От простых сенсоров - к интеллектуальным

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

• в тех или иных отраслях промышленности (в автомобилестроении, авиакосмической, кораблестроительной, пищевой промышленности, ...);
• в сельском хозяйстве (в животноводстве, растениеводстве, при разведении и ловле рыбы);
• в различных видах техники, медицинских приборах, в научных исследованиях, в экологии;
• в обслуживании населения;
• в спорте, в военном деле;
• для контроля за качеством продуктов, воды;
• для техники безопасности и охраны объектов и т.д.

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

• только в лабораторных условиях,
• в полевых условиях или
• в особых условиях (при очень низких либо при очень высоких температурах, в морских условиях или под водой, в условиях повышенной радиации, в вакууме) и т.д.

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.

Рис. 1.7. Пример классификации сенсоров по физической природе первичных информационных сигналов

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.