Датчики и сенсоры современных мобильных устройств

Мегапиксели и разрешение

Если существует вещь, которую среднестатистический пользователь камеры знает о сенсоре, это количество мегапикселей. Так любимое начинающими, число мегапикселей на сенсоре камеры определяет объем данных, которые могут быть ею зафиксированы.

Что на самом деле означают мегапиксели? Каждый «мегапиксель» (миллион пикселей) способен фиксировать биты цвета, в результате чего создается изображение. Давайте в качестве примера возьмем файл с моего Nikon D300. Максимальное разрешение, выдаваемое D300 — 4288 x 2848. Большая сторона изображения состоит из 4,288 пикселей, а меньшая – из 2,848 пикселей. Если мы перемножим 4288×2848, в итоге получится 12.2 миллиона. Хотите знать количество мегапикселей в D300? Вы его узнали, 12.2 мегапикселя (Никон считает его как 12.3).

  	Мегапиксели – значимый показатель возможн

Мегапиксели – значимый показатель возможностей сенсора камеры, но больше мегапикселей – не всегда лучше. Одна из причин того, что компании имеют некоторое ограничение в числе мегапикселей, которые они могут поместить в сенсор, это то, что большее количество мегапикселей обычно приводит к более высокому уровню шума.

Существует также закон убывающей отдачи. Цифровые фотоаппараты были в состоянии производить отпечатки большого размера в течение многих лет с 6 или меньшим количеством мегапикселей. Эта ситуация не собирается меняться – любая камера, которую вы собираетесь приобрести сегодня, дает возможность получать большие отпечатки.

Однако перед тем как переходить на 18-мегапиксельную камеру, спросите себя, зачем вам нужно такое большое разрешение. В то время как профессионалы могут нуждаться в огромном разрешении для своих целей, если вы только начинаете свой путь в фотографии, не покупайтесь на миф о мегапикселях.

Не поймите меня неправильно, дополнительное разрешение замечательно для дальнейшей выкадровки. Просто не покупайте одну камеру за другой только лишь из-за мегапикселей. И наконец, мегапиксели отображают лишь одну из возможностей камеры.

Видео

Датчик расстояния, дальномер

Для оценки расстояния до объекта служат ультразвуковые (ultrasonic range finder), а также оптические инфракрасные (IR range finder) и лазерные (laser range finder) дальномеры.  Работа ультразвукового датчика основана на принципе эхолокации. Динамик прибора издает УЗ импульс на определенной частоте и замеряет время до момента его возвращения на микрофон. Зная скорость распространения звука в окружающей среде и время замеренное таймером можно рассчитать расстояние до препятствия. Ультразвуковые сенсоры широко применяются в промышленности и медицине. В отличие от оптических сенсоров они легко могут определять расстояние до прозрачных и бликующих предметов. Из недостатков эхолокации следует отметить достаточно большой угол диаграммы направленности, что приводит к неоднозначности измерений расстояния до поверхностей с неровностями.  Средняя цена ультразвуковых дальномеров, оформленных в виде готовых модулей, составляет $3 (HC-SR04), что делает их весьма доступными для наших целей.  В основе оптических дальномеров для коротких расстояний (до сотен метров) лежит подход, называемый триангуляцией. Инфракрасный светодиод через фокусирующую линзу излучает очень узкий пучок света. Отраженный от препятствия свет попадает на приемник, представляющий собой CCD матрицу. На основе анализа изображения CCD матрицы встроенный контроллер рассчитывает угол наклона принятого луча, и с помощью нехитрых тригонометрических выражений для прямоугольного треугольника вычисляет расстояние до препятствия.  
 Для оценки больших расстояний применяются лазерБлагодаря использованию узконаправленного луча оптические дальномеры могут использоваться для сканирования поверхностей и целых предметов, с достаточно высоким разрешением. Стоимость датчика с оптической триангуляцией выше стоимости ультразвукового дальномера в несколько раз и составляет в среднем $15. Для оценки больших расстояний применяются лазерные дальномеры, работа которых аналогична работе ультразвуковых эхолотов. Вместо звука, в этом типе дальномеров использует отраженный от препятствия лазерный луч. Цена готового прибора варьируется от $500 до нескольких тысяч $. Следует заметить, что в оптическом дальномере на основе триангуляции в качестве излучателя часто используется лазер. Такой модуль тоже может называться лазерным дальномером.

Классификация датчиков

На рынке можно найти много видов сенсоров. Практически все они базируются на воспринимающих элементах, улавливающих определенные параметры объекта. Например, чувствительной частью выступает:

  • лазер либо оптический луч, установленный в детекторах скорости вращения;
  • резистор, изготовленный из специального сплава, меняющий сопротивление под воздействием смены температур: ставится в терморезистивные датчики;
  • спайка из различных сплавов, при некоторых температурах, реагирующая образованием электродвижущей силы;
  • биметаллические пластины, управляющие электрическими контактами;
  • тензометрические элементы, преобразующие величину деформации и меняющие характеристики.

Также это могут быть магниты, поплавки, химические реактивы.

Классификация датчиков по выходным параметрам (образованию наиболее удобного для восприятия импульса, в который преобразуется входной сигнал исследуемой среды), следующая:

  • электродвижущей силы и напряжения;
  • сопротивления;
  • света, радиосигнала, звука.

Большинство датчиков являются электрическими приборами, так как именно они имеют множество преимуществ:

  • электрический сигнал удобен для передачи на разные расстояния без задержки скорости;
  • любые параметры легко преобразуются в электричество.
  • электросенсоры очень точные, чувствительные, быстродействующие.

Детекторы разделяют на три класса:

  1. Аналоговые, образующие аналоговый сигнал потоку входных данных.
  2. Цифровые или электронные, генерирующие последовательности импульсов.
  3. Бинарные, создающие двухуровневый сигнал.

По принципу действия сенсоры бывают генераторными, гальваническими, тахометрическими, параметрическими, индуктивными, емкостными. Также существуют не особенно распространенные виды классификаций сенсоров:

  • дискретные и непрерывные – по динамическому характеру трансформации;
  • аналоговые и цифровые – по виду измерительных импульсов;
  • проводные и беспроводные – по среде подачи импульсов;
  • одномерные и многомерные – по количеству входящих параметров.

По виду измеряемых величин наиболее популярны следующие разновидности детекторов:

  • давления: абсолютного, избыточного, разрежения, разности давления, давления-разрежения;
  • расхода: механические, ультразвуковые, вихревые, электромагнитные, кориолисовые;
  • уровня: радарные, емкостные, поплавковые, кондуктометрические;
  • температуры: термопара, сопротивления, пирометры, теплового потока;
  • перемещения: абсолютные, относительные;
  • радиоактивности: ионизационные, прямого заряда;
  • фотодатчики: фотодиоидные, фотосопротивления, фотоматричные.

Также бывают датчики влажности, положения, вибрации, механических величин, дуговой защиты.

Размер сенсора

Не все сенсоры камер устроены одинаково. Каждая компания использует свои собственные технологии и спецификации в разработке новейших сенсоров для новейших камер. Используемые спецификации оказывают огромное влияние на общее качество сенсора и, в итоге, на изображения, которые можно получить с его помощью.

Один из главных факторов, определяющих качество изображения, это физический размер сенсора. Именно поэтому цифровые зеркальные камеры позволяют получать, в общем случае, лучшие изображения, чем большинство «мыльниц». Размер сенсора в карманной камере – просто часть размера его коллеги в SLR-камере. Обычно большие сенсоры выдают лучшие показатели в ситуациях, требующих высоких ISO – эффект, который может быть подтвержден при сравнении «мыльниц» с DSLR даже начального уровня.

Вы также могли уже слышать об эффекте под названием «кроп-фактор». Этот термин помогает нам описать размер сенсора камеры относительно «стандартного» размера. Что такое стандартный размер? Точкой отсчета принято считать полнокадровый («full frame») сенсор, который имеет тот же размер, что и кадр в 35мм пленке. Любой сенсор меньше полнокадрового – с кроп-фактором.

  	Красная рамка очерчивает область, которая будет

Красная рамка очерчивает область, которая будет зафиксирована полнокадровым сенсором, а синяя — представляет область, видимую камерой с кроп-фактором.

Вы, вероятно, знаете что «кропнуть» (от англ. сrop — обрезáть) значит использовать выбранную часть изображения, или же выделить меньшую область из него. На камере с кроп-фактором поле зрения более узкое, чем на камере с полнокадровым сенсором.

Хотите верьте, хотите нет, но существуют сенсоры, по размеру большие, чем 35мм «полный  кадр». Цифровой средний формат – развивающаяся область, востребованная предметными и студийными фотографами за огромное разрешение, которое такие сенсоры могут обеспечить. Phase One сейчас предлагает среднеформатную 80-мегапиксельную камеру, и ее конкуренты, такие как Mamiya и Hasselblad, очевидно, не собираются отставать.

Задачи и функции

Основная задача датчиков заключается в передаче исследуемых параметров на специальный приемник и последующую обработку сигнала. Также они контролируют исследуемый объект и замеряют его характеристики в определенных диапазонах. Существуют многофункциональные модели, фильтрующие, предварительно обрабатывающие необходимые параметры.

Датчики представляют собой часть технических систем, благодаря которым можно выполнять измерение, регулировку, настройку объектов.

Приборы преобразуют полученные данные, например, о контролируемой среде (давление, температура, частота, скорость) в электро-, пневмо-, оптические импульсы. При этом формируется подходящая для передачи и приятия приемником форма для дальнейшей обработки, хранения, регистрации информации.

Применение датчиков



Фотосенсор

Фотосенсор

В последнее время в связи с удешевлением электронных систем все чаще применяются датчики со сложной обработкой сигналов, возможностями настройки и регулирования параметров и стандартным интерфейсом системы управления. Имеется определенная тенденция расширительной трактовки и перенесения этого термина на измерительные приборы, появившиеся значительно ранее массированного использования датчиков, а также по аналогии — на объекты иной природы, например, биологические. Понятие датчика по практической направленности и деталям технической реализации в настоящее время можно отнести к понятиям измерительный инструмент, измерительный прибор, фотоматериалы. Для этих устройств преобладает аспект их использования человеком и как правило, используются в разных режимах (автаматический, измерительный прибор, фотоматериалы (матрица (фото), фотосенсорах) и др.

Подбор датчиков, какие параметры учитывают

Сенсор, например, на замену сломанного, подбирают под параметры:

  • на которые рассчитано обслуживаемое оборудование;
  • характеристики могут быть иными:
    • в рамках рекомендаций производителя;
    • если прибор рассчитан на таковые (могут расширять его возможности, опции).

Что оценивается:

  • диапазон характеристик обслуживаемой среды (например, температура, давление). Если, например, датчик NTC или термопара рассчитана на работу в t° до +600, то, конечно же, они не будут эффективными, если рабочими температурами приложения являются значения около +900° C. Если сенсор работает с запитыванием (обычно слаботочным), то чрезмерно высокое значение попросту выведет его из строя, это же касается, если он предназначен для фиксирования электропараметров только определенного диапазона, а также такая некорректная по отношению к нему среда просто не будет правильно отслеживаться;
  • инерционность. Это время срабатывания. Важно выдерживать допустимые нормы для конкретного оборудования. Например, если сенсор слишком медленный, то противопожарная система будет срабатывать с опозданием, что может привести к трагическим последствиям, принятые ею меры могут из-за опоздания стать неэффективными.

Остальные важные параметры:

Остальные важные параметры:

  • точность и погрешность;
  • разрешение;
  • мощность, в том числе сигнала на выходе;
  • нужный момент, усилие от входного сигнала;
  • выходное сопротивление;
  • дифференциальность (способность различать).

При подборе надо проверять допуски — совокупность характеристик, допустимых для конкретного оборудования. Например, диапазон погрешностей, отклонений (±).

Статические качества. Выражают, насколько корректен выход датчика, насколько правильно отражает замеряемые величины спустя определенное время после их изменения, когда вых. импульс установился с новым значением. К таковым относятся:

Динамические характеристики. Редко приводятся в те

Динамические характеристики. Редко приводятся в техописаниях. Для бытовых приборов, обычных целей их можно не учитывать.

Их берут во внимание, если требуется детектор для

Их берут во внимание, если требуется детектор для особо чувствительного оборудования (лабораторного, научного, для экспериментов), для предельно возможной точности, исключающей любые сбои, погрешности (сфера энергетики, космическая отрасль). К таковым относятся:

Требования для датчиков

Требования для датчиков

Можно подобрать сенсор с большой погрешностью, если это допускается производителем, затребовано именно под особенности приложения или особо не влияет на качество работы.

Но в общем лучшими изделиями будут таковые со следующими качествами:

  • однозначность зависимости вых. величины от входной;
  • стабильность качеств во времени;
  • чем выше чувствительность, тем лучше;
  • малые размеры, вес;
  • отсутствие обратного влияния на подконтрольный процесс, параметр;
  • чем шире диапазон рабочих параметров, тем лучше, если это не ухудшает иные характеристики;
  • расширенные способы монтажа.

Теги

Теги