От простых сенсоров - к интеллектуальным

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 ( .) – т.н. "спиновое эхо". Поэтому магниторезонансный томограф относится к классу электромагнитных сенсоров.

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