Информативным параметром входного сигнала называется параметр физического процесса, который является измеряемым, либо функционально с ним связан

Неинформативным параметром называется параметр входного сигнала, который функционально не связан с измеряемой величиной. Однако такой параметр может оказывать воздействие на измерительной средство и может быть источником погрешности.

Выходным сигналом называется сигнал, возникающий на выходе средства измерения. Это - физический процесс или явление, несущее сообщение о каком-либо событии или состоянии объекта наблюдения. В общем случае выходной сигнал может обладать многими параметрами, как информативными, так и неинформативными. В МС выходной сигнал практически всегда имеет электрическую природу.

Приведенные определения можно проиллюстрировать следующим примером. Одним из параметров, значение которого определяется измерительной подсистемой мобильного робота, является давление масла в гидросистеме привода. На мембрану датчика давления, помимо давления, оказывают воздействие также температура, вибрация, радиация и т. п., являющиеся функциями времени. Все эти воздействия и являются входным сигналом для рассматриваемого датчика, но информативным параметром здесь является только давление, остальные воздействия являются неинформативными параметрами. Повышенная температура может уменьшать жесткость мембраны, что приведет к снижению чувствительности датчика, т. е. к искажению результата измерения. Поэтому выходной электрический сигнал датчика содержит составляющую, определяемую воздействием повышенной температуры. Эта составляющая и определяет дополнительную температурную погрешность датчика давления.

Зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерения называется функцией преобразования. Представленная в виде таблицы, графика или формулы эта зависимость для конкретного средства измерения, называется градуировочной характеристикой. Градуировочная характеристика является индивидуальной, т.е. описывает свойства конкретного экземпляра средства измерения. При серийном выпуске однотипных средств измерений используется понятие номинальной функции преобразования. В отличие от градуировочной характеристики, номинальная функция преобразования является типовой, а ее использование сопровождается погрешностями, вызванными отличиями типовой (номинальной) функции преобразования от индивидуальной градуировочной характеристики.

Кроме погрешностей к числу важных параметров средств измерений относятся также предел измерения, параметры номинальной функции преобразования (чувствительность, линейность), предельно допускаемые значения отклонений параметров от их номинальных значений. Эти параметры нормируются и указываются в технической документации на средства измерения. Нормирование метрологических характеристик заключается в установлении границ для отклонений реальных значений параметров средств измерений от их номинальных значений. Нормирование погрешностей средств измерения заключается в установлении для каждого вида допускаемой погрешности предела, под которым понимается наибольшая абсолютная величина погрешности средства измерения, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению. Нормирование обеспечивает взаимозаменяемость средств измерения.

Важной характеристикой средств измерений является их надежность. При этом ненадежными считаются не только те средства измерений, которые теряют способность нормально функционировать из-за механических, электрических или иных повреждений, но также и те, у которых характеристики выходят за допустимые пределы. Поэтому надежность средств измерений можно определить, как свойство сохранять нормируемые метрологические характеристики в определенных условиях эксплуатации.

Подсистема автоматического контроля выполняет функцию установления соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате контроля выдается суждение о состоянии объекта контроля (т. е. к какой из нормированных областей относится рассматриваемое состояние объекта контроля).

В принципе, при контроле нет необходимости знать значения контролируемых величин.

Контроль может быть осуществлен везде, где имеются уста­новленные нормы. Нормы задаются самым разнообразным образом, чаще всего в виде области количественных значений, определяющих нормальное состояние объекта (например, при контроле знаний студентов нормы могут задаваться в виде объема кон­кретных знаний предусмотренных программой обучения).

Затраты труда на выполнение операций контроля в современ­ном высокотехнологичном производстве очень велики, многие изделия подвергаются полному контролю. Сейчас, когда одним из решающих направлений развития производства является обеспечение конкурентоспособности отечественных товаров за счет существенного повышения их качества, роль подсистем автоматического контроля в производственных МС существенно возрастает.

С работой подсистем контроля биологических ИС хорошо знаком каждый из нас. Когда многочисленные параметры внутренней среды организма находятся в допустимых пределах, в нашем сознании формируется сигнал нормального состояния организма. При выходе этих параметров за допустимые пределы (например, при повышении артериального давления или температуры тела) мы можем ощущать дискомфорт, и даже болезненное состояние. При этом, как уже упоминалось выше, информация об абсолютных значениях параметров на выход подсистемы контроля не поступает.

В подсистемах автоматического контроля описания норм и контрольно-измерительная информация могут быть представлены либо в виде абсолютных значений либо в виде отклонений от номинального значения, при этом второй способ более экономичен.

Следует различать специализированные (предназначенные для выполнения узконаправленных операций) и универсальные подсистемы контроля.

Различаются подсистемы контроля, встроенные в объект контроля, и внешние по отношению к нему. Встроенные подсистемы контроля используются в сложных МС и часто входят в состав таких систем. Встроенные подсистемы специфичны - для их построения часто используются функциональные блоки контролируемого оборудования. Внешние по отношению к объекту контроля системы обычно более универсальны [3].

Подсистема технической диагностики ИС позволяет выявить элементы, послужившие причиной неправильного функционирования какого-либо объекта, что необходимо для восстановления нормальной работы МС. Установление факта и места неисправности в МС, а также ошибок в программах путем определения состояния всех элементов и связей обычно нецелесообразно или невозможно. Это объясняется тем, что для такого «стопроцентного» контроля требуются большие затраты времени и труда. Особенно это относится к сложным МС, характеризующимся большим количеством элементов и сложными связями между ними, например, микропроцессоры насчитывают сотни миллионов транзисторов.

В этих случаях используются специальные методики и программы, позволяющие решать задачи диагностики с допустимыми затратами времени и средств. Они основаны на изучении объекта диагностики, сборе необходимых статистических данных, оценке затрат труда на проверку, исследовании форм и закономерностей появления неисправностей и ошибок. При разработке методов диагностики сложных МС разрабатываются и исследуются математические модели объектов диагностики.

Если объект содержит N элементов, каждый из которых может находиться в двух состояниях (работоспособном и неработоспособном), то отказ объекта можно рассматривать как одно из возможных 2^N –1 состояний, вызванных неработоспособностью некоторой комбинации элементов.

Состояние системы определяется проведением проверок по определенным программам, называемым программами диагностики. Совокупность проверок, достаточная для различения состояния объекта носит название диагностического теста [3]. Например, после включения персональный компьютер производит тестирование ячеек своей оперативной памяти.

Сложные и распределенные в пространстве цифровые МС представляют особую трудность для диагностики. Помимо огромного количества элементов и связей между ними при диагностике необходимо учитывать, что в таких устройствах возможно проявление дефектов на определенных частотах и на различных последовательностях сигналов, что кроме аппаратных неисправностей имеются программные ошибки. Это потребовало создания новых методов и относительно простых и доступных средств диагностики. Такие методы и средства были созданы и реализованы в виде так называемых анализаторов логических состояний. При контроле с помощью таких анализаторов на входы объекта диагностики подается последовательность известных двоичных кодоимпульсных сигналов, а выходные сигналы сопоставляются с образцовыми сигналами, соответствующими правильной работе диагностируемого объекта. Анализ результатов такого сопоставления используется для решения задач диагностики. Следует иметь в виду, что эффективность диагностических процедур можно существенно повысить, если при проектировании объекта учесть необходимость его последующего диагностирования. Поэтому грамотно спроектированная сложная МС должна иметь встроенную подсистему диагностики. В зависимости от конкретных особенностей и условий работы МС ее диагностика может производиться при каждом включении МС, периодически через заданные промежутки времени или при наступлении критического события (например, при подозрении на возникновение ошибки). Примером может служить персональный компьютер, при каждом включении которого производится самодиагностика с выдачей на экран текущих сообщений; при сбоях в работе или некорректном завершении работы включается диагностическая программа Scandisk, обнаруживающая и устраняющая ошибки в записанных на диске данных.

Для определения «неисправностей» биологических МС (например, характера заболевания человека) также применяются специальные диагностические тесты. Различного рода медицинские анализы и есть простейшие примеры такого тестирования. Примерами более сложных диагностических тестов являются рентгенограмма, ультразвуковое или томографическое исследования, введение внутрь организма больного специальных химических веществ и наблюдение за реакцией организма на эти вещества и т. п. (Предложение сотрудника автоинспекции подозреваемому водителю ровно пройти по прямой линии также можно рассматривать как диагностический тест на состояние опьянения).

Подсистема распознавания образов определяет принадлежность данного объекта к одному из заранее выделенных классов объектов.

Под образом понимается наименование области в многомерном пространстве признаков, в которой отображаются свойства объекта или множества объектов, а под распознаванием образов – процесс, в результате которого определяется соответствие между распознаваемыми объектами и образами. Это соответствие устанавливается путем сравнения объектов и образов по признакам, характеризующим свойства образов, и принятия по определенному алгоритму решения о принадлежности распознаваемых объектов к тому или иному образу.

Образами могут быть «круг», «буква К», «шестерня», «отпечатки пальцев конкретного человека», «отраженный от ракеты сигнал радара» и т. п.

Так же как и норма при контроле, при распознавании образ может быть задан в виде образцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска (при выполнении практических задач понятия контроля и распознавания могут совпадать).

При описании систем распознавания используется следующая терминология. Исследуемый объект часто называют оригиналом, воспринимающие элементы – рецепторами, а их совокупность – рецепторным полем. Реакция рецептора (или рецепторного поля) на оригинал носит название изображения. При этом обязательным является требование эквивалентности изображения и оригинала.

Распознавание образов используется, например, сборочными роботами для нахождения нужных деталей на сборочном столе, мобильными роботами для определения опасных объектов или участков пути, специализированными МС для идентификации личности по отпечаткам пальцев, ладоней, радужной оболочки глаза, изображению лица и т. п. В сложных случаях для идентификации личностей могут использоваться элементы искусственного интеллекта. Например, в Лондонском аэропорту установлена система идентификации личности, предназначенная для выявления террористов, фотографии которых занесены в базу данных. Обрабатывая информацию от нескольких телекамер, направленных навстречу потоку проходящих пассажиров, система выделяет изображения одних и тех же лиц, снятых под разными ракурсами. Затем эти изображения сравниваются с образами из базы данных. Если степень совпадения достаточно велика, включается подсистема слежения за подозрительным субъектом, и дальнейшую проверку производит полиция. Система обладает колоссальной пропускной способностью, что позволяет ей работать в режиме реального времени. Для сравнения используются 83 геометрических признака человеческого лица, привязанные к «базе» - расстоянию между центрами зрачков глаз. Используемые алгоритмы распознавания позволяют достаточно уверенно идентифицировать изображения даже в случаях, когда на сделанных телекамерой снимках лицо человека снято под углом или закрыто бородой.

3.5. Первичные измерительные преобразователи

3.5.1. Основные определения

Измерительный преобразователь (ИП) - средство измерения, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами и хранения, но не пригодный для непосредственного восприятия наблюдателем.

Например, ИП давления масла в гидроприводе мобильного робота имеет выход в виде электрического напряжения, которое после соответствующего преобразования используется для управления гидронасосом. ИП являются основой для построения ИС [5].

В общем случае ИП, как и любое другое средство измерения, может состоять из нескольких преобразовательных элементов, в каждом из которых происходит одно из последовательных преобразований измерительного сигнала. ИП, расположенный первым в цепи последовательно соединенных преобразователей, называется первичным. Рисунок Первичный ИП непосредственно взаимодействует с объектом измерения. Все остальные измерительные преобразователи, расположенные в измерительной цепи после первичного, называют вторичными. Именно свойствами первичного преобразователя в значительной степени определяется качество работы всей ИС. Элемент измерительного преобразователя, который непосредственно контактирует с окружающей средой и воспринимает ее воздействие, называется чувствительным элементом.

Дата добавления: 2014-01-11