Селекция полезных сигналов. Проектирование и программирование интеллектуальных сенсоров

27.2. Проектирование интеллектуальных сенсоров

Создание и внедрение интеллектуальных сенсоров – это сложный процесс, который, как мы видели, иногда растягивается на десятки лет. Он требует разносторонних профессиональных знаний, глубокого проникновения в предмет исследования, слаженной совместной работы многих специалистов из разных областей знаний. Даже уже созданные действующие, доказавшие свою эффективность интеллектуальные сенсоры, как правило, требуют еще многих лет "доводки" – испытаний, усовершенствований, проверки практикой применения, иногда коренных, очень существенных изменений. Тем не менее, "рождение" интеллектуального сенсора начинается всегда с удачной идеи, с ее воплощения в конкретные конструкции, исследования, экспериментальной проверки, теоретического обоснования и анализа, дополнения и конкретизации общей идеи важными деталями, методиками, схемами, программами. Всё это – стадия научно-исследовательской разработки. Именно эту стадию мы и рассмотрим подробнее.

Основные этапы научно-исследовательской разработки интеллектуальных сенсоров показаны на рис. 27.2.

27.2.1. Формирование концепции сенсора

Особенно важен первый этап, поскольку именно от его успешного выполнения зависит судьба всей дальнейшей разработки. Формулируя общую концепцию построения сенсора, надо ответить на такие вопросы:

1. Для чего предназначен данный сенсор? Какие изменения в исследуемом объекте или процессе надо обнаруживать, какие параметры измерять? Какие задачи решать?
2. Существуют ли уже разработанные сенсоры подобного назначения (сенсоры-аналоги)? Если есть, то какие характеристики они имеют?
3. Какими будут принципы действия сенсора? Какие явления и закономерности будут использованы? Нужно ли будет как-то воздействовать на объект исследования и как именно?
4. Как надо будет обрабатывать получаемую "сырую" информацию?
5. Можно ли будет и за счет каких факторов превзойти, улучшить характеристики сенсоров-аналогов?
6. Какие принципиальные трудности могут возникнуть при реализации проекта, и есть ли пути преодоления этих трудностей?

Имеются разные подходы к формированию концепции интеллектуальных сенсоров. В одних случаях разработчики исходят из назревших нужд практики. В таком случае ответы на вопрос 1 уже известны до начала работы, и надо начинать с вопросов 2. Если известны ответы и на них, – то начинать с вопросов 3.

Например, известны сенсоры, измеряющие концентрацию глюкозы в крови человека (глюкометры). Но для их применения надо брать у человека пробу крови. Это связано с болевыми ощущениями, потенциальной опасностью заражений и необходимостью строго придерживаться правил асептики. Для больных сахарным диабетом І типа, которым необходимо контролировать уровень сахара в крови 4-6 раз в сутки, это неприятная процедура. Поэтому имеется потребность в неинвазивных глюкометрах, позволяющих определять концентрацию глюкозы в крови человека без взятия пробы крови.

Уже при постановке данной задачи известны ответы на вопросы 1 и 2. Разработка начинается с поиска ответов на вопрос 3. В ходе поиска следует рассмотреть как можно более широкую "палитру" возможных принципов действия. В примере с разработкой неинвазивного глюкометра "палитра" возможных принципов действия охватывает, например, такие варианты:

• поляриметрический принцип (известно, что молекулы сахаров, в том числе и глюкозы, при прохождении сквозь них плоскополяризованного света, немного поворачивают его плоскость поляризации; это характерное свойство сахара уже давно используют в сахариметрах – сенсорах для определения концентрации сахара в растворах); в этом случае какой-то участок тела (например, мочку уха) надо освещать поляризованным светом и измерять угол поворота плоскости поляризации света, прошедшего сквозь этот участок;
• спектрофотометрический принцип (известно, что химические элементы и вещества имеют характерные спектры излучения и поглощения света, поэтому анализируя состав теплового излучения тела или изменения в спектральном составе света после прохождения его сквозь какую-то часть человеческого тела, например, сквозь мочку уха можно надеяться на количественное определение содержания в ней глюкозы); в этом случае исследуемый участок тела надо будет облучать светом определенного спектрального состава;
• принцип косвенного измерения (можно надеяться, что концентрация глюкозы в крови человека прямо связана с концентрацией глюкозы в легко доступных тканевых жидкостях; поэтому, измерив концентрацию глюкозы в этих жидкостях, можно рассчитать ее концентрацию в крови), в этом случае надо обеспечить доступ к тканевой жидкости;
• тепловой принцип (основная часть тепла в человеческом теле выделяется при "сжигании", т.е. при окислении в живых клетках именно глюкозы, поэтому измеряя количество теплоты, которая, выделяется некоторым участком тела, кровоток сквозь этот участок, количество доставленного кислорода, можно надеяться на расчет концентрации глюкозы в крови);
• реографический принцип (изменение концентрации глюкозы в крови, в окружающих клетках и в межклеточной жидкости может влиять на электропроводность и электроемкость ткани); измеряя электрическое сопротивление участка тела постоянному току и импеданс на разных частотах, можно надеяться рассчитать концентрацию глюкозы в крови) и т.п.

Каждый из возможных принципов действия надо внимательно рассмотреть, чтобы дать ответы на вопросы 4, 5, 6. С этой целью следует получить консультации специалистов каждого соответствующего направления науки, во многих случаях нужны модельные эксперименты или компьютерное моделирование. Особенно тщательно следует искать ответы на вопрос 6. Недостаточное внимание к этим вопросам может обернуться большими разочарованиями, задержками и потерями на следующих этапах разработки.

Дальше мы рассмотрим некоторые досадные, но поучительные примеры из истории разработки неинвазивных глюкометров, не называя конкретные фирмы и фамилии разработчиков, чтобы не навредить их деловой репутации. Подобные неприятности могут случиться с каждым, поскольку сложные научно-технические разработки всегда дело рискованное, заведомо однозначно не гарантированное. Ведь это почти всегда – шаг в сторону неизвестного.

Исторически первыми начались разработки неинвазивных глюкометров на поляриметрическом принципе. Сначала была исследована "оптическая активность" глюкозы. В соответствии с известным законом Био [ [ 193 ] ] угол поворота плоскости поляризации после прохождения света сквозь слой раствора толщиной с концентрацией оптически активного вещества задается формулой

где называют удельным коэффициентом оптической активности или константой вращения. Измеряя угол поворота и зная и , по этому закону можно вычислить концентрацию оптически активного вещества в исследуемом растворе. Для глюкозы найдена константа вращения град/(ммxг %). Далее было взято типичное значение концентрации глюкозы в крови человека мг % и подсчитано, что при прохождении плоскополяризованого света сквозь живую ткань (например, мочку уха) пути мм при указанной концентрации глюкозы угол поворота плоскости поляризации будет составлять порядка 10 угловых секунд. Измерение таких малых углов поворота довольно сложная техническая задача [ [ 23 ] , [ 29 ] , [ 86 ] , [ 156 ] ]. Опытные разработчики предложили и запатентовали разнообразные хитроумные способы и устройства для решения этой задачи [ [ 283 ] ]. Тем не менее, надежных результатов на этом пути до сих пор достичь не удалось.

Дело в том, что в начале разработок так и не были получены обоснованные ответы на вопрос 6. Своевременно не обратили внимание на тот факт, что объемная доля крови в доступных для исследования частях тела (мочка уха, палец, и т.п.) составляет лишь 2-5%. Поэтому средняя концентрация глюкозы в живой ткани на самом деле в 20-50 раз меньше, чем в крови, т.е. порядка 2-5 мг %. И соответственно углы поворота плоскости поляризации на самом деле тоже в 20-50 раз меньше, т.е. составляют порядка десятых частей угловой секунды. Поэтому те технические находки, которые с большими трудностями работали на модельных растворах глюкозы с концентрацией 100 мг %, на реальном человеческом теле не срабатывали. Кроме того, препятствием становится еще и значительное рассеяние света биологической тканью, частично деполяризующее свет.

Иная ситуация при формировании концепции "интеллектуальных" сенсоров возникает тогда, когда научно-техническая фирма уже в совершенстве владеет какой-то технологией, получает от ее использования прибыль, но хочет расширить рамки применения своей технологии. В таком случае принцип действия сенсора, явления и закономерности, которые будут использоваться, уже заведомо известны. Тогда разработка начинается с поиска ответов на вопросы 1 и 2. В таком случае следует предварительно рассмотреть как можно более широкий спектр возможных применений Вашей технологии, чтобы выбрать самую перспективную сенсорную задачу, решение которой обещает наибольший успех. Для каждого из возможных применений надо дать ответы на вопросы 4, 5 и особенно тщательно искать ответы на вопрос 6.

Приведем пример тоже из реальной истории разработки неинвазивного глюкометра. Фирма в совершенстве владела технологией построения БИК спектрофотометрических сенсоров, т.е. сенсоров, работающих в ближней инфракрасной (БИК) области спектра. Она наладила, например, серийный выпуск БИК сенсоров для неповреждающего контроля наличия и определения содержания жиров в продуктах питания (в пакетах с молоком, сметаной и другими молокопродуктами, и т.п.) и получала от этого неплохие прибыли. Желая расширить область применения своей технологии, фирма могла рассмотреть, например, такие направления:

• выявление наличия и измерение концентрации других веществ с характерными спектрами в БИК области;
• создание незаметных невооруженным глазом охранных БИК сенсоров для фиксации пересечения какой-то контрольной линии посторонними людьми, существами или предметами;
• создание неинвазивных глюкометров;
• создание БИК сенсоров для незаметной телекоммуникации в залах, на стадионах, для дистанционного управления любой техникой и т.п.

Фирма остановилась на актуальной задаче создания неинвазивных глюкометров. Учитывая возрастающее количество людей, больных на диабет, в случае успешного решения этой задачи можно было надеяться на получение наибольших прибылей. В качестве модельного объекта в поиске ответа на вопрос 4 тоже были использованы слабые растворы глюкозы с типичными для крови концентрациями порядка 30; 100 и 300 мг %. Найдено и запатентовано несколько способов и устройств, которые на пределе возможного, но "работали" на указанных модельных объектах, даже когда в раствор добавляли фоновые вещества, подобные обычно присутствующим в крови (растворимые жиры, белки и т.п.). Тем не менее, когда спроектировали и изготовили экспериментальные образцы глюкометра, в которых концентрация глюкозы измерялась путем просвечивания пальца руки и анализа прошедшего сквозь него БИК света, то результаты оказались намного хуже. Специалисты фирмы выискивали пути усовершенствования сенсора, разработали и изготовили с десяток новых "поколений" прибора. В конце концов, из-за недостаточной точности прибор так и не смог пройти официальные медицинские испытания.

Повышенный риск неудачи и здесь был заложен еще на этапе формирования концепции построения сенсора из-за недостаточного внимания к поиску ответов на вопрос 6. Здесь не учли то, что измерения будут проводиться не непосредственно на крови, а на живой ткани, в которой кровь занимает лишь незначительную долю объема, поэтому средняя концентрация глюкозы в десятки раз меньше.

27.2.2. Следующие этапы научно-исследовательской разработки

На этапе разработки и изготовления действующего исследовательского макета следует особенно позаботиться о том, чтобы модельный объект был максимально приближен к реальному, создавал все трудности, которые могут быть и в реальном объекте, и даже бoльшие. А еще лучше, если это возможно, обеспечить условия, при которых исследования действующего макета можно проводить на реальных объектах.

Исследовательский макет следует проектировать так, чтобы в него можно было относительно легко вносить изменения, добавлять новые узлы, блоки, регулировать режимы работы, иметь по возможности более широкий динамический диапазон измерений.

На этапе исследования, испытания и модификации действующего макета надо быть очень придирчивым к самому себе, страховаться от получения ненадежных, случайных, ошибочных результатов. Полученные результаты ни в коем случае нельзя приукрашивать, выдавать желаемое за действительное, поскольку с этим могут быть связаны очень значительные потери на следующих этапах разработки.

В вышеприведенных примерах разработки неинвазивных глюкометров ошибка проектировщиков на этапах 2 и 3 как раз и заключалась в том, что модельные объекты – слабые растворы глюкозы были не адекватны реальному объекту, т.е. живой ткани тела.

На этапе проектирования и изготовления экспериментального образца сенсора следует досконально изучить и проанализировать имеющуюся в данный момент элементную базу, выбрать из нее оптимальные варианты. "Оптимальность" не означает, что это обязательно должны быть наилучшие электронные, оптические или оптоэлектронные компоненты. Ведь наилучшие, новейшие компоненты, как правило, и наиболее дoроги. "Оптимальность" означает, что компоненты должны удовлетворять всем требованиям, необходимым для надежной работы сенсора в заданном диапазоне условий, но при этом должны быть по возможности более дешевы, доступны, технологически удобны при изготовлении и налаживании сенсоров.

На этом этапе надо уже провести детальные расчеты схем, энергетики сигналов. Следует проанализировать все факторы, от которых зависят чувствительность сенсора и точность измерений, защита от возможных вредных посторонних влияний и помех. Следует предусматривать возможность оперативных модификаций экспериментальных образцов сенсора, программ их работы. Наличие микрокомпьютера в составе "интеллектуальных" сенсоров способствует этому, если предусмотреть возможность его перепрограммирования, изменения заложенных в рабочую микропрограмму параметров и исходных данных.

В вышеприведенном примере разработки спектрофотометрического БИК сенсора глюкозы каждый экспериментальный образец "ради экономии времени" проектировался сразу "начисто", чтобы он был готов к промышленному воплощению. Поэтому и пришлось проектировать и изготовлять десяток "готовых к промышленному воплощению" "поколений" этого сенсора, тратя излишне много времени. Сроки разработки можно было сэкономить, если бы конструкция экспериментального образца проектировалась более "гибкой", удобной для модификации и доработки.

Уже на этапе испытаний экспериментального образца сенсора следует привлечь специалистов-практиков, которые будут в дальнейшем пользоваться этим сенсором, проводить испытания в том числе и в реальных условиях применения сенсора и, желательно, в разных местах. Именно там можно уточнить эксплуатационные и эргономические требования к сенсору, особенности, нюансы применения, понять, как сделать его удобным для пользования. Одновременно можно начать и предварительные маркетинговые исследования, результаты которых нужны для обоснования целесообразности создания промышленных образцов. Предварительные испытания по показателям назначения должны выполняться как можно объективнее, без всяких поблажек и попыток необоснованно отбросить неприятные для разработчика результаты, как якобы ошибочные или "случайные". Опыт многих и многих разработок свидетельствует о том, что выявление тех или иных недостатков сенсоров лишь на заключительном этапе официальных сертификационных испытаний оказывается намного более болезненным, чем в случае их своевременного выявления на этапе предварительных испытаний.

Требования к этапам последующей опытно-конструкторской разработки сенсоров являются общепринятыми, в значительной мере стандартизованы и излагаются в общетехнических курсах. Поэтому на них мы останавливаться не будем.