Импульсные фотоэлектрические датчики положения

Конспект №2.

8(б).Фотоэлектрические датчики положения.

Основой ОДП является оптическая система, включающая источник света, кодирующий элемент (диск или линейка) и блок фотоприемников. В качестве источников света используются оптронные пары и осветители в виде ламп накала с вольфрамовой нитью. Для обеспечения равномерной освещенности области кодирующего элемента применяются коллимационные линзы. Самым ответственным узлом ОДП, в наибольшей степени определяющим его характеристики, является кодирующий диск, на котором с высокой точностью фотоспособом выполнена маска. Тип маски определяет способ кодирования.

ОДП классифицируются по двум основным при­знакам:

1. По форме выходного сигнала: относительные (накапливающие) и абсолютные.

2. По способу кодирования: растровые, импульсные и кодовые.

Накапливающие (циклические) преобразователи используют датчик и счетную систему, суммирующую отдельные приращения, а также репер (метку), относительно которого эти приращения суммируются.

Датчики абсолютных значений не содержат репера и выполняются либо одношкальными, либо в виде систем грубого и точного отсчета.

Растровые оптические датчики положения

Растровые оптические датчики (РОДП) предназначены для преобразования линейных и угловых перемещений в цифровой код на основе использования растровой решетки. Растровые решетки модулируют световой поток на пути от источника света к приемнику. Растровая решетка - это прозрачная пластина, на которую нанесено большое количество непрозрачных штрихов различной формы, обычно равноудаленных и параллельных.

Для измерения линейных перемещений обычно используются сопряжение двух плоских параллельных растров, а для измерения угловых - сопряжение радиальных растров.

РОДП включает блок осветителя, создающий параллельный пучок света, растровое сопряжение из подвижного (измерительного) и неподвижного (индикаторного) растров, блок фотоприемников и электронный блок обработки. Блок обработки состоит из логической схемы и реверсивного счетчика, используемого в качестве накапливающего сумматора.

Рис. 5. Схема растрового оптического датчика.

 

К достоинствам РОДП относятся простая и технологичная конструкция, а также малые размеры и масса.

К недостаткам: накопление ошибок от сбоев и помех в цепях реверсивного счетчика, потеря информации о перемещении при отказе в цепи питания, а также необходимость периодичного определения нулевого отсчета (для получения достоверного абсолютного значения измеряемого перемещения).

 

Датчики скорости

 

В электротехнике и автоматике измерение скорости происходит при помощи тахогенереторов и оптических датчиков скорости.

Тахогенератор—измерительный генератор постоянного или переменного напряжения, предназначенный для преобразования мгновенного значения частоты вращения вала в электрический сигнал.

Величина сигнала (ЭДС) прямо пропорциональна частоте вращения. Различают тахогенераторы переменного тока (синхронные и асинхронные) и постоянного тока.

 

Асинхронный тахогенератор

Асинхронный тахогенератор ничем не отличается от асинхронного исполнительного двигателя с полым немагнитным ротором - одна обмотка статора подключается к сети переменного тока и называется обмоткой возбуждения (ОВ), а с другой - генераторной обмотки (ГО) снимается выходное напряжение. При питании обмотки возбуждения переменным током частоты f_В возникает пульсирующий магнитный поток Ф_В, который во вращающемся роторе индуцирует два вида ЭДС: трансформаторную ЭДС - Е_Т (показана внутри ротора) и ЭДС вращения - Е_ВР (показана снаружи ротора). В контурах, перпендикулярных оси обмотки возбуждения, под действием трансформаторной ЭДС протекают токи и возникает поток Ф_ТР, который в соответствии с принципом Ленца направлен встречно потоку обмотки возбуждения, однако его действие компенсируется увеличением тока возбуждения. Так как ось генераторной обмотки перпендикулярна потоку ФТР, он не будет индуцировать в ней никакой ЭДС.

 

Датчики тока

Датчики тока предназначены для измерения и контроля постоянным, переменным и импульсным токами и широко применяются в электротехнике для создания систем обратной связи.

В зависимости от принципа работы датчики тока подразделяются на резистивные, токовые трансформаторы и датчики на эффекте Холла.

Измерительные трансформаторы тока предназначены для преобразования тока до значения, удобного для измерения.

Первичная обмотка трансформатора тока включается последовательно в цепь с измеряемым переменным током, а во вторичную включаются измерительные приборы. Ток, протекающий по вторичной обмотке трансформатора тока, пропорционален току, протекающему в его первичной обмотке. Трансформаторы тока обеспечивают безопасность измерений, изолируя измерительные цепи от первичной цепи с высоким напряжением.Основным недостатком является инертность, которая затрудняет измерение мгновенных значений несинусоидального тока. Трансформатор тока имеет замкнутый магнитопровод 2 и две обмотки — первичную 1 и вторичную 3. Первичная обмотка включается последовательно в цепь измеряемого тока I1, к вторичной обмотке присоединяются измерительные приборы, обтекаемые током I2.

 

Трансформаторы тока

а – одновитковый трансформатор тока; б – многовитковый трансформатор тока; в - многовитковый трансформатор тока с двумя сердечниками; 1 - первичная обмотка; 2 - вторичная обмотка; 3 - сердечник; 4 - изоляция; 5 - обмотка прибора

 

Основным недостатком является инертность, которая затрудняет измерение мгновенных значений несинусоидального тока.

 

 

Область применения

− электродвигатели с регулируемой скоростью вращения

− системы автомобильной диагностики

− защита от замыкания на землю

− системы защиты от перегрузки двигателей

− мониторинг токовой системы электросварочного оборудования

− защита силовых полупроводников

− системы диагностики

−

4. Датчики динамических величин

Датчики ускорения

Датчик ускорения или акселерометр— прибор, измеряющий разность между абсолютным ускорением объекта и ускорением силы тяготения.

Пьезоэлектрические акселерометры

Являются универсальным вибродатчиком, в настоящее время применяемым почти во всех областях измерения и анализа механических колебаний. Пьезоэлектрические акселерометры отличаются широкими рабочими частотным и динамическим диапазонами, линейными характеристиками в этих широких диапазонах, прочной конструкцией, надежностью и долговременной стабильностью параметров. Так как пьезоэлектрические акселерометры являются активными датчиками, генерирующими пропорциональный механическим колебаниям электрический сигнал, при их эксплуатации не нужен источник питания.

Принцип работы: пьезоэлемент практических пьезоэлектрических акселерометров сконструирован так, что при возбуждении механическими колебаниями инерционная масса воздействует на него силой, пропорциональной ускорению механических колебаний. В акселерометрах происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Часто применяются датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение.

Акселерометры микроэлектромеханических MEMS систем делятся на два типа:

• сенсоры – измерительные устройства, которые переводят те или иные физические воздействия в электрический сигнал;

• актуаторы (исполнительные устройства) – системы, которые занимаются обратной задачей, то есть переводом сигналов в те или иные действия.

 

Датчик движения Epson XV-8000

 

Оптические

Оптические датчики давления могут быть построены на двух принципах измерения: волоконно-оптическом и оптоэлектронном.

Волоконно-оптические

Волоконно-оптические датчики давления являются наиболее точными и их работа не сильно зависит от колебания температуры. Чувствительным элементом является оптический волновод. Об измеряемой величине давления в таких приборах обычно судят по изменению амплитуды и поляризации проходящего через чувствительный элемент света.

Оптоэлектронные

Датчики этого типа состоят из многослойных прозрачных структур. Через эту структуру пропускают свет. Один из прозрачных слоев может изменять свои параметры в зависимости от давления среды. Есть 2 параметра, которые могут изменяться: первый это показатель преломления, второй это толщина слоя. На иллюстрации показаны оба метода, изменение показателя преломления — рисунок 9а, изменение толщины слоя — рисунок 9б.

Рис.9

При изменении этих параметров будут меняться характеристики проходящего через слои света, это изменение будет регистрироваться фотоэлементом.

 

Магнитные

Другое название таких датчиков — индуктивные. Чувствительная часть таких датчиков состоит их Е-образной пластины, в центре которой находится катушка, и проводящей мембраны чувствительной к давлению. Мембрана располагается на небольшом расстоянии от края пластины. При подключении катушки, создается магнитный поток, который проходит через пластину, воздушный зазор и мембрану. Магнитная проницаемость зазора примерно в тысячу раз меньше магнитной проницаемости пластины и мембраны. Поэтому, даже небольшое изменение величины зазора влечет за собой заметное изменение индуктивности.

Рис.10. Индуктивный датчик

Емкостные

Имеет одну из наиболее простых конструкций. Состоит из двух плоских электродов и зазора между ними. Один из этих электродов представляет собой мембрану на которую давит измеряемое давление, вследствие, чего изменяется величина зазора. То есть, по сути, этот тип датчиков представляет собой конденсатор с изменяющейся величиной зазора. А как известно емкость конденсатора зависит от величины зазора. Емкостные датчики способны фиксировать очень маленькие изменения давления.

Ртутные

Тоже очень простой измерительный прибор. Работает по принципу сообщающихся сосудов. На один из этих сосудов давить измеряемое давление. Давление определяется по величине ртутного столба.

Пьезоэлектрические

Чувствительным элементом датчиков этого типа является пьезоэлемент — материал, выделяющий эклектический сигнал при деформации (прямой пьезоэффект). Пьезоэлемент находится в измеряемой среде, он будет выделять ток пропорциональный величине изменения давления. Так как электрический сигнал в пьезоматериале выделяется только при деформировании, а при постоянном давлении деформирование не происходит, то этот датчик пригоден только для измерения быстро меняющегося давления.

Пьезорезонансные

Этот тип тоже использует пьезоэффект, только в отличие от прошлого типа тут используется обратный пьезоэффект — изменение формы пьезоматериала в зависимости от подаваемого тока. В датчиках данного типа используется резонатор (например пластина) из пьезоматериала, на которую нанесены с двух сторон электроды. На электроды по переменно подается напряжение разного знака, таким образом пластина изгибается то в одну то в другую сторону с частотой подаваемого напряжения. Но если на эту пластину подать силу, например мембраной чувствительной к давлению, то частота колебания резонатора изменится. Частота резонатора и будет показывать величину, с которой давление давит на мембрану, а она в свою очередь давит на резонатор.

Резистивные

По-другому этот тип датчиков называет тензорезистивный. Тензорезистор — это элемент, изменяющий свое сопротивление в зависимости от деформирования. Эти тензоризисторы устанавливают на мембрану чувствительную к изменению давления. В итоге, при давлении на мембрану она изгибается и изгибает тензоризисторы, закрепленные на ней. Вследствие чего, сопротивление на них меняется и меняется величина тока в цепи.

Силомоментные датчики

а б в

Рис.12 а) Датчик крутящего момента Т300 б) Измерение силы в) Тензометрические весы

5.Датчики температуры

Термометр —прибор для измерения температуры.

Термометр манометрический

Прибор для измерения температуры, действие которого основано на тепловом расширении жидкости, температурной зависимости давления газа, либо температурной зависимости давления жидкостных паров. Благодаря капилляру могут использоваться дистанционно.

Термометр манометрический широко распространен в качестве приборов технического назначения в диапазоне температур от -60 до 550 °С.

Термометр жидкостный

В термометрах жидкостных термометрическим свойством является тепловоерасширение жидкостей. Для заполнения жидкостных термометров применяют ртуть, толуол, этиловый спирт, керосин, эфир, пентан и т. д. Жидкостные термометры широко применяется в технике и лабораторной практике для измерения температур в диапазоне от –200 до 750 °С

Ртутные термометры - разновидность жидкостного термометра, где термометрическим веществом является ртуть.

В электроконтактных жидкостных термометрах (ЭЖТ) термометрическая жидкость сигнализирует о достижении заданной температуры замыканием специальных контактов.

 

Жидкостной термометр Ртутный термометр ЭЖТ

 

Газовый термометр

Газовый термометр прибор для измерения температуры, действие которого основано на зависимости давления или объёма газа от температуры (Закон Шарля): при постоянном объеме давление газа прямо пропорционально абсолютной температуре. Так как газ, как правило, остаётся газом даже при очень низких температурах, газовые термометры часто используют для измерения отрицательных температур.

а) б)

 

Рис.24. а) Принцип работы газового термометра; б) внешний вид газового термометра

Биметеллические термометры

Основным элементом биметаллического термометра является скрученная в спираль полоса из двух сваренных друг с другом пластин разных металлов с неодинаковыми коэффициентами температурного расширения. Температурная деформация заставляет спираль скручиваться либо раскручиваться, двигая указатель по шкале.
Диапазоны показаний биметаллических термометров от -70°С до +600°С

 

Рис.26. Устройство биметаллического термометра

Термометр сопротивления

Термометр сопротивления- прибор для измерения температуры,принцип действия которого основан на изменении электрического сопротивления чистых металлов, сплавов и полупроводников при изменении температуры (принцип терморезистора). Наиболее распространённый тип термометров сопротивления — платиновые термометры.

 

Рис.27. Внешний вид термометров сопротивления

 

Термистор (ТР) - полупроводниковый терморезистор, у которого электрическое сопротивление существенно убывает с ростом температуры. Широко используются в связанной с температурными режимами электронике: температурные датчики, термометры и т.п.

Важным преимуществом термисторов является их большое сопротивление, что устраняет проблему, связанную с падением напряжения на подводящих проводах, как при использовании RTD или проблему, связанную с необходимостью большого усиления сигнала (до 2000) для термопар.

Чувствительность термисторов значительно выше чем у металлических термометров сопротивления на один порядок и составляет -(2...8) %/°C.

Терморезисторы с положительным температурным коэффициентов сопротивления называются позисторами.

 

Как элемент автоматики, позистор может выполнять следующие функции:

1) Защита от перегрева электрических двигателей.

2) Ограничение тока.

3) Улучшение работы реле.

ЧАСТЬ 2

Сенсорные устройства МиРТС.

Частотная модуляция

При частотной модуляции модулирующий сигнал u_m(t) изменяет мгновенные значения частоты ω, не влияя на амплитуду колебаний.

Чаще всего используют линейную ЧМ, при которой изменение несу­щей частоты пропорционально амплитуде модулирующего сигнала.

В простейшем случае модуляции гармоническим сигналом u_m(t)= u_mmax(t)cos_mt несущая частота со изменяется по закону

ω(t)=ω₀+Δ_ωcosω_mt

Здесь представляет собой амплитуду отклонения несущей частоты ω от начальной ω₀, а cosω_mt определяет форму модулирующего сигнала. Пара­метр Δ_ω, называемый девиацией частоты, не зависит от частоты сигнала и соответствует глубине модуляции при АМ.

Ширина спектра Δω частотно-модулированного сигнала определяется значением индекса ЧМ: β= Δ_ω/ ω_m.При малых р ширина спектра практи­чески не зависит от его значения и равна 2 ω_m. В этом случае частотно-модулированный сигнал, как и амплитудно-модулированный, со­стоит из колебания с несущей частотой ω₀ и двух спутников с частотами ω₀ - ω_m и ω₀ + ω_m, т. е. при малых β спектры амплитудно- и частотно-модулированных сигналов одинаковы. Однако, как правило, β»1, и, следовательно, спектр частотно-модулированного сигнала значительно шире, чем амплитудно-модулированного.

В большинстве случаев модулирующий сигнал не является гармониче­ским, а представляет собой набор частот.

Достоинства: высокая помехоустойчивость, наличие дополнительных линий в спектре сигнала (повышает надежность связи).

Фазовая модуляция

Фазовой модуляцией (ФМ) называется способ модуляции, при котором фаза колебания с несущей частотой изменяется в зависимости от амплитуды модулирующего сигнала. Модулированный сигнал при ФМ колебания с несущей частотой ω₀ гармоническим сигналом имеет вид

где — индекс ФМ, характеризующий максимальное отклонение фазы модулированного сигнала от фазы исходного.

Несущая частота при ФМ, как и при ЧМ, непостоянна и определяется со­гласно выражению

Девиация частоты при ФМ зависит от частоты модулирующего сигна­ла . Если модулирующий сигнал мм гармонический, то спектры фазово- и частотно-модулированного сигналов практически одинаковы.

Рис 2. Фазово-модулированный сигнал

Импульсная модуляция сигналов

В случае импульсной модуляции переносчиком сигнала служит по­следовательность импульсов, каждый из которых обычно представляет со­бой цуг колебаний с высокой несущей частотой.

Частота посылок импульсов, называемая частотой дискретизации , определяется спектром передаваемого сигнала и должна по крайней мере в 2—3 раза превышать верхнюю частоту спектра модулирующего сигнала. В этом случае возможна демодуляция сигнала, т. е. выделение необходимой информации из импульсно-модулированного сигнала.

Кроме амплитуды, частоты и фазы различают длительность (или ширину) им­пульсов и их скважность Использование импульсов с большой скважностью позволяет в рамках одного частотного канала (т. е. при одной и той же частоте дискретизации) сформировать несколько информационных каналов.Наибольшее распространение получили амплитудно-, частотно-, широтно- и фазово-импульсный, а также импульсно-кодовый способы модуляции сигналов.

При фазово-импульсной модуляции импульсы, имеющие постоянную амплитуду и длительность, смещаются относительно некоторых фиксированных моментов времени в сторону опережения или отставания на временные интервалы, пропорциональные мгновенным значениям передаваемого сигнала.

Кодово-импульсная модуляция заключается в том, что в точках дискретизации модулирующего сигнала производится квантование его значений и кодирование квантованных значений, как правило, в двоичной системе исчисления. Кодированные значения затем передаются при помощи соответствующей кодовой последовательности стандартных символов.

 

Помехоустойчивость ЛС возрастает при использовании фазово- и кодово-импульсной модуляции сигналов.

К недостаткам ИМ по сравнению с непрерывной можно отнести большую ширину спектра сигнала и сложность технической реализации.

 

Недостатки

· низкая разрешающая способность

· нелиней­ность функции преобразования

 

Основы оптической локации

Большинство используемых в робототехнике ОЛС, а также системы технического зрения (СТЗ) функционируют в диапазоне видимого света. Излучение субъективно описывается двумя переменными: яркостью (амплитудой сигнала) и цветом (длиной волны). Информация о яркости применяется во всех ОЛС, о цвете — только в СТЗ.

Оптическое излучение создается благодаря колебаниям большого числа элементарных осцилляторов. Излучения с X = 380...750 нм образуют видимый свет. Источники света принято разделять на когерентные и некогерентные. В некогерентных источниках (естественных, а также вакуумных и оптронных) различные атомы активного вещества излучают волны, фазы и направления полей которых независимы и случайным образом изменяются во времени.

Для оценки светового излучения применяются энергетические и светотехнические (визуальные) характеристики. Первые используют, как правило, для излучений, которые лежат за пределами видимого спектра, вторые служат для описания процессов, протекающих в диапазоне видимого света и воспринимаемых глазом.

Различают следующие основные характеристики светового излучения:

· энергия излучения (энергетическая в джоулях и светотехническая в люмен-секундах);

· световой поток (энергетический в ваттах и светотехнический в

· люменах, причем I Вт излучения с X = 5,55 • 10 м соответствует 683 лм);

· сила света — телесный угол (энергетическая в ваттах на стерадиан и светотехническая в канделах);

· освещенность

· яркость (интенсивность)

Способность глаза реагировать на изменение яркости в очень большом диапазоне получило название зрительной адаптации.

 

Датчики оптронных ОЛС строятся на основе твердотельных фотооптических преобразователей (например, оптронной пары светодиод - фотодетектор с открытым оптическим каналом), работающих, как правило, в инфракрасном диапазоне. Качество обнаружения (детектирования) определяется следующими параметрами:

· мощностью и направленностью излучения,

· спектральной характеристикой первичных преобразователей (излучающего диода на стороне излучателя и фотодетектора на стороне приемника)

· свойствами отражающей поверхности объекта.

Объективом называется ближняя к объекту линза (или система линз), дающая его обратное действительное изображение.

Объектив используют как в излучателях, так и в приемниках ОЛС.

Распространенной оценкой светосилы объектива является диафрагменное (апертурное) число N.

Диафрагменное число определяет разрешающую способность и глубину резкости объектива.

Важным элементом оптической системы является конденсор, используе­мый как в излучателях, так и в приемниках ОЛС.

·

· Рис 1.Конденсор темного поля ОИ-13

· Частным случаем конденсора является коллиматор, формирующий па­раллельный световой пучок.

·

· Рис. 2 Коллиматорный прицел HAKKO BED-29

· В излучателе конденсор устанавливается перед объективом, в приемнике — после него, т. с. во всех случаях ближе к плоско­сти изображений.

 

В робототехнике при расчете ОЛС необходимо, во-первых, выбрать область наблюдения, во-вторых, определить разрешающую способность и, в-третьих, найти способ компенсации изменения освещенности. В робототехнике оптронные ОЛС используют очень широко не только в дискретном, но и непрерывном режимах, обеспечивая при этом достаточно высокую точность измерений. Для расширения температурного диапазона работы (от 0 до 250 С) в современных модификациях оптронных датчиков малых расстояний используют световолоконные каналы передачи данных. Дискретные бинарные датчики применяют также в оптических системах идентификации (smart-картах). Промышленно выпускаемые оптронные дальномеры измеряют расстоя­ния до 100 мм с погрешностью около 1 %, причем время измерения не пре­вышает 4 мс. Для увеличения радиуса действия до 10 м используют оптиче­ские отражатели.

Рис 3. Модуль лазерного дальномера и ТВ-канала (слева) и модуль тепловизионного прибора (справа) для оптронной мачты (ФГУП ЦКБ "Фотон»)

Рис 4. Отражатель оптический 4586

 

Основы технического зрения

Существенной особенностью СТЗ является необходимость формирования изображения объекта, которое представляет собой распределение амплитуды его двумерной функции яркости Y(X, у).

Распознавание образов в СТЗ, как и у человека, основывается на признаках, полученных при анализе частичных изображений. По назначению СТЗ условно можно разделить на два класса: прикладные, предназначенные для обработки простых изображений с заданным быстродействием; универсальные, позволяющие анализировать сложные изображения с использованием принципов искусственного интеллекта.

Современные СТЗ подразделяют по трем основным признакам: 1) по сложности решаемых задач — мощные, средние, малые и персональные; 2) по структуре вычислительного процесса — однопроцессорные, многопроцессорные, системы на базе матричного процессора, системы поточной обработки; 3) но типу первичного преобразователя — одномерные ID, двумерные 2D, подвижные двумерные KlD и трехмерные 3D.

 

Процесс преобразования информации в СТЗ можно представить в виде шес­ти основных этапов:

1) ввод (восприятие) информации, т. е. получение изображения рабочей сцены с помощью датчиков;

2) предварительная обработка изображения с использованием методов подавления шума;

3) сегментация, т. е. выделение на изображении одного или нескольких представляющих интерес объектов сцены;

4) описание, т. е. определение характерных параметров (размеров, фор­мы и т. д.) каждого объекта, необходимых для его выделения на сцене;

5) распознавание, или идентификация, объекта, т. е. установление его принадлежности к некоторому классу деталей

6) интерпретация, т. е. выявления принадлежности объекта к группе рас­познаваемых.

В соответствии с тем, какие этапы преобразования информации реали­зуются в конкретной системе, ее можно отнести к СТЗ высокого, среднего или низкого уровня. Так, задачи, решаемые СТЗ низкого уровня, ограничи­ваются восприятием и предварительной обработкой информации. В СТЗ среднего уровня решаются задачи сегментации, описа­ния и распознавания отдельных объектов.

Датчики изображения

В настоящее время промышленно выпускают датчики изображения для самых разных целей (производственных, медицинских, военных и др.).

Независимо от назначения и принципа действия все они содержат оптоэлектронный преобразователь, служащий для преобразования сфокусированного оптического изображения в электрический видеосигнал. Это изображение формируется в ЧЭ преобразователя, который изменяет свое состояние под действием излучения объекта. Если излучение лежит в диапазоне длин волн X = 0,38...0,78 мкм (видимый свет), датчик относится к классу видеокамер, если в диапазоне 0,78...1000 мкм — к классу телевизионных инфракрасных камер.

Датчики изображения подразделяют по трем основным признакам:

1) по размерности — точечные (фотоэлементы), одномерные (линейки) и двумерные (матрицы);

2) по способу преобразования светового сигнала — вакуумные (видиконы, диссекторы и др.) и твердотельные (датчики на основе приборов с заря­довой связью и фотодиодов);

3) по рабочему диапазону длин волн — датчики, работающие в диапазо­не видимых волн, инфракрасные (в том числе тепловые) и специальные.

Основными характеристиками датчиков изображения являются:

· Чувствительность S телекамеры характеризуется минимальной освещен­ностью рабочей сцены, при которой обеспечивается заданная разре­шающая способность.

· Спектральная характеристика телекамеры зависит от материала ЧЭ се оп-тоэлектроиного преобразователя. Промышленно выпускают телекамеры, работаюпше в диапазоне видимого света, ультрафиолетовом, инфракрасном и рентгеновском диапазонах.

Передающие вакуумные электронно-лучевые прибо­ры.

Их отличительной особенностью является использование сфокусированного в электронный луч потока электронов, взаимодействующего с мишенью (фотокатодом) из свето­чувствительного материала, на которую проецируется изображение рабочей сцены.

Электронный луч формируется электронным прожектором, а его движение регулируется с помощью фокусирующей отклоняющей системы, реализующей развертку луча по поверхно­сти мишени.

В зависимости от способа съема сигнала различают два основных типа передающих ЭЛП: без накопления заряда (диссекторы) и с накоплением заряда (суперортиконы и видиконы).

Диссектор обладает наивысшими среди всех передающих ЭЛГТ чувствительностью и быстродействием. Принцип действия диссектора основан на внешнем фотоэффекте. его достоинством является возможность формирования различных траекторий развертки.

К недостаткам диссектора можно отнести его сравнительно большие габаритные размеры.

 

 

Суперортикон представляет собой высокочувствительный передающий ЭЛП с несколькими каскадами усиления, работающий по принципу накоп­ления зарядов. Изображение переносится с фотокатода суперортиконы, как и диссекторы, способны работать практически в пол­ной темноте. Их основные недостатки связаны со значительными размера­ми, малой контрастной чувствительностью и сравнительно невысоким диа­пазоном изменения освещенности. В настоящее время суперортиконы ис­пользуют во многих телевизионных системах.

Самый распространенный вакуумный датчик изображения — видиконпредставляет собой малогабаритный передающий ЭЛП с накоплением заря­да, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте.Видиконы до настоящего времени широко используют для получения высококачественных изображений. Их достоинства: высокая чувствитель­ность и разрешающая способность, широкий температурный диапазон (-80... +120 С), радиационная стойкость. К недостаткам видиконов необ­ходимо отнести инерционность, значительные размеры и хрупкость.

Кодирование видеосигнала

Кодирование видеосигнала, каки звукового сигнала, предполагает использование линейной импульсно-кодовой модуляции. Полоса частот, необходимая для обеспечения требуемой пропускной способности, зависит от характеристик канала.

Импульсно-кодовая модуляция является, как правило, базовым методом цифрового кодирования источников изображений. Он характеризуется тем, что каждому закодированному в цифровую форму слову на выходе соответствует квантованный по времени и амплитуде отсчет видеоинформации на входе.

Импульсно-кодовой модуляции присуща значительная избыточность в передаваемой информации. Это связанно с самой сущностью видеоинформации. Ведь, несмотря на равновероятность любых из возможных уровней яркости (цветности) соседних элементов, изображение их мало отличается или не отличается вовсе.

В последнее время оптические диски высо­кой плотности (DVD) стали заменять магнитную ленту. Информация хранится на дорожках дисков в виде последовательности бинарных элементов с разной отражательной способностью. Емкость оптических носителей DVD достигает 40 Гбайт при пропускной способности канала более 20 Мбит/с. Кроме кодирования необходимо сжатие изображения. Степень сжатия изображения равна отношению разме­ра исходного изображения к размеру изображения после сжатия.

 

 

Распознание объекта

Условно все методы распознавания можно разделить на две группы: теоретические и структурные. Наиболее распространенные теоретические методы распознавания используют принципы теории принятия решений.

Определить реальное значение признаков объекта невоз­можно, так как значения различаются при каждом измерении. Поэтому за­дача распознавания ставится так: определить вероятность того, что объект принадлежит к заданному классу.

Одно из наиболее интересных направлений распознавания образов в СТЗ связано с разработкой алгоритмов распознавания лиц. Алгоритм распознавания (верификации) близок к алгоритму регистра­ции. Выделенные из текущего изображения признаки объединяются в век­тор признаков, компоненты которого сравниваются с соответствующими компонентами всех векторов, содержащихся в базе данных.

Особенности получения трехмерного изображения

Трехмерное изображение может быть получено с помощью двух телекамер или с помощью специаль­ных приемов. При использовании двух телекамер каждая из них обрабаты­вает свой плоский 2Д-образ. Если известна ориентация каждой телекамеры и расстояние между ними, всегда можно восстановить третью координату объекта (о