Рисунок 2. Модель микромеханического гироскопа с обратной связью

Здесь блок Gyro представляет собой микромеханический гироскоп, работающий в режиме двухкомпонентного датчика угловых скоростей. Выходные сигналы данного блока пропорциональны угловым скоростям враще-

ния основания вокруг осей OX и OY . Эта информация подается на блок Scope, который представляет собой осциллограф, а также сохраняется на жесткий диск компьютера посредством блока To File для дальнейшей обработки. Информация об амплитуде вы-

ходного сигнала по оси OY используется в петле обратной связи (ОС). ОС организуется при помощи блока Microcontroller. Этот блок реализует алгоритм работы системы автоподстройки частоты, рассмотренный выше. Поскольку подобный блок не входит в библиотеку блоков среды Simulink, он был написан на языке программирования Си. Он позволяет задавать в виде параметров шаг, с которым следует производить изменение жё-

сткости ( C ), а также период изменения жё-

сткости T . На вход данного блока поступает информация об амплитуде выходного сигнала. На основании этой информации принимается решение о дальнейшем изменении жёсткости. Блок С0 формирует нулевое, начальное значение жёсткости, которое затем сум-

мируется с величиной добавки C , вырабо-

танной блоком Microcontroller.

Рисунок 3. Результаты моделирования работы системы

Результаты моделирования работы системы автоподстройки частоты представлены на рисунке 3 в виде графиков.

На первых двух графиках представлены амплитуды выходных сигналов гироскопа по

осям OX и OY . Третий график представляет собой зависимость выходного сигнала блока Microcontroller от времени. На данных графиках хорошо видно, как система автоподстройки частоты постепенно увеличивает жёсткость, приближая систему к резонансу. В результате последнего увеличения жёсткости амплитуда выходного сигнала уменьшается. Это говорит о том, что резонанс пройден, и значение добавки к жёсткости превышает необходимое значение. На основании этой информации система автоподстройки частоты принимает решение вернуться на шаг назад и прекратить свою работу.

Рассмотренная система автоподстройки частоты может быть легко реализована с применением какого-либо микроконтроллера. В настоящее время использование подобных систем не связано с существенными денежными затратами. Однако здесь следует отметить, что применение подобного способа автоподстройки частоты в реальной системе, очевидно, приведет к значительному снижению быстродействия датчика инерциальной информации.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Пошехонов В. Г. Гироскопы начала XXI века // Гироскопия и навигация. 2003, №4 (43). - с. 5-18.

2.Евстифеев М.И., Унтилов А.А. Требования к точности изготовления упругого подвеса микромеханического гироскопа // Гироскопия и навигация. 2003, №2 (41). - с. 2431.

Под автоматизацией обычно понимают применение технических средств, освобождающих человека частично или полностью от непосредственного участия в процессах получения, преобразования, передачи и использования материалов или информации. Преимущества автоматизации очевидны – это ускорение выполнения операций, снижение издержек на их реализацию, повышение качества и снижение ошибок при их выполнении.

Развитие физики и электроники привело к созданию различных аналитических приборов, измеряющих разные характеристики сред различной природы. Были разработаны методы получения сверхчистых полупроводниковых материалов, на основе которых стали изготавливаться современные электронные приборы, элементы памяти, усилители слабых сигналов и пр., которые могли получать информации с высокой точностью, перерабатывать без потерь и хранить большие объёмы нужной человеку информации.

Достижения цитологии, энзимологии, генетики создали фундамент биотехнологии

– научного направления, позволяющего использовать живую материю (биообъекты) в качестве материала с известными свойствами для различных прикладных целей.

Использование биообъектов в технических системах позволило повысить уровень информативности получаемых сигналов от объекта исследования, так как любое живое вещество обладает более высокой чувствительностью к внешнему фактору воздействия, чем техническое средство.

Таким образом, современные достижения технических наук и биотехнологий позволили создать специализированные приборы и устройства – биодатчики и биосенсорные системы (БСС) для решения актуальных медицинских и природоохранных задач, а также для изучения свойств биологических объектов, с последующим использованием изученных свойств на благо человека.

Биосенсорные системы создаются на основе согласования биологических и технических элементов, охваченных единым контуром управления. Этот подход предполагает

172

учет специфики взаимодействия живого с различными конструкционными материалами, зондирующими излучениями и техническими факторами биоцидного действия (повреждающими живое).

БСС представляют собой комбинированные устройства, состоящие из двух взаимосвязанных преобразователей – биохимического преобразователя (БХП) и измерительного преобразователя (ИП) (рисунок 1) [1]. Первый распознает информацию о составе сред и преобразует ее в изменение какихлибо свойств биообъекта, а ИП измеряет величину этой реакции.

Рисунок 1 – Биосенсорная система (БСС)

БХП создаются на основе биологических объектов, включая в себя как живые организмы растительного и животного мира, так и их ткани, клетки, биологические мембраны, ферменты, органические молекулы, антитела и пр. [1, 2].

Важно отметить, значимость создания и использования биосенсорных систем для диагностики и контроля природной среды. Так ряд важнейших свойств загрязнителей окружающей среды может быть выявлен только с помощью применения биообъектов. К подобным свойствам относятся: токсичность, му-

тагенность, тератогенность, биологическая активность, аллергогеннность и пр.

Живые организмы используются для исследования вредности продуктов, промышленных товаров и различных отходов, нормирования и мониторинга (постоянного контроля) вредных факторов в окружающей среде.

Применение БСС в медицине и экологии возможно в первую очередь благодаря тому, что разные формы живого обладают единст-

вом структурного строения, обмена веществ, систем жизнеобеспечения и приспособления к окружающей среде. Также харак-

терной чертой всего живого являются раз-

дражимость, или чувствительность к опре-

делённым внешним факторам, что вызывает изменение поведения или другую реакцию организма на влияющее воздействие.

Водная среда имеет огромное значение для функционирования всего живого, поэтому исследование факторов, влияющих на неё, очень важно для человека. Существующие средства контроля сложны, дорогостоящи и не имеют высоких метрологических характеристик, поэтому создание биосенсорой системы для контроля и диагностики водной среды является актуальной задачей.

Перспективным направлением исследований по изучению водной среды и факторов на неё влияющих является использование в качестве биодатчиков плодов (семян) растений. Необычайная чувствительность растений к различным вредным факторам окружающей среды замечена ещё ботаниками и физиологами прошлого века. Растения реагируют на ничтожные изменения интенсивности светового потока, обладают высокой чувствительностью к химическим веществам прочим факторам, влияющим на природную среду.

В качестве семян, которые можно использовать в качестве первичного биологического преобразователя, рассматривались овёс, пшеница, подсолнечник, ячмень. Проведённый теоретический анализ показал, что все физико-химические процессы в тканях зерна совершаются при обязательном участии во-

ды. Рассматривая эти процессы как составную часть биологических превращений в зерне, необходимо учитывать непрекращающуюся изменяемость структуры воды, обусловленную обилием водородных связей, что ставит ее в положение основы всей совокупности биофизических и биохимических процессов в зерне [3].

Перемещение воды и органических веществ при прорастании зерна имеет свои особенности. Огромный экспериментальный материал свидетельствует о решающем значении для прорастания и происходящего при этом массопереноса содержания и миграции воды в зерне.

Таким образом, очевидна естественная связь между водной средой и процессом прорастания зёрен пшеницы. В работах [4, 5] показана реакция зёрен пшеницы на качество водной среды, предварительно обработанной каким-либо внешним фактором (физическое поле, химическое вещество и пр.). Поэтому зерно пшеницы мы выберем в качестве БХП, которое позволяет выявлять степень воздействия внешних факторов на водную среду путём контроля её проростаемости.

Контролируемым параметром является число проросших зёрен, характеризующее биологическую активность воды (БАВ), поэтому автоматизированный метод контроля будет оптическим. Теоретические и экспериментальные исследования привели к использованию в качестве ИП – Web-камеру [6]. Обработку всей измерительной информации ведёт ПК. Общая схема разработанного средства контроля для контроля за состоянием водной среды представлена на рис. 2.

Оптическая скамья включает измерительную установку и лоток с расположенными на нём матрицами с зёрнами. Измерительная установка перемещает Web-камеру по позициям, в которых производится съёмка изображений, с последующей их программной обработкой по заданному алгоритму с целью получения информативного параметра о сте-

пени влияния на водную среду действующего фактора.

Важно отметить, что при анализе водных систем аналитическая аппаратура в основном измеряет концентрацию известных химических веществ в среде. Биодатчик обладает интегральным восприятием качества среды и способностью к избирательным реакциям на