Чувствительность датчика это: Общие характеристики датчиков | RuAut

Разное

Содержание

Общие характеристики датчиков | RuAut

Выполняющий измерительное преобразование датчик работает в реальных производственных условиях эксплуатации, зачастую весьма тяжелых, связанных с высокими давлениями и температурами при влиянии агрессивных сред. На датчик одновременно воздействует большое число параметров. Среди этих параметров только один является измеряемой величиной, а все остальные представляют собой внешние параметры, характеризующие производственную среду. Эти внешние параметры являются в данном случае помехами. Каждый датчик должен на фоне помех наилучшим образом реагировать на измеряемую входную величину, вырабатывая соответствующую выходную величину или код выходной величины. При построении датчиков используются различные физические принципы, которые в значительной степени определяют области рационального применения того или иного датчика.

Параметрический датчик изменяет какой-либо из своих параметров под воздействием самой измеряемой величины и требует подключения к какому-либо внешнему источнику энергии.

Генераторный датчик сам генерирует выходной сигнал и не требует подключения к внешнему источнику энергии.

В качестве примеров датчиков такого рода можно назвать различные пьезоэлектрические датчики давления или тахогенераторные датчики скорости вращения. К параметрическим датчикам относятся:

  • резистивные;

  • индуктивные;

  • трансформаторные;

  • емкостные.

К генераторным датчикам относятся:

  • термоэлектрические;

  • индукционные;

  • пьезоэлектрические;

  • фотоэлектрические.

Применительно к датчикам используются следующие основные определения и термины.

Функция преобразования датчика — это зависимость выходной величины данного измерительного преобразователя от входной, задаваемая либо аналитическим выражением, либо графиком, либо таблицей.

Чувствительность датчика — это именованная величина, показывающая, насколько изменится выходная величина при изменении входной величины на одну единицу. Для термопары единицей чувствительности будет мВ/К (милливольты на 1 градус Кельвина), для регулируемого электродвигателя — обороты в секунду на 1 вольт и т.д.

Разрешающая способность преобразования — это наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть измерено преобразователем.

Воспроизводимость является мерой того, насколько близки друг к другу результаты измерений одной и той же физической величины.

Прецизионность является мерой того, насколько близки друг к другу результаты аналогичных измерений.

Точность (погрешность) измерения показывает, насколько показанное датчиком значение параметра близко к его истинному значению. Обычно точность задается в процентах от полной шкалы измерительного прибора и в результате представляет собой некоторую абсолютную величину.

Если прибор используется не по назначению, то возникают ошибки применения. В большинстве случаев при измерении механических величин, нагрузка воспринимается не самим преобразователем, а упругим элементом, который под воздействием измеряемой величины деформируется. Входной величиной в таком случае может быть сосредоточенная сила, крутящий момент, давление газа или жидкости и пр. Выходным сигналом может быть как непосредственно воспринимаемая человеком информация, так и электрический параметр. Различают статическую и динамическую характеристики датчика. Под статической характеристикой датчика понимают зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин. Под динамической характеристикой датчика понимают поведение выходной величины во время переходного процесса в ответ на мгновенное (ступенчатое) изменение измеряемой входной величины. Если в статической характеристике датчика строится зависимость только между значением выходной величины Y в ответ на

зменение входной величины X, то в динамической характеристике датчика участвует параметр времени t и такая характеристика представляет собой зависимость вида Y= Y(t). Очевидно, что установившееся значение выходной величины датчика представляет собой то значение, которое приобретает его выходная величина после окончания всех переходных процессов, т. е. при t стремящимся к бесконечности. Зависимость между установившимися значениями входной и выходной величин применительно к датчикам называется тарировочной кривой. Различные виды статических характеристик измерительных датчиков с пропорциональным выходом приведены на рисунке.

На рисунке «а» приведена идеализированная статическая характеристика такого датчика. Нулевому значению входной величины в этом случае соответствует нулевое значение величины на выходе. 

На рисунке «б» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности. У такого датчика изменение входной величины до значения ΔX, называемого порогом чувствительности, не ведет к появлению какого-либо сигнала на выходе. Лишь после того как окажется, что X> ΔХ, выходная величина будет расти, начиная от нуля, пропорционально изменению входной величины.

На рисунке «в» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности и насыщением выхода. У такого датчика, после достижения порога чувствительности выходная величина растет пропорционально росту входной величины, но до некоторого предельного значения ΔY, которое называется значением насыщения выходной величины. После того как окажется, что Y> ΔY, дальнейший рост входной величины X не приводит ни к какому росту У. 

Наконец, на рисунке «г» приведена идеализированная статическая характеристика датчика с зоной нечувствительности на входе, с насыщением на выходе и с петлей гистерезиса. Гистерезисом называется различие между характером соответствия выходной и входной величин при прямом и обратном ходе изменения входной величины. Практически это выражается в том, что значение выходной величины при возрастании входной величины не совпадает с ее же значениями при убывании входной величины, а следовательно, при наличии гистерезиса чувствительность датчика при «прямом» и «обратном» ходах неодинакова. Заметим, что значение выходной величины при возрастании входной величины может как «опережать», так и «отставать» по сравнению с ее же значениями при убывании входной величины. В первом случае говорят о положительном гистерезисе, а во втором — об отрицательном. Абсолютная величина разницы в значениях X при возрастании и убывании входной величины, при которых на выходе имеет место одно и тоже значение, называется шириной петли гистерезиса. Если ширина петли гистерезиса настолько велика, что тарировочная кривая датчика заходит в область отрицательных значений входной величины, то это означает, что Y= 0 при X < 0, а при X =0 имеет место Y> 0. В таком случае говорят, что данный элемент обладает «памятью», так как на его выходе остается ненулевое значение и после того, как на его входе установится нулевое значение. Но это будет иметь место лишь в том случае, если перед этим величина на входе осуществила цикл возрастания с последующим убыванием хотя бы до нуля. Если же такого цикла на входе не происходило, то на выходе датчика будет продолжать сохраняться нулевое значение. Иными словами, наблюдая за состоянием выхода датчика в данный момент, можно сделать заключение о том, что происходило на его входе в предыдущие моменты. Это и есть то, что принято называть «памятью». Однако в реальной жизни практически не существует датчиков с идеализированной пропорциональной (линейной) зависимостью между значениями выходной и входной величин. Это значит, что приращение выходной величины в ответ на единичное приращение входной величины не является постоянным во всем интервале изменения измеряемой величины. Может создаться такая ситуация, когда в начале изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к существенным изменениям выходной величины, а в конце изменения входной величины произошедшие в ней изменения будут приводить к малым изменениям выходной величины. Может иметь место и обратная картина. 

В ряде случаев для удобства дальнейшего анализа фактическая нелинейная статическая характеристика датчика в определенных пределах измерения и с определенным влиянием на показания этого датчика может быть приближенно заменена неким линейным эквивалентом. В определенных условиях такая операция является допустимой и тогда она носит название линеаризации. В ряде случаев нелинейный характер статической характеристики датчика не является вредным, а может быть эффективно использован для различных задач автоматизации. Примером такого рода, широко используемым в различных устройствах автоматизации, является датчик со статической характеристикой релейного типа. При возрастании входной величины, до того как она достигнет порога срабатывания, на выходе датчика будет наблюдаться нулевое значение выходной величины, а как только входная величина достигнет порога срабатывания, выходная величина сразу же («щелчком») достигнет своей максимальной величины и при дальнейшем возрастании входной величины возрастать больше не будет. Примером такого рода может служить так называемое двухпозиционное регулирование температуры в обычном домашнем холодильнике. Как только температура внутри холодильника достигнет заданной величины, датчик температуры, называемый термостататом и обладающий релейной характеристикой, включит электромотор, прокачивающий хладоагент (фреон). При понижении температуры электромотор отключается и температура внутри холодильника перестает понижаться. Ранее рассматривались статические характеристики таких датчиков, у которых входная величина, возрастая и убывая, оставалась тем не менее большей нуля. Как правило, это и имеет фактически место при изменениях параметров технологических процессов производства деталей машиностроения. Например, это характерно при измерении перемещений рабочих органов станков, давления в гидросистемах или температуры в закалочных печах. Однако в ряде случаев, например при измерении фактических отклонений размера детали от номинала, возможно отклонение измеряемой величины как в положительную, так и в отрицательную сторону. Выходная величина при этом может оказываться пропорциональной модулю изменения входной величины (или же зависящей от него нелинейно) как без гистерезиса, так и с гистерезисом. 

Обычно для сравнения при равных условиях динамических характеристик различных датчиков считают, что на их входы поступают воздействия одного и того же вида, а именно: ступенчатые. Это означает мгновенный «наброс» входной величины. Практически это соответствует, например, включению напряжения на электродвигатель либо помещению термопары в закалочную печь и т.д. Двигатель будет набирать обороты не мгновенно, а в соответствии с динамическими свойствами привода, в который он включен. Показания термопары также начнут отражать температуру в печи не мгновенно, а по мере разогрева спая этой термопары и т.д. Для динамических характеристик датчиков характерны три случая. Первый случай соответствует чистому запаздыванию в датчике, когда его выходная величина просто повторяет (в определенном масштабе) входную величину, запаздывая по отношению к ней на постоянную величину. Второй случай соответствует апериодическому характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению монотонным образом (монотонно убывая или же монотонно возрастая). Третий случай соответствует колебательному характеру переходного процесса, когда выходная величина постепенно приближается к новому установившемуся значению, совершая за время переходного процесса одно или несколько колебаний, превышая на время новое значение выходной величины, а затем возвращаясь к нему. Динамические процессы в датчиках характеризуются показателями качества переходного процесса. К их числу относятся:

  • время завершения переходного процесса;

  • величина превышения в течение переходного процесса выходного параметра над его новым установившимся значением;

  • число колебаний выходной величины за время завершения переходного процесса.

Используется также интегральный показатель качества переходного процесса, обычно представляющий собой подынтегральную площадь кривой переходного процесса. Для датчиков производственных параметров важными характеристиками являются также диапазон измерений, представляющий собой разность между допустимыми максимальным и минимальным установившимися значениями измеряемой величины, а также полоса пропускания, представляющая собой разность между максимальной и минимальной частотами изменения входной величины, для работы с которыми предназначен данный датчик. Что касается погрешностей измерений производственных параметров, неизбежно возникающих в любых практических системах автоматизации, то их принято классифицировать следующим образом:

  • систематические;

  • прогрессирующие;

  • случайные;

  • погрешности применения.

Источник: Шандров Б.В. Чудаков А.Д. Технические средства автоматизации

Чувствительность пьезорезистивных датчиков давления


Пьезорезистивные датчики давления отличаются высокой чувствительностью. Они точны и миниатюрны. Поговорим об их чувствительности.


Пользователи пьезорезистивных датчиков давления ожидают линейного отклика, при котором выходной сигнал пропорционален приложенному давлению. Поэтому кривая диаграммы давления-сигнала должна быть прямой линией, начальная точка которой обозначена нулевым положением, а ее чувствительность — наклонной. Но в реальности форма кривой давления-сигнала обычно показывает резкое отклонение от идеальной линии. Это несоответствие известно как ошибка линейности датчика давления. Зато дуга кривой соответствует его чувствительности.



Из иллюстрации видно, что практически линейная часть кривой соответствует более низкой чувствительности (около 70% от номинального давления стружки). Можно подобрать передатчики с очень низкой нелинейностью (например, 0,05% полной шкалы). Но рабочий диапазон должен находиться в пределах линейной части чипа.

Чувствительность пьезорезистивных датчиков давления

Чувствительность датчика давления во многом зависит от двух факторов:

  • удельное сопротивление рассеянных полупроводниковых резисторов и уровень их пьезорезистивной эффективности,
  • толщина кремниевой диафрагмы.


Наибольшее влияние на чувствительность оказывает толщина кремниевой диафрагмы. Это обусловлено ее механической, химической или же комбинированной обработкой. Данные процессы невозможно контролировать настолько точно, чтобы все измерительные ячейки имели одинаковую чувствительность. Поэтому определены классы датчиков давления для определенных диапазонов. В пределах класса чувствительность может варьироваться примерно на ± 20%. Такое отклонение компенсируется в электронике через ток питания или коэффициент усиления (калибровка).


Линейность пьезорезистивных датчиков давления


В спецификациях линейность обычно выражается в % FS (полная шкала). Что касается измеряемых значений, ошибка может оказаться критичной, даже если в спецификации производителя указана очень небольшая величина, несмотря на отображение в % FS.


В измерительных ячейках линейность зависит от нескольких факторов:

  • полупроводниковые резисторы должны быть достаточно маленькими и рассеиваться точно в правильном месте на кремниевой диафрагме,
  • кремниевая диафрагма должна быть чистой, с острыми краями и точно в нужном месте,
  • линейность меняется независимо от того, измеряется ли положительное или отрицательное давление, то есть диафрагма приобретает вогнутую или выпуклую форму (растягивающая или сжимающая нагрузка),
  • определенное соотношение диаметра и толщины кремниевой диафрагмы. Очень тонкие диафрагмы будут деформироваться при наложенном растяжении: этот баллонный эффект в преобразователях для более низких диапазонов давления приводит к типично S-образному ходу кривой линейности (который не может быть исправлен аналоговыми методами компенсации).
  • очень толстые кремниевые диафрагмы невозможно жестко закрепить на ее краях, как того требует предполагаемая структура: например, в случае с датчиком 1000 бар мембрана вдвое толще, чем сам чип.


Перегрузка и давление разрыва пьезорезистивных датчиков


Типичный ход кривой линейности по большей части довольно прямой, а затем более сплюснутый. Для получения максимально широкого выходного сигнала нужна максимально возможная протяженность этой кривой. До отметки около двух третей курс является настолько линейным, что ошибка составляет менее 0,5% полной шкалы. Более того, погрешность линейности становится все более доминирующей, так что устанавливается предел точности. Независимо от предельно низких и высоких значений, номинальный диапазон давления может быть превышен примерно на 50% чтобы вывести измерительную ячейку из строя.


Чтобы повысить защиту от перегрузок, необходимо отказаться от идеи широкого эффективного сигнала: лучше использовать датчик давления, который сам по себе предназначен для более высокого диапазона. Например, в емкостных датчиках давления можно установить механический упор для деформации мембраны под давлением и обеспечения мощной защиты от перегрузки, но это вряд ли возможно для сравнительно крошечных кремниевых мембран пьезорезистивных датчиков давления с их минимальным прогибом.


Производитель STS определяет давление разрыва как давление, при котором среда может попасть в датчик и разрушить металлическую диафрагму, тем самым вывести датчик из строя. Именно в таким расчетом изготавливаются корпуса погружных датчиков, кабельные разъемы и кабели. Таким образом, значения давления разрыва преобразователя в техническом описании оказываются незначительны.

Типы чувствительных элементов датчиков давления


Существует несколько основных типов чувствительных элементов, применяемых при измерении давления. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому при подборе датчика под конкретную задачу, обязательно нужно начинать с выбора типа чувствительного элемента.


Мембранный прессостат: (реле давления)


Чувствительный элемент — мембрана. (плоский или гофрированный стальной диск).


Самый дешевый вариант в массовом производстве


Механически замыкает и размыкает электрические контакты при изменении давления


Невысокая точность и повторяемость срабатывания


Применим для измерения давления жидкостей, паров и газов


Не подходит для работы с частым срабатыванием


Невысокое сопротивление внезапным скачкам давления


Невысокое сопротивление перегрузкам давления


Сильфонный прессостат: (Реле давления)


Чувствительный элемент — сильфон (стальной цилиндр с гофрированными стенками).


Механически замыкает и размыкает электрические контакты при изменении давления


Применим для измерения давления жидкостей, паров и газов


Высокая точность и повторяемость срабатывания при низких давлениях


Хорошая устойчивость к скачкам давления и перегрузкам


Поршневой прессостат: (Реле давления)


Чувствительный элемент — поршень.


Механически замыкает и размыкает электрические контакты при изменении давления


Обязательно имеет детали уплотнения (кольца, манжеты)


Идеально подходит для гидравлических систем

Подходит для работы с частым срабатыванием

Высокое сопротивление внезапным скачкам давления


Керамический датчик (преобразователь) давления:


Чувствительный элемент — керамическая пластина с электродами.

Преобразует давление системы в пропорциональное изменение электрического сигнала


Подходит для работы с агрессивными средами

Идеально подходит для измерения низких давлений

Невысокая цена

Не требуется заполнения жидкостью пространства за мембраной


Тонкопленочный датчик (преобразователь) давления:


Чувствительный элемент — тонкая пленка стали.

Преобразует давление системы в пропорциональное изменение электрического сигнала

Очень высокая стабильность измерений во времени

Работоспособность при высоких температурах среды

Все смачиваемые части датчика выполняются из нержавеющей стали без дополнительных материалов

Очень высокое сопротивление перегрузкам и скачкам давления

Идеально подходит для измерения высоких давлений до 2000 бар

Не требует заполнения жидкостью пространства за мембраной


Пьезорезистивный датчик (преобразователь) давления:


Чувствительный элемент — пьезорезистивный.

Преобразует давление системы в пропорциональное изменение электрического сигнала

Невысокая цена

Подходит для измерения низких давлений

Пространство за разделительной мембраной обязательно заполняется силиконовым маслом

Требуется температурная компенсация результатов измерений


Перейти в раздел Датчики Давления >>

О перекрестной чувствительности — Хромдет-Экология

О перекрестной чувствительности электрохимических датчиков

Электрохимические датчиков (ЭХД) успешно применяются в газоанализаторах  для измерения содержания вредных веществ в воздухе благодаря своим широко известным качествам: высокой чувствительности, стабильности, миниатюрности и т.п.  По своим характеристикам приборы с ЭХД близки к газоанализаторам, использующим другие методы детектирования, например оптическим, основанным на поглощении детектируемыми компонентами ультрафиолетового и инфракрасного излучения. Существенным отличием является наличие у ЭХД так называемой «перекрестной чувствительности», т.е. отклика не только к целевым компонентам (для измерения которых сенсор и предназначен), но и к некоторым другим соединениям. В некоторых случаях реакция ЭХД на нецелевые  компоненты увеличивает показания, в некоторых случаях уменьшает. Масштаб влияния может значительно различаться.  В качестве примера в таблице приведены некоторые данные о перекрестной чувствительности часто используемых ЭХД, сообщенные производителями. Значения перекрестной чувствительности  могут отличаться для ЭХД разных моделей, для таблицы были отобраны наиболее типичные случаи. В первой горизонтальной строке  приведены  целевые компоненты ЭХД, а в первой вертикальной строке нецелевые компоненты. Зеленым цветом обозначены случаи, когда влияние нецелевого компонента на показания не превышает 5% сигнала, желтым — когда это влияние составляет от 5 до 30% и красным — случаи сильного искажения сигнала — более 30%.

     

Во многих случаях  состав воздуха известен и в нем не имеется химических соединений, влияющих на показания, что, например, характерно для контроля воздуха рабочей зоны и выбросов.  Однако встречаются и области использования приборов с   ЭХД, где наличие таких соединений  может исказить показания.

Для преодоления этого явления производители ЭХД проводят большую работу, подбирая состав электролита и материал электродов. Дополнительно производителями датчиков и приборов предпринимаются дополнительные меры для исключения влияния нецелевых компонентов или уменьшения этого влияния.  Существует несколько путей для решения проблемы перекрестной чувствительности.  

Первый — это предотвращение появления нежелательных компонентов в ячейке ЭХД. Этот метод активно используется на   практике, например выпускаются датчики СО, укомплектованные фильтрами на NOx  и SOx. Фильтры могут быть выполнены в виде отдельных элементов или встроены в ЭХД. В последнем случае срок службы ЭХД может определяться сроком службы фильтра.

Второй путь — это использование ЭХД, измеряющих концентрацию нецелевого вещества и последующее введение поправок в результаты измерений. Этот путь может быть применен ко многим сенсорам.  В этом случае требуется дополнительная калибровка.

Известно, что кроме относительно небольшого числа компонентов, к которым известна перекрестная чувствительность, сообщаемая производителями датчиков, существует множество других соединений, влияющих на показания ЭХД, например спирты. Между тем экспериментальные данные, полученные независимыми исследователями, говорят о том, что датчики СО, например,  не должны использоваться в присутствии метанола и этанола, а датчики NO в присутствии этанола.

Для определения  концентрации некоторых соединений кроме ЭХД могут использоваться  и датчики других типов, например, фотоионизационный (ФИД). Так, при измерении концентрации SO2  в присутствии H2S, к которому датчик SO2 имеет чувствительность на уровне 20% можно использовать газоанализатор с этим датчиком, который измеряет H2S и не имеет чувствительности к SO2.

В некоторых случаях при отсутствии датчиков на нецелевой компонент можно использовать несколько датчиков с разной перекрестной чувствительностью к этому компоненту. Такой способ может быть применен, например, при измерении СО в присутствии H2.

В любом случае для корректной работы газоанализатора необходимо выбрать такой тип датчика, на который нецелевые компоненты оказывают минимальное влияние. Поэтому при заказе оборудования у производителя газоанализаторов необходимо предоставить как можно более полную информацию о производстве, где предполагается разместить газоанализатор и (если имеются), данные о  составе контролируемого воздуха.

Чувствительные элементы датчики — Справочник химика 21





    Ионоселективные электроды — это сенсоры (чувствительные элементы, датчики), потенциал которых линейно зависит от логарифма активности определяемого иона в растворе. Важнейшей частью большинства таких электродов является полупроницаемая мембрана, отделяющая внутреннюю часть электрода (внутренний раствор) от анализируемого и обладающая способностью пропускать преимущественно только ионы одного вида. Исторически первым ионоселективным электродом был стеклянный электрод, разработанный Габером и Клемансевичем в начале XX века. Наряду со стеклянным электродом к датчикам на основе полупроницаемых мембран, обладающим повышенной избирательностью по отношению к ионам определенного типа, относятся и другие ионоселективные электроды. Среди них различают первичные ионоселективные электроды — электроды с жесткой матрицей (стеклянные) и электроды с кристаллическими мембранами электроды с под- [c.173]









    Чувствительный элемент датчика — диод (электронная лампа), состоящий из двух концентрических платиновых цилиндров, смонтированных на цоколе и заключенных в оболочку из нержавеющей стали. Внутренний цилиндр является анодом, по которому с помощью вентилятора просасывается воздух. При чистом воздухе от анода к катоду идет слабый положительный ионный ток. Воздух, содержащий частицы галогенов (например, хлора), попадая в датчик, увеличивает положительный ионный ток. Изменение тока измеряется выходным прибором, а также сопровождается звуковым и световым сигналом. [c.86]

    Получил распространение промышленный кондуктометр, основанный на измерении индукционным методом сопротивления витка из анализируемой жидкости, образованного погружением в нее чувствительного элемента датчика. Датчик состоит из двух трансформаторов питающего и дифференциального. Участок контролируемой жидкости служит витком связи между этими трансформаторами. Ток в жидкостном витке, наведенный полем трансформатора питания, создает магнитный поток, возбуждающий ток в обмотках дифференциального трансформатора. При изменении электропроводности жидкостного витка изменяется величина тока в обмотках дифференциального трансформатора, и схема прибора оказывается в состоянии небаланса. Мерой электропроводности контролируемой жидкости служит устраняющее этот небаланс перемещение плунжера компенсационной катушки вторичного прибора и связанной с ним указывающей стрелки. [c.33]

    В хранилищах сжиженных углеводородных газов, работающих при атмосферном давлении, количество продукта, хранящегося в них, можно определять системой Кор-Вол , разработанной в ВНР. Чувствительным элементом прибора является поплавок, частично погруженный в измеряемую жидкость. В датчик встроено реле уровня для сигнализации максимального и аварийного уровней в резервуаре. Датчик уровня имеет взрывонепроницаемое исполнение. Чувствительный элемент датчика температуры представляет собой плавающую в жидкости конструкцию, включающую в себя ряд термометров сопротивления, которые измеряют температуру по слоям жидкости. Измерительный контур и выход датчика температуры искробезопасны. [c.182]

    Для определения количества воды в нефтепродуктах в зарубежной практике применяют анализатор, основанный на кулонометрическом методе. Из оп меренного дозировочным насосом определенного количества продукта путем продувки сухим азотом отделяется влага. Газ с извлеченной влагой поступает в датчик анализатора. Чувствительным элементом датчика является спиральная стеклянная трубка с прикрепленной к ее внутренним стенкам спиралью из двух тонких платиновых проволочек, не соединенных между собой. Промежутки между витками проволочек покрыты тонким слоем твердой пятиокиси фосфора, которая интенсивно поглощает влагу. К проволочкам подведено напряжение от источника постоянного тока. [c.74]










    При математическом описании чувствительных элементов датчиков, таких, как термобаллон, термопара или термометр сопротивления, необходимо учитывать свойственную им динамическую инерционность. На рис. Х1-2 изображена термопара, помещенная в защитный чехол. При измерений температуры защитный чехол нагревается за счет тепла, отдаваемого измеряемой средой. Уравнение динамики, связывающее температуру и действительную температуру Т жидкости, в которую помещен защитный чехол, может быть получено следующим образом. Пусть разность температуры наружной и внутренней стенок защитного чехла равна (Г — , ) [c.250]

    Наряду с механическими манометрами находят применение электрические манометры. В качестве чувствительного элемента (датчика) в электроманометре используется мембрана. Под воздействием измеряемого давления мембрана деформируется и через передаточный механизм перемещает движок потенциометра, который вместе с указателем включен в электрическую схему. [c.26]

    Большое распространение получают электрические методы измерения давления и расхода газа-носителя. Давление, обычно измеряемое тензодатчиком, преобразуется в цифровую форму и регистрируется цифровым вольтметром. (индикатором). В измерителе давления Сапфир-22 (завод Манометр , Москва) давление определяется тензодатчиком Д-16. Для электрического измерения расхода газа-носителя обычно используют датчики, действие которых основано на принципе действия термоанемометра. Потоковая и электрическая схемы измерения расхода газа с помощью такого датчика представлены на рис. 11.7, Чувствительные элементы датчика, расположенные с обеих сторон от [c.129]

    Метод электрического сопротивления. Чувствительный элемент датчика (трубка, полоска, проволока) изготавливается из материала, состав которого близок к изучаемому. По мере коррозии толщина чувствительного элемента уменьшается, что увеличивает его электрическое сопротивление. Это изменение фиксируется измерительным прибором. При обработке результатов показания прибора пересчитываются в единицы скорости коррозии. [c.458]

    Вторая группа методов позволяет достаточно точно и в реальном времени определять коррозионную агрессивность среды. В то же время получаемые результаты далеко не всегда отражают реальную коррозию стенки трубопровода или аппарата. Это связано с разными гидродинамическими условиями обтекания стенки и чувствительного элемента датчика, наличием на стенках отложений солей и продуктов коррозии, действием микроорганизмов. [c.469]

    По определению ИЮПАК, ионоселективные электроды — это сенсоры (чувствительные элементы, датчики), потенциалы которых линейно зависят от 1 а определяемого иона в растворе . [c.133]

    Снаряды первого поколения состоят из двух карданно-сочлененных секций — аккумуляторной и приборной и измеряют радиус трубы в 10 точках с помощью индукционных датчиков перемещения. Конструкция датчиков позволяет совместить такие противоречивые требования, как широкий диапазон измерения (до 200 мм), высокое разрешение (по глубине) — 0,5 мм, по фронту -50 мм, обеспечивая эти параметры при скорости движения до 10 м/с. Износостойкие накладки на чувствительных элементах датчиков позволяют проходить контролируемый участок без снижения точности измерения. Радиус изгиба трубопровода измеряется с помощью датчиков угла, размещенных в точке сочленения секций снаряда. [c.592]

    Контур регулирования расхода воздуха состоит из чувствительного элемента — датчика малых перепадов давления, установленного на входном трубопроводе измерительного, записывающего и регулирующего прибора преобразователя, состоящего из двух реле исполнительного механизма, управляющего заслонкой выходного трубопровода. [c.171]

    Широкому применению платины, как и других благородных металлов, в качестве катализаторов препятствует их высокая стоимость. (В чистом виде они используются лишь в чувствительных элементах датчиков ряда анализаторов.) Поэтому во всех случаях стараются использовать нанесенные катализаторы. В качестве носителей применяют оксиды алюминия и кремния. [c.36]

    С помощью автоматических регулирующих систем устраняются отклонения от заданного параметра процесса. Регулятор срабатывает после того, как эти отклонения происходят. Поэтому регулирующее действие должно быть рассмотрено с точки зрения динамического режима. Эффективное регулирование процесса обусловлено должной координацией чувствительного элемента (датчика), регулятора и конечного исполнительного элемента (клапана или питателя). Подробное обсуждение способов автоматического регулирования pH и соответствующих приборов не входит в задачу настоящей книги .  [c.366]

    Температурная компенсация достигается вследствие применения жидкостной термометрической системы, в которую входят два помещенных в потоке термобаллона и компенсационный сильфон, действующий через пружину на чувствительный элемент датчика. [c.127]










    Основными элементами схем автоматической защиты (рис. 77, б) являются- чувствительные элементы (датчики 1), линии связи 2, измерительное устройство 3, сигнальное устройство 4 или преобразователь энергии 8, сигнальные лампы 5, исполнительные органы 6, запорные, отсекающие или стравливающие органы 7.  [c.321]

    Для измерения высоких давлений (до 50 МПа) успешно применяются датчики типа СДД (рис. П-З, в). Чувствительным элементом датчика является стальной цилиндр, выполненный заодно со штуцером, что позволяет исключить влияние усилия затяжки при установке датчика на испытуемый объект. Компенсационное сопротивление наматывается на нижнюю часть цилиндра, активное — располагается в верхней его части. [c.84]

    Измерение уровня осуществляется с помощью буйкового уровнемера 1. Точная модификация прибора, которая характеризует длину чувствительного элемента датчика, определяется по максимальному паводковому уровню воды в точке его установки. Работа прибора основана на принципе силовой компенсации изменения веса буйка, частично погруженного в воду. Выходным сигналом прибора является пропорциональное уровню изменение тока от О до 5 или от О до 20 ма. Вторичный прибор 2 уровнемера, в качестве которого используется стандартный автоматический потенциометр со [c.108]

    Основные элементы схем автоматической защиты (рис. 9.2,6) чувствительные элементы (датчики), линии связи, измерительное и сигнальное устройство или преобразователь энергии, сигнальные лампы, исполнительные органы, запорные, отсекающие или стравливающие органы. [c.154]

    Для снятия индикаторной диаграммы применялся теизометрический датчик давления тина ТДД-2 Чувствительным элементом датчика является цилиндр с полумостом тензодатчиков. Рабочий тонзодатчик наклеен па наружную стенку цилиндра, а компенсационный — помещен на утолщенной части цилиндра (рис. 96). [c.145]

    Измерение температурных полей осуществляется подвижными зондами с датчнка-ками температур, которые вводятся в ноток. Датчиками служат термопары, термометры сопротивления и термисторы. (Метрологические вопросы измерения температуры рассмотрены в разд. 7 о термисторах — см. н, 9.7.2.) Чувствительный элемент датчика (спай термопары, нить или пленка термометра сопротивления) находится в контакте с исследуемой жидкостью. [c.407]

    Селективность электрохимических сенсоров зависит от природы чувствительного слоя датчика, т.е. электрода. Так, датчики электронной проводимости, изготовленные из химически стойких материалов (платины, углерода и т.п.), чувствительны к химическим процессам, протекающим с участием электронов, т.е. ко всем окислительно-восстановительным процессам. Датчики ионной проводимости проявляют чувствительность к частицам, которые присоединянэт ионы или служат источниками ионов, проявляющих подвижность в материале, из которого состоит чувствительный элемент датчика. [c.553]

    Чувствительным элементом датчика второго типа (рис. 5.15) является мембрана. При подаче рабочей среды мембрана прогибается, перемещая толкателем среднюю контактную пружину до промежуточного положения между верхним и нижним контактами. При увеличении давления до значения верхней уставки контакт средней пружины замыкается с верхним контактом. При уменьшении давления до значения нижней уставки контакт средней пружины замыкается с ннжним контактом. Нижний и верхний пределы уставки датчика выбирают исходя из запорных свойств пористой структуры электрода. [c.241]

    Воздействие операто ра или автоматического устройства (источник сообщения) на объект (получатель сообщения) осуществляется по цепи управления, состоящей из входного и выходного преобразователей и линии связи. Оценка состояния производится оператором или автоматическим устройством по цепи контроля, состоящей из органов контроля (чувствительные элементы, датчики, из мерительные приборы), -входного н выходного прео бразователей и линии связи. Входной и выходной преобразователи предназначены для преобразования сигналов датчиков или воздействий в форму, удобную для управления или контроля. Осуществление [c.278]

    Метод линейной поляризации. Основное преимущество метода -возмохмгновенной скорости коррозии. Чувствительный элемент датчика представляет собой два или три стальных электрода, помещенных в рабочую среду. Функционирование прибора основано на принципе Штерна-Гири ток (скорость) коррозии обратно пропорционапен поляризационному сопротивлению (линейной поляризации) поверхности электрода, измеренному вблизи стационарного потенциала коррозии. Коэффициент пропорциональности за- [c.458]

    ИПТЭР для установки датчиков скорости коррозии до давлений 4 МПа применяет систему Моникор-Зонд (диаметр проходного сечения шарового крана равен 50 мм), позволяющую устанаиливать чувствительные элементы датчиков на любом уровне сечения трубопровода. Кроме того, в уз.пах контроля системы осуществлен переход [c.460]

    Для агрессивных и (или) легкозамерзающих сред необходимо предусматривать разделительные сосуды, через которые, во избежание повреждения чувствительного элемента датчика, следует отбирать импульсы давления измеряемой среды. [c.604]

    В ЦЗ отбор пробы осуществляют по импульсной трубке диаметром 6 мм, / = 3,5 м мембранным побудителем расхода МПР1-68 из-под колпачного пространства с расходом 12 л/мин. Транспортное запаздывание по доставке пробы к чувствительному элементу датчика прибора составляет 5 с. [c.180]

    Чувствительные элементы (датчики) систем автоматики, предназначенные для измерения определенных величин параметров, качественно изменяют входную величину и преобразуют ее в другой вид сигнала. Наибольшее распространение получили датчики, преобразующие неэлектрические величины в электрические. Но в некоторых системах автоматики используют датчики, которые преобразуют один вид неэлектрических сигналов в другой, например в пневматический, гидравлический, линейное расширение твердого тела. Сигнал, воспринимаемый датчиком из окружающей среды, называется первичньпи сигнал, преобразованный в другую физическую величину,— вторичным. [c.29]

    ВПШ-1 состоит из бесшкального датчика, вторичного показы Бающего и регистрирующего прибора на базе стандартного по тенциометра типа ЭПД и блока регулирования температуры типа БРТ-1. Связь датчика со вторичным прибором электрическая Шкала градуируется в единицах вязкости. На рис. 3-11 представ лена принципиальная схема прибора типа ВП111-1. Датчик виско зиметра состоит из термостатируемой бани, привода с колесом пневматического регулятора и тахогенератора. В термостатируе мую баню 1 помещено кольцо 2, представляющее собой диск, в обо де которого находится тороидальный канал. В канале помещен чувствительный элемент датчика — шарик 3, выполненный из мягкой стали. В канал непрерывно поступает поток анализируемой жидкости. Положение шарика фиксируется чувствительным элементом системы регулирования — постоянным магнитом 4. Движение магнита вслед за шариком, выведенным из положения равновесия, приводит к изменению положения элементов кинематики пневматического регулятора. При увлечении шарика потоком жид- [c.138]

    Разработана более совершенная конструкция высокочастотного кондуктометра (АВК-60-1) для измерения и регулирования концентрации соляной кислоты в аппарате для выделения гидразобензола. Этот прибор имеет погружной датчик индуктивного типа. В стеклянном закрытом стакане закреплен ферри—говый стережень с обмоткой. Нижняя часть стакана дополнительно защищена фторопластом. Электрические свойства катушки, являющейся одним из элементов схемы, в которую включен генератор высокой частоты, изменяются в зависимости от концентрации НС1 в суспензии. Преимущество конструкции этого прибора состоит в том, что чувствительный элемент датчика вообще не соприкасается с реакционной средой. Это особенно важно в связи с тем, что реакционная среда содержит взвесь твердых частиц гидразобензола. Данный прибор применим также для измерения концентрации НС1 в растворе в диапазонах 15—19 и 21—27%. [c.225]

    Так, фирма harter Со. разрабатывает серию датчиков температуры, давления, уровня, в которых радиоактивное излучение проходит че- рез прорезь на счетчик [6]. При изменении контролируемого параметра чувствительный элемент датчика перекрывает часть прорези, вызывая изменение величины потока радиоактивного излучения, поступающего на счетчик.  [c.536]

    При нарушении тяги в дымоходе 24 или погасании пламени запальника 22 откроется сопло соответствующего датчика 15 или 16, что приведет к сбросу давления как в канале регулирования 17, так и в канале контроля 14. Это вызовет закрытие седла 13 микроклапаном 12 (под воздействием его пружины) и седла 4 клапаном 3 в описанной выше последовательности. Подача газа прекращается как на запальник, так и на горелку. Открытие сопла датчика тяги при нарушениях тяги в дымоходе происходит вследствие воздействия нагретых продуктов сгорания газа на биметаллический чувствительный элемент датчика. [c.455]


Датчик движения

Датчик движения — несложное устройство, фиксирующее движение объекта в определенной зоне; включающее любой осветительный прибор на установленный интервал времени при фиксировании движения.

Обычно этот интервал находится в пределах от нескольких секунд до 10-15 минут.

Короткий период включения освещения пригодится при относительно быстром движении человека в зоне видимости прибора (перемещение по коридору или лестнице), а длительный — для включения освещения в комнатах и помещениях, где человеку необходимо совершить какие-либо непродолжительные действия (подсобное помещение или кладовая комната, площадка перед гаражом или автомобильная стоянка).

Такие датчики движения специально рассчитаны именно на человека, поэтому будут игнорировать появление домашних животных (за исключением крупного рогатого скота).

Кроме того, датчик позволяет Вам задать уровень освещенности, при котором он начнет фиксировать движение, что поможет Вам установить необходимый «порог срабатывания» и не включать свет в ярко освещенной комнате.

В слабо освещенных или полностью затемненных помещениях лучше устанавливать максимальную чувствительность датчика, а в помещениях с естественным освещением — среднюю или минимальную.

Как правило, чувствительность на датчике движения выставляется по условной шкале «ночь-день», где «ночь» соответствует максимальной чувствительности, а «день» — минимальной.

Выбирая промежуточные значения чувствительности, Вы можете установить комфортный для Вас «порог срабатывания» датчика движения.

Датчики движения — это удобные помощники в Вашем доме. Они помогают сделать Ваш дом безопаснее, включают освещение там, где Вы появляетесь, и выключают его при Вашем уходе, экономя электроэнергию.

Датчики движения — один из главных шагов на пути автоматизации дома или офиса.

 

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ И УСТАНОВКИ 

Областей применения датчиков движения очень много — любой электрический прибор можно заставить реагировать на появление человека в зоне охвата датчика.

Но чаще всего датчики движения используются для обеспечения безопасности и временного включения освещения. В комплексах безопасности датчики движения могут включать прожекторы, сирены и камеры видеонаблюдения, реагируя на появление человека в охраняемой зоне.

В доме и офисе датчиками движения обычно оснащают осветительные приборы в помещениях, где человек находится непродолжительное время (кладовые комнаты, подсобные помещения и т.д.), в коридорах и на лестницах.

Простота установки датчиков движения позволяет быстро подключить их к системе освещения или безопасности, а небольшие размеры и различные цвета оформления — сделать их незаметными или даже скрытыми.

Самые распространенные способы установки датчика движения — на стене или на потолке помещения (в зависимости от угла обзора конкретной модели датчика), вблизи к управляемому датчиком электроприбору.

Потолочные датчики движения обыкновенно имеют максимальный угол обзора помещения — до 360 градусов.

Модели для настенного крепления имеют меньший угол обзора (90 — 240 градусов) и контролируют часть помещения: пространство перед дверью или окном, лестничное пространство, часть коридора, площадку перед гаражом или стоянкой автомобиля и т.д.

Ваша фантазия не ограничена при выборе места установки датчика движения — выберите любое удобное и не создающее датчику препятствий для обзора.

 

Офис

Подсобные помещения, коридоры и лестницы — везде, где работник появляется на непродолжительное время, включение и выключение освещения может быть автоматизировано, экономя электричество компании и добавляя комфорт в рабочий процесс.

 

 

Главный датчик движения устанавливается над входной дверью в помещение или немного сбоку, в зависимости от планировки конкретного помещения. Осветительные приборы возле двери устанавливаются в любом удобном месте. В зависимости от размера помещения, его планировки, наличия стеллажей, в помещении ставятся дополнительные датчики движения, охватывающие все части помещения. Датчики движения устанавливаются на максимальный интервал включения освещения (10-15 минут, в зависимости от модели), а их «порог срабатывания» выбирается в зависимости от постоянного уровня освещенности помещения (например, в помещениях без окон можно установить максимальную чувствительность датчика, а в комнатах с естественным освещением — среднюю или минимальную). Теперь, при появлении человека в помещении, освещение будет включаться на 10-15 минут. Если человеку потребуется больше времени — достаточно, например, взмахнуть рукой, и датчик снова среагирует и включит свет. Если в помещении имеются стеллажи или оно делится на несколько комнат, дополнительные датчики помогут человеку постоянно находится в освещенной зоне.

 

Квартира

Как только Вы входите в темную кладовую комнату — загорается свет. Вы выходите в коридор, и он становится освещенным там, где Вы проходите. Это не только удобно, но и экономно: Вы сами устанавливаете интервал времени, в течение которого свет будет гореть. Для коридора это может быть десяток секунд, а для комнаты — несколько минут.

 

 

Дом

Перед входом

Вы подходите к своему дому, и на крыльце на несколько минут загорается свет, помогая Вам найти ключи от двери и открыть её.

 

 

Гараж

Яркий прожектор включается на непродолжительное время, когда зафиксировано движение на стоянке Вашего автомобиля: это может быть и предупреждение о незваных гостях, и непродолжительное освещение территории стоянки для Вашего удобства.

 

 

Для освещения больших уличных пространств лучше всего подходят прожекторы с датчиками движения. Прожектор подбирается, исходя из требуемой мощности (т.е., необходимой яркости освещения), и крепится на достаточной высоте (2-5 метров) вблизи стоянки автомобиля. Датчик движения устанавливается на среднюю или минимальную чувствительность (предотвращая дневные включения) и максимальный период включения (10-15 минут). При фиксировании движения на территории стоянки (перемещение автомобиля или человека), датчик будет включать прожектор на указанный период времени. Немаловажным дополнением такого применения датчика движения является вопрос безопасности: в темное время суток датчик будет включать достаточно яркое освещение при появлении любого человека на автомобильной стоянке, что может отпугнуть незваных гостей и автомобильных воров.

 

Лестничный пролет

В доме Вы подходите к лестнице, и над ней зажигается свет, освещая Вам дорогу на другой этаж, а через некоторое время свет снова гаснет, экономя Ваше электричество.

 

В двухэтажном доме датчик движения устанавливается на потолке или стене над лестницей так, чтобы в зоне его охвата оказался весь лестничный пролет, аналогично крепятся и осветительные приборы. Период включения освещения можно поставить небольшой — 1-3 минуты, так как человек не будет находится на лестнице продолжительное время. Чувствительность датчика устанавливается по следующему принципу: полное или частичное отсутствие постоянного уровня освещения — максимальная чувствительность, естественный уровень освещения — средняя или минимальная. В многоэтажном доме схема установки освещения делается подобно двухэтажному варианту для каждого лестничного пролета, то есть для лестницы на 3 этажа понадобится 2 датчика, для 4-х этажей — 3 датчика и так далее. Таким образом, при фиксировании движения на любом участке лестницы, соответствующий датчик движения будет включать освещение над этим участком и позволит Вам подниматься и спускаться по полностью освещенной лестнице, не заботясь о включении света.

Спускаясь в гараж или подвал, Вы не оступитесь и не будете ощупывать стены в поисках выключателя — свет предупредительно загорится, и позволит Вам не торопясь включить основное освещение.

 

Ванная комната

Заходя у себя дома в ванную комнату на короткий промежуток времени, Вам не нужно специально включать свет, если в помещении ванной установлен датчик движения. В ванной комнате устанавливается непрерывно включенный и экономичный ночник, поддерживающий постоянный, но низкий уровень освещения. Датчик движения (для этих целей лучше всего подходит датчик с углом обзора 360 градусов) крепится на потолке помещения. Перед входом в ванную комнату устанавливается традиционный выключатель света. Как только Вы входите в ванную комнату для того, чтобы помыть руки — на несколько минут включается свет. Если Вы хотите принять ванну и рассчитываете находиться в помещении продолжительное время, Вы просто включаете свет перед тем, как войти. Если Вы забудете это сделать — датчик движения включит освещение в ванной комнате на установленный период (например, 10 минут), но после выключения света Вы не окажетесь в полной темноте — Вам поможет постоянно включенный ночник, а снова включить освещение Вы сможете, например, взмахнув рукой.

Почему датчики движения реагируют на животных и как этого избежать

Установив дома датчики движения, вы рассчитываете на моментальное реагирование на посторонних. Вор перешагнул порог или забрался в окно — сработала тревога. И можете не сомневаться, что с этой задачей справятся устройства любой качественной сигнализации. Но реагирование на движение — это только половина дела: важным качеством датчиков является умение определять, что именно движется. Они должны быстро и безошибочно обнаруживать человека, в то же время игнорируя естественные помехи и домашних питомцев. Всё это для того, чтобы вы и охранная компания были уверены: если система безопасности подняла тревогу — угроза реальная и нужно реагировать немедленно.

Эта статья расскажет, как видят мир инфракрасные датчики движения, благодаря каким технологиям они способны отличить овчарку от злодея и о чем стоит помнить хозяевам животных, устанавливая дома сигнализацию.

Как устроены инфракрасные датчики движения

Датчики движения на основе инфракрасных сенсоров улавливают инфракрасное излучение, иначе говоря, тепло.

Чем ближе к белому, тем сильнее излучение — теплее объект.

Иногда говорят: «Датчик движения увидел человека». Однако на самом деле эти устройства не видят предметов, животных или людей, они имеют дело только с данными.

Специальная изогнутая линза Френеля фокусирует инфракрасное излучение на пиросенсор датчика. Затем сигналы сенсора направляются в микропроцессор, где преобразовываются в числовые данные. А дальше происходит анализ и оценка угрозы — именно в этом процессе ключевое отличие смарт-датчиков от примитивных собратьев. Зная интенсивность инфракрасного излучения и динамику перемещения источника, программные алгоритмы определяют характер угрозы, и датчик принимает решение: поднять тревогу или проигнорировать.

Как реализован иммунитет к животным в датчиках движения Ajax

В помещениях

Датчики движения для помещений MotionProtect, MotionProtect Plus, CombiProtect и MotionCam при правильной установке и настройках не реагируют на животных ростом до 50 сантиметров и весом до 20 килограмм. Предельный вес называется как понятный ориентир, а в действительности значение имеет размер теплового пятна в инфракрасном спектре. Напомним: датчики не видят объектов, они анализируют их инфракрасное излучение.

Датчики движения менее чувствительны у земли. Предполагается, что именно там будут обитать большие домашние питомцы.

Для оценки угрозы датчики движения используют разработанный Ajax Systems программный алгоритм SmartDetect. При обнаружении движения SmartDetect анализирует форму сигнала инфракрасного сенсора и сравнивает его со значениями, характерными для движений людей. В связи с тем что размер теплового пятна животного небольшой и сигналы поступают в нижнюю зону линзы Френеля (пропускающую меньше излучения на сенсор), датчик не поднимает тревогу.

Также в датчиках движения Ajax используется система температурной компенсации. Она повышает чувствительность пиросенсора, когда температура воздуха близка к температуре человеческого тела (36°С), а когда контраст между температурой тела и среды высокий, понижает чувствительность. Благодаря этому датчики остаются эффективным во всем температурном диапазоне и защищены от ложных тревог при низких температурах.
На улице

Уличные датчики MotionProtect Outdoor и MotionCam Outdoor не реагируют на животных ростом до 80 сантиметров. Для эффективного игнорирования всех типичных для улицы помех эти датчики оснащены двумя инфракрасными сенсорами и считывают сигналы из двух областей пространства. Они поднимают тревогу только если движение фиксируют оба сенсора.

Как и датчики Ajax для помещений, уличные датчики используют алгоритм SmartDetect — это первый программный уровень защиты от ложных тревог. Алгоритм анализирует данные каждого сенсора и сравнивает их между собой. Как правило, уже на этом этапе датчик готов принять решение: игнорировать или поднять тревогу. Но если ситуация неоднозначная, будет задействован анализ спектра: частотных составляющих сигналов двух сенсоров. Это уникальная для охранных датчиков система защиты от ложных тревог получила имя LISA.

Уличный двунаправленный датчик движения штора DualCurtain Outdoor оснащен двумя системами из двух ИК-сенсоров. Он имеет узкий горизонтальный угол обзора и использует трехэтапный цифровой алгоритм ELSA. При сработке датчик последовательно сравнивает формы, паттерны и временные промежутки сигналов сенсоров, отсеивая ложные тревоги.

👉 Узнать больше об уличных датчиках Ajax

Что нужно учесть, чтобы датчики движения не реагировали на животных

1. Убедитесь, что датчики движения установлены на оптимальной высоте.

Комнатные датчики MotionProtect, MotionProtect Plus, CombiProtect и MotionCam устанавливаются на высоте 2,4 метра. Датчики движения типа штора MotionProtect Curtain при использовании в помещениях с животными должны монтироваться в перевернутом положении на высоте, превышающей рост животного.

Инструкции: MotionProtect, MotionProtect Plus, CombiProtect, MotionCam, MotionProtect Curtain

Уличные датчики закрепляются на высоте 0,8–1,3 метра. Ось взгляда верхней линзы должна быть параллельна плоскости земли. Даже незаметное глазу отклонение оси на дальних расстояниях сместит зону обзора верхней линзы выше человека или направит в землю. Поэтому важно провести тесты зон обнаружения.

Инструкции: MotionProtect Outdoor, MotionCam Outdoor, DualCurtain Outdoor

Когда датчики движения для помещений установлены ниже рекомендованной высоты, животные перемещаются в зоне повышенной чувствительности. Если овчарка пройдется на задних лапах или даже небольшой спаниель разыграется на кресле, датчик может поднять тревогу.

На улице важно учитывать рельеф охраняемого участка. Если большая собака будет попадать в зону обнаружения обеих линз уличного датчика, иммунитет к животным может не справляться и система будет поднимать тревогу.

2. Установите в настройках датчиков подходящую чувствительность.

При охране помещений с животными в настройках датчиков MotionProtect, MotionProtect Plus и CombiProtect устанавливается средняя или низкая чувствительность — в зависимости от габаритов животного.

3. Убедитесь, что животное не может приблизиться к линзе комнатного датчика.

Чем ближе подвижный объект к линзе, тем больше его тепловое пятно. Если собаке удастся подпрыгнуть на уровень датчика в непосредственной близости от его линзы, сработает тревога. Так же и в случае с котом, который по шкафу подобрался к датчику.

Учитывайте, что при активации функции “Детекция в ближней зоне” у DualCurtain Outdoor существенно снижается эффективность иммунитета к животным. Используйте эту функцию для защиты окон и других проходов, к которым нет доступа у животных.


Чтобы исключить даже вероятность ваших волнений и напрасных выездов патрулей из-за срабатываний на животных, используйте новые датчики движения с фотоверификацией тревог MotionCam или MotionCam Outdoor. При обнаружении движения они делают снимок или серию из 2-5 кадров. И вы и охранная компания точно знаете, что стало причиной тревоги: разыгравшийся питомец или проникнувший в дом грабитель.

Узнать больше о возможностях MotionCam и MotionCam Outdoor

Терминология датчика

— NI

Динамическая линейность датчика — это мера его способности отслеживать быстрые изменения входного параметра. Характеристики амплитудного искажения, характеристики фазового искажения и время отклика важны для определения динамической линейности. Учитывая систему с низким гистерезисом (всегда желательно), амплитудная характеристика представлена ​​как:

F (X) = aX + bX 2 + cX 3
+ dX 4 + ••• + K (6-2)

В уравнении 6-2 член F (X) представляет собой выходной сигнал, в то время как члены X представляют входной параметр и его гармоники, а K — константа смещения (если есть).Гармоники становятся особенно важными, когда гармоники ошибки, генерируемые действием датчика, попадают в те же полосы частот, что и естественные гармоники, создаваемые динамическим действием входного параметра. Все непрерывные формы волны представлены рядом Фурье основной синусоиды и ее гармоник. В любой несинусоидальной форме волны (включая изменяющиеся во времени изменения физического параметра). Присутствующие гармоники могут быть затронуты действием датчика.

Рисунок 6.Кривые выходного и входного сигнала, показывающие (а) квадратичную ошибку; (б) кубическая ошибка. Источник: J.J. Карр, датчики и схемы Prentice Hall.

Характер нелинейности калибровочной кривой (рисунок 6) кое-что говорит о том, какие гармоники присутствуют. На рисунке 6a калибровочная кривая (показанная пунктирной линией) асимметрична, так что существует только нечетных гармонических членов. Принимая форму идеальной кривой F (x) = mx + K, Уравнение 6-2 становится для симметричного случая:

F (X) = aX + bX 2 + cX 4 + ••• + K (6-3)

В другом типе калибровочной кривой (Рисунок 6b ), указанные значения равны , симметрично относительно идеальной кривой mx + K .В этом случае F (X) = -F (-X), а форма Уравнения 6-2 следующая:

F (X) = aX + bX 3 + cX 5 + ••• + K (6-4)

Юридическая записка

Выдержка из книги Введение в технологию биомедицинского оборудования, третье издание, опубликованной издательством Prentice Hall Professional (http://www.phptr.com). Авторские права Prentice Hall Inc. 2006. Все права защищены.

Что такое чувствительность и почему заявления о чувствительности часто вводят в заблуждение?

Чувствительность

Кривую отклика светочувствительного датчика можно разделить на три части: темная область, линейная область и область насыщения.Типичная кривая отклика показана на графике ниже.

Темная область кривой отклика показывает реакцию сенсора на очень слабую освещенность. Выходной сигнал датчика в темной области очень низкий, шумный и непредсказуемый. По мере того, как вы постепенно увеличиваете количество света, падающего на датчик, вы найдете точку, в которой выходная мощность датчика начнет предсказуемо увеличиваться по мере увеличения количества света. Эта точка называется шумовым эквивалентом воздействия (NEE).

После достижения точки NEE выходной сигнал датчика становится линейным.Выходной сигнал остается линейным до тех пор, пока не будет достигнута точка, называемая эквивалентной экспозицией насыщенности (SEE). В этот момент увеличение интенсивности света приводит к нелинейному увеличению выходного сигнала датчика.

Градиент линейного участка кривой отклика датчика обычно называется чувствительностью и обычно измеряется в В / мкДж / см2. Чем выше выходное напряжение датчика для данного количества света, тем выше его чувствительность.

Но когда вы говорите о датчиках, говорить только о чувствительности не имеет смысла.Во-первых, NEE также очень важен. Поскольку датчик с высоким значением NEE будет слепым при низких уровнях освещенности, значение NEE должно быть как можно более низким.

Еще один момент, который следует учитывать, заключается в том, что цифровая камера — это система, и что чувствительность сенсора является лишь одним из факторов, влияющих на выходной сигнал камеры. Электронные устройства в камере, такие как аналого-цифровые преобразователи и усилители, также влияют на выходной сигнал. В Basler мы считаем, что «отзывчивость» камеры — лучший показатель ее производительности.Мы также считаем, что, поскольку наши камеры являются цифровыми, чувствительность должна быть указана как 1 DN / мкДж / см² (DN означает цифровое число). На графике ниже показана кривая чувствительности.

Если камера предоставляет функцию усиления, как большинство из них, чувствительность будет зависеть от настройки усиления. И чувствительность действительно имеет смысл только тогда, когда она указывается в сочетании с измерением шума камеры, такого как размах, отношение сигнал / шум.

Рассмотрим пример. Предположим, вы сравниваете две камеры и у них есть следующие характеристики:

На первый взгляд, вторая камера кажется лучше, чем первая, потому что ее чувствительность выше.Однако, если первая камера имеет функцию усиления, мы можем отрегулировать усиление и увеличить чувствительность до двух. Имейте в виду, что если мы настроим усиление, чтобы удвоить чувствительность с одного до двух, мы также удвоим шум. Теперь у нас такая ситуация:

Какая камера лучше? Теперь они оба имеют одинаковую чувствительность, но у камеры меньший уровень шума. Первая камера была бы лучшим выбором.

Урок, который следует извлечь из всего этого, заключается в том, что чувствительность датчика сама по себе не дает полной картины, и что мы должны обязательно использовать аналогичные критерии измерения при сравнении камер.

(PDF) Обзор чувствительности и стабильности датчика

Второе определение — это то, что обычно используется

в

поле датчика

, однако по причинам, обсужденным выше, третье определение

, которое включает сигнал для коэффициент шума

в

определение

, будет лучшим индикатором качества датчика.

Включая стабильность резонатора [l]

или

Q-value [l51 в

определение добротности для датчиков было предложено

ранее.

Сравнения

из

10

МГц

и

100

МГц

Датчики

По

сравните высокочастотные и низкочастотные датчики, рассмотрите

следующие примеры.

Предположим, что

предположим, что: 1) датчики

являются резонаторами основной моды с частотами 10 МГц

и

100

МГц, 2) шум, измеренный отклонениями Аллана

, o, ( ls), являются и

IO- ‘,

соответственно,

3)

, что гистерезис

и соответственно, а скорость старения

в день и

10-

в день, соответственно.

Кроме того, давайте определим разрешающую способность как нормированное изменение частоты, вызванное измеряемой величиной

, которое равно

шуму, измеренному как o, (ls), и неопределенности измерения (воспроизводимости)

после

. отклонение температуры

должно быть вызванным измеряемой величиной нормированным изменением частоты

, равным гистерезису.

Пусть тип датчика

1

будет кварцевым термометром Y-образной формы с

и

f

vs.

T

крутизна

=

на K. Тогда для версий 10 МГц и 100

МГц возможности разрешения равны

K

и

l @

K,

соответственно и воспроизводимость составляет

lo- ‘

K

и

lo-‘

K,

соответственно, т.е. более низкочастотный датчик имеет

lox

лучшее разрешение, воспроизводимость и старение.

Пусть датчик типа 2 будет микровесами из кварцевого кристалла на

, на который нанесена пленка (той же плотности, что и кварц) толщиной

, равной

lo4

из

10

МГц

толщина резонатора. Частота резонатора 10 МГц

изменяется на -1 ppm, а частота резонатора

100

МГц изменяется на -10 ppm.Тогда отношения сигнал / шум

будут равны

IO3

для обоих, т.е. возможности разрешения

будут одинаковыми для датчиков 10 МГц и

100

МГц

. Точно так же воспроизводимость будет такой же.

Однако старение датчика 100 МГц будет на

lox

хуже.

P

4

Резюме и выводы

Последствиями более высокочастотных датчиков являются:

Большее изменение частоты на единицу измеряемой величины

Более высокий уровень шума

смещает большее изменение частоты на единицу

измеряемой величины; может уменьшить способность разрешать небольшие изменения

в

измеряемой величине

Более высокий гистерезис

смещает большее изменение частоты на

единиц

измеряемой величины; может привести к

в

худшей воспроизводимости

старению

плохой долгосрочной стабильности и точности

(калибровка)

меньший резонатор

более высокая мощность

цифровая электроника)

цифровое измерение возможность

практически не затрагивается

если

используется обратный счетчик

Чувствительность, определяемая как изменение частоты на единицу измеряемой величины

, не является полезным показателем качества датчика

, поскольку нестабильность датчика ограничивает используемую чувствительность .Показатель качества

должен включать как чувствительность, так и стабильность

, например, гистерезис, деленный на чувствительность, и

o, (ls), деленное на чувствительность, где чувствительность — это нормализованное изменение частоты

на

единиц

.

измеряемой величины. Первый

— это мера воспроизводимости сенсора, а второй

— мера его разрешающей способности.

Требуются стандартные термины и определения датчиков.

Ссылки

(Ссылки 1-3,9-13, 15 доступны в Интернете в UFFC-

S

Цифровой архив:

http: //www.ieee-uffc.ordarchive

.)

. [l] Дж. Р. Виг, «О чувствительности акустического датчика», IEEE Trans.

по ультразвуку, ферроэлементам и частотам. Контроль,

Vol.

38,

3,

п.

31

1, май 1991 г.

[2] F.Л. Уоллс

и

Дж. Р. Виг, «Основные ограничения стабильности частоты кварцевых генераторов

», BEE Trans.

Ультразвук, сегнетоэлектрики и частотный контроль, стр.

[3] T.E. Паркер, «Характеристики и источники шума в стабильных генераторах

», в

Proc.

41-я

Annu.

Symp.

Част.

Contr.,

1987, стр. 99-1 10.

[4]

IEEE

Стандартный

1

139-1999

[5] A.W. Уорнер, «Конструкция и характеристики Ultraprecise

2,5-миллиметровых кварцевых кристаллов», Bell System Technical

Journal, стр. 1193-1217, сентябрь 1960; перепечатано в Интернете в

в разделе «История» на

httu: //www.ieee-uffc.ordfc

[6]

А. Баллато, «Пьезоэлектрические резонаторы», глава 3, стр.

78-8 1, в

Б.

Parzen, Design of Crystal and Other

Harmonic Oscillators, John Wiley and Sons, Inc.,

1983.

[7] A.J. Budreau

и

P.H. Карр, «Температурная зависимость

затухания упругих

поверхностных волн в кварце», Appl. Phys. Lett. 18, pp.

[8]

T.

R. Meeker,

W.R.

Shreve

&

P.С. Кросс, «Теория и

Свойства

из

Пьезоэлектрические резонаторы и волны», в

E.

А. Гербер и А. Баллато, Precision Frequency

Control, Vol.

1,

pp. 123-145, Academic Press, 1985.

[9]

D.

E. Pierce,

Y.

Kim, и

J.

R. Vig , «Температурные

нечувствительные кварцевые микровесы», Proc.1997 IEEE

Int’l Frequency Control Symp., Стр. 41-48.

[lo]

J.

R. Vig, «Двухрежимные генераторы для часов и датчиков

», Proc. 1999 EEE Int’l Ultrasonics

Symposium, стр. 859-868.

[l l] J.A. Кустерс и Дж.

Р.

Виг, «Температурный гистерезис

в

Кварцевые резонаторы

Обзор», Proc. 44-й ежегодный симпозиум

по контролю частоты, стр.165-175,

1990.

[l21 Н. Мацумото,

Y.

Судо, Б. Синха и М. Нива,

«Долговременная стабильность и рабочие характеристики

кристаллического датчика при высоких давлениях. и температуры »

576-589, июль 1995.

239-241, 1971.

32

Как оценить чувствительность камеры

Сравнение характеристик камеры с использованием стандарта производительности изображения EMVA1288

Что внутри:
  • Введение в измерения характеристик изображения на основе EMVA1288
  • Определение различных измерений и способы их измерения
  • Сравнение характеристик камер при слабом освещении при разном времени выдержки
  • Сравнение традиционной ПЗС-матрицы с современной КМОП-матрицей
  • Сравнение поколений сенсоров Sony Pregius
  • Заключение

Сравнить основные характеристики камеры, такие как частота кадров, разрешение и интерфейс, легко; используйте наш новый селектор камеры для фильтрации и сортировки 14+ спецификаций EMVA, чтобы найти точное соответствие требованиям вашего проекта.Однако сравнение характеристик изображений камер, таких как квантовая эффективность, временный темновой шум и способность насыщения, имеет тенденцию быть немного более сложным. Во-первых, нам нужно понять, что на самом деле означают эти различные измерения.


Что такое квантовая эффективность и измеряется ли она на пике или на определенной длине волны? Чем отношение сигнал / шум отличается от динамического диапазона? В этом техническом документе рассматриваются эти вопросы и объясняется, как сравнивать и выбирать камеры на основе данных о характеристиках изображения в соответствии со стандартом EMVA1288.

EMVA1288 — это стандарт, который определяет, какие аспекты характеристик камеры следует измерять, как их измерять и как представлять результаты единым методом. Первый раздел официального документа поможет понять различные аспекты работы датчика изображения. В нем будут изложены основные концепции, которые важно понимать при рассмотрении того, как датчик изображения преобразует свет в цифровое изображение и в конечном итоге определяет производительность датчика. На рисунке 1 представлен один пиксель и освещены эти концепции.

Рисунок 1. Как датчик изображения преобразует свет в цифровое изображение

Сначала нам нужно понять шум, присущий самому свету. Свет состоит из дискретных частиц, фотонов, генерируемых источником света. Поскольку источник света генерирует фотоны в случайное время, в воспринимаемой интенсивности света будет шум. Физика света утверждает, что шум, наблюдаемый в интенсивности света, эквивалентен квадратному корню из числа фотонов, генерируемых источником света.Этот тип шума называется дробовым шумом.

Следует отметить, что количество фотонов, наблюдаемых пикселем, будет зависеть от времени экспозиции и интенсивности света. В этой статье мы будем рассматривать количество фотонов как комбинацию времени экспозиции и интенсивности света. Точно так же размер пикселя оказывает нелинейное влияние на способность датчика собирать свет, потому что его необходимо возвести в квадрат, чтобы определить светочувствительную область. Подробнее об этом пойдет речь в следующей статье в контексте сравнения производительности двух камер.

Первым шагом в оцифровке света является преобразование фотонов в электроны. В этой статье не рассматривается, как это делают датчики, а скорее представлена ​​мера эффективности преобразования. Отношение электронов, генерируемых в процессе оцифровки, к фотонам называется квантовой эффективностью (QE). Пример сенсора на Рисунке 1 имеет QE 50%, потому что 3 электрона генерируются, когда 6 фотонов «падают» на сенсор.

Перед оцифровкой электронов они сохраняются в пикселе, называемом колодцем.Количество электронов, которое может храниться в лунке, называется емкостью насыщения или глубиной лунки. Если яма принимает больше электронов, чем емкость насыщения, дополнительные электроны не будут храниться.

Когда пиксель завершает сбор света, измеряется заряд в лунке, и это измерение называется сигналом. Измерение сигнала на рисунке 1 представлено стрелкой. Ошибка, связанная с этим измерением, называется временным темным шумом или шумом считывания.

Наконец, шкала серого определяется путем преобразования значения сигнала, выраженного в электронах, в 16-битное значение пикселя аналогово-цифровых единиц (ADU). Отношение между значением аналогового сигнала и значением цифровой шкалы серого называется усилением и измеряется в электронах на ADU. Параметр усиления, определенный в стандарте EMVA1288, не следует путать с коэффициентом усиления процесса «аналого-цифрового» преобразования.

При оценке характеристик камеры часто используют отношение сигнал / шум и динамический диапазон.Эти два показателя производительности камеры учитывают отношение шума, наблюдаемого камерой, к сигналу. Разница в том, что динамический диапазон учитывает только темпоральный темновой шум, в то время как отношение сигнал / шум также включает среднеквадратичное суммирование дробового шума.

Абсолютный порог чувствительности — это количество фотонов, необходимое для получения сигнала, эквивалентного шуму, наблюдаемому датчиком. Это важный показатель, потому что он представляет собой теоретическое минимальное количество света, необходимое для наблюдения любого значимого сигнала.Подробности этого измерения будут более подробно описаны в следующих статьях.

Чтобы помочь сравнить датчики и камеры, основанные на стандарте EMVA1288, FLIR провела первое в отрасли всестороннее исследование характеристик изображения более чем 70 моделей камер.

Измерение Определение Под влиянием Установка
Дробовой шум Корень квадратный из сигнала Вызвано природой света e-
Размер пикселя Ну, размер пикселя… Конструкция датчика мкм
Квантовая эффективность Процент фотонов, преобразованных в электроны на определенной длине волны Конструкция датчика %
Временной темновой шум (шум чтения) Шум в датчике при отсутствии сигнала Конструкция сенсора и камеры e-
Насыщенность (глубина скважины) Количество заряда, которое может удерживать пиксель Конструкция сенсора и камеры e-
Максимальное отношение сигнал / шум Наивысшее возможное отношение сигнала ко всему шуму, включенному в этот сигнал, , включая дробовой шум и временный темновой шум .” Конструкция сенсора и камеры дБ, бит
Динамический диапазон Отношение сигнал / шум, включая только временный темновой шум Конструкция сенсора и камеры дБ, бит
Абсолютный порог чувствительности Количество фотонов, необходимое для получения сигнала, равного шуму Конструкция сенсора и камеры Ƴ
Усиление Параметр, указывающий, насколько большое изменение электронов необходимо для наблюдения изменения в 16-битных ADU (более известных как шкала серого) Конструкция сенсора и камеры e- / ADU

Сравнение характеристик камер при слабом освещении

Для целей этого технического документа мы будем рассматривать такие приложения, как распознавание номерных знаков (LPR) или оптическое распознавание символов (OCR), где обычно используется монохромное изображение, а количество света, которое может улавливать камера, может быть ограничено из-за короткой выдержки. раз.Достаточно просто определить разрешение, частоту кадров и поле зрения, необходимые для решения проблемы изображения, однако решить, будет ли камера иметь достаточную производительность изображения, может быть сложнее.

Эта проблема обычно решается методом проб и ошибок. Давайте рассмотрим пример, в котором разработчик системы технического зрения определяет, что для приложения достаточно VGA-камеры с ’’ CCD, работающей со скоростью 30 кадров в секунду. Первоначальные тесты могут показать, что камера имеет достаточную чувствительность при выдержке 10 мс, когда объект неподвижен.См. Рисунок 2, на котором показан простой пример с символами B, 8, D и 0, которые могут быть легко сбиты с толку алгоритмом машинного зрения. Верхнее левое изображение, полученное с помощью ’’ CCD-камеры, дает изображения, подходящие для обработки изображений.

Рисунок 2: Результаты, полученные с помощью ПЗС-камер 1/4 » и 1/2 » при разном времени выдержки

Однако, когда объект начинает двигаться, время экспозиции необходимо уменьшить, а камера не может предоставить полезную информацию, потому что буквы «B» и «D» нельзя отличить от цифр «8» и «0».Изображения в среднем и нижнем левом углу рисунка 2 показывают ухудшение качества изображения. В частности, ’’ CCD при времени экспозиции 2,5 мс дает изображения, непригодные для обработки изображений.

В данном примере предполагается, что большая глубина резкости не требуется, и поэтому минимальное F-число объектива является приемлемым. Другими словами, невозможно собрать больше света, открыв затвор объектива.

Итак, дизайнеру нужно подумать о другой камере.Вопрос в том, может ли другая камера улучшить производительность системы. Использование более крупного датчика обычно считается хорошим способом решения проблем с низкой освещенностью, поэтому датчик ½ ’’ может быть хорошим выбором. Но вместо того, чтобы продолжать метод проб и ошибок, может оказаться полезным рассмотрение характеристик камеры EMVA 1288 по обработке изображений.

Камера Датчик Размер пикселя (мкм) Квантовая эффективность (%) Темпоральный темновой шум (e-) Емкость насыщения (эл.)
1/4 ’’ Камера
(FL3-GE-03S1M-C)
ICX618 5.6 70 11,73 14 508
Камера 1/2 »
(BFLY-PGE-03S3M-C)
ICX414 9,9 39 19,43 25 949

Глядя на данные EMVA 1288, можно заметить, что ’’ сенсор имеет лучшую квантовую эффективность и более низкий уровень шума, но ½ ’’ CCD имеет больший пиксель и большую емкость насыщения. В этой статье показано, как определить, будет ли камера ½ «» работать лучше.

На рис. 3 камеры сравниваются путем построения графика зависимости величины сигнала от плотности света (фотоны / мкм2). Сигнал как функция плотности света определяется по следующей формуле:

Важное предположение, сделанное в этой статье, заключается в том, что у объективов одинаковое поле зрения, одинаковое число F и одинаковые настройки камеры.

Рисунок 3: Сигнал, создаваемый камерами CCD 1/4 » и 1/2 », в зависимости от уровня освещенности

Подпишитесь, чтобы получить больше подобных статей

Зарегистрироваться

На рисунке показано, что при той же плотности света датчик ½ ’’ будет генерировать более высокий сигнал.Также можно заметить, что насыщение происходит при аналогичном уровне плотности света 700 фотонов / мкм2, однако датчик ½ ’’ имеет значительно более высокую насыщающую способность.

В приложении, рассматриваемом в этом техническом документе, сравнение камер необходимо проводить при низком уровне освещенности. Поэтому рассмотрение уровней шума становится особенно важным.

На рисунке 4 показаны сигнал и шум при слабом освещении. Шум, представленный на рисунке, представляет собой сумму среднеквадратичного значения временного темнового шума и дробового шума, который был рассчитан по следующей формуле:

Рисунок 4: Сигнал и шум ПЗС-камер 1/4 » и 1/2 » при низкой освещенности

График показывает, что абсолютный порог чувствительности (уровень освещенности, при котором сигнал равен шуму) достигается датчиком ½ ’’ на несколько более низком уровне, чем у датчика ’’.Более важной мерой, необходимой для определения того, какая камера будет работать лучше при слабом освещении, является отношение сигнал / шум (SNR).

На рис. 5 показано соотношение сигнал / шум двух камер в зависимости от уровня освещения.

Рисунок 5: Отношение сигнал / шум для камер CCD 1/4 » и 1/2 » при низкой освещенности

Исходя из более высокого отношения сигнал / шум датчика ½ ’’, теория предполагает, что камеры ½ ’’ должны работать лучше, чем камера ’’ при слабом освещении.

Из изображений на Рисунке 2 видно, что при времени экспозиции 2,5 мс датчик ½ ’’ сохраняет форму символов при всех временах выдержки, в то время как датчик ’’ затрудняет различение символов. Таким образом, датчик ½ ’’ работает лучше, а практические результаты соответствуют теории.

Компания FLIR провела обширное исследование камер и опубликовала результаты работы с изображениями EMVA 1288. Эта информация может использоваться для сравнения производительности различных моделей камер.Хотя реализация камеры действительно влияет на качество изображения, это исследование в целом может быть полезно при сравнении любых двух камер с датчиками, описанными в документе.

FLIR предлагает специальные документы для сравнения камер. Свяжитесь с [email protected], чтобы запросить сравнение моделей камер FLIR.

Следует отметить, что метод, описанный в этом техническом документе, полезен для получения общего представления о том, насколько хорошо одна камера будет работать по сравнению с другой. Этот метод может помочь исключить камеры, которые вряд ли улучшат требуемую производительность, однако окончательная проверка производительности камеры проводится в реальном приложении.

Сравнение традиционной ПЗС-матрицы с современной КМОП-матрицей

Теперь мы сравним характеристики традиционного ПЗС-сенсора и современного КМОП-сенсора в условиях низкой освещенности и в сцене с широким диапазоном условий освещения.

В предыдущем разделе мы показали, что камера с Sony ICX414, ПЗС-матрица VGA ½ дюйма, работает лучше в условиях низкой освещенности, чем камера с Sony ICX618, ПЗС-матрица VGA ’’. Теперь мы сравним ½ ’’ VGA CCD с новым Sony Pregius IMX249, 1/1.2 ’’ КМОП-матрица с разрешением 2,3 мегапикселя с глобальным затвором.

На первый взгляд это может показаться сравнением «яблок с апельсинами», однако стоимость камер с этими двумя датчиками сопоставима и составляет примерно 400 евро, интересующая область VGA в CMOS-камере на самом деле ближе к оптическому размеру » камера и частота кадров также аналогичны при разрешении VGA.

Данные EMVA 1288 для камер показывают, что CMOS-датчик IMX249 имеет значительно лучшую квантовую эффективность, более низкий уровень шума и более высокую насыщающую способность.С другой стороны, матрица CCD ICX414 имеет более крупный пиксель, что было критическим параметром в примере, представленном в предыдущей статье.

Камера Датчик Размер пикселя (мкм) Квантовая эффективность (%) Темпоральный темновой шум (e-) Емкость насыщения (эл.)
Камера CCD 1/2 «
(BFLY-PGE-03S3M-C)
ICX414 9.9 39 19,43 25 949
1 / 1,2-дюймовая CMOS-камера
(BFLY-PGE-23S6M-C)
IMX249 5,86 80 7,11 33,105

Рисунок 6: Отношение сигнал / шум датчиков ICX414 CCD и IMX249 CMOS при низких уровнях освещенности

Рисунок 7: Результаты, полученные с помощью датчиков ICX414 CCD и IMX249 CMOS при разном времени экспозиции

Более интересное сравнение проводится при более высокой интенсивности света из-за разницы в способности насыщения между двумя датчиками.На рис. 8 показан сигнал как функция интенсивности света во всем диапазоне интенсивностей света. Из графика можно увидеть, что датчик ICX414 CCD достигнет насыщающей способности при примерно 700 фотонов / мкм 2 , в то время как CMOS-датчик IMX249 будет насыщаться при более чем 1200 фотонов / мкм 2 .

Рисунок 8: Сигнал, создаваемый ПЗС-матрицей ICX414 и КМОП-матрицей IMX249, в зависимости от уровня освещенности

Первый вывод, который можно сделать, заключается в том, что изображение, создаваемое датчиком ICX414 CCD, будет ярче, чем изображение, созданное датчиком IMX249 CMOS.Если это не очевидно из графика, рассмотрите изображение, которое будет получено при плотности около 700 фотонов / мкм2. В случае сенсора ICX414 CCD изображение должно иметь самые высокие уровни шкалы серого, скорее всего, насыщенное, в то время как сенсор IMX249 CMOS будет выдавать изображение с яркостью чуть более 50% от максимальной. Это наблюдение важно, потому что наивный подход к оценке чувствительности камеры заключается в наблюдении за яркостью изображения. Другими словами, предполагается, что более яркое изображение будет получено с камеры с более высокими характеристиками.Однако это неверно, и в этом примере на самом деле все наоборот: камера, которая создает более темные изображения, на самом деле имеет лучшую производительность.

Рисунок 9: Результаты, полученные с помощью датчиков ICX414 CCD и IMX249 CMOS в сложных условиях освещения

Второе наблюдение заключается в том, что CMOS-датчик IMX249 создает изображения, которые полезны для обработки изображений в более широком диапазоне условий освещения. На рисунке 9 показана одна и та же сцена, полученная двумя камерами.Следует отметить, что более темная часть изображений была улучшена для отображения, однако основные данные не были изменены. Из изображений видно, что ПЗС ICX414 насыщена в светлых областях сцены, в то же время в темных областях слишком много шума, чтобы символы были различимы. Напротив, CMOS-сенсор IMX249 создает четкие символы в ярких и темных частях сцены.

Наконец, мы можем сделать вывод, что недавняя технология CMOS с глобальным затвором стала жизнеспособной альтернативой CCD в приложениях машинного зрения.Датчики не только менее дорогие, имеют более высокую частоту кадров при эквивалентном разрешении и не имеют таких артефактов, как размытие и размытие, но и превосходят характеристики изображения ПЗС-матриц.

Сравнение поколений Sony Pregius

Как мы уже говорили в предыдущем разделе, размер сенсора сильно влияет на производительность сенсора из-за того, что более крупные пиксели позволяют собирать в них большее максимальное количество фотонов, а также позволяют собирать больше фотонов при тех же условиях освещения.Компромисс для увеличения размера пикселя заключается в том, что размер сенсора должен быть больше, чтобы соответствовать заданному разрешению, по сравнению с использованием сенсора с меньшим размером пикселя, что увеличивает стоимость сенсора. На рисунке ниже показано, как изменился размер пикселя между различными поколениями сенсоров Sony Pregius.

Рисунок 10: Различия в размере пикселей между датчиками Sony Pregius

разных поколений

Несмотря на тенденцию к уменьшению размера пикселя (помимо сенсора 3-го поколения), качество изображения сенсора увеличивалось с каждым поколением, за исключением емкости сенсора.Основная причина улучшения качества изображения заключается в низком временном темновом шуме датчика, обнаруженного во 2-м поколении и более поздних версиях. На приведенном ниже рисунке показано, как временный темновой шум датчика прогрессировал в различных поколениях датчика Pregius.

Рис. 11: Pregius S поддерживает низкий уровень шума чтения
Чтобы получить полное представление о характеристиках датчика изображения, пожалуйста, обратитесь к таблице ниже, где указаны характеристики типичного датчика каждого поколения Pregius.

Наблюдая за таблицей выше, можно заметить, что, несмотря на наименьший размер пикселя, качество изображения датчика Pregius S сравнимо с датчиками 2-го и 3-го поколения, это связано с конструкцией датчика с задней подсветкой, которая позволяет использовать более широкий угол входа фотона, который помогает захватить больше света на пиксель.

Рис. 12. Датчики BSI меняют традиционную конструкцию датчика с передней подсветкой, что упрощает проникновение фотонов на светочувствительный фотодиод каждого пикселя

Эта новая конструкция датчика позволяет семейству датчиков Pregius S поддерживать характеристики изображения предыдущих поколений, используя при этом самый маленький пиксель, что приводит к датчикам с более высоким разрешением по относительно низким ценам.

Заключение

В этом техническом документе мы изучили ключевые концепции, используемые при оценке производительности камеры. Мы представили стандарт EMVA1288 и применили результаты для сравнения характеристик камеры в различных условиях освещения. Есть еще много других аспектов производительности камеры, которые можно учитывать при оценке камеры. Например, квантовая эффективность резко меняется на разных длинах волн, поэтому камера, которая хорошо работает на 525 нм, может не работать почти так же хорошо, когда источник света находится на частотах, близких к инфракрасному (БИК).Точно так же при длительной экспозиции, характерной для флуоресценции и астрономической визуализации, необходимо учитывать влияние темнового тока, типа шума, который важен при чрезвычайно низких уровнях освещенности.

Выбрать правильную камеру на основе характеристик изображения непросто, однако мы надеемся, что этот технический документ немного помог разобраться в этой увлекательной и сложной теме.

Отфильтруйте и отсортируйте, используя более 14 спецификаций EMVA, чтобы найти точное соответствие требованиям вашего проекта — попробуйте наш новый селектор камеры.

Градуированный внутризаполняемый ионно-электронный датчик давления на основе архитектуры со сверхшироким диапазоном высокой чувствительности

Принципы конструкции GIA и чувствительный механизм

Термин «внутризаполняемость», который мы здесь называем, относится к способности конструкции приспосабливаться к ее деформированной части посредством самонаполнение. В отличие от ровных поверхностей, ключевыми морфологическими особенностями внутризаполняемой конструкции являются поднутрения и канавки на поверхности, которые могут создавать пространства для размещения окружающих структур, подвергающихся деформации.Чтобы выяснить основной механизм, с помощью которого GIA обеспечивает замечательную чувствительность в широком режиме давления, мы исследовали четыре типичных микроструктуры, выполнив анализ методом конечных элементов (FEA) (рис. 1a): полусфера; наклонный столб; внутризаполняемый столб без уклона; и GIA. Обычно мягкие материалы, используемые для изготовления датчиков давления, несжимаемы, то есть материал сохраняет свой объем во время механической деформации. При отсутствии внутренних пустот (т.д., структура пены) или поверхностных канавок, объемные конструкции из несжимаемых материалов демонстрируют высокую устойчивость к внешнему давлению, что приводит к низкой структурной сжимаемости, что ясно продемонстрировано полусферой на рис. 1а.

Рис. 1: Принципы проектирования градиентной интраполняемой архитектуры (GIA) и чувствительный механизм.

a Распределение напряжений результатов моделирования для различных архитектур при давлении до 400 кПа: полусфера; наклонный столб, внутризаправляемый столб без уклона и GIA. b Изменение площади контакта между диэлектрическими слоями разной архитектуры и противоположным электродом в широком диапазоне чувствительности (0–400 кПа). c Схематическое изображение работы ионного датчика давления до и после подачи давления. d Схематическое изображение изготовления ионно-электронного датчика давления на основе GIA. e Угол наклона 45 ° и вид в разрезе f СЭМ-изображения пленки PVA / H 3 PO 4 GIA, показывающие канавки и поднутрения.

Наклонная стойка на рис. 1а представляет собой класс нестабильных выступающих конструкций, которые могут деформироваться при сжатии. Однако изогнутая опора по-прежнему имеет быстро увеличивающееся сопротивление давлению после образования тесного контакта, действуя как стабильные конструкции. В частности, GIA, который имеет плотные поднутрения на поверхности и канавки, которые могут принимать выпуклые выступы, улучшит сжимаемость конструкции благодаря следующим двум аспектам. Во-первых, стойки прогибаются и при сжатии начинают заполнять поднутрения на поверхности, что допускает большие деформации, прежде чем они полностью коснутся дна (см.рис.1а, в случае 50 кПа). Во-вторых, из-за неровной природы поднутрений на поверхности все еще существуют зазоры между изогнутыми стойками и поднутрениями на поверхности после форм контакта (см. Рис. 1а, при 100 кПа). Эти зазоры будут постепенно заполняться по мере роста давления, что позволяет производить дальнейшее сжатие конструкции при высоких давлениях (см. Рис. 1а, от 50 до 400 кПа).

В дополнение к поверхностным поднутрениям, путем дальнейшего введения градиента высоты между распределенными выступами, электрод будет образовывать более короткие выступы после того, как более высокие изгибаются, что приводит к постепенному увеличению площади контакта между пленкой GIA и электродом в широком диапазоне. режим давления.Между тем, начальная площадь контакта A 0 до приложения давления соответственно минимизируется, так что нормализованное изменение площади контакта Δ A / A 0 GIA показывает существенный рост с увеличением давления по сравнению с к остальным исследованным микроструктурам (рис. 1б). Такое значительное увеличение нормализованной площади контакта впоследствии увеличивает удельную емкость из-за образования EDL на границе раздела пленка / электрод ионно-электронного GIA, т.е.е., C EDL , что примерно на 5–6 порядков больше, чем его неионтронные аналоги. Как показано на рис. 1с, в ионно-электронной пленке GIA распределено большое количество пар положительных и отрицательных ионов с низкой молярностью. При подаче напряжения электроны на электроде и противоионы в GIA агрегируются в области контакта на нанометровом расстоянии, увеличивая емкость 33,34 .

Специальная наждачная бумага с выпуклыми зернами и отверстиями под ними (дополнительный рис.1a) оказался идеальным шаблоном для изготовления такой пленки GIA (дополнительный рис. 1b). На рисунке 1d показан процесс изготовления ионно-электронного датчика давления на основе GIA, в котором пленка PVA / H 3 PO 4 (синяя) и Au (коричневая) на основе GIA используются в качестве диэлектрика и электрода соответственно. Раствор PVA / H 3 PO 4 наносят на отверждаемую наждачную бумагу с последующим извлечением из формы. Для ионной пленки PVA / H 3 PO 4 выступы формуются из отверстий наждачной бумаги, а канавки и поднутрения — из выступающих зерен.Рис. 1e представляет собой изображение пленки PVA / H 3 PO 4 , извлеченное из шаблона, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии (SEM), демонстрирующее ступенчатые выступы и канавки на поверхности, а также поднутрения, выделенные белыми пунктирными кружками. . Поперечное сечение СЭМ-изображения (рис. 1f) также демонстрируют эти выступы и поднутрения, подтверждая, что пленка PVA / H 3 PO 4 является законным GIA, как мы предложили. Мы также экспериментально визуализировали увеличение площади контакта между пленкой PVA / H 3 PO 4 GIA и электродом под повышенным давлением путем окрашивания электродов чернилами (дополнительный рис.2а). В соответствии с результатами FEA, площадь контакта значительно увеличивается по мере увеличения давления даже в режиме высокого давления (дополнительный рис. 2b).

Чувствительные свойства ионно-электронного датчика давления на основе GIA

Чувствительность датчика давления емкостного типа определяется как \ (S = \ delta (\ Delta C / C_0) / \ delta P, \), где C и C 0 — измеренная емкость и начальная емкость до приложения давления ( P ), соответственно.Высокая чувствительность достигается, когда небольшое изменение давления приводит к большому изменению емкости Δ C . Для неионтронных CPS Δ C возникает из-за уменьшения толщины диэлектрика и эффективной диэлектрической проницаемости, которая обычно в несколько раз ограничена величиной C 0 . В частности, Δ C / C 0 ионно-электронных датчиков может достигать 10 6 из-за образования EDL на границе раздела диэлектрик / электрод.Чувствительность исследуемого ионно-электронного датчика на основе GIA демонстрирует беспрецедентно высокое значение в широком диапазоне давлений (рис. 2а). Усредненная чувствительность составляет S 1 ~ 3302,9 кПа -1 (или 3,3 Па -1 ) при давлении ниже 10 кПа и составляет S 2 ~ 671,7 кПа -1 в пределах диапазон давления 10–100 кПа. В режиме высокого давления (> 100 кПа) датчик показывает почти линейный отклик с чувствительностью S 3 ~ 229.От 9 кПа −1 до 360 кПа. Удивительно, но минимальная чувствительность нашего сенсора выше максимальной чувствительности любого ранее заявленного CPS 3,16,23,24,25,29,36 . Обратите внимание, что такие замечательные характеристики чувствительности довольно стабильны на нескольких образцах (дополнительный рисунок 3). Три фазы чувствительности можно кратко пояснить следующим образом. Перед приложением давления площадь контакта интерфейса GIA / электрод существенно мала (дополнительный рисунок 4), таким образом, начальная емкость C 0 составляет всего несколько пФ из-за минимального образования EDL и почти не зависит от частоты испытаний. (Дополнительный рис.5а). По мере того, как давление постепенно увеличивается до 10 кПа, электрод входит в контакт с кончиком более высоких выступов (см. Эксперименты на дополнительном рис. 2b при 10 кПа и FEA на дополнительном рис. 4), в результате чего увеличивается зависящая от частоты емкость EDL. , что является внутренней характеристикой ионно-электронных датчиков (дополнительный рис. 5b). Переход от низкой начальной емкости ( C 0 ∼ пФ) к ионно-электронной сверхемкости ( C ∼ нФ) обеспечивает сверхвысокую чувствительность в режиме низкого давления.После этого, когда давление увеличивается до 100 кПа, происходит коробление более высоких выступов с последующим заполнением и контактом с канавками на поверхности (рис. 1а, при 50 кПа). Во время этого процесса параллельно формируется больше конденсаторов EDL микромасштабного размера, что приводит к увеличению емкости. По мере дальнейшего увеличения давления внутреннее заполнение продвигается за счет замены большего количества межфазных зазоров изогнутыми выступами, а тем временем электрод соприкасается с выступами на меньшей высоте, что позволяет неуклонно наращивать образование EDL до тех пор, пока большинство зазоров не будет заполнено.

Рис. 2: Чувствительные свойства ионно-электронного датчика давления.

a Изменение емкости в диапазоне давлений до 360 кПа. b Предел обнаружения (LOD). c Время отклика на частоте 1 кГц. d Стабильность работы проверена более 5000 циклов под высоким давлением 300 кПа. e Характеристики изгиба более 2000 циклов при радиусе изгиба (R) ~ 6,5 мм.

Кроме того, у нашего датчика низкий предел обнаружения (LOD) равен 0.08 Па, как показано на рис. 2b. Чтобы оценить скорость динамического отклика датчика, на датчик давления осторожно поместили гирю 10 г (эквивалентное давление ~ 5 кПа), после чего быстро отпустили, обнаружив время отклика 9 мс и время релаксации 18 мс (рис. 2c). ), которые намного быстрее, чем у кожи человека (30–50 мс) и существующих микроструктурированных пьезо-КПС 16,17,22,37,38 . Для гибких датчиков давления высокая механическая прочность при длительном или циклическом использовании также играет решающую роль в надежном соотношении ввода-вывода.Было выполнено повторное испытание на сжатие / отпускание в течение 5000 циклов с пиковым давлением 300 кПа, и датчик не обнаружил дрейфа или флуктуации сигнала (рис. 2d) и незначительного гистерезиса (дополнительный рис. 6) во время циклических испытаний. Помимо испытания на циклическое сжатие, мы также исследовали гибкость устройства, проверив стабильность сигнала при циклических изгибах. Рисунок 2e показывает, что наше устройство сохраняет замечательную механическую прочность без заметной усталости после 2000 циклов изгиба / разгибания с радиусом изгиба 6.5 мм. Высокая надежность при циклическом изгибе указывает на то, что наш датчик является многообещающим кандидатом для обнаружения движения тела, связанного с изгибом. Мы подготовили датчик 3 мм × 15 мм и оценили его способность обнаруживать изгиб человеческих пальцевых и локтевых суставов (дополнительный рис. 7a, b), подтверждая, что различные условия изгиба можно легко различить по изменению сигнала. Кроме того, было обнаружено, что датчик способен обнаруживать пульс в лучевой артерии человека, и сигнал показывает идеальную форму волны с довольно сильными характеристическими пиками (дополнительный рис.7в). Вышеупомянутые достоинства, включая сверхвысокую чувствительность, широкий рабочий диапазон давления, короткое время отклика / релаксации и высокую устойчивость к механическим нагрузкам, указывают на большой потенциал нашего устройства для различных приложений, от мониторинга состояния до носимых датчиков и интеллектуальной робототехники.

Стабильность при различных уровнях относительной влажности и различных температурах также имеет решающее значение для реальных приложений, поскольку влажность и температура часто влияют на реакцию ионно-электронных емкостных устройств.Здесь ионно-электронный датчик давления хорошо упакован, так что изменение влажности не влияет на сигнал (дополнительный рисунок 8a), в то время как повышение температуры приводит к более высокой интенсивности сигнала емкости (дополнительный рисунок 8b) из-за улучшенной подвижности ионов под давлением. более высокая температура. Следовательно, ионно-электронный датчик давления необходимо откалибровать, чтобы исключить температурные эффекты, когда он используется при температуре, превышающей комнатную.

Чрезвычайно высокое разрешение

Ключевым преимуществом нашего ионно-электронного датчика давления на основе GIA является его достаточно высокая чувствительность в широком режиме давления, а его высокая чувствительность при высоком давлении обеспечивает разрешение высокого давления.Существующие CPS или электронные оболочки с микроструктурированной поверхностью диэлектрика часто имеют низкую чувствительность или насыщенный отклик выше 50 кПа, и, следовательно, их разрешение по давлению, как ожидается, будет довольно низким. Однако идеальный гибкий датчик давления должен обнаруживать крошечные изменения давления не только при низком, но и при чрезвычайно высоком давлении, как схематично показано на рис. 3а. На рис.3б – г соответственно. Для испытания устройство сначала сжимали до эталонного давления, а затем последовательно добавляли три легкие металлические гайки, каждая весом около 420 мг, что соответствует эффективному приращению давления Δ P ~ 85 Па, а емкость составляла измеряется на протяжении всего процесса. Он показывает, что каждое приращение давления успешно приводит к ступенчатому увеличению емкости с быстрым откликом, и устойчивый сигнал также подтверждается для каждого приращения давления.

Рис. 3: Чрезвычайно высокое разрешение ионно-электронного датчика давления на основе градиентной внутризаполняемой архитектуры (GIA).

a Схематическое изображение реакции ионно-электронного датчика давления на низкое и высокое давление, а также обнаружение микродавления при высоком давлении. b d Обнаружение микродавления при нагрузочном давлении b 3 кПа, c 30 кПа и d 300 кПа соответственно. e Обнаружение объектов с различным микронапором, размещенных на трех бетонных кирпичах весом 320 кПа. f Сигналы емкости, соответствующие панели e . г Экспериментальная установка автомобиля с ионно-электронным датчиком давления на основе GIA, прикрепленным под задним колесом, частота испытаний 10 кГц. ч Сигналы емкости, соответствующие загруженному, разгруженному и повторно загруженному 1,7 кг мешку бумажных полотенец в багажнике автомобиля. i Сигналы емкости, соответствующие входу и выходу пассажира женского пола весом 50 кг. Частота тестирования 10 кГц.

Было проведено несколько экспериментов, чтобы еще раз продемонстрировать такое исключительное разрешение давления при высоких давлениях.Сначала мы подготовили устройство в форме круга с радиусом 8 мм и нагружали его, поместив под шатун (12,5 г, радиус 8 мм) и три бетонных кирпича (~ 6,4 кг), т. Е. Эквивалентное опорному давлению \ (P_0 = 320 \) кПа, а затем аккуратно кладем карандаш (Δ P ~ 300 Па), слой стружки карандаша (Δ P ~ 40 Па) и перьевидные волокна (Δ P ). ~ 18 Па) последовательно поверх кирпичей (рис. 3д). Соответствующие изменения емкости показаны на рис.3f, который показывает, что каждое крошечное изменение давления может быть точно зарегистрировано и дифференцировано. В другом эксперименте датчик квадратной формы с поперечным размером ~ 1 см был помещен под заднее колесо автомобиля (2000 кг, что создает давление в несколько сотен килопаскалей), как показано стрелкой на рис. 3g. . Мешок с бумажными полотенцами весом всего 1,7 кг был извлечен из багажника автомобиля и затем повторно загружен, и изменения емкости были успешно обнаружены, как показано на рис. 3h. Такое крошечное изменение давления невозможно различить при использовании ионно-электронных датчиков с другими стабильными микроструктурами, такими как микроконусы (дополнительный рис.9). Этот датчик также способен распознавать посадку / высадку пассажира женского пола весом 50 кг с большим изменением емкости (~ 12 нФ), как показано на рис. 3i. Кроме того, измеренный сигнал также подтверждает, что наш датчик быстро и чувствительно реагирует на динамическое давление (например, колебания в кружке на рис. 3i отражают вибрации, когда пассажир садится в автомобиль и выходит из него), обеспечивая при этом стабильный выходной сигнал для статического давления с превосходным восстанавливаемость. Включая морфологические особенности GIA, т.е.е., ступенчатые выступы и поднутрения на поверхности с ионными характеристиками в конечном итоге приводят к заметному поведению нашего устройства при обнаружении в достаточно большом диапазоне давления.

Как показано на рис. 4 3,14,16,20,23,24,25,29,36,39,40,41 , наш ионный датчик давления на основе GIA демонстрирует несравненно высокую чувствительность и сверхширокую работу. диапазон давления, превосходящий существующие пьезо-CPS, указанные в литературе, насколько нам известно. Также стоит отметить, что чувствительность и рабочий диапазон ионно-электронного датчика давления на основе GIA можно легко масштабировать, изменяя только модули материалов при сохранении других параметров такими же (например,g., структуры, плотность ионов и условия нагружения). Согласно теории контакта Перссона для случайно шероховатой поверхности 42 , нормализованная площадь контакта может быть выражена как

$$ \ frac {{\ Delta A}} {{A_0}} = \ alpha \ frac {P} {E} $

(1)

где α — геометрический параметр, зависящий только от морфологии поверхности. Следовательно, для определенной структуры поверхности (т.е. α является постоянным), больший модуль будет обеспечивать более широкий диапазон чувствительности, одновременно снижая чувствительность.Это предположение также может быть подтверждено моделированием конкретного GIA с различными модулями Юнга \ (E_0, \, 2E_0 \) и 5 ​​ E 0 (дополнительный рис. 10a). Соответствующая нормализованная площадь контакта \ (\ Delta A / A_0 \) как функция приложенного давления показана на дополнительном рис. 10b, что ясно указывает на то, что диапазон чувствительности увеличивается, когда материал становится жестче.

Рис. 4

Сравнение чувствительности нашего датчика давления с существующими емкостными датчиками.

Большое значение имеет разрешение датчика при высоком давлении. Хотя разрешение давления является критическим параметром для обычных датчиков давления, используемых в промышленности, оно не учитывается в электронных оболочках или гибких датчиках давления. Для справки, человеческая кожа обычно может разрешить 7% перепад давления при малых давлениях 43 . Наш гибкий датчик может распознавать микродавление до 3 Па при низком давлении 3 кПа (дополнительный рис. 11). Что еще более важно, при чрезвычайно высоком давлении 320 кПа наш гибкий датчик по-прежнему обеспечивает высокое разрешение 18 Па или 0.0056%, что как минимум на четыре порядка выше, чем у кожи человека. Такой датчик будет весьма полезен при точном манипулировании роботами тяжелыми объектами, а также для измерения давления при испытаниях в аэродинамической трубе. Например, для построения карты давления модели самолета при испытании в аэродинамической трубе высокого давления требуются датчики давления, которые могут работать при давлении более трех атм с минимальным разрешением по давлению 100 Па. Хотя уже доступно несколько коммерческих датчиков, например система PSI 8400 44 , эти датчики часто бывают громоздкими, негибкими и должны быть имплантированы в корпус самолета путем сверления отверстий.Здесь наши датчики могут определять даже меньшее изменение давления (18 Па) при высоком давлении, требуемом при испытаниях в аэродинамической трубе, и поэтому разумно рассматриваются как гибкие оболочки, которые являются тонкими, экономичными и легко прикрепляются к криволинейным поверхностям самолета. модель для отображения давления. Для наших датчиков можно найти другие области применения, в которых одновременно требуются высокая гибкость и высокое разрешение в широком диапазоне давлений.

Пространственное разрешение массивов микродатчиков на основе GIA

Датчики давления емкостного типа прямого действия часто имеют низкую удельную емкость, и, следовательно, сигнал становится чувствительным к шуму, когда устройства масштабируются до микромасштаба.Ионно-электронный датчик, изучаемый здесь, основан на емкости EDL или сверхемкости, что позволяет измерять давление с высоким разрешением с высоким отношением сигнал / шум. Были изготовлены три микродатчика с площадями 50 мкм × 50 мкм, 100 мкм × 100 мкм и 200 мкм × 200 мкм, и их реакции в реальном времени на циклические испытания нагрузки / разгрузки при пиковом давлении P = 10 кПа. представлен на рис. 5а.

Рис. 5: Пространственное разрешение массивов микродатчиков на основе градиентной интра-заполняемой архитектуры (GIA).

a Емкостная характеристика микродатчиков на основе GIA различных размеров (квадрат: 50 мкм × 50 мкм, 100 мкм × 100 мкм и 200 мкм × 200 мкм) при давлении 10 кПа. b Матрица микродатчиков на основе GIA (6 × 6 пикселей) с круговыми пикселями восприятия. Справа — микроэлектрод (диаметр пикселя 60 мкм; расстояние между пикселями 150 мкм). c , d Отображение распределения давления матрицы микродатчиков в форме прямоугольника c и треугольника d (50 кПа).

Благодаря высокой и стабильной плотности емкости (дополнительная таблица 1) наши микродатчики могут поддерживать надежные характеристики измерения с высокой интенсивностью сигнала и незначительным шумом с площадью не менее 50 мкм × 50 мкм. Таким образом, наши ионно-электронные датчики могут использоваться в электронных оболочках для картирования давления с высоким разрешением в масштабе ~ 100 мкм. Матрица микродатчиков размером 6 × 6 пикселей на площади 1,6 мм × 1,6 мм (рис. 5b, расстояние между пикселями составляет 150 мкм), при этом каждый воспринимающий пиксель представляет собой круглый датчик диаметром 60 мкм, использовался для проверки отображение давления в субмиллиметровой шкале, а микроэлектрод показан на вставке к рис.5б. Крошечный чип (0,2 г) помещали на кожу, частично покрывая ее в двух разных местах и ​​ориентациях, и прикладывали давление 50 кПа для каждого из них. Информация о местоположении была записана и точно отражена в соответствующих изображениях карты давления, показанных на рис. 5c, d. Следует отметить, что в нашем массиве микродатчиков не использовались транзисторы, в то время как транзисторы необходимы для устройств с высоким пространственным разрешением, что значительно упрощает производство и снижает стоимость.

Ионно-электронный датчик на основе GIA, предложенный в данной работе, демонстрирует высокую чувствительность и разрешение высокого давления в широком диапазоне измерения давления из-за высокой способности к внутризаполнению. Такая механическая конструкция является общей для улучшения структурной сжимаемости за счет внутреннего наполнения, а также ожидается, что она будет эффективна в других типах датчиков, таких как неионтронные пьезо-емкостные, пьезорезистивные и трибоэлектрические датчики, для чувствительного измерения давления с широким диапазоном рабочий диапазон давления.Например, мы сравнили чувствительность между неионтронными датчиками на основе GIA и полусферическими датчиками на основе микроструктуры (дополнительный рис. 12a), и датчик на основе GIA показал чувствительность значительно выше, чем у датчика с микрополушариями до 360 °. кПа (дополнительный рисунок 12b). Однако в отсутствие EDL изменение емкости неионтронных датчиков ограничено лишь в несколько раз по сравнению с начальным значением. Поэтому чувствительность неионтронных датчиков давления намного меньше, чем чувствительность ионно-электронных датчиков давления (дополнительный рис.12в, г). Также стоит отметить, что ионная пленка (модуль Юнга E ~ 2,5 МПа) намного мягче, чем ее неионный аналог ( E ~ 67 МПа) (дополнительный рисунок 13), что, несомненно, приносит пользу датчику и приводит к более высокая чувствительность.

Высокочувствительные сенсоры для самых сложных приложений SPR

Многие исследователи обратились к поверхностному плазмонному резонансу (SPR) для исследований связывания, потому что это высокочувствительный метод, который обеспечивает кинетику связывания с высоким разрешением по сравнению с другими инструментами анализа связывания.Исследователи, которые работают над исследованиями связывания SPR, часто работают со сложными образцами. Очень распространенный пример — связывание малых молекул или белков, где чувствительность очень важна из-за небольшого размера анализируемого вещества. Новые высокочувствительные сенсоры Nicoya были разработаны для повышения уровня иммобилизации лиганда до 4 раз при сохранении той же плотности лиганда на поверхности сенсора. Эта усовершенствованная конструкция датчика помогает повысить разрешение взаимодействий между лигандами с высокой молекулярной массой и аналитами с низкой молекулярной массой, улучшая качество данных.

Высокочувствительные сенсоры Nicoya улучшают кинетический анализ биомолекулярных взаимодействий за счет увеличения как иммобилизации лиганда, так и сигнала обнаружения аналита. Как показано на рисунках 1 и 2, датчики высокой чувствительности обеспечивают в 4 раза более высокую чувствительность по сравнению со стандартными датчиками при использовании тех же концентраций аналита и лиганда. Взгляните на нашу заметку по применению, чтобы увидеть, как датчики высокой чувствительности обеспечивают исследователям большую гибкость при работе с белками и / или образцами малых молекул.

Рис. 1. Иммобилизация протеина А на высокочувствительном карбоксильном сенсоре (синий) и стандартном карбоксильном сенсоре (серый).

Рис. 2. Связывание человеческого IgG при концентрациях 4,1 нМ, 12,3 нМ, 37 нМ и 111 нМ. Синие линии измеряются датчиком высокой чувствительности, а серые линии — стандартным датчиком.

Почему мы используем поверхностный плазмонный резонанс?

Поверхностный плазмонный резонанс (SPR) можно использовать для анализа всех типов взаимодействий, начиная от белок-белок, белок-нуклеиновая кислота, антитело-антиген и многих других.Одной из основных областей исследования с помощью SPR является взаимодействие белков с небольшими молекулами, поскольку оно дает исследователям количественное представление о том, как их кандидаты в терапевтические средства взаимодействуют с намеченными белковыми мишенями, но этот тип анализа биомолекулярных взаимодействий может быть трудно решить с помощью многих методов.

Существует множество методов для получения точных, количественных и воспроизводимых данных связывания, включая BLI, ITC или MST. Эти методы предоставят количественные данные связывания, но имеют ряд недостатков, включая более низкую воспроизводимость, высокий расход образцов, требования к маркировке и, в частности, большие затраты.Ученые обратились к SPR для определения кинетических констант этих типов взаимодействий из-за высокой чувствительности, высокого разрешения и воспроизводимости SPR.

Высокочувствительные сенсоры Nicoya улучшают качество данных при взаимодействии связывания малых молекул за счет увеличения иммобилизации лиганда и повышения уровней обнаружения сигнала аналита. Как показано на рисунках 3 и 4, датчики высокой чувствительности вырабатывают сигнал иммобилизации лиганда, который впоследствии улучшает обнаружение малых молекул аналита.Взгляните на нашу заметку по применению, чтобы увидеть, как датчики высокой чувствительности обеспечивают исследователям большую гибкость при работе с белками и / или образцами малых молекул.

Рис. 3. Иммобилизация лиганда CAII на датчике высокой чувствительности

Рис. 4. Связывание фуросемида при концентрациях 333 нм, 1 мкМ и 9 мкМ. Сплошные черные линии соответствуют модели привязки один к одному.

Массоперенос, стерические препятствия и повторное связывание

При проведении экспериментов по кинетике SPR важно максимизировать детекцию с минимально возможной плотностью лиганда.Распространенной стратегией при работе с аналитами с меньшей молекулярной массой является заполнение поверхности сенсора иммобилизованным лигандом для наблюдения максимально возможного сигнала. Но переполнение сенсорной поверхности может отрицательно сказаться на качестве данных из-за эффектов массопереноса, стерических затруднений или повторного связывания. Новые датчики высокой чувствительности предоставляют исследователям решение проблемы перенаселенности без ущерба для качества данных.

Примечательно, что эти новые сенсоры были разработаны для исследователей с трудными задачами, такими как связывание белков с небольшими молекулами, но они также могут использоваться в таких приложениях, как взаимодействия белок-белок или белок-нуклеиновая кислота, чтобы помочь уменьшить эффекты массопереноса. , стерическое затруднение или повторное связывание.Наши высокочувствительные сенсоры доступны с химическим составом поверхности карбоксила, NTA и стрептавидина, чтобы узнать, какой химический состав поверхности подходит для ваших приложений, ознакомьтесь с нашим подробным руководством по сенсорным чипам.

Как можно использовать OpenSPR в своей лаборатории?

OpenSPR помог сотням ученых ускорить свои исследования и сделать следующее большое открытие. Благодаря новым датчикам высокой чувствительности Nicoya ученые теперь могут получать данные кинетики связывания с еще более высоким разрешением для сложных приложений на одном доступном настольном приборе.Публикуетесь ли вы в ведущем научном журнале мира, пишете грант на миллион долларов или выводите на рынок свое новое терапевтическое средство, датчики высокой чувствительности Nicoya помогут вам добиться этого быстрее.

Никоя твердо верит в создание легкодоступного интерфейса для всех нынешних и будущих пользователей OpenSPR. Закажите сегодня удаленную веб-демонстрацию, чтобы обсудить свои исследовательские приложения, проведя эксперимент OpenSPR от начала до конца с одним из наших специалистов по приложениям.

PASPORT Высокочувствительный датчик света — PS-2176 — Продукты

Краткое описание продукта

Высокочувствительный датчик света разработан для исследования видимого света, от спектральных исследований низкой интенсивности до дневного света. Встроенная автоматическая переменная передискретизация снижает шум.

Приложения

  • Спектрофотометрия
  • Интерференционные и дифракционные картины
  • Измерение интенсивности света в зависимости от расстояния

Что входит в комплект

  • 1x Удлинительный кабель датчика PASPORT
  • 1x Ручка датчика

Технические характеристики продукта

Чувствительный элемент Si-PIN фотодиод
Спектральный отклик От 320 нм до 1100 нм
Уровни усиления 10,000x, переключаемый

, 1х32, прибл. Диапазоны люкс

от 0 до 1, от 0 до 100, от 0 до 10,000
Максимальная частота дискретизации 1000 Гц
Разрешение ± 0.01 люкс при 1000 Гц по шкале от 0 до 100; ± 0,0005 люкс при 5 Гц по шкале от 0 до 100

Требуется программное обеспечение

Для этого продукта требуется программное обеспечение PASCO для сбора и анализа данных. Мы рекомендуем следующие варианты. Для получения дополнительной информации о том, что подходит для вашего класса, см. Сравнение программного обеспечения: SPARKvue и Capstone »

Требуется интерфейс

Для этого продукта требуется интерфейс PASCO для подключения к вашему компьютеру или устройству. Мы рекомендуем следующие варианты.Подробное описание функций, возможностей и дополнительных опций см. В нашем Руководстве по сравнению интерфейсов »

Выделенная регистрация данных с помощью SPARK LXi

Рассмотрим универсальный инструмент для сбора, построения графиков и анализа данных с помощью сенсорного экрана для студентов. Регистратор данных SPARK LXi, предназначенный для использования с проводными и беспроводными датчиками, одновременно вмещает до пяти беспроводных датчиков и включает два порта для синих датчиков PASPORT. Он оснащен интерактивным пользовательским интерфейсом на основе значков в амортизирующем футляре и поставляется в комплекте с ПО SPARKvue, MatchGraph! И Spectrometry для интерактивного сбора и анализа данных.Он может дополнительно подключаться через Bluetooth к следующим интерфейсам: AirLink, SPARKlink Air и 550 Universal Interface.

Руководства по продукции

Выберите правильный датчик света

Световые датчики

PASCO предоставляют студентам доступный метод визуализации данных об освещении в реальном времени в различных формах. Если вы хотите изучить окружающий свет, дифракцию или атомные спектры, эта страница поможет вам найти доступный датчик освещенности для ваших приложений.

Экспериментальная библиотека

Проведите следующие и другие эксперименты с помощью высокочувствительного светочувствительного датчика PASPORT.
Посетите экспериментальную библиотеку PASCO, чтобы увидеть больше занятий.

Колледж / Физика

Вариация интенсивности света

Сравните изменение интенсивности света от разных источников света. Используйте датчик света для записи и сравнения ламп накаливания и люминесцентных источников света, а также света от источников переменного и постоянного тока.

Колледж / Физика

Сила света в зависимости от расстояния

Относительная сила света в зависимости от расстояния от точечного источника света построена и сопоставлена ​​с теорией.

Колледж • Средняя школа / Физика

Вариация интенсивности света

Цель этого упражнения — сравнить изменение интенсивности света от разных источников света. Учащиеся будут использовать датчик освещенности для записи и сравнения источников света лампы накаливания и люминесцентного света, а также света …

Колледж • Средняя школа / Физика

Интерференция и дифракция света

Расстояния между центральным максимумом и дифракционным минимумом для одной щели измеряются путем сканирования лазерного рисунка светочувствительным датчиком и построения графика зависимости интенсивности света от расстояния.Также расстояние между помехами …

Колледж / Физика

Интерференция и дифракция

Дифракционные и интерференционные картины измеряются для одинарных и двойных щелей путем сканирования лазерного рисунка светочувствительным датчиком и построения графика зависимости интенсивности света от расстояния. Различия и сходства между помехами и …

Колледж • Средняя школа / Физика

Поляризация

Лазерный свет проходит через два поляризатора. Когда второй поляризатор (анализатор) вращается вручную, относительная интенсивность света регистрируется как функция угла между осями поляризации двух поляризаторов….

Колледж • Средняя школа / Физика

Интенсивность света в зависимости от расстояния

Относительная сила света в зависимости от расстояния от точечного источника света. Поскольку датчик освещенности перемещается вручную, веревка, прикрепленная к датчику освещенности, проходит через шкив датчика вращательного движения к подвешенной массе …

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *