Особенности тактильной рецепции

Биологическая значимость тактильной сенсорной функции, пожалуй, наиболее высока. Если отсутствие специальных видов чувствительности — зрения, слуха, обоняния и т. д. не приводит к гибели организма, то отсутствие тактильной (кожной) рецепции (далее – ТР) несовместимо с жизнью. ТР объединяет несколько видов чувствительности, которые можно разделить на две категории: чувствительность, связанная с кожными рецепторами, и виды чувствительности, связанные с рецепторами мышц, суставов и сухожилий.

Внутри кожи, например, можно выделить по крайней мере четыре самостоятельных вида рецепции:

− температурная (тепловая и холодовая),

− тактильная,

− болевая

− вибрационная (иногда ее характеризуют как зависимую от трех других).

Рецепторы мышц, суставов и сухожилий (связанные с кинестетической чувствительностью) вырабатывают сигналы в тот момент, когда происходит изменение силовых факторов в опорно-двигательном аппарате, являясь таким образом носителями информации о расположении и движении мьппечно-суставного комплекса.

В целом кожа и опорно-мышечный аппарат представляют собой как бы огромный распределенный рецептор, который вынесен наружу для первичной обработки контактных воздействий.

Кожа неоднородна по количеству и характеру представленных в ней рецепторов.

Рецепторы кожи в физиологии принято делить на три группы:

− Медленно адаптирующиеся (например, действие веса человека на стопу)

− быстро адаптирующиеся (величина реакции пропорциональна скорости стимула)

− тельца Пачини.

Бионические аналогии

Рецепторы кожи в физиологии	Бионические аналоги
Медленно адаптирующиеся	ЧЭ датчиков силы (давления) или деформации кожи
быстро адаптирующиеся	датчики скорости
тельца Пачини	ЧЭ датчиков ускорения или вибрации кожи (датчики проскальзывания)

Мы рассмотрели вкратце важнейшие биологические механизмы сенсорных функций, которые являются прототипом информационной (сенсорной) системы робота. Заметим, что во многих случаях одна и та же поведенческая задача может быть решена путем объединения нескольких сенсорных модальностей. Хорошим примером такого взаимодействия является движение. При ходьбе человек использует зрение, тактильную, кинестетическую, а также слуховую сенсорные функции. Однако, как правило, поставляемая этими системами информация оказывается избыточной. Например, чтобы пройти по улице, достаточно использовать всего три информационных канала. Замещение одной сенсорной функции другой получило название сенсорной компенсации. В частности, тактильная рецепция слепого частично замещает зрение. Принцип замещения широко используют в робототехнике.

Характеристики датчиков информационного обеспечения (избирательность, чувствительность, частотные характеристики, градуировка, быстродействие)

Датчик (измерительный преобразователь) — это устройство, обеспечи­вающее функциональное преобразование одной величины в другую величи­ну, участвующую в некотором информационном процессе.

. Пусть Y выходной сигнал, x - входной, тогда связь между ними:

Математическое (или графическое) описание этой связи называется функцией преобразования датчика.

Для датчиков с линейной функцией преобразования используют коэф­фициент преобразования:

где x_i ,у_j— текущие значения x и у.

В зависимости от числа измеряемых параметров датчик характеризуется одномерной или векторной функцией преобразования (например, одноком­понентный датчик силы и силомоментный датчик). Датчик, имеющий век­торную функцию преобразования

Y = F(Х), является многокомпонентным.

В принципе любой датчик можно считать многокомпонентным, по­скольку на него кроме измеряемой величины действуют факторы, обуслов­ленные внешними причинами. Тем не менее под многокомпонентным дат­чиком будем понимать только такой преобразователь, который конструк­тивно предназначен для измерения нескольких параметров. Особенностью многокомпонентного датчика является взаимное влияние каналов измере­ний. Для оценки этого свойства измерителя используют понятие «избира­тельность канала».

 

Характеристики датчиков

1. Избирательность

Взаимное влияние каналов измере­ний датчиков характеризуется понятием «избира­тельность канала».

Пусть на входах n-канальной измерительной системы действует сигнал Х_К, вызывающий некоторые сигналы на всех выходах системы. Тогда изби­рательностью к-го канала измерительной системы называется выражение вида

 

у_к — сигнал на выходе А'-го канала системы

 

Для линейных систем избирательность характеризуется коэффициентом влияния А'- каналов .

где уi, yj— сигналы на выходах i-го и j-го каналов; xj - входное воздей­ствие на j -й канал. В частном случае при отсутствии влияния каналов и у _i =0, т. е. на выходе канала образуется сигнал, пропорциональ­ный только измеряемой величине.

1. Чувствительность

Чувствительность датчика - характеристика, показывающая степень изменения выходной величины В в зависимости от изменения входной А.

Если функции изменения во времени сигналов на входе и выходе диф­ференцируемы, то чувствительность датчика

Для линейных преобразователей S = K и у = Kx = Sx , причем единицы измерения К и S одинаковы, например, вольт на ныотон ( B / H ).

В общем случае чувствительность зависит от внешних факто­ров: напряжения питания, температуры, а также спектра и частоты измеряе­мого воздействия.

Чувствительность датчиков определяют в статическом и динамическом режимах работы.

Статическая чувствительность равна или, переходя к пределу, .

Динамическая чувствительность есть отношение скорости изменения выходного сигнала к соответствующей скорости изменения входного сигнала:

.

 

Под порогом чувствительности датчика понимают минимальное изменение измеряемой величины (входного сигнала), вызывающее изменение входного сигнала.

Наиболее характерным показателем качества датчика является полный диапазон датчика, выражаемый отношением

,

где - естественный предел измерения; - порог чувствительности датчика.

 

1. Частотные характеристики

Зависимость динамической чувствительности S_д от частоты f представ­ляет собой частотную характеристику датчика.

Частотные характеристики датчика определяются порядком дифференци­ального уравнения, описывающего его конструктивную схему. В соответст­вии с этим выделяют датчики первого и второго порядка.

Датчики первого порядка в своей структуре не содержат колеблющихся частей. К ним относятся, например, оптические преобразователи — свето- и фотодиоды. Функция преобразования датчика первого порядка описывается дифференциальным уравнением первого порядка

 

где А и B – константы.

Вид амплитудно- частотных (АЧХ) и фазочастотных характеристик (ФЧХ) представлен на рис. 1.2, а.:

Рис 1.2 а

Датчики второго порядка (например, пьезоэлектрические акселеромет­ры) содержат в своей структуре колеблющиеся элементы и характеризуются собственной частотой ƒ₀ и коэффициентом затухания ζ. Функция преобразования датчика представляет собой дифференциальное уравнение вида

 

 

а частотная характеристика определяется зависимостью

 

 

Частотные характеристики датчика второго порядка представлены на рис. 1.2, 6

Рис 1.2 б

Частота среза – наименьшая или наибольшая частота внешних воздействий, которую датчик может воспринять без искажений. Верхняя частота среза показывает насколько быстро датчик реагирует на внешнее воздействие, а нижняя частота среза - с каким самым медленным сигналом он может работать.

Датчик называется линейным в некотором диапазоне измеряемой вели­чины, если его чувствительность не зависит от значения этой величины.

Постоянная времени - мера инерционности датчика.

 Полоса пропускания датчика — это диапазон частот, в котором орди­наты АЧХ уменьшаются относительно их максимального значения не более чем на 3 дБ.

 

1. Градуировка

Градуировка датчиков охватывает совокупность операций, позволяющих в графической и аналитической форме выразить соотношение между значением измеряемой величины и выходным сигналом с учетом всех дополнительных факторов, способных изменить выходной сигнал (знак и скорость изменения т, свойства ее материального носителя, возмущающие воздействия, параметры среды)

 

Простая градуировка:

− а) прямая или абсолютная - эталоны, образцовые средства.

− б) косвенная (сравнительная) - по образцовому датчику;

− в) комплексная - с учетом возмущающих факторов.

Достоверность результатов градуировки характеризуется воспроизводимостью результатов измерений и взаимозаменяемостью датчиков.

1. Быстродействие

    Быстродействие — это параметр датчика, позволяющий оценить: как выходной сигнал следует во времени за изменением измеряемой величины.

Быстродействие характеризует время, необходи­мое для того, чтобы влияние переходных процессов на выходную величину стало пренебрежимо малым для заданной точности.

    Параметр, используе­мый для количественного описания быстродействия, называется временем установления t_уст - это интервал времени, который должен пройти после приложения ступенчатого сигнала, для того чтобы сигнал на выходе датчика достиг уровня, отличающегося от входного не более чем на заданную величину е.

!  От быстродействия следует отличать производительность устройства (обычнохарактерна для цифровых систем), определяемую числом операций в секунду. На быстродействие датчика влияют факторы, не связанные с ним непосредственно, например окружающая среда.

Лекция 2

---

Дата добавления: 2018-11-24; просмотров: 419; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

---

---

Мы поможем в написании ваших работ!