Акселерометры и гироскопы. Вибрационные и хроматографические сенсоры

Упражнение 4.6.

Вариант 1. Сенсор на кантилеверах состоит из кантилеверов, электронных микросхем, обеспечивающих возбуждение незатухающих колебаний кантилеверов, усиление и первичную обработку получаемых от них сигналов. Каждый кантилевер представляет собой закрепленную на одном конце упругую балку. На его нижней поверхности сформирован электрод для электростатического возбуждения и поддержания незатухающих механических колебаний. Для этого между этим электродом и расположенным под (или над) ним специальным электродом возбуждения подают переменное напряжение резонансной частоты. На верхней поверхности кантилевера возле незакрепленного конца сформирована чувствительная зона. На неё нанесено рецепторное покрытие, избирательно чувствительное к контролируемому химическому веществу или к определенному белку, вирусу либо к другому аналиту. Возле закрепленного конца кантилевера сформирован пьезорезистор, в котором возникают сигналы, вызванные упругой деформацией. Сигналы от пьезорезисторов обеспечивают положительную обратную связь, необходимую для поддержания автоколебаний. Они же используются и для измерения частоты колебаний. Если аналит присутствует в среде, с которой контактирует кантилевер (газ, жидкость), то его атомы (молекулы, частицы) химически связываются с рецептором. Из-за этого масса кантилевера изменяется и соответственно меняется частота механических колебаний. Сигналы воспринимаются и обрабатываются электронными схемами, которые сформированы в том же кристалле кремния. На выходе получается цифровой код, показывающий концентрацию аналита в контролируемой среде.

Вариант 2. Виброметр/виброанализатор состоит обычно из выносного щупа с пьезоэлектрическим, ёмкостным или др. детектором вибраций и небольшого основного корпуса, в котором находятся элементы питания, вся электроника и органы управления. Кончиком щупа легко притрагиваются к выбранной точке исследуемой машины или механизма. Вибрации, снимаемые с этой точки, преобразуются детектором в соответствующие переменные электрические сигналы. В основном корпусе сенсора измеряются указанные в программе характеристики: ряды данных измерений на протяжении заданного интервала времени с заранее указанной периодичностью, среднеквадратические и пиковые значения. Затем в микропроцессоре производится их обработка: выполняется спектральный анализ колебаний, формируется и выводится спектр вибраций. Встроенный микропроцессор может быть запрограммирован также и на вибродиагностику конкретных механизмов. Тогда он по заранее заложенным признакам сам интерпретирует частотные составляющие вибраций, выводит на дисплей допустимые для данного механизма диапазоны значений и подает сигналы предупреждения в случае выхода параметров за границы допустимого диапазона.

Вариант 3. Жидкостной колонковый хроматограф состоит из заполненной сорбентом хроматографической колонки, дозатора, с помощью которого в колонку вводят пробу контролируемой смеси, из воронки, через которую в колонку вводят жидкий элюент. Элюент просачивается вниз под действием силы тяжести и увлекает за собой контролируемую смесь. Разные её компоненты, имея несколько разное сродство с элюентом и сорбентом, продвигаются вниз с несколько разной скоростью и постепенно разделяются в пространстве. Это и является первичным информационным сигналом. На выходе колонки устанавливают детектор, с помощью которого определяют количество вещества, выходящего из колонки за единицу времени. В детекторе данные о пространственном разделении компонентов смеси преобразуются в соответствующие электрические сигналы, которые поступают в микропроцессор и хронометрируются. Микропроцессор формирует и выводит хроматограмму. Если хроматограф был предварительно калиброван, то в памяти микропроцессора сохраняются необходимые данные, по которым он идентифицирует компоненты (по времени их появления на выходе колонки), вычисляет относительное содержание указанных компонент (интегрированием соответствующих им пиков по времени). Если это предусмотрено заложенной программой, то микропроцессор сам проверяет допустимое содержание компонент и сигнализирует в случае его выхода за указанные пределы, формирует по заданной форме необходимые отчетные документы, передает их на печать или в компьютерную сеть.

Вариант 4. Газовый капиллярный хроматограф состоит из заполненного сорбентом длинного капилляра, из дозатора, с помощью которого в колонку вводят пробу контролируемой смеси, из баллона с газом-носителем, который проникает под давлением сквозь капилляр и сорбент, увлекая за собой контролируемую смесь. Разные её компоненты, имея несколько разное сродство с газом-элюентом и сорбентом, продвигаются по капилляру с несколько разной скоростью и постепенно разделяются. Это и является первичным информационным сигналом. На выходе капилляра устанавливают детектор, с помощью которого определяют количество вещества, выходящего за единицу времени. В детекторе данные о пространственном разделении компонентов смеси преобразуются в соответствующие электрические сигналы, которые поступают в микропроцессор и хронометрируются. Микропроцессор формирует и выводит хроматограмму. Если хроматограф был предварительно калиброван, то в памяти микропроцессора сохраняются необходимые данные, по которым он идентифицирует компоненты (по времени их появления на выходе колонки), вычисляет относительное содержание указанных компонент (путем интегрирования соответствующих им пиков по времени). Если это предусмотрено заложенной программой, то микропроцессор сам проверяет допустимое содержание компонент и сигнализирует в случае его выхода за указанные пределы, формирует по заданной форме необходимые отчетные документы, передает их на печать или в компьютерную сеть.

Упражнение 4.7. На горизонтальной оси хроматограммы обычно откладывают время, прошедшее от момента инжекции контролируемой пробы в хроматограф до момента выхода соответствующей фракции из колонки (капилляра). По оси ординат откладывают скорость выхода веществ, измеряемую детектором. Пример хроматограммы:

Обычно хроматограмма состоит из отдельных "пиков" ( А, Б, В, ...), каждый из которых соответствует своей компоненте смеси. Площадь "пика" пропорциональна удельному содержанию этой компоненты в смеси. Чтобы идентифицировать компоненты, обычно предварительно проводят калибровку хроматографа. Она состоит в том, что через хроматограф пропускают пробы "эталонных" смесей – с заранее известным содержанием компонент. Определяют, какая компонента выходит из хроматографа через какое время, и какая площадь пика соответствует известному содержанию. После запоминания данных калибровки по хроматограмме можно определить, из каких именно компонентов состоит смесь и удельное содержание каждой известной компоненты. Если обнаруживаются неизвестные компоненты, то дополнительно проводится их физико-химический анализ и, в случае необходимости, дополнительная калибровка на них.

Упражнение 4.8. Таблица соответствия между перечисленными сенсорами, объектами их наблюдения и чувствительными элементами: