От простых сенсоров - к интеллектуальным

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.

Рис. 1.1. Функциональная схема простого сенсора

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.

Рис. 1.2. Структура простого сенсора с обработкой информации

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.

Рис. 1.3. Функциональная схема "активного" сенсора

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 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).