njihova karakteristika otpornosti usled starenja nije baš najbolja, što znači da individualne kalibracije nisu osguranje za njihovu stalnu tačnost. Naravno termoelementi mogu biti izrađivani i u tehnici tankog filma kao i debelog filma. Metal-filmovi pričvršćeni na vrh jedan drugome daju odlične termo kontakte, a ekstremno mali termoparovi se mogu izrađivati u mikrosistemskoj tehnologiji. Posebno su korisni u kompresovanim višestrukim termoparovima za na primer 50 do 100 inividualnih termoparova. Oni se koriste u bez kontaktnim radijacionim termometrima (pirometrima). 14


Poluprovodnički crpni slojevi Predpostavimo konstantnu struju, napon koji protiče kroz poluprovodničke crpne slojeve slične onima u diodama i u emitoru tranzistora, daju veoma dobru linearnost u funkciji od temperature: Gde su: Isat=Isat(T) i IF=const, q=1.6*10-19C(elementarno punjenje), k=1.88*10-23JK-1(Bolcmanova konstanta), T - apsolutna temperatura. Prednost je u ovom slučaju sto senzor direktno daje napon koji je zavistan od temperature. Dvopolni senzor je zavistan od polariteta. Gde za sve senzore važi da im napon opada skoro tačno 2mV/ْC, apsolutni napon kod crpnog sloja se značajno razlikuje od senzora do senzora, i može zahtevati dodatnu kalibraciju elemenata u cilju preciznog merenja. Pre svega, temperaturno-zavisno zasićenje struje Isat koje je ogovorno za negativni temperaturni koeficient (NTC). Ova se struja se dramatično uvećava porastom temperature. U ovom slučaju, svojstvo silikona ograničava primenu u temperaturnom opsegu <150 ْC. Neki put, tranzistori sa zajedničkim emitorom se koriste u sličnu svrhu za merenje temperature. Uz ovaj način merenja temperature, odnos kolektorske struje sa bilo kojom drugom predstavlja dobru meru za merenj temperature. Obično se koristi dodatno kolo za pretvaranje ``na čipu`` u analogni napon. Slika 12: Poluprovodnički crpni slojevi a Dioda b Tranzistor B Kolektor C Emitor IF Kriva u provodnom stanju UF Protočni napon UBE Napon između baze i emitora

Zener diode upravljane u kontra smeru mogu takođe biti korišćene kao praktični temperaturni senzor. Nihovo punjenje naponom je visoko zavisno od Zenerovog 15


napona. U ovom slučaju, postoji mogućnost izbora između raznih promena nivoa na Zenerovom naponu <4,7 V, i napon uvećan Zener naponom >4,7 V. Takvi senzori se koriste za pretvaranje temperature na samom čipu. Principi merenja kod bezkontaktnih temperaturnih merenja Zračenje koje neko telo emituje se koristi za bezkontaktno merenje (pirometar) njegove temperature. Ovo zračenje je uglavnom infra-crvenog (IR) opsega (talasne dužine od 5 do 20 µm). Precizno rečeno, proizvod izračene energije i emisioni koeficient tela je ono što se meri u ovom slučaju. Kašnjenje je funkcija materijala, ali za materijale koji su tehnički interesantni (uključujući staklo) funkcija iznosi oko 1, a za reflektivne IR-propustljive materijale (kao sto su vazduh, silikon) mnogo je manja od 1. Merna tačka zadata je na elementu koji registruje zračenje, čija temperatura raste u poređenju sa okolinom (obično od 0.01 do 0.001 ْC). Temperatura elementa i temperatura tela koja se nadgleda se porede. Temperaturna razlika ova dva tela je obično jedan prema hiljadu. Ipak, temperatura nadgledanog tela može biti utvrđena sa tačnošću od 0.5 ْC. Bolometar Bolometar je visoko osetljivi otpornički senzor za merenje porasta temperature (Slika 13). U ovom slučaju potreban je dodatni senzor za nadgledanje temperature Bolometrovog kućišta. Ako se očekuje delovanje senzora u širokom temperaturnom opsegu, potrebno je da oba ova senzora imaju ekstremnu sinhronizaciju. Tako da je kućište Bolometra termostatički kontrolisano (i dobro izolovano kućište) tako da primarni detekcioni element (senzor) uvek radi na istoj temperaturi. Slika 13: Prototip ređanja elemenata bolometriskog senzora za ugradnju na vozila 1 Kućište za sočivo sa sočivom 2 Poveznici 3 Kćište infracrvenog detektora 4 Infracrveni otvor 5 Detektor

16


Senzori višestrukih termoparova Kada je u opticaju široki temperaturni opseg, praktičnije je da se temperaturno zračenje tela meri termoparom. U cilju povećanja mernog efekta, neki broj termoparova se veže redno (višestruki termoparovi). Takav termosenzor (Slika 14) nije skup za izradu na mikromehanički način. Svi njegovi topli spojevi su locirani na toplotno dobro osiguranoj tankoj membrani, a svi hladni spojevi su osigurani sa deblim čip ramom (toplotni četvoropol). Tipično vreme odziva senzora je oko 20 ms. Koristeći takozvani ``jednopikselni senzor``, lako je odrediti temperaturu vetrobrana da bi se sprečilo zamagljivanje na niskim temperaturama. Slika 14: Pirometriski senzor napravljen korišćenjem mikromehaničke tehnike, sa pick-off višestrukim termoparom.

a Princip mernih ćelija 1 Silikonski čip 2 Termoparovi povezani redno (Al/poli-Si) 3 SiN membrana 4 Završeci višestrukog termopara 5 Upijački sloj

b Tip senzora 1 Termopar 2 Hladni spoj 3 Membrana 4 Upijač 5 Toplotno zračenje 6 El. spojevi 7 Si3Na sloj 8 SiO2 sloj 9 Toplotni četvoropol

Single-point senzori, senzori slike Ako je neki broj piksela kombinovan na jednom čipu (na primer 4x4) tako da formiraju niz, to omogućava osnovu za grubu obradu slike (Slika 16). Ipak, ne bi smelo biti previše neosetljivih površina između piksela, a i pikseli sami moraju biti dobro međusobno izolovani. Kako svi pikseli mogu opcionalno da odgovaraju električnim signalom, čip ima veliki broj završetaka. Na kućištu 17


TO5, na primer, ASCI kod za predpojačanje signala i redne veze signala mora biti lociran odmah pored čipa. Obično, u slučaju senzora sa višestrukim termoparovima, ovaj ASCI ima referentni temperaturni senzor koji meri apsolutnu temperaturu piksela. Ovo omogućava da temperature objekta budu merene sa tačnošću od ±0.5 K. Slika 16: Mikromehanički niz višestrukih termoparova 1 Silikonski čip 2 Piksel 3,4 Veze između piksela

U cilju reprodukovanja termalne slike na nizu senzora, nizu je potrebna IR optička jedinica. Veoma jeftina zaobljena ogledala se odbacuju jer zauzimaju mnogo prostora. A staklena sočiva ne propustaju IR svetlost, plastična sočiva se mogu koristiti za temperature do 85 ْC. Sa druge strane, Si sočiva su veoma pogodna za toplotno zračenje čak i na prečniku od 4mm mikromehaničke tehnike mogu biti korišćene da se na jeftin način prave u obliku Franselovog ili reflekcionog sočiva. Montiran u poklopac TO5 kućišta, tako da i oni služe za zaštitu senzora od direktnog udara (Slika 15). Iako punjenje kućišta sa inertnim gasom poboljšava vezu između individualnih piksela, takođe loše utiče na vreme odziva.

18


Slika 15: Analiza toplotne slike

a IR senzor slike 1 Silikonsko IR sočivi 2 TO5 kućište 3 Toplotno POSTS 4 Senzorski čip 5 ASCI procenjivač α Ugao koji se vidi

b Prosta IR kamera 1 Elektronika 2 Optički sistem 3 Oblast koju kamera vidi 4 Si IR sočivo 5 Niz senzora

SENZORI SLIKE (VIDEA) Senzori slike počinju da stiču važnu ulogu u motornoj industriji upotrebom vidljive svetlosti ili infracrvene. Mogu da se koriste za nadgledanje kabine ali prvenstveno su u upotrebi za nadgledanje prostora van vozila. Svi senzori ove vrste imaju jedan cilj da simuliraju sposobnosti ljuckog oka i mentalnih sposobnosti (naravno do nekog skromnijeg nivoa za sada). Prikazani su u velikom broju u industrijskim merenjima pre nekoliko godina, uglavnom na robockoj opremi. Cena senzora slike i sličnih senzora visokih performansi korišćenih za posmatranje okoline, su već interesantne u automobilskom sektoru. U poređenju sa ljuckim okom, uobičajeni senzori slike imaju sličnu osetljivost u IR dometu (talasne dužine oko 1µm). Sa odgovarajućim nevidljivim IR osvetljenjem, svi mogući zahtevi postaju izvodljivi, uključujući i noćne operacije. Za zahteve u vidljivom svetlosnom opsegu, senzori slike imaju IR filtere ispred njih da ne bi došlo do krivih merenja usled boja. U budućnosti senzori slike će moći imati visoku raznoliku ulogu nadgledanja unutrašnjosi vozila (položaj sedenja, pomeranje sedišta u napred u slučaja sudara, veličinu osobe u sedištu itd.), i okruženja vozila (smer trake, prevencija sudara, pomoćna 19


sredstva pri parkiranju, prepoznavane znakova duž puta). Uređaj za noćno osmatranje, koji prima IR slike puta i prikazuje ih na ekranu na komandnoj tabli, kojim daje poboljšanu sigurnost u vožnji pri slaboj vidljivosti (mrak, magla itd.), je već u proizvodnji. Senzori slike su specijalni slučaj multisenzora koji sadrži senzore svetlosti (foto-diode), pikseli su poređani u redu ili matrici i primaju svetlost preko uobičajenih optičkih sistema. U slučaju senzora slike od silikona principialno dostupnih (CCD, Charge-Cupled Devices (Punion upareni uređaji) Slike 1 i 2), slobodna punjenja se generišu proporcijalno jačini i vremenu eksponiranja svetlosti koja stiže preko transparentne elektrode; potom su sakupljeni u ``potencijski sud`` (Si-SiO2 vezivni slojevi). Dalje elektrode šalju promene do neprozirne zone iz koje se dalje šalje do registra za analognu promenu (lančani princip ``bucket``) line-by-line u registar koji ih čita redno visokim brizinama. Slika 1: CDD princip. 1 Fotodioda 2 Svetlost 3 Elektrode za skladištenje 4 Kapija za promenu 5 Prenosna elektroda 6 Optička maska

20


Slika 2: Struktura CDD senzora slike

1 Kolona clock pulseva A1/A2 2 Foto senzori 3 CCD niz 4 Liniski clock puls B1/B2 5 Izlazni registar 6 Video izlaz Dok CCD senzori mogu biti korišćeni samo u motornim vozilima do određenog stepena zbog njihove ograničenosti u pogledu svetlosno/tamne dinamike (50 dB), njihovo vreme isčitavanja i temperaturni opseg (<50 ْC), ali inteligentni, senzori slike zasnovani na CMOS tehnolgiji se čine da su skroz primenljivi u motornim vozilima. Logaritamska kriva svetlosti/signala odgovara ljuckom oku i ima dinamički odziv od 120 dB. Ovo čini kontrolu luka nepotrebnim i snabdeva konstantnu kontrastnu rezoluciju u celom svetlosnom opsegu. Ovi senzori digitalno kontrolisani,sa nasumičnim pristupom individualnom pikselu u matričnom senzoru (Slika 3) daju jednovremeno visokom osetljivošću (veći odnos isčitavanja). Prvi korak predprocesa signala čipa senzora slike su već sprovedeni (inteligentni senzor slike). Rezolucija od 1280 x 1024 piksela sa tipičnim idividualnim dimenzijama 6 µm x 6 µm su već mogući m senzori na na tržištu.

21


Slika 3: CMOS senzor slikie sa nasumičnim pristupom pikselu Procesor piksela na svakom pikselu u aktivnoj pikselskoj matrici osigurava kompresiju logaritamskog signala. Čitanje je nasumično i nije pogubno za signal, prenos je bez gubitaka.

NAPOMENA: 1. SEMINARSKI RAD PREDSTAVLJA POMOĆNU LITERATURU ZA PRIPREMU KOLOKVIJUMA/ISPITA 2. ZA ISPITNA PITANJA ODGOVORI SE DAJU IZ ISKLJUČIVO IZ ORGINALNE LITERATURE 3. STUDENTI PRI PRIPREMI ISPITA VRŠE I RECENZIJU SEMINARSKOG RADA I U PISANOM OBLIKU PREDAJU PRIMEDBE PREDMETNOM PROFESORU, ŠTO SE POSEBNO BODUJE!

16.03.2009.

mr Vladimir Matijević

22

Merenja u elektrotehnici

Recommend Documents