A CMOS imager/processor for average particle velocity measurement in fluids

Abstract

Bu tezde akışkanlarda ortalama hız ölçümü için yeni bir yöntem önerilmiştir. Bu yöntem parçacık görüntülemeye dayalı hız ölçümünden esinlenmiştir. PIV yöntemi optik yöntemlere dayanarak akışkan alanların hız vektörlerim elde etmekte kullanılır. Yöntem kenar yerdeğiştirme süresi ölçümüne dayanmaktadır. Kenar algılama Laplasyen operatörü yardımıyla yapılır. Laplasyen operatörü, V/ = 2xt - (Xi-ı + xi+ı) şeklinde hesaplanır. Piksel içerisinde bu algoritmayı gerçekleyecek bir mimari önerilmiştir. Bir p+/n-kuyu diyodu fotodönüştürücü olarak kullanılmıştır. Kenar yerdeğiştirmesi ölçümü piksel içindeki bir akım pompası yardımıyla yapılmaktadır. Sistemin öne çıkan özellikleri olarak uzun süreli kenar oluşması ve kenar arkasından kenar gelme durumlarında bu hatalı ölçümlerin gözardı edilmesi ve gerçek-zamanlı işlem yapabilmesi sayılabilir. Yapılan optik iyileştirmeler sayesinde 3-boyutlu görüntülerin, 2-boyutlu gibi değerlendirilebilmesi sağlanmıştır. Ölçüm sistemi sistem hızına adaptif olarak 1 fıs ile 1 s aralığındaki hızlan ölçebilmektedir. Bu ölçümlerdeki hata oranı %30'un altındadır. Tasarım Austria Mikro Systeme 0.35 //m çift poly, üç metal CMOS prosesi ile yapılmıştır.

In this thesis a method for average velocity measurement of fluid flows is proposed. This method is influenced from Particle Image Velocity (PIV), which is an optical evaluation method that is used to determine velocity vectors for flow fields, with optical methods without disturbing the flow. The method is based on edge duration measurement, where edge detection is done by the Laplacian Operator, V/ = 2xj - (xi_i + xi+i) An on-pixel architecture is proposed for realizing the algorithm. A passive p + (n - well diode is utilized as the phototranducer. For edge duration measurement an on-pixel charge pump is used. The highlights of the proposed method are long edge inhibition, edge after edge inhibition, refreshing of the averaged values adaptively and real time continuous measurement. Optical modifications allow the estimation of 3-D scenes as 2-D scenes. The measuring system is also adaptive to the velocity of the system. Duration measurement between 1 fj.s to 1 s are possible. The error term is less than 30% for the worst case, and by trading off some parameters this can be decreased down to 5% The design is carried out using Austria Mikro Systeme 0.35 fim double poly, triple metal CMOS process.