Физические основы нейронных сетей и сенсорных систем

1.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
НЕЙРОННЫХ СЕТЕЙ И СЕНСОРНЫХ СИСТЕМ
Датчики. Классификация. Характеристики. Принципы работы
Выборнова Анастасия Игоревна

2.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

3.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

4.

Определение
• Первичный измерительный преобразователь
(sensor) — устройство, используемое при
измерении,
• которое обеспечивает на выходе величину,
находящуюся в определенном соотношении с
входной величиной,
• и на которое непосредственно воздействует
явление, физический объект или вещество,
являющееся носителем величины, подлежащей
измерению (ГОСТ Р 8.673-2009).

5.

Определение
• Датчик — конструктивно обособленное
устройство, содержащее один или несколько
первичных измерительных преобразователей
(ГОСТ Р 8.673-2009).
• Датчик — средство измерений, предназначенное
для выработки сигнала измерительной
информации в форме, удобной для передачи,
дальнейшего преобразования, обработки и (или)
хранения, но не поддающейся непосредственному
восприятию наблюдателем (ГОСТ Р 51086-97).

6.

Определение
• Слово «сенсор» в настоящий момент в русском
языке используется как синоним слова «датчик».

7.

Сенсоры
Окружающий мир
Вычислительные системы
Датчик

8.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

9.

Классификация
Существует множество систем классификации датчиков.
По типу выходного сигнала:
• Электрические.
• Неэлектрические.
По представлению выходного сигнала:
• Аналоговые.
• Цифровые.

10.

Классификация
По необходимости электропитания:
• Активные
(необходим внешний источник энергии).
• Параметрические (входной сигнал изменяет какойлибо параметр внешнего электрического сигнала).
• Пассивные
(не нуждаются во внешнем источнике энергии, энергия
входного воздействия преобразуется в выходной
сигнал).

11.

Классификация
По структуре:
• Датчики прямого действия
(внешнее воздействие -> электрический сигнал).
• Составные датчики
(внешнее воздействие -> другие виды энергии ->
электрический сигнал).
По точке отсчета:
• Абсолютные.
• Относительные (измеряют разницу было-стало).

12.

Классификация
По измеряемой величине:
• Температурные.
• Датчики давления.
• Датчики влажности.
• Датчики расхода.
• Датчики уровня.
• Датчики количества.
• Датчики положения.
• Датчики ускорения.

13.

Классификация
По измеряемой величине (продолжение):
• Магнитные.
• Электрические.
• Фотодатчики.
• Звуковые.
• Радиоактивности.
• Содержания химических веществ.
• Времени.
• И другие.

14.

Классификация
По принципу работы (используемому
физическому принципу):
• Изменение электрических характеристик
(сопротивление, активное и реактивное) при
изменении внешней среды.
• Детектирование электромагнитных волн
различной частоты.
• Химические реакции.
• И т.д.

15.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

16.

Датчики температуры
Измеритель температуры?

17.

Датчики температуры
Для «визуальных» датчиков температуры часто
используется свойство веществ увеличиваться в
объеме при увеличении температуры.
Но это свойство
сложно использовать
для получения
электрического
сигнала:

18.

Датчики температуры
Датчики температуры могут использовать
несколько физических явлений:
• Изменение сопротивления вещества при
изменении температуры (терморезисторы).
• Эффект Зеебека (термопары).
• Измерение инфракрасного излучения (пирометры).
• Кварцевые преобразователи.
• И другие.

19.

Датчики температуры: терморезисторы
Сопротивление материалов в зависимости от
температуры:
R=R0⋅(1+a⋅(t-t0))
R0 — удельное сопротивление при температуре t0.
a — функция зависимости сопротивления от
температуры.
Для некоторых веществ в ограниченных диапазонах
температур можно считать, что a=const (температурный
коэффициент).

20.

Датчики температуры: терморезисторы
Какое вещество выбрать:
• Вещество не должно изменять агрегатное состояние
и вступать в реакции с окружающей средой в
рабочем диапазоне температур
• Вещество не должно иметь слишком большое
сопротивление в рабочем диапазоне температур
• Функция a(t) по возможности должна быть линейна.
• Металлы
• Полупроводники

21.

Датчики температуры: терморезисторы
Медный термодатчик

22.

Датчики температуры: терморезисторы
Металлы:
• Платина
• цена
• Медь
• коррозия при больших температурах
• Никель
Полупроводниковые (темисторы):
• Кремниевые
• Металл-оксидные

23.

Датчики температуры: термопары
Эффект Зеебека (термоэлектрический эффект) —
возникновение ЭДС в электрической цепи,
состоящей из последовательно соединенных
разнородных проводников или полупроводников,
контакты между которыми находятся при разной
температуре.
Причины:
• Объемная ЭДС: чем выше температура, тем больше
энергия электронов (в полупроводниках — выше
концентрация электронов проводимости) -> поток
электронов от горячей части к холодной.

24.

Датчики температуры: термопары
• Контактная ЭДС: температура -> энергия Ферми ->
разность потенциалов.
• Если температура контактов равна, то эти разности
потенциалов равны, но разнонаправлены, поэтому
ЭДС не возникает.
• Если части имеют два контакта и температура их
различна, то различны и энергии Ферми, и
разности потенциалов, и электрические поля ->
ЭДС.
• Фононое увлечение: усиление объемной ЭДС за счет
колебания атомов кристалла.

25.

Датчики температуры: термопары
• T1 — известна;
• VAB — измеряется;
• Т2 — рассчитывается.

26.

Датчики температуры: термопары
К вольтметру
К тому, температуру чего
нужно измерить

27.

Датчики температуры: термопары
• Выбор металлов или полупроводников —
зависит от предполагаемого рабочего диапазона
(до 1000 градусов — неблагородные металлы,
выше — платина, еще выше — сплавы на основе
тугоплавких металлов).
• Термопара измеряет относительную температуру
(Т1 относительно Т2).

28.

Датчики температуры: пирометры
Тепло — ощущение, возникающее при восприятии
теплового излучения (электромагнитных волн
инфракрасного диапазона).
Пирометр — прибор для определения температуры
тел за счет анализа мощности и частоты (спектра)
поступающих от них электромагнитных волн.
Предназначен для измерения температуры на
расстоянии.

29.

Датчики температуры: пирометры

30.

Тепловизоры

31.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

32.

Акселерометры
Ускорение — быстрота изменения скорости
объекта.
Кажущееся ускорение — разность между
истинным ускорением тела и гравитационным
ускорением.
g = 9,8 м/с2
Акселерометр — датчик, предназначенный для
определения кажущегося ускорения объекта.

33.

Акселерометры
Простейший механический акселерометр:
При движении массы
с ускорением вверх
или вниз пружина
сжимается или
растягивается.
По степени
деформации пружины
оценивается
ускорение.

34.

Акселерометры
Акселерометр, определяющий отклонение груза по
изменению емкости конденсатора:
Корпус
Груз на упругих
креплениях +
отведенные в сторону
проводники
Вторая обкладка
конденсатора

35.

Акселерометры
Три акселерометра,
ориентированные по трем
взаимно
перпендикулярным осям,
могут отслеживать
поворот объекта в любом
направлении.

36.

Акселерометры

37.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

38.

Датчики на основе гироскопа
Угловая скорость — векторная величина,
характеризующая скорость вращения
материальной точки вокруг центра вращения.
Гироскоп — устройство, способное реагировать
на изменение углов ориентации объекта, на
котором оно установлено.
Гироскоп позволяет определить угловые скорости
объекта относительно одной или нескольких осей.

39.

Датчики на основе гироскопа
Механический гироскоп
— массивный диск,
вращающийся вокруг
закрепленной в объекте
оси.
Корпус объекта
поворачивается, однако
ось вращения сохраняет
положение в
пространстве и
устойчива к внешним
воздействиям.

40.

Датчики на основе гироскопа
В основе поведения гироскопа
— сила Кориолиса.
Сила Кориолиса —
инерциальная сила, которая
приводит к «закручиванию»
траектории движения объекта по
другому, вращающемуся вокруг
своей оси, объекту:

41.

Датчики на основе гироскопа
Компактный вариант гироскопа — вибрационный
гироскоп:

42.

Датчики на основе гироскопа

43.

Замечание между делом
Современные микрофоны также работают по
принципу фиксации изменений емкости конденсатора,
образованного неподвижной частью,
зафиксированной на корпусе, и подвижной —
мембраной, которая прогибается под действием
звуковых волн.

44.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

45.

Сенсорные экраны
Сенсорная панель — устройство ввода
информации, представляющее собой покрытие,
реагирующее на прикосновение, которое обычно
накладывается на экран устройства
(смартфона/планшета).

46.

Сенсорные экраны
Виды сенсорных панелей:
• Резистивные.
• Матричные.
• Инфракрасные.
• Индукционные.
• Ёмкостные.
• Проекционно-ёмкостные.

47.

Резистивные сенсорные панели
• Состоят из токопроводящего стекла и токопроводящей
мембраны, разделенных слоем гелеобразного
диэлектрика.
• На мембрану подается небольшое напряжение.
• При продавливании мембраны происходит касание
стекла и замыкание цепи.
• Напряжение подается на верхний электрод стекла,
нижний заземляется. По напряжению на мембране
вычисляется координата X.
• Затем напряжение подается на левый электрод стекла,
правый заземляется. По напряжению на мембране
вычисляется координата Y.

48.

Резистивные сенсорные панели
• Необходимо нажимать на экран, не прикасаться.
• Нажимать можно чем угодно.
• Не реагируют на загрязнение.

49.

Резистивные сенсорные панели
• Матричные резистивные панели —
упрощенная конструкция, состоящая из
вертикальных и горизонтальных прозрачных
токопроводящих лент.
• При нажатии на экран замыкаются две ленты —
вертикальная и горизонтальная. По тому, какие
именно летны замкнулись, определяются
координаты.
• Низкая точность, зато недорогие и простые.

50.

Инфракрасные и индукционные сенсорные
панели
• Инфракрасные сенсорные панели состоят из
сетки вертикальных и горизонтальных
инфракрасных лучей. Координата
прикосновения вычисляется по тому, какой
именно вертикальный и горизонтальный луч
прервался.
• Индукционные сенсорные панели используют
три катушки индуктивности для создания
резонансного контура — две в экране и одну в
специальном пере. Реагируют только на
прикосновение специального пера.

51.

Ёмкостные сенсорные панели
В ёмкостных сенсорных панелях используется
способность человеческого организма проводить
переменный ток.
Ёмкостные сенсорные панели делятся на:
• Поверхностно-ёмкостные.
• Проекционно-ёмкостные.

52.

Поверхностно-ёмкостные сенсорные
панели
• Поверхностно-ёмкостные сенсорные панели
создаются на основе токопроводящего материала.
• По углам панели располагаются электроды для
подачи небольшого переменного тока и датчики
для замера его характеристик.
• При касании экрана происходит утечка
переменного тока в тело человека.
• По показателям датчиков в углах панели
вычисляется расстояние от точки касания до
каждого из углов, затем рассчитываются
координаты точки касания.

53.

Поверхностно-ёмкостные сенсорные
панели
• Не реагируют на прикосновение диэлектриком.
• Плохо реагируют на прикосновение небольшим изолированным
проводником.
• Не терпят токопроводящих загрязнений.

54.

Проекционно-ёмкостные сенсорные панели
• Проекционно-ёмкостные сенсорные панели
состоят из диэлектрического стекла, на
внутренней стороне которого расположена сетка
электродов.
• На электроды подаются короткие импульсы тока.
• При касании экрана из тела человека и
электродов образуются конденсаторы.
• Измеряя напряжение импульсов тока на каждом
из электродов можно вычислить, в какой точке
палец прикасается к экрану.

55.

Проекционно-ёмкостные сенсорные панели
• Реагирует только на прикосновения токопроводящих предметов.
• Не терпит токопроводящих загрязнений.
• Поддерживает «мультитач».

56.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

57.

Другие виды датчиков
• Фотодатчики — фотоэлементы, преобразующие
свет (электромагнитное излучение) в
электрическую энергию при помощи эффекта
фотоэмиссии (испускания электронов веществом
под действием света) или других эффектов.
• Датчики радиоактивности — счетчик Гейгера
(трубка-конденсатор, заполненная газом; при
прохождении частицы происходит
лавинообразная ионизация и разряд
конденсатора) и др.

58.

Другие виды датчиков
• Датчики влажности — зависимость
сопротивления от влажности.
• Барометр — деформация контейнера, в котором
создан вакуум, измерение уровня жидкости.
• Химические датчики — оптические (разные
вещества поглощают свет разной длины волны),
реакция с веществами-индикаторами.
• Пульсометр — фиксирует электрические
сигналы от сердца (по аналогии с ЭКГ).

59.

План занятия
• Датчики. Определения.
• Классификация датчиков.
• Термодатчики.
• Акселерометры.
• Датчики на основе гироскопа.
• Сенсорные экраны.
• Другие типы датчиков.
• Характеристики датчиков.

60.

Характеристики датчиков
• Размеры
• Вес
• Энергопотребление (для активных датчиков)

61.

Характеристики датчиков
• Диапазон входных значений — диапазон
внешних воздействий, которые датчик может
воспринять и преобразовать, не выходя за
пределы допустимых погрешностей.
• Диапазон выходных значений —
алгебраическая разность между электрическими
выходными сигналами, измеренными при
максимальной и минимальной величине
внешнего воздействия.

62.

Характеристики датчиков
• Погрешность — величина максимального
расхождения между показаниями реального и
идеального датчиков. Погрешность датчика
можно также представить в виде разности между
значением входного сигнала, вычисленным по
выходному сигналу датчика, и реальным
значением поданного сигнала.
• Чувствительность, разрешающая способность
— величина минимального изменения входного
сигнала, приводящая к появлению минимального
изменения выходного сигнала датчика.

63.

Характеристики датчиков
• Воспроизводимость — способность датчика
при соблюдении одинаковых условий выдавать
идентичные результаты. Воспроизводимость
результатов определяется по максимальной
разности выходных значений датчика,
полученных в двух циклах калибровки.
• Гистерезис — разность значений выходного
сигнала для одного и того же входного сигнала,
полученных при его возрастании и убывании
(трение, структурные особенности или
изменения материалов).

64.

Характеристики датчиков
• Передаточная функция — теоретическая
функция, связывающая входной и выходной
сигналы (может быть линейной или
нелинейной).

65.

Практическое занятие
Вариант 1: Система мониторинга окружающей среды.
• Нет возможности регулярного обслуживания.
• Расположение в дикой природе.
Вариант 2: Система дистанционного наблюдения за
здоровьем человека.
• Показания датчиков используются в том числе для
определения необходимости экстренной помощи.
• Система применяется в домашних условиях.
Какие датчики использовать?
Какие характеристики датчиков важно учесть при
выборе конкретных моделей?

66.

Лабораторная работа
1. Выяснить, как реагирует сенсорный экран телефона на
нажатие:
а. Деревом.
б. Пластиком.
в. Металлом (фольга), при условии контакта пальцев с
фольгой.
г. Металлом (фольга), без контакта пальцев с фольгой.
д. Мокрым деревом.
Для каждого материала провести 5 попыток нажатия,
зафиксировать число удачных.
2. Сделать вывод о типе сенсорного экрана.