Интеллектуальные сенсоры

Интеллектуальные сенсоры

2-е издание, исправленное

Войтович И.Д.
Корсунский В.М.

Национальный Открытый Университет “ИНТУИТ”
2016

2

УДК [007:159.955](075.8)
ББК 10
В 65
Интеллектуальные сенсоры / Войтович И.Д., Корсунский В.М. - M.: Национальный Открытый
Университет “ИНТУИТ”, 2016 (Основы информационных технологий)
ISBN 978-5-9963-0124-9

На рубеже тысячелетий родилось новое поколение сенсоров, в состав которых входит
микрокомпьютер. Их называют “интеллектуальными” сенсорами (ИС) за способность к глубокой и
сложной обработке полученных сигналов, к учету нелинейностей и посторонних влияний, к
извлечению из них ценной информации более высоких уровней, к рациональному изменению
режимов работы в зависимости от обстоятельств, к самоконтролю и общению с компьютерной сетью.
В курсе описаны разные классы ИС, раскрыты методы и подходы к их разработке и проектированию
с учетом собственного опыта авторов. Показана значительная польза, приносимая ИС, и высказана
мысль о том, что их создание является одним из признаков новой “информационной” стадии
развития общества.
Этот курс лекций – об устройствах, поставляющих объективную информацию об окружающем мире,
о том, как добывается эта ценная информация. О том, как и благодаря чему сенсоры становятся
“разумными”, “интеллектуальными”. Уточнены понятия “сенсор” и “интеллектуальный сенсор”,
описаны функциональные схемы простых и интеллектуальных сенсоров, приведена их
классификация. Рассмотрены различные виды механических, акустических, электрических,
электромагнитных, электрохимических и оптических простых и интеллектуальных сенсоров,
объясняются физические принципы их действия. Приведены многочисленные примеры их
применения. Изложены подходы к проектированию интеллектуальных сенсоров, даны практические
рекомендации по разработке их программного обеспечения, раскрыты принципы построения и
важнейшие технические характеристики их основных конструктивных узлов, описаны способы
селекции полезных сигналов. Очерчены направления дальнейшего развития интеллектуальных
сенсоров.

(c) ООО “ИНТУИТ.РУ”, 2009-2016
(c) Войтович И.Д., Корсунский В.М., 2009-2016

3

От простых сенсоров - к интеллектуальным

Уточняются понятия “сенсор” и “интеллектуальный сенсор”. Описаны
функциональные схемы простых (пассивных и активных) и интеллектуальных
сенсоров, сенсорно-компьютерных систем. Обоснована и приведена классификация
сенсоров по физической природе первичных информационных сигналов.

Цель лекции: сформировать у слушателей (учащихся, читателей) более точное
представление о том, что собой представляют сенсоры, в частности, интеллектуальные
сенсоры, сенсорно-компьютерные системы, из каких главных функциональных узлов
они состоят, какую роль играют в нашей жизни. Вкратце ознакомить с историей
совершенствования сенсоров, с их многообразием, с возможными подходами к их
классификации, с порядком их рассмотрения в данном цикле лекций.

1.1. Введение

Весь опыт развития человеческой цивилизации свидетельствует о том, что чем
правильнее и лучше люди понимают мир, чем точнее, больше и глубже знают о нем, и
чем в большем согласии с законами природы действуют, тем успешнее и лучше
обустраивают они свою жизнь. В свою очередь, 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.

В период становления человечества наши пращуры использовали для этого только
свои органы чувств, возможности которых ограниченны. Но по мере развития
технологий, техники, науки люди стали все шире применять также и разнообразные
технические устройства, которые дополняют или заменяют наши органы чувств. Такие
устройства принято называть сенсорами (от латинских слов sensus — чувство и
sensorium — орган чувств).

Можно смело утверждать, что уровень развития цивилизации (наряду с другими
важнейшими факторами) характеризуется уровнем развития сенсоров. Их роль в
обеспечении нашей правильной ориентации, в более объективном, точном и глубоком
восприятии действительности, в повышении качества и эффективности нашей
деятельности трудно переоценить. Особенно это касается биологии, медицины,
социальной сферы, высокотехнологических отраслей, где мы имеем дело с очень
сложными объектами, оценивать состояние которых и процессы, в них происходящие,
только “на глаз”, по внешним признакам уже недостаточно.

Сенсоры к тому же — это именно те устройства, в которых происходит загадочный
процесс “рождения информации” и в которых физико-химические изменения,
происходящие в реальной действительности, превращаются в информационные
сигналы, служащие основой для разумного поведения, для формирования и уточнения
моделей этой действительности, наших представлений о ней. По большому счету,
именно от сенсоров фактически и начинается любое разумное поведение, всякий
интеллект, вся информатика. Любая разумная система, возникшая естественным путем

4

или созданная другой разумной системой, успешно функционирует и выживает в
реальном мире лишь тогда и до тех пор, когда и пока она получает объективную и
качественную информацию о нем.

Каким образом может происходить “превращение” физико-химических воздействий в
информацию, каковы возможные механизмы этого “превращения”, принципы действия
сенсоров, от чего зависит точность получаемой информации, - об этом и
рассказывается в предлагаемом цикле лекций.

Поразительно быстрое, можно сказать, “революционное”, развитие в последние
десятилетия кибернетики, микроэлектронной и оптоэлектронной элементной базы
информатики, да, собственно, и самих прикладных областей знаний, сделало
возможным построение нового поколения “разумных” сенсоров. Такие сенсоры стали
называть “интеллектуальными” — от латинского слова intellectualis, которое кроме
значения “умственный” имеет также значение “рассудительный, соображающий,
разумный”. Создание и все более широкое применение интеллектуальных сенсоров —
это один из признаков информационной стадии в развитии общества.

Каковы отличительные особенности таких сенсоров, какие они бывают, от чего зависит
и как достигается их интеллектуальность, как их проектировать и строить,
обеспечивать удобство и надежность их работы, — эти и много других вопросов
относительно интеллектуальных сенсоров тоже раскрываются в данном цикле лекций.

Еще одна задача этого курса: наглядно показать, что интеллектуальные сенсоры — это
уже не мечта, не отдельные разрозненные достижения современной техники, что они
уже уверенно вошли в нашу повседневную жизнь. Их разработка и производство стали
самостоятельной важной инновационной подотраслью приборостроения. Пока этот
факт не всегда осознают даже специалисты — разработчики отдельных
интеллектуальных сенсоров.

В связи с этим напомним, как на севере, на берегу Ледовитого океана летнее солнце,
волны и дожди размыли со временем крутой берег, и на его обрыве открылись какие-то
кости. Учуяв добычу, к этим костям приползли насекомые, пришли дикие звери,
начали грызть их, даже и не подозревая, что это за кости. Только образованный
человек, оказавшийся на том берегу, сумел разглядеть и понять, что это не просто
отдельные кости, а остатки скелета огромного животного. Люди старательно выбрали
и рассортировали эти кости, осторожно перевезли, а потом собрали их в музее, где все
теперь могут увидеть впечатляющий цельный скелет огромного мамонта.

Вот и мы решили в данном цикле лекций собрать вместе разрозненные примеры
различных интеллектуальных сенсоров, рассортировать и описать их, чтобы каждый
смог увидеть, что все они вместе – это и в самом деле уже не просто отдельные научно-
технические достижения, а новое поколение сенсоров, очередной значительный шаг в
развитии сенсорики и вообще в технологическом прогрессе человечества.

1.2. Уточнение понятия “сенсор”

Разные авторы по-разному трактуют понятие “сенсор”. У одних – это “чувствительный

5

прибор”, искусно созданный человеком “бдительный сторож”, у других –
“анализатор”, распознающий, узнающий нужный объект (“аналит”), у третьих – ”
датчик ” какой-то физической величины (температуры, давления, угла поворота), у
четвертых – орган чувств животного или растения и т.д. Выше и мы, желая дать
начальное объяснение этому понятию, сказали, что сенсоры – это “устройства, которые
дополняют или заменяют наши органы чувств”. И всё это частично правильно.
Действительно, все сенсоры что-то “чувствуют” (например, изменение температуры,
наличие магнитного поля, изменение кислотности раствора и т.п.); за чем-то
“бдительно наблюдают”; что-то “распознают” (напр., отклонение от вертикали,
появление в воздухе избытка углекислого газа, наличие в воде возбудителя холеры,
…); “измеряют” какую-нибудь физическую величину (напр., освещенность, ускорение,
давление, …). Все они, действительно, заменяют или дополняют наши органы чувств.
В понятии “датчик” акцент делается на другой важной способности сенсора – на том,
что он выдает во внешний мир сигналы о том, что он “чувствует”, “распознаёт”,
“измеряет”.

Чтобы точнее определить понятие “сенсор”, надо отвлечься от деталей, от того, что
именно “чувствует”, “распознаёт”, “измеряет” сенсор, с какой конкретной целью и как
именно он это “делает”, каким конкретно образом выдает он сигналы во внешний мир.
Главное, общее, что тогда остаётся, – это то, что

1. у сенсора есть “объект наблюдения” ;
2. взаимодействуя с объектом наблюдения, под его влиянием сенсор меняет свое

состояние (“чувствует”, “распознает”, “измеряет”) и

3. каким-то образом выдает сигналы об этом (“сигнализирует”) “пользователю”.

Объектом наблюдения является тот материальный объект, процесс, та среда, с
которыми взаимодействует сенсор, информацию о которых он “приставлен” собирать.
Объектом наблюдения может быть, в частности, и вся окружающая сенсор среда. Для
уровня (ватерпаса), например, объектом наблюдения является плоская поверхность, на
которой он установлен; для радиоприемника объектом наблюдения является
окружающее его антенну электромагнитное поле; для медицинского градусника – тело,
находящееся в тепловом контакте с его концом, в котором находится капля ртути.

“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. Таким образом, отвлекаясь от частностей, мы
приходим к следующему определению понятия “сенсор”.

Сенсор – это устройство (прибор, орган, узел), преобразующее физическое (физико-
химическое) изменение в объекте наблюдения, его физическое воздействие в
информационный сигнал для пользователя . Сенсор – это связующее звено между
реальным “физическим” миром и миром информационных моделей, между материей и
информацией.

Сенсоры поставляют “пользователю” важнейшую объективную исходную
информацию, на основе которой только и можно предвидеть события, разумно вести

6

себя в мире, судить о том, насколько созданные и применяемые пользователем
информационные модели адекватны реальным процессам и объектам, с которыми он
имеет дело.

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

7

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.

8

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

9

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.

10