Интеллектуальные сенсоры
Авторы:
И.Д. Войтович,
В.М. Корсунский|ISBN: 978-5-9963-0124-9
Информация о курсе 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.
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.
Указаны различные виды механических сенсоров. Кратко описаны современные микросистемные технологии
(МСТ) и показаны примеры МСТ-изделий. Рассмотрены основные
деформационные чувствительные элементы и некоторые интеллектуальные
сенсоры с их применением.
Кратко описаны устройство и работа глобальной системы ориентирования, а также интеллектуальные сенсоры GPS. Рассмотрены основные виды чувствительных элементов и сенсоров линейного и углового перемещения.
Рассмотрены принципы построения акселерометров и гироскопов, в т. ч. с применением МСТ. Рассказано, как действуют химические и биологические сенсоры на кантилеверах, современные виброметры, устройства жидкостной, газовой и других видов хроматографии, интеллектуальные хроматографы.
Даются минимально необходимые для понимания раздела сведения из
физической акустики. Описаны основные виды приемников акустических
сигналов и примеры интеллектуальных акустических сенсоров: диктофоны, звукоанализаторы, беспроводная гарнитура, гидроакустический телефон и другие.
Описаны принципы работы современных тонометров, гидролокаторов и портативных эхолотов для любителей рыбалки. Объясняется, почему современные гидролокаторы работают с ультразвуковыми волнами разных диапазонов и используют многопучковые акустические антенны. Приведены многие примеры.
Рассказано о современных УЗ-сенсорах для измерения расстояний и
дефектоскопии металлоизделий, для медицинских УЗ-исследований. Описаны
принципы работы сенсоров на поверхностных акустических волнах и метод спектрально-сейсморазведочного профилирования. Приведены примеры применения.
Объясняется принцип классификации электрических сенсоров. Описаны
основные типы резистивных, емкостных, импедансных электрических сенсоров
и принципы их функционирования. Приведены примеры их применения как
самостоятельных сенсоров, а также в качестве трансдьюсеров.
Рассмотрены основные типы вольтаических сенсоров: термопары, пьезоэлементы, датчики Холла — и их применение. Объяснены физические основы работы и режимы использования фотодиодов и фототранзисторов для измерения температуры и радиоактивных излучений
Описаны устройство и физика работы полевых транзисторов, их применение в
черно-белых и цветных светочувствительных КМДП-матрицах. Объяснены
физические основы работы приборов с отрицательными участками ВАХ и
газоразрядных сенсоров для измерения температуры, радиоактивных
излучений и т. д.
Описаны примеры современных интеллектуальных электрических сенсоров: цифровых фотоаппаратов, цифровых камер видеозаписи и видеонаблюдения в видимом и инфракрасном свете, цифровых тепловизоров и дактилоскопических сенсоров, которые считаются настоящими чудесами современной техники.
Изложены физические основы работы электромагнитных сенсоров. Описаны принципы построения магнитных и индуктивных сенсоров, магнитометров на сквидах и интеллектуальных сенсоров на их основе (сенсоров для магнитодиагностики, магнитокардиографов, сканирующих сквид-микроскопов и т. д.).
Представлены современные аналоговые и цифровые радиоприемники. Описаны
принципы работы, возможности применения мобильных телефонов и
радиосенсоров Bluetooth, различные виды современных радиолокаторов, в т. ч. доплеровские, широкополосные, пикосекундные и нелинейные
Изложены принципы работы телевизоров, тюнеров, ресиверов, аналоговых,
цифровых и компьютерных кабельных модемов. Рассказано о возможностях и
преимуществах цифрового, полиэкранного и интерактивного телевидения, о мультимедийных персональных компьютерах, смартфонах и коммуникаторах.
Изложен принцип работы электрохимического элемента. Дана классификация электрохимических сенсоров. Описаны методы повышения их селективности. Рассказывается о промышленно выпускаемых гальванических электродах и потенциометрических сенсорах, а также о потенциометрических биосенсорах.
Изложены принципы работы электрохимических биосенсоров, химически чувствительных полевых транзисторов, кондуктометрических (импедансных) и амперометрических (кулонометрических) сенсоров. Описаны примеры и преимущества таких сенсоров и сферы их применения.
Описаны принципы вольтамперометрии, полярографии, "циклической вольтамперометрии", хроноамперометрии, их варианты и отмечена высокая информативность этих методов. Приведены примеры ряда интеллектуальных электрохимических сенсоров, указаны их достоинства и сферы применения
Дана классификация оптических сенсоров. Описаны принципы спектрофотометрии, фотоплетизмографии, оксиметрии и пульсоксиметрии.
Приведены примеры ряда соответствующих интеллектуальных
спектрофотометрических сенсоров, указаны их возможности и сферы
применения
Описаны современные представления об обратном рассеянии света человеческим телом. Сформулированы требования к спектрофотометрии
в обратно рассеянном свете. Описаны принципы работы и возможности
применения гемоглобиномеров, сенсоров кровенаполнения и
микроциркуляторного русла крови
Описаны принципы построения неинвазивных спектрофотометрических сенсоров
для измерения концентрации глюкозы в крови человека и содержания
хлорофилла в листьях растений. Показаны сложности, с которыми
сталкиваются разработчики таких сенсоров, и некоторые способы их
преодоления
Приведены общие сведения о люминесценции. Описан метод индукции флуоресценции хлорофилла и принципы построения хронофлуорометров. Сделан обзор современных хронофлуорометров и предоставляемых ими возможностей наблюдения за здоровьем и развитием растений, за состоянием окружающей среды
Описаны принципы работы сенсора для определения квантового выхода фотосинтеза, сенсоров с люминесцентными маркерами, биолюминесцентных и сцинтилляционных сенсоров. Указаны их достоинства, возможности и области применения
Раскрыты принципы поверхностного плазмонного резонанса
и применения этого явления в сенсорах. Проанализированы факторы, от
которых зависит физическая разрешающая способность таких сенсоров.
Описаны наиболее интересные интеллектуальные ППР-сенсоры, выпускаемые промышленностью
Показано, что для массовых анализов перспективной является технология съемных рецепторных чипов, и даны рекомендации относительно реализации такой технологии. Описаны ППР-сенсоры Spreeta, а также волоконно-оптические ППР-сенсоры. Приведен пример ППР-иммуносенсора (для выявления лейкоза коров)
Рассмотрены принципы построения и приведены важнейшие технические характеристики некоторых основных узлов интеллектуальных сенсоров: операционных, дифференциальных и радиоусилителей, мостовых схем, АЦП и микрокомпьютеров. Описаны методы борьбы с собственными и привнесенными шумами
Рассмотрены принципы построения и приведены важнейшие технические
характеристики таких узлов интеллектуальных сенсоров, как ЖКИ, пленочные
и силиконовые клавиатуры, сенсорные экраны, микросхемы оперативной, репрограммируемой, постоянной, флеш-памяти и внешнего интерфейса
Описаны способы селекции полезных сигналов и возможные подходы к проектированию интеллектуальных сенсоров. Указаны типичные ошибки на стадии исследовательского проектирования интеллектуальных сенсоров. Даны практические рекомендации по разработке их программного обеспечения
Описаны направления развития интеллектуальных сенсоров. На примере пилюль с видеокамерой иллюстрируется разработка новых видов сенсоров, на примере интеллектуальных зданий и интеллектуального транспорта — создание сенсорных систем и сенсорных сетей. Приведены заключительные замечания