 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ Сила воли ведет к действию, а позитивные действия формируют позитивное отношение Как определить диапазон голоса - ваш вокал Игровые автоматы с быстрым выводом Как самому избавиться от обидчивости Противоречивые взгляды на качества, присущие мужчинам Вкуснейший "Салат из свеклы с чесноком" Натюрморт и его изобразительные возможности Применение, как принимать мумие? Мумие для волос, лица, при переломах, при кровотечении и т.д. Как научиться брать на себя ответственность Зачем нужны границы в отношениях с детьми? Световозвращающие элементы на детской одежде Как победить свой возраст? Восемь уникальных способов, которые помогут достичь долголетия Классификация ожирения по ИМТ (ВОЗ) Глава 3. Завет мужчины с женщиной
Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.
| Классификация интеллектуальных сенсоров
Интеллектуальные сенсоры можно классифицировать, как и простые сенсоры, по назначению, по классу точности или по быстродействию, по габаритам и массе, по диапазону допустимых условий применения, по принципам их действия и т.д. По назначению, например, сенсоры часто классифицируют на предназначенные для применения
Сенсоры, используемые в качестве измерительных приборов, классифицируют по назначению в зависимости от того, какие физические величины они измеряют. Их принято называть " датчиками " (вязкости, давления, магнитного поля, потока, силы, скорости, температуры, угла поворота, электрических величин и т.п.). По точности сенсоры классифицируют на стандартные классы точности, принятые в технике измерений. Иногда их разделяют только качественно: на высокоточные, средней точности и грубые, обычно называемые "индикаторами". По габаритам и массе различают крупные стационарные сенсоры (например, радиотелескопы), переносные сенсоры, портативные ("карманные") сенсоры и микросенсоры. По диапазону допустимых условий применения различают сенсоры, пригодные для использования
Намного сложнее обстоит дело при попытках классификации сенсоров по принципу действия. Ведь сенсоры, как мы уже отмечали, могут состоять из многих узлов, каждый из которых может действовать по своим принципам. Принципу действия которого из узлов сенсора отдать предпочтение, – это уже дело вкуса. Выбирая принцип классификации сенсоров в данном цикле лекций, мы учли то, что любой сенсор, и особенно интеллектуальный сенсор, – это, в первую очередь, информационный прибор, который наблюдает с некоторой стороны окружающий мир и добывает из него полезную информацию, необходимую для успешной деятельности всякой саморегулируемой жизнеспособной системы. Информационная сторона сенсоров не менее важна и необходима, как и их физическая, физико-химическая или биохимическая сторона. А по большому счету, она даже является главной, определяющей. Ибо сенсоры, собственно говоря, и существуют для того, чтобы добывать полезную информацию. Поэтому мы и пришли к выводу о целесообразности классификации сенсоров именно по информационно-физическому признаку, в частности, по физической природе возникающих в них первичных информационных сигналов. Такой принцип классификации пока является непривычным и, насколько нам известно, никем еще не применялся. Однако он является естественным и понятным, если рассматривать сенсоры как информационные приборы. Пример классификации сенсоров по физической природе первичных информационных сигналов, приведен на рис. 1.7. Он отображает одновременно также и порядок рассмотрения различных видов интеллектуальных сенсоров в данном цикле лекций.
К классу " комбинированных " мы относим сенсоры, в которых формируются и используются одновременно несколько различных первичных информационных сигналов, имеющих разную физическую природу. Например, в упомянутом уже выше тонометре первичные информационные сигналы, поступающие через стетоскоп в уши врача, являются акустическими. Но параллельно врач смотрит на манометр и считывает с него величину давления. Этот сигнал имеет вид механического перемещения стрелки, т.е. по физической природе является механическим. Другой пример – описанные выше магнитокардиографы. В них первичными информационными сигналами являются обусловленные работой сердца небольшие изменения магнитных потоков, воспринимаемые сверхпроводящими интерферометрами, а также синхронные изменения электрических потенциалов на поверхности тела. Изображенная на рис. 1.7 классификация, конечно же, не является полной. Спектр первичных информационных сигналов, безусловно, шире и со временем может еще более расшириться. Чтобы Вы смогли практически применять предложенную классификацию, поупражняемся в её применении к классификации нескольких сенсоров, приведенных в качестве примеров в тексте данной лекции. Начнем с простейшего отвеса – сенсора для выявления отклонений от вертикали. Чувствительным элементом в нём является груз, сигнализатором – длинная тонкая бечевка (нитка, леска), на которой висит груз. Из-за силы тяжести, действующей на груз, бечевка всегда вытягивается строго по вертикали. Первичным и конечным информационным сигналом является отклонение бечевки от возводимой стены (устанавливаемой колонны, вкапываемого столба, бокового края рамы навешиваемой на стену картины и т.п.). Т.е. первичный информационный сигнал является тут механическим. Поэтому и сенсор этот мы относим к классу механических сенсоров. Чувствительным элементом уровня (ватерпаса) – сенсора малых отклонений от горизонтального положения плоской поверхности – является пузырек воздуха, плавающий под прозрачным окошечком на поверхности воды. Под действием выталкивающей силы (силы Архимеда) пузырек этот всегда занимает самое верхнее положение. И поэтому, если поверхность, на которой установлен уровень, наклоняется по отношению к горизонтальной плоскости, то пузырек воздуха перемещается. Сигнализатором является нанесенная на окошечко уровня шкала угловых наклонов, а первичным информационным сигналом – перемещение пузырька воздуха относительно шкалы. Поэтому и данный сенсор мы относим к классу механических. Простейший компас – сенсор для точного ориентирования на местности – обычно относят к классу "магнитных" по той причине, что он реагирует на магнитное поле Земли, и его стрелка устанавливается вдоль силовых линий этого поля. Однако первичным информационным сигналом в нем является поворот магнитной стрелки, т.е. механическое угловое перемещение. Поэтому по нашей классификации компас относится тоже к классу механических сенсоров. К классу механических следует отнести и медицинские ртутные термометры – сенсоры температуры тела. Ведь первичным информационным сигналом в них является удлинение ртутного столбика, т.е. механическое перемещение. Электрокардиографы, безусловно, относятся к классу электрических сенсоров, поскольку первичными информационными сигналами в них являются изменения электрических потенциалов в разных точках на поверхности грудной клетки. При последующей визуализации электрокардиограммы с помощью самописца или на экране электронно-лучевой трубки сигналы эти превращаются в механические отклонения пера самописца или электронного луча. Врач же воспринимает их глазами в виде оптических сигналов. Т.е. физическая природа сигналов потом может изменяться. Но для классификации важна физическая природа именно первичных информационных сигналов. В тонометрах – сенсорах для определения артериального давления крови – первичным информационным сигналом являются акустические колебания, вызванные пульсациями давления артериальной крови. Поэтому тонометры можно отнести к классу акустических сенсоров. Однако, если учитывать то, что равноправным первичным информационным сигналом является в них еще и механическое перемещение стрелки манометра, то тонометры следует отнести к классу комбинированных сенсоров – акустомеханических. В заключение разберем еще пример магниторезонансного томографа. Первичными информационными сигналами являются в нём электромагнитные сигналы характерных частот, вызванные "спиновым эхом" – продолжающейся еще некоторое время прецессией спинов ядер после выключения возбуждающего электромагнитного поля. Поэтому магниторезонансный томограф в нашей классификации относится к электромагнитным сенсорам. Краткие итоги Cовершенcтвование известных и создание новых сенсоров, постепенный переход от простых, пассивных к более сложным, активным сенсорам, к сенсорам, осуществляющим еще и некоторую обработку информации, затем создание сенсорно-компьютерных систем, начало промышленного выпуска в 80-х г.г. ХХ века однокристальных микрокомпьютеров закономерно привело к рождению качественно нового класса интеллектуальных сенсоров. Описанию таких сенсоров, принципов их работы и посвящен данный цикл лекций. Сенсор – это устройство (прибор, орган, узел), преобразующее физическое (физико-химическое) изменение в объекте наблюдения, его воздействие на чувствительный элемент в информационный сигнал для пользователя . Сенсор – это связующее звено между реальным "физическим" миром и миром информационных моделей, между материей и информацией. Интеллектуальный сенсор – это сенсор, имеющий в своем составе микрокомпьютер и благодаря этому способный выполнять достаточно сложную обработку первичной информации; учитывать все необходимые поправки и нелинейности; выдавать данные в наиболее удобной для пользователя форме; активно воздействовать на объект наблюдения, воспринимая и анализируя вызванные этим изменения; производить самоконтроль и самодиагностику; накапливать и систематизировать данные; поддерживать информационную связь с внешним миром; изменять режимы своей работы, адаптируясь к изменяющимся условиям; легко переходить к выполнению других функций и т.д. Существуют различные способы классификации интеллектуальных сенсоров. В нашем цикле лекций применяется классификация их, исходя из физической природы первичных информационных сигналов. Набор для практики Вопросы для самопроверки
Упражнения Упражнение 1. Установите соответствие между перечисленными в таблице сенсорами, объектами их наблюдения и чувствительными элементами:
Упражнение 2. Приведите пример простого пассивного сенсора и проанализируйте его с целью ответа на следующие вопросы. Что является в нём чувствительным элементом? Что сигнализатором? Имеется ли в нем узел обработки информации? Что собой представляют в нем первичные информационные сигналы? К какому классу сенсоров он относится? Вариант 1. Магнитный компас. Вариант 2. Медицинский ртутный термометр. Вариант 3. Простейший электрокардиограф с записью на бумажную ленту. Вариант 4. Прибор для определения получаемой растениями суточной светосуммы. Вариант 5. Психрометр – сенсор температуры и относительной влажности воздуха. Вариант 6. Стрелочные механические часы. Упражнение 3. Приведите пример простого активного сенсора и проанализируйте его с целью ответа на следующие вопросы. Что является в нём чувствительным элементом? Что сигнализатором? Что задатчиком и узлом воздействия на объект? Что собой представляют в нем первичные информационные сигналы? К какому классу сенсоров он относится? Вариант 1. Простейший механический тонометр – сенсор артериального давления крови. Вариант 2. Прибор для определения объёмного потока жидкости по стеблю растения. Вариант 3. Эхолот для определения глубины водоёма. Вариант 4. Головка для считывания штрих-кодов. Вариант 5. Сахариметр – прибор для определения концентрации сахара в растворе. Упражнение 4. Приведите пример пассивной сенсорно-компьютерной системы и проанализируйте её с целью ответа на следующие вопросы. Что является в ней чувствительными элементами? Что собой представляют первичные информационные сигналы? К какому классу сенсоров относится эта система? Вариант 1. Компьютеризированный электрокардиограф. Вариант 2. Компьютеризированная система магнитокардиографии. Вариант 3. Компьютерная система видеонаблюдения. Упражнение 5. Приведите пример активной сенсорно-компьютерной системы и проанализируйте её с целью ответа на следующие вопросы. Что является в ней чувствительными элементами? Что служит узлом (узлами) воздействия на объект? Что собой представляют первичные информационные сигналы? К какому классу сенсоров относится эта сенсорно-компьютерная система? Вариант 1. Компьютерный томограф. Вариант 2. Магниторезонансный томограф. Упражнение 6. На рис. 1.8 приведена функциональная схема сенсора. Что это за сенсор? Установите соответствие между номерами блоков, указанными на рисунке, и их названиями:
а) дисплей; б) клавиатура; в) стандартный интерфейс; г) узел воздействия; д) усилитель-селектор сигналов; е) чувствительный элемент. Ответы Ответы на вопросы 1. Сенсоры дополняют или заменяют наши органы чувств. Уровень, достоверность и глубина наших знаний о мире во многом определяются тем, с помощью каких средств воспринимаем мы этот мир, наблюдаем за ним, следим за происходящими в нем изменениями и явлениями. Они нужны для обеспечения нашей правильной ориентации в окружающем мире, для более объективного, точного и глубокого восприятия действительности, для повышения качества и эффективности нашей деятельности. 2. В сенсорах происходит процесс "рождения информации". Информационные сигналы от них служат основой для формирования и уточнения информационных моделей действительности, наших или компьютерных представлений о ней, и, в конечном счете, для обеспечения разумного поведения. Именно от сенсоров фактически и начинается всякий интеллект, вся информатика. 3. Предпосылками были быстрое развитие в последние десятилетия микроэлектронной и оптоэлектронной элементной базы информатики и прикладных областей знаний, создание "умных" сенсорно-компьютерных систем, серийное производство микрокомпьютеров. 4. Интеллектуальный сенсор имеет в своем составе микрокомпьютер, благодаря чему способен выполнять достаточно сложную обработку первичной информации, учитывать все необходимые поправки и нелинейности, выдавать данные в наиболее удобной для пользователя форме. Он может активно воздействовать на объект наблюдения, воспринимая и анализируя вызванные этим изменения, производить самоконтроль и самодиагностику, накапливать и систематизировать данные. Интеллектуальные сенсоры могут поддерживать информационную связь с внешним миром, изменять режимы своей работы, адаптируясь к изменяющимся условиям. Они могут быть очень гибкими, легко переходить к выполнению других функций. 5. "Объектом наблюдения" для сенсора является тот материальный объект, процесс или та среда, с которыми взаимодействует сенсор, информацию о которых он "приставлен" собирать. "Пользователем", получающим, понимающим и использующим сигналы от сенсора может быть человек, другое живое существо, автоматическая система управления, регулирования или регистрации, для которых сигналы от сенсора являются "информацией" об объекте наблюдения. 6. Обязательными составными элементами сенсора являются чувствительный элемент и сигнализатор. 7. "Активными" называют сенсоры, которые сами специальным образом воздействуют на объект наблюдения (предмет или процесс) и воспринимают вызванные этим изменения. 8. Сенсоры можно классифицировать по назначению, по классу точности или по быстродействию, по габаритам и массе, по диапазону допустимых условий применения, по принципам их действия и т.д. 9. В данном цикле лекций принята классификация сенсоров по информационно-физическому признаку, а именно – по физической природе возникающих в них первичных информационных сигналов. Ответы к упражнениям Упражнение 1. Таблица соответствия
Упражнение 2. Вариант 1: Чувствительным элементом является намагниченная полоска из ферромагнитного материала, уравновешенная на оси, вокруг которой она может свободно вращаться. Сигнализатором является заостренный в виде стрелки её северный полюс и шкала с угловыми делениями. Узла обработки информации нет. Первичным (и выходным) информационным сигналом служит поворот магнитной стрелки. Поскольку это механическое угловое перемещение, то магнитный компас относится к классу механических сенсоров. Вариант 2: Чувствительным элементом является капля ртути, находящаяся в стеклянной колбочке. Сигнализатором являются соединенный с резервуаром стеклянный капилляр, тонкий столбик ртути в нем и шкала с делениями, проградуированными в градусах Цельсия. Узла обработки информации нет. Первичным (и выходным) информационным сигналом служит удлинение столбика ртути в капилляре. Поскольку это линейное механическое перемещение, то градусник относится к классу механических сенсоров. Вариант 3: Чувствительными элементами являются смоченные электролитом электроды, установленные в разных точках поверхности тела. Сигнализатором является самописец, рисующий электрокардиограмму на бумажной ленте. Имеется электронный узел обработки информации для управления выводом ЭКГ на ленту. Первичными информационными сигналами служат изменения электрического потенциала на электродах. Поэтому электрокардиограф относится к классу электрических сенсоров. Вариант 4: Чувствительным элементом является фотоприемник. Сигнализатором является стрелочный или цифровой индикатор. Имеется электронный узел обработки информации в виде конденсатора, интегрирующего фототок. Первичным информационным сигналом служит величина фототока. Поэтому прибор относится к классу электрических сенсоров. Вариант 5: Чувствительным элементом является храповой механизм, разрешающий дозированное перемещение зубчатого колеса на одну позицию при каждом полном колебании маятника. Сигнализаторами являются минутная, часовая и, возможно, секундная стрелки с циферблатом. Узлом обработки информации служит набор зубчатых передач. Первичным информационным сигналом является прокручивание зубчатого колеса, контролируемого храповым механизмом. Поэтому часы относятся к классу механических сенсоров. Упражнение 3. Вариант 1: Чувствительным элементом служит стетоскоп, который приставляют к артерии, расположенной по направлению тока крови за манжетой. Сигнализаторами являются выходные отверстия стетоскопа. Задатчиком служит резиновая груша или портативный компрессор, узлом воздействия на объект – манжета, наложенная на плечо или на предплечье пациента. Первичными информационными сигналами являются звуки пульсации крови; поэтому тонометр относится к классу акустических сенсоров. Если учесть то, что первичным информационным сигналом является также отклонение стрелки манометра, то тонометр следует отнести к классу комбинированных. Вариант 2: Чувствительными элементами служат термисторы, установленные на стебле в месте нагрева и в контрольной точке. Сигнализатором является выходной цифровой индикатор. Задатчиком служит источник тока, узлом воздействия на объект – наложенный на стебель вольфрамовый или нихромовый нагреватель. Первичными информационными сигналами являются электрические сигналы термисторов. Поэтому прибор относится к классу электрических сенсоров. Вариант 3: Чувствительным элементом служит гидрофон. Сигнализатором является дисплей. Задатчиком служит генератор напряжения УЗ частоты, а узлом воздействия на объект – УЗ излучатель с УЗ антенной. Первичными информационными сигналами являются отражаемые от дна водоема УЗ волны. Поэтому эхолот относится к классу акустических сенсоров. Вариант 4: Чувствительным элементом является фотоприемник. Сигнализатором служит выходной усилитель, выдающий последовательность электрических импульсов; задатчиком – генератор тока, а узлом воздействия на объект – светодиоды с оптической системой формирования параллельного пучка света. Первичным информационным сигналом является интенсивность отраженного от штрихового рисунка света. Поэтому головка для считывания штрих-кодов относится к классу оптических сенсоров. Вариант 5: Чувствительным элементом служит фотоприемник с установленным перед ним анализатором. Сигнализатором является шкала поворота анализатора или цифровой индикатор. Задатчиком служит генератор напряжения, подаваемого на источник света, а узлом воздействия на объект – источник плоскополяризованного света. Первичным информационным сигналом является прошедший сквозь контролируемый раствор поляризованный свет и угол поворота его плоскости поляризации. Поэтому сахариметр относится к классу оптических сенсоров. Упражнение 4. Вариант 1: Чувствительными элементами являются смоченные электролитом электроды, установленные в разных точках поверхности грудной клетки. Сигнализаторами являются монитор и принтер компьютера. Первичными информационными сигналами являются изменения электрического потенциала на электродах. Поэтому компьютеризированный электрокардиограф относится к классу электрических сенсоров. Вариант 2: Чувствительными элементами являются сверхпроводящие квантовые интерферометры и электроды, установленные в разных точках поверхности тела пациента. Сигнализаторами являются монитор и принтер компьютера. Первичными информационными сигналами являются изменения магнитного потока сквозь отверстия квантовых интерферометров и изменения электрического потенциала на электродах. Поэтому компьютеризированная система магнитокардиографии относится к классу комбинированных (магнитных и электрических) сенсоров. Вариант 3: Чувствительными элементами являются матричные фотоприемники камер видеонаблюдения, индуктивные или другие пассивные датчики приближения. Сигнализаторами являются монитор и сирена компьютера. Первичными информационными сигналами являются оптические изображения на матричных фотоприемниках и электрические сигналы от датчиков приближения. Поэтому компьютерная система видеонаблюдения относится к классу комбинированных (оптических и электрических) сенсоров. Упражнение 5. Вариант 1: Чувствительными элементами являются детекторы рентгеновского излучения, расположенные в одной плоскости под разными углами. Узлами воздействия на объект служат точечные источники рентгеновского излучения, которые могут менять своё положение относительно исследуемой части тела пациента. Первичные информационные сигналы – это интенсивности прошедшего и рассеянного телом пациента рентгеновского излучения. Поэтому компьютерный томограф относится к классу рентгеновских сенсоров. Вариант 2: Чувствительными элементами являются чувствительные радиоприёмники, настроенные на частоту ядерного магнитного резонанса. Узлами воздействия на объект служат источники постоянного однородного магнитного поля, последовательностей радиочастотных электромагнитных импульсов и дополнительных слабых градиентных магнитных полей. Первичные информационные сигналы – это электромагнитные сигналы характерной частоты от атомных ядер с некомпенсированным полуцелым спином ( Упражнение 6. Это – функциональная схема интеллектуального сенсора (признак – наличие микрокомпьютера). Таблица соответствия
Лекция 2. Виды механических сенсоров. Представление о микросистемных технологиях. Деформационные сенсоры Цель лекции: помочь слушателям упорядочить приобретаемые ими знания о механических сенсорах, рассортировав их по видам чувствительных элементов. Сформировать у слушателей общее представление о современных микросистемных технологиях и их возможностях. Объяснить принцип действия основных деформационных чувствительных элементов, показать, как в них "рождается информация". Показать разнообразные возможности последующего преобразования первичных информационных сигналов в сигналы другого вида. Дать понятие об актуаторах. Привести примеры интеллектуальных сенсоров с применением деформационных чувствительных элементов. |
.) – т.н. "спиновое эхо". Поэтому магниторезонансный томограф относится к классу электромагнитных сенсоров.