От простых сенсоров - к интеллектуальным

Цель лекции: сформировать у слушателей (учащихся, читателей) более точное представление о том, что собой представляют сенсоры, в частности, интеллектуальные сенсоры, сенсорно-компьютерные системы, из каких главных функциональных узлов они состоят, какую роль играют в нашей жизни. Вкратце ознакомить с историей совершенствования сенсоров, с их многообразием, с возможными подходами к их классификации, с порядком их рассмотрения в данном цикле лекций.

1.1. Введение

Весь опыт развития человеческой цивилизации свидетельствует о том, что чем правильнее и лучше люди понимают мир, чем точнее, больше и глубже знают о нем, и чем в большем согласии с законами природы действуют, тем успешнее и лучше обустраивают они свою жизнь. В свою очередь, 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.

В период становления человечества наши пращуры использовали для этого только свои органы чувств, возможности которых ограниченны. Но по мере развития технологий, техники, науки люди стали все шире применять также и разнообразные технические устройства, которые дополняют или заменяют наши органы чувств. Такие устройства принято называть сенсорами (от латинских слов sensus — чувство и sensorium — орган чувств).

Можно смело утверждать, что уровень развития цивилизации (наряду с другими важнейшими факторами) характеризуется уровнем развития сенсоров. Их роль в обеспечении нашей правильной ориентации, в более объективном, точном и глубоком восприятии действительности, в повышении качества и эффективности нашей деятельности трудно переоценить. Особенно это касается биологии, медицины, социальной сферы, высокотехнологических отраслей, где мы имеем дело с очень сложными объектами, оценивать состояние которых и процессы, в них происходящие, только "на глаз", по внешним признакам уже недостаточно.

Сенсоры к тому же — это именно те устройства, в которых происходит загадочный процесс "рождения информации" и в которых физико-химические изменения, происходящие в реальной действительности, превращаются в информационные сигналы, служащие основой для разумного поведения, для формирования и уточнения моделей этой действительности, наших представлений о ней. По большому счету, именно от сенсоров фактически и начинается любое разумное поведение, всякий интеллект, вся информатика. Любая разумная система, возникшая естественным путем или созданная другой разумной системой, успешно функционирует и выживает в реальном мире лишь тогда и до тех пор, когда и пока она получает объективную и качественную информацию о нем.

Каким образом может происходить "превращение" физико-химических воздействий в информацию, каковы возможные механизмы этого "превращения", принципы действия сенсоров, от чего зависит точность получаемой информации, - об этом и рассказывается в предлагаемом цикле лекций.

Поразительно быстрое, можно сказать, "революционное", развитие в последние десятилетия кибернетики, микроэлектронной и оптоэлектронной элементной базы информатики, да, собственно, и самих прикладных областей знаний, сделало возможным построение нового поколения "разумных" сенсоров. Такие сенсоры стали называть "интеллектуальными" — от латинского слова intellectualis, которое кроме значения "умственный" имеет также значение "рассудительный, соображающий, разумный". Создание и все более широкое применение интеллектуальных сенсоров — это один из признаков информационной стадии в развитии общества.

Каковы отличительные особенности таких сенсоров, какие они бывают, от чего зависит и как достигается их интеллектуальность, как их проектировать и строить, обеспечивать удобство и надежность их работы, — эти и много других вопросов относительно интеллектуальных сенсоров тоже раскрываются в данном цикле лекций.

Еще одна задача этого курса: наглядно показать, что интеллектуальные сенсоры — это уже не мечта, не отдельные разрозненные достижения современной техники, что они уже уверенно вошли в нашу повседневную жизнь. Их разработка и производство стали самостоятельной важной инновационной подотраслью приборостроения. Пока этот факт не всегда осознают даже специалисты — разработчики отдельных интеллектуальных сенсоров.

В связи с этим напомним, как на севере, на берегу Ледовитого океана летнее солнце, волны и дожди размыли со временем крутой берег, и на его обрыве открылись какие-то кости. Учуяв добычу, к этим костям приползли насекомые, пришли дикие звери, начали грызть их, даже и не подозревая, что это за кости. Только образованный человек, оказавшийся на том берегу, сумел разглядеть и понять, что это не просто отдельные кости, а остатки скелета огромного животного. Люди старательно выбрали и рассортировали эти кости, осторожно перевезли, а потом собрали их в музее, где все теперь могут увидеть впечатляющий цельный скелет огромного мамонта.

Вот и мы решили в данном цикле лекций собрать вместе разрозненные примеры различных интеллектуальных сенсоров, рассортировать и описать их, чтобы каждый смог увидеть, что все они вместе – это и в самом деле уже не просто отдельные научно-технические достижения, а новое поколение сенсоров, очередной значительный шаг в развитии сенсорики и вообще в технологическом прогрессе человечества.

1.2. Уточнение понятия "сенсор"

Разные авторы по-разному трактуют понятие "сенсор". У одних – это "чувствительный прибор", искусно созданный человеком "бдительный сторож", у других – "анализатор", распознающий, узнающий нужный объект ("аналит"), у третьих – " датчик " какой-то физической величины (температуры, давления, угла поворота), у четвертых – орган чувств животного или растения и т.д. Выше и мы, желая дать начальное объяснение этому понятию, сказали, что сенсоры – это "устройства, которые дополняют или заменяют наши органы чувств". И всё это частично правильно. Действительно, все сенсоры что-то "чувствуют" (например, изменение температуры, наличие магнитного поля, изменение кислотности раствора и т.п.); за чем-то "бдительно наблюдают"; что-то "распознают" (напр., отклонение от вертикали, появление в воздухе избытка углекислого газа, наличие в воде возбудителя холеры, ...); "измеряют" какую-нибудь физическую величину (напр., освещенность, ускорение, давление, ...). Все они, действительно, заменяют или дополняют наши органы чувств. В понятии "датчик" акцент делается на другой важной способности сенсора – на том, что он выдает во внешний мир сигналы о том, что он "чувствует", "распознаёт", "измеряет".

Чтобы точнее определить понятие "сенсор", надо отвлечься от деталей, от того, что именно "чувствует", "распознаёт", "измеряет" сенсор, с какой конкретной целью и как именно он это "делает", каким конкретно образом выдает он сигналы во внешний мир. Главное, общее, что тогда остаётся, – это то, что

Объектом наблюдения является тот материальный объект, процесс, та среда, с которыми взаимодействует сенсор, информацию о которых он "приставлен" собирать. Объектом наблюдения может быть, в частности, и вся окружающая сенсор среда. Для уровня (ватерпаса), например, объектом наблюдения является плоская поверхность, на которой он установлен; для радиоприемника объектом наблюдения является окружающее его антенну электромагнитное поле; для медицинского градусника – тело, находящееся в тепловом контакте с его концом, в котором находится капля ртути.

"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. Таким образом, отвлекаясь от частностей, мы приходим к следующему определению понятия "сенсор".

Сенсор – это устройство (прибор, орган, узел), преобразующее физическое (физико-химическое) изменение в объекте наблюдения, его физическое воздействие в информационный сигнал для пользователя . Сенсор – это связующее звено между реальным "физическим" миром и миром информационных моделей, между материей и информацией.

Сенсоры поставляют "пользователю" важнейшую объективную исходную информацию, на основе которой только и можно предвидеть события, разумно вести себя в мире, судить о том, насколько созданные и применяемые пользователем информационные модели адекватны реальным процессам и объектам, с которыми он имеет дело.

1.3. Простые сенсоры

Еще относительно недавно люди использовали в основном простые сенсоры, дающие только "сырую", первичную, необработанную информацию об объектах и процессах, за которыми ведется наблюдение. Расшифровку, обработку этой информации, сопоставление её с другими данными выполняли сами люди, они же оценивали её значимость и степень важности.

Одними из первых простых сенсоров, наверное, были отвесы – для выявления отклонений от вертикали; упомянутые уже выше уровни – сенсоры малых отклонений от горизонтального положения плоской поверхности; флюгеры, отслеживающие и показывающие направление ветра; поплавки в удочках для ловли рыбы; компасы – для более точного ориентирования на местности и т. д.

Функциональная схема простого сенсора представлена на рис 1.1. Главными его составными частями являются чувствительный элемент и сигнализатор. Реагируя на то или иное воздействие со стороны объекта наблюдения, чувствительный элемент меняет своё состояние, а сигнализатор выдает об этом какой-то понятный пользователю сигнал. Этот сигнал и является носителем информации об объекте наблюдения.

Если изменения в состоянии чувствительного элемента очень незначительны и выходные сигналы получаются весьма слабыми или "зашумлены" какими-то посторонними влияниями, то в сенсоре используют также узлы усиления и/или селекторы полезных сигналов. Однако они не являются обязательной составной частью сенсора и поэтому на рис 1.1 изображены штриховой линией.

Рассмотрим несколько примеров. В простейшем сенсоре магнитного поля – в компасе – чувствительным элементом является намагниченная тонкая стрелка (полоска из железа или из другого ферромагнетика либо из их сплава), установленная и уравновешенная на вертикальной оси, вокруг которой она может свободно вращаться. Магнит всегда стремится повернуться своим северным полюсом в направлении магнитных силовых линий. Роль сигнализатора совместно выполняют тут остриё стрелки и шкала с угловыми делениями, облегчающая отсчет угла между направлением магнитной стрелки и заданным направлением (напр., направлением движения). Если магнитная стрелка достаточно длинная, то в усилении сигналов нет необходимости. А вот механические вибрации, особенно во время движения, вызывают значительные колебания, "рыскания" стрелки, что затрудняет отсчет направления. Для того чтобы уменьшить "рыскания", внутреннюю полость компаса заполняют жидкостью с оптимально подобранной вязкостью, которая, с одной стороны, эффективно гасит быстрые хаотические рыскания стрелки, а с другой, – не вызывает значительного запаздывания поворота стрелки при изменении направления движения. Эта жидкость и выполняет в компасе роль селектора полезных сигналов или, если хотите, частотного фильтра, "отрезающего" колебания с частотами выше примерно 1 Гц.

В привычных медицинских ртутных термометрах – сенсорах температуры тела – роль чувствительного элемента играет небольшая капля ртути, залитая внутрь стеклянной колбочки. Будучи приведена в тепловой контакт с нашим телом, она нагревается до его температуры. Чем выше температура тела, тем больше тепловое расширение ртути. Роль усилителя сигнала играет присоединенный к колбочке стеклянный капилляр, в котором небольшие изменения объема капли ртути трансформируются в заметное удлинение ртутного столбика. Последний вместе с приставленной к капилляру температурной шкалой и выполняют роль сигнализатора.

В простейшем электрокардиографе – сенсоре изменений электрических потенциалов в разных точках на поверхности грудной клетки – чувствительными элементами являются электроды с присосками, смоченные электролитом для обеспечения электрического контакта с телом. Поскольку первичные сигналы от них – небольшие электрические потенциалы – весьма слабы, то обязательно используют электронные усилители. Как правило, чтобы заглушить электромагнитные помехи, применяют также электрический фильтр частот выше примерно 10 Гц. Роль сигнализатора выполняет то или иное устройство для визуализации электрокардиограммы.

Зададимся вопросом: может ли быть сенсор без чувствительного элемента? Конечно же, – нет. Снимем, например, магнитную стрелку с оси компаса, а всё остальное оставим. Безусловно, такой "компас" уже перестанет быть сенсором магнитного поля Земли.

А может ли быть сенсором сам чувствительный элемент без сигнализатора? Конечно же, – тоже нет. Положим, например, магнитную стрелку компаса на тетрадь или книгу. Магнитная стрелка продолжает "чувствовать" магнитное поле Земли. Но из-за значительных сил трения она уже не может повернуться своим острием в направлении силовых линий магнитного поля. Если отсутствует сигнализатор, то прибор тоже перестает быть сенсором.

Поэтому только вместе, только в совокупности и во взаимодействии чувствительный элемент и сигнализатор могут служить сенсором. Они являются обязательными, неотъемлемыми функциональными узлами сенсора.

С развитием техники и возрастанием требований со стороны прикладных областей (промышленности, научных исследований, медицины, технологии) в сенсорах также начали выполнять сначала простую, а со временем все более сложную обработку информации. Функциональная схема такого сенсора приведена на рис 1.2.

Когда специалистам по физиологии растений стало необходимо определять общее количество света, получаемого растениями за световой день, был создан соответствующий сенсор, в котором чувствительным элементом является фотоприемник. Под влиянием внешнего освещения он генерирует фототок, пропорциональный падающему световому потоку. Фототок после усиления поступает в конденсатор, который и играет роль узла обработки информации, в данном случае – роль интегратора. Накопленный в нём за световой день электрический заряд как раз и пропорционален количеству света, полученному растениями ("светосумме").

В психрометре – сенсоре температуры и относительной влажности воздуха – роль узла простейшей обработки информации играет встроенная в него психрометрическая таблица. В ней пользователь, определив показания "сухого" и "влажного" термометров, может найти соответствующее значение относительной влажности. В некоторых психрометрах имеется также таблица зависимости давления или плотности насыщенного водяного пара от температуры. Тогда пользователь получает возможность, определить не только относительную, но и абсолютную влажность воздуха. На примере психрометра мы видим, что у сенсора могут быть несколько чувствительных элементов. В данном случае налицо 3 чувствительных элемента: 2 колбочки с ртутью, спиртом или другой жидкостью, увеличивающей свой объём с повышением температуры, и влажная ткань, которой обмотана колбочка "влажного" термометра. Она как раз и является чувствительным элементом, "чувствующим" изменения влажности воздуха.

В древних песочных часах – сенсоре времени – никакой обработки информации не было. А вот в механических часах появились зубчатые передачи, которые и являются в данном сенсоре времени узлом обработки информации. Они пересчитывают периоды колебаний маятника в заданные интервалы времени – минуты и часы.

На примере стрелочных механических часов мы видим, что сенсор может иметь и несколько сигнализаторов. В данном случае есть 2 обязательных сигнализатора – минутная и часовая стрелки с циферблатом, и может быть даже 3-й – секундная стрелка.

1.4. Активные и пассивные сенсоры

До сих пор мы рассматривали примеры простых сенсоров, которые только реагируют на влияние со стороны объекта наблюдения. Такие сенсоры называют "пассивными". В отличие от них "активные" сенсоры сами каким-то специальным образом воздействуют на объект наблюдения (предмет или процесс) и воспринимают вызванные этим изменения.

Функциональная схема таких сенсоров показана на рис 1.3. Одним из примеров может быть тонометр – сенсор артериального давления крови. Узлом воздействия на объект является в нем манжета, которая накладывается на плечо или на предплечье пациента и создает всестороннее давление на биоткань и кровеносные сосуды. Задатчиком воздействия является надувная резиновая "груша" или миниатюрный компрессор. Чувствительным элементом и одновременно усилителем сигналов служит стетоскоп, который приставляют к артерии, расположенной по направлению тока крови за манжетой.

Когда манжета сдута, кровь свободно циркулирует по артериям, и в стетоскопе можно услышать глухие удары пульса. Если же закачать в манжету воздух так, чтобы давление стало выше систолического, то артерии перекрываются в результате внешнего давления на них, и пульсирование крови за манжетой прекращается. Постепенно стравливая воздух и уменьшая тем самым внешнее давление на артерии, врач должен уловить тот момент, когда пульсирование крови возобновляется. В этот момент давление воздуха в манжете и её давление извне на артерии приблизительно равны систолическому артериальному давлению крови внутри артерий. При дальнейшем снижении давления в манжете пульсовые волны сначала усиливаются, а потом начинают ослабевать. Когда давление в манжете сравнивается с диастолическим артериальным давлением и опускается ниже, то пульсовые удары значительно ослабляются. Сигнализатором в этом сенсоре является соединенный с манжетой манометр, на котором врач считывает значения систолического (в момент возобновления пульсаций крови) и диастолического давления (в момент значительного ослабления пульсаций). Узла обработки информации в простых тонометрах нет. Эту обработку выполняет человек – врач.

В тонометре одновременно присутствуют и используются 2 чувствительных элемента – приставляемая к артерии мембрана стетоскопа и манометр, реагирующий на изменения давления в манжете. Одновременно используются и 2 сигнализатора – слуховые выходы стетоскопа, которые врач вставляет в уши, чтобы прослушивать биения пульса, и стрелка манометра с соответствующей шкалой.

Другой пример "активного" сенсора приведем опять из области физиологии растений. Там в своё время появилась необходимость определять объёмный поток жидкости сквозь стебель или по веткам растения и изменения этого потока со временем. Решена эта задача была так. На стебель (ветку) в одном из мест устанавливают тонкий нагреватель, например, вольфрамовую проволоку, сквозь которую пропускается электрический ток. Нагревая ветку в месте своего расположения, нагреватель вместе с ней нагревает и жидкость, текущую по ветке, до физиологически допустимой температуры, например, до 39-40 $$\deg$$ С. Нагреватель и является в данном случае узлом воздействия на объект. Задатчиком воздействия служит регулируемый источник тока через нагреватель. Дальше по ходу движения жидкости вдоль стебля на расстоянии порядка сантиметра устанавливают второй термочувствительный элемент (термистор, термопару). Сигнал от него усиливают, фильтруют по частоте и подают в электронный узел обработки информации. Там определяется разность температур ветки в местах нагревания и контроля. Чем сильнее поток жидкости, тем больше тепла переносит с собой жидкость, и тем меньше разность температур. Таким образом, по изменению разности температур определяют изменения объёмного потока жидкости внутри стебля (ветки).

1.5. Сенсорно-компьютерные системы

С появлением во второй половине прошлого века электронных вычислительных машин появилась и возможность выполнять достаточно сложную обработку первичной информации, получаемой от сенсора. В связи с этим инженеры и ученые начали создавать "умные" сенсорно-компьютерные системы (рис 1.4). Сенсоры тут играют роль внешних "органов чувств" компьютера, поставляя ему первичную информацию. Сложную её обработку, подготовку к выдаче полученных результатов в наиболее удобной для пользователя форме, её документирование, систематизацию, упаковку и длительное хранение выполняет компьютер.

Вспомним, например, современные компьютеризированные электрокардиографы и электроэнцефалографы. В них от многих, установленных в определенных позициях, электродов собираются, усиливаются и обрабатываются слабые переменные электрические сигналы, обусловленные работой соответственно сердца или головного мозга. А компьютер анализирует их и выдаёт в наиболее удобной форме врачам.

В компьютерных электрокардиографах, например, не только вычисляются интервалы времени между "зубцами" кардиограммы, соответствующими сокращениям мышц сердца, и диапазон их варьирования, средняя частота пульса и другие количественные показатели. Путем сопоставления электрокардиограмм, полученных от разных точек грудной клетки, устанавливается ориентация электрической оси сердца, фиксируются экстрасистолы и другие нарушения координации сокращений разных мышц сердца.

В компьютеризированной системе магнитокардиографии [, , , , ] чувствительными элементами являются определенным образом расположенные в пространстве сверхпроводящие квантовые интерферометры, которые способны с высокой частотой и точностью воспринимать минимальные изменения магнитного потока, связанные с работой сердца. Кроме квантовых интерферометров, используют также до десятка чувствительных электродов, которые позволяют параллельно снимать также электрокардиограмму. Интерфейс состоит из электронных схем усиления и предварительной аналоговой обработки сигналов и из аналого-цифровых преобразователей. С выхода последних информация поступает в компьютер, который обрабатывает полученные данные в соответствии с достаточно сложными алгоритмами, выдаёт результаты анализа на экран монитора в виде понятных врачу условных изображений, цифровых и текстовых данных и предлагает некоторые диагностические выводы.

Еще одним примером являются пассивные компьютерные системы охраны и видеонаблюдения. Чувствительными элементами в них служат видеокамеры и датчики приближения, присутствия, изменения обстановки. Сигналы от датчиков и полученные изображения передаются в компьютер, где они маркируются указанием места обнаружения и текущего времени. Далее они обрабатываются, сопоставляются между собой и со стандартными сигналами, зафиксированными в памяти. В случае выявления тревожных изменений компьютер фиксирует их в своей долговременной памяти и вырабатывает сигналы привлечения внимания служащих, а на монитор выводится полиэкранная информация.

Структура "активных" сенсорно-компьютерных систем приведена на рис 1.5. Здесь в состав системы входят также средства воздействия на исследуемый объект или процесс. Этими средствами управляет компьютер, который может автоматически изменять динамику, интенсивность и состав воздействий в зависимости от поступающих от сенсоров данных. Одним из примеров такой системы являются компьютерные томографы. Объектом исследования для них является головной мозг или иная часть человеческого тела. В качестве узлов воздействия используются точечные источники рентгеновского излучения, местоположение которых можно менять относительно исследуемой части тела. В качестве сенсоров используют детекторы рентгеновского излучения, расположенные в одной плоскости в разных направлениях и под разными углами.

В современных томографах, которые стали могучим средством диагностики заболеваний, применяют уже сотни таких детекторов одновременно. Высокопроизводительный компьютер на основе большого массива данных, полученных многими детекторами под разными углами, выполняет сложные вычисления, определяя по этим данным распределение плотности живых тканей в соответствующем сечении тела. Полученные изображения и вычисленные показатели выдаются врачам [195, 223]. С помощью компьютера врач, который проводит исследование, в зависимости от цели может изменять режимы работы, перемещать узлы воздействия и массивы сенсоров относительно человеческого тела, получая изображения его внутренней структуры также и в других сечениях, и т.д. Таким образом ("сечение за сечением") может быть получена 3-мерная картина внутреннего строения исследуемого органа. Одним из средств воздействия может быть также введение в организм человека контрастных веществ, существенно повышающих контрастность изображений и позволяющих исследовать также и динамику физиологических процессов.

В магниторезонансной томографии средствами воздействия на исследуемый орган человека являются постоянное однородное магнитное поле, последовательности радиочастотных электромагнитных импульсов и дополнительные слабые градиентные магнитные поля [, ]. Магнитные моменты атомных ядер с некомпенсированным полуцелым спином ( $$^{1}H, ^{13}C, ^{13}Na, ^{13}P, ..$$.) ориентируются вдоль постоянного магнитного поля. А высокочастотное электромагнитное поле возбуждает их прецессию вокруг соответствующего направления. При выключении электромагнитного поля прецессия еще некоторое время продолжается. Возбужденные ядра излучают при этом электромагнитные сигналы характерной частоты. Это называют "спиновым эхом". Сенсорами являются чувствительные радиоприёмники, настроенные на частоту ядерного магнитного резонанса, а селекторами – синхронные детекторы соответствующих импульсных последовательностей. Амплитуда принятых сигналов пропорциональна концентрации соответствующих ядер в живых тканях тела. Управление излучением электромагнитных импульсов и наложением слабого градиентного магнитного поля, а также математическую обработку совокупности получаемых сигналов выполняет компьютер. В отличие от рентгеновской компьютерной томографии магниторезонансное исследование не сопровождается вредным облучением организма, которое в больших дозах может быть опасным.

Применение компьютеров предоставило пользователям не только возможность получать значительно возросшие объемы намного лучше обработанной и более достоверной информации об исследуемых объектах. Оно подняло сенсорику на принципиально более высокий уровень – на уровень диагностики. Древнегреческое слово " diagnostikos " означает "способный распознать".

При отсутствии компьютера интерпретацию получаемых от сенсоров данных, выводы из них способны были выполнять только специалисты. Физики на основе получаемых данных делали выводы о внутренней структуре, функционировании, текущем состоянии и свойствах исследуемых физических объектов, инженеры – о состоянии соответствующих машин, технических систем, о ходе технологических процессов. Врачи определяли состояние внутренних органов человека, причины, сущность заболеваний, оценивали ход лечения.

В сенсорно-компьютерных системах значительную часть сложной умственной работы, накопления баз данных, ценного опыта, необходимых для высококачественной диагностики, удалось уже переложить на компьютер!

1.6. Интеллектуальные сенсоры

Совсем новые возможности появились в 80-х годах ХХ века, когда началось серийное производство микропроцессоров и микрокомпьютеров, умещавшихся уже на одном кристаллике кремния ("чипе"). Каждый из них – это маленький универсальный искусственный электронный "мозг", который можно встроить в сенсор и выполнять в нём достаточно сложную обработку первичной информации. Тем самым сложились предпосылки для рождения принципиально нового класса современных "интеллектуальных" сенсоров.

Такие сенсоры, как правило, являются "активными", т.е. не просто пассивно воспринимают влияние, свойства, характеристики объекта наблюдения, но и сами специальным образом воздействуют на объект, воспринимая и анализируя вызванные этим изменения. Для них не является проблемой учесть нелинейность характеристик чувствительных элементов, различные поправки и влияние сторонних воздействий (напр., изменения температуры). Если требуется, они сами автоматически могут повторить измерения, усреднить результаты, пересчитать в иные единицы измерения и т.п.

Функциональная схема "интеллектуального" сенсора показана на рис 1.6. Его "интеллект" сосредоточен в микрокомпьютере МК (другие названия – микропроцессор, микроконтроллер, микроконвертор). МК не только обрабатывает информацию, но и организовывает всю работу сенсора и его информационную связь с внешним миром – с пользователем, с внешним компьютером, с каналом связи или с компьютерной сетью. Микрокомпьютер при наличии соответствующих заложенных в его память микропрограмм может выполнять также самоконтроль, контроль всех узлов сенсора и выдавать пользователю предупреждения и диагностические сообщения. Пользователь имеет возможность влиять на работу сенсора через клавиатуру Кл, в частности, выбирать и изменять режимы работы, задавать или изменять какие-то уставки и параметры и т.д.

Получив команду о начале работы, микрокомпьютер в предусмотренном программой порядке включает узлы воздействия на объект наблюдения и начинает отслеживать сигналы, поступающие от чувствительных элементов ( ЧЕ ). Слабые или "зашумленные" сигналы предварительно усиливаются и выделяются в усилителе-селекторе сигналов ( УСС ). Сигналы, не требующие усиления или селекции, могут поступать непосредственно в микрокомпьютер. Отслеживая данные от чувствительных элементов, микрокомпьютер может автоматически изменять интенсивность или характер воздействия на объект наблюдения, величину усиления или характер селекции сигналов в узле УСС.

В соответствии с заданной микропрограммой микрокомпьютер обрабатывает совокупность сигналов, поступающих от чувствительных элементов, а полученные результаты перекодирует в наиболее удобную для пользователя форму и выводит на дисплей. Полученные результаты могут быть также помечены, рассортированы, "упакованы", занесены в долговременную память микрокомпьютера и храниться в ней, а когда потребуется, то через стандартный интерфейс (СИ) переданы во внешний компьютер или в компьютерную сеть. Благодаря этому новые "интеллектуальные" сенсоры органически вписываются в новейшие высокопродуктивные технологии промышленного и сельскохозяйственного производства, медицинской практики, научных исследований.

В некоторых интеллектуальных сенсорах клавиатуру и дисплей объединяют в виде сенсорного экрана.

Наличие встроенного микрокомпьютера придаёт "интеллектуальным" сенсорам невиданную ранее гибкость, возможность автоматической адаптации к изменяющимся условиям работы. Становится возможной многофункциональность, когда, меняя какую-нибудь насадку и переходя в другой режим работы, сенсор сравнительно легко может выполнять совсем иную функцию. Вы, несомненно, знаете, например, что многие мобильные телефоны могут служить и в качестве записной книжки, карманного компьютера, цифрового фотоаппарата.

И, наконец, интеллектуальный сенсор может быть способен не только собирать, обрабатывать и поставлять те или иные данные о контролируемом объекте, но и интерпретировать их, помогая пользователю в диагностике и принятии решения.

Можно смело утверждать, что без интеллектуальных сенсоров не может функционировать и настоящий искусственный интеллект. Ведь глубокая предварительная обработка первичных данных уже в сенсорах – это предпосылка создания информационных моделей всё более высокого уровня.

Подводя итог, понятие "интеллектуальный сенсор" можно определить следующим образом.

Интеллектуальный сенсор – это сенсор, имеющий в своем составе микрокомпьютер и благодаря этому способный выполнять достаточно сложную обработку первичной информации; учитывать все нелинейности и необходимые поправки; 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; переходить к выполнению других функций и т.д.

1.7. 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.

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 ( $$^1H, ^{13}C, ^{13}Na, ^{13}P, ..$$.) – т.н. "спиновое эхо". Поэтому магниторезонансный томограф относится к классу электромагнитных сенсоров.

Упражнение 6. Это – функциональная схема интеллектуального сенсора (признак – наличие микрокомпьютера). Таблица соответствия