Zpracování informací

Ústav automatizace a informatiky Fakulta strojního inženýrství Vysoké učení technické v Brně

Přednáška č. 1 z předmětu

Zpracování informací © Ing. Radek Poliščuk, Ph.D.

Tato publikace vznikla jako součást projektu CZ.04.1.03/3.2.15.2/0285 „Inovace VŠ oborů strojního zaměření“, který je spolufinancován evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky

Zpracování informací, přednáška 1.

1/21

Obsah přednášky Přednáška 1 – Úvod do zpracování informací cíle předmětu a organizace výuky pojmy DATA a INFORMACE povaha dat způsoby získávání dat základní druhy snímačů


2/21

Organizace výuky Cílem předmětu je stručné seznámení všech studentů profesních oborů BS na FSI s pojmy, principy, prostředky, metodami a aktuálními trendy při získávání, zpracování a prezentaci dat a informací. Výuka je členěna do tematických bloků a je organizována formou: přednášek (2 hodiny týdně) a navazujících laboratoří a cvičení s počítačovou podporou (2h týdně) Tématické bloky (přednášky+navazující cvičení): získávání a sběr dat – LabVIEW+laboratoře ÚAI, první 4 týdny; organizace dat – cvičení s poč. podporou (relační databáze, SQL), 4 týdny; analýza dat – cvičení s poč. podporou (Excel, LabVIEW,...), 2 týdny; prezentace dat – cvičení s poč. podporou (dokumenty a prezentace), 2 týdny. Zápočet je podmíněn alespoň 50% splněním úkolu v každém jednotlivém bloku, tj.: účastí v laboratořích a vypracováním prezenčních testů a nebo semestrálních prací na zadané téma. nezvládnutí více než 50% bloku, resp. 3 a více po sobě jdoucích testů = bez zápočtu! detaily budou upřesněny v e-learningu VUT (http://www.vutbr.cz/elearning) Zpracování informací, přednáška 1.

3/21

DATA a INFORMACE původní význam:

„informatio“ (GR, LAT) = uvádět v tvar, formovat...

středověk (~16.stol.): „informovat“ (FR/EN/ES) = instruovat, poskytovat znalosti ( ~ „formovat povědomí“) Dnes?

- devalvace původního významu, - účelové zaměňování pojmů DATA a INFORMACE - snaha o aplikaci i v naprosto nesouvisejících oborech

A kde se vlastně ty „informace“ berou?

Realita

DATA

Informační systém

Informace Příjemce

...abychom získali INFORMACE, potřebujeme nejdřív pořídit a zpracovat DATA. Zpracování informací, přednáška 1.

4/21

DATA a INFORMACE Realita

DATA

Informační systém

Informace Příjemce

DATA = objektivní, zaznamenatelné hodnoty, fakta odvozená od reality konkrétní data mohou být zatíženy náhodnou a nebo systematickou chybou z povahy daného jevu mohou být logická (ano/ne), ordinární a nebo spojitá. objem dat je možné měřit - na bity 0/1 , slabiky (bajty) 27 26 25 24 23 22 21 20 , slova...) INFORMACE = odstraněná neurčitost, výsledek interpretace dat použitým IS. informace nemusí být nutně objektivní (může jít i o chybnou interpretaci)! objem informace ~ objem dat nezbytných k jejímu vyjádření přenesení informace ještě nutně neznamená její pochopení příjemcem DATA bez nástrojů pro interpretaci v nich uložené informace jsou jen balast. Data sbíráme proto, aby pak bylo možné rozhodovat se na základě informací a ne na základě dohadů, doměnek, pocitů, nálady, toho „co se kde říká“ (v televizi, v tisku, „na internetu“, „v hospodě u piva“...). Je jen na Vás, jak svá data interpretujete – o tom je zpracování informací. Zpracování informací, přednáška 1.

5/21

Povaha dat Druhy zaznamenávaných dat („signálů“): Logické veličiny (pravda/nepravda, hodnota jednoznačně větší/menší než mez) „spínač je sepnutý“, „žárovka svítí“, „přehrada přetéká“, ...

Ordinární veličiny (celočíselné, diskrétní...):  výčet možných hodnot, min/max. „stojím ve frontě na 3. místě“, „na kostce mi padla šestka“, ...

Spojité veličiny (neceločíselné): zápis číslem možný jen za cenu zaokrouhlení „aktuální rychlost vozu je ... km/h“, „obvodem prochází proud ... mA“, „je ... hodin.“ ... data bývají zatížena systematickou (chyby přenosové charakteristiky - možno korigovat) a náhodnou chybou (nelze korigovat, jen potlačit – filtrací, integrací plovoucím oknem, zaokrouhlením...)

Maticové veličiny: jednotlivé elementy mají smysl jen v rámci určité posloupnosti texty (slova a věty složené z ordinárních elementů), grafika (bitmapová i vektorová), zvukové vzorky (analogové i digitální), časové záznamy o měření...

Související binární datové formáty: boolean: jednotka záznamu = 1 bit (BInary uniT), možné hodnoty False~0, True~1 byte/word/dword/longword, resp. shortint/smallint/integer/int64: seskupení bitů single/double/extended: pro diskretizovaný zápis spojitých veličin (mantisa+exp) string, array: pro jedno- a vícerozměrné záznamy datové struktury: tam kde je nutné seskupovat údaje ze zdrojů různého typu Zpracování informací, přednáška 1.

6/21

Povaha dat – spojité veličiny Spojité veličiny je technicky možné zpracovávat analogově a nebo digitálně: analogové zpracování: signál je zpracováván i archivován jako spojitá veličina např. teploměr, gramofon, magnetofon, video, kinofilm, rádio, televize, ... ne vždy musí jít o „horší a zastaralou“ metodu než digitální (viz DVB-T v ČR...). i digitální záznam je ve své fyzikální podstatě vždy analogový. digitální zpracování: signál je nutné kvantovat a u záznamů navzorkovat vzorkování = rozdělení na časové úseky, v rámci kterých danou hodnotu můžeme (a budeme) považovat za konstantní kvantování = naprahování diskrétních úrovní ve spojité veličině

hodnoty[kvanta]

nemá smysl zaznamenávat s rozlišením vyšším než je náhodná chyba (šum) každý snímač má svůj dynamický rozsah (práh citlivosti a technolog. maximum), které je vhodné zohlednit při volbě datového formátu (mapování a počet úrovní) před záznamem je možné provést korekci systematických chyb daného snímače: aditivní chyby: konstantní posun hodnot nahoru/dolů multiplikativní chyby: změna sklonu přenosové křivky s hodnotou chyby linearity: lokální odchylky od jinak lineárního průběhu (nasycení apod.) hystereze: přenosové zpoždění reálné hodnoty na snímači

čas [vzorky]


7/21

Základní druhy snímačů Snímač = část měřícího řetězce, která je v přímém styku s měřeným prostředím, citlivá část snímače (snímač=senzor=detektor) bývá označována jako čidlo převádí měřenou fyzikální veličinu na jinou, kterou jsme schopni vyhodnocovat (pro elektronické zpracování musí být výstupem snímače vždy elektrický signál) Digitální zpracování dle typu signálu: Logické signály (princip komparátoru) Spojité signály (A/D převodníky) opět na principu komparátoru, se schodovitým referenčním napětím

Měřené veličiny: elektrické (napětí, proud, odpor...) polohové (poloha, rychlost, zrychlení) silové (napětí/síla/moment/tlak/zvuk) proudění (průtok/výška hladiny/viskozita) teplotní (teplota, teplotní pole) fotometrické (intenzita, barva, spektrum) ...


8/21

Senzory – elektrické veličiny Všechna automatizovaná měření ve strojírenské praxi vycházejí z elektrických veličin: náboj Q [C, e-1=1,602177·10-19C] potenciál φ a napětí U [V] proud I [A], odpor R [Ω], kapacitu C [F], indukčnost L [H] frekvence f [Hz], fáze [%], ...


9/21

Senzory – elektrické veličiny Měření elektrického náboje, potenciálu a napětí elektrostatické (elektroskopy – sledování statického náboje) magnetoelektrické/Deprézské (ručičkové voltmetry, galvanometry) můstkové (regulace rovnovážného stavu na Wheatstonově můstku) komparační (digitální voltmetr, cyklické porovnávání se schodovým signálem) Měření elektrického proudu, odporu a dalších veličin magnetoelektrické galvanometry a ampérmetry (obdoba EM voltmetru) elektrodynamické ampérmetry (místo perm. magnetu elektromagnet) digitální ampérmetry (měření úbytku proudu na známém odporu) Ohmův zákon: U=R×I I=U/R R=U/I (při známém U a I je možné měřit i R, více viz elektrotechnika) voltmetr se zapojuje paralelně (maximální vlastní odpor) ampérmetr se zapojuje sériově (minimální vlastní odpor)

Kapacita C[F], Indukčnost L[H], Frekvence f[Hz], fáze [%] - nepřímo. Všechny veličiny určené pro digitální zpracování je nutno převést na elektrické. Laboratorní měřící přístroje mohou být spojovány s PC pomocí IrDA, RS-232, USB... V průmyslu se na krátké vzdálenosti používají karty v PLC, jinak se používají digitální moduly na datové sběrnici. Zpracování informací, přednáška 1.

10/21

Senzory – polohové veličiny Moderní stroje stále více vyžadují zpětnou vazbu na aktuální: polohu rychlost zrychlení . . .


11/21

Senzory – polohové veličiny Dosažení polohy („koncové spínače“) - skoková změna napětí/proudu/odporu: mechanické (sepnutí vodivého kontaktu při „najetí“ tělesa, nutno ošetřit jiskření) magnetické (sepnutí řízené magnet. polem – jazýčková relé, Hallovy snímače..) optické (protnutí světelné závory, skoková změna intenzity jasu na fotodiodě,...) Měření polohy – plynulá změna napětí/proudu/odporu: mechanické potenciometry (rovná, kruhová nebo šroubovicová odporová dráha) clonkové enkodéry (absolutní nebo inkrementální s čítačem, digitální i analogové) elektrické resolvery (indukce vf elektrického pole v navzájem kolmých cívkách) radarové snímače (intenzita odrazu, úhel dopadu, fáze vůči ref. Svazku, GPS), zvukové snímače (intenzita – MIKROFON, doba odrazu – SONAR) gyroskopy (setrvačníkové, optické, ladičkové) – měření orientace vůči start. poloze Měření rychlosti - otáčkoměry (tachometry),... Polohové senzory lze při vhodném vzorkování použít i k měření rychlosti, dále Tachometry s komutátorem (jiskření!), alternátory (~U), Hallovy snímače (stejnos.U) Rychlostní trubice (rozdíl mezi tlaky ve směru pohybu a kolmo k němu – viz měření tlaku) Měření zrychlení – akcelerometry, seismometry: akcelerometry je nutno provozovat mimo pásmo vlastních frekvencí (rezonance!) piezoelektrické/kapacitní, měří se výchylky pružně uložené „seismické hmoty“ ...jde tedy o měření setrvačných sil, typicky MEMS 12/21


Senzory – silové veličiny Řada strojírenských aplikací předpokládá, že znáte působící: sílu, tíhu (hmoty), moment síly/hybnosti tlak, hlasitost (akust. tlak) Frekvenční spektrum zvuku . . .


13/21

Senzory – silové veličiny Síly a momenty – transformace síly na deformaci mechanické siloměry (viditelná elastická deformace) elektrické tenzometry (změna el. parametrů se zátěží)

odporové (piezorezistence = změna R při pružné deformaci materiálu) kapacitní (změna kapacity při vzdálení desek kondenzátoru) piezoelektrické (vznik napětí při deformaci piezokrystalů)

Tlaky – mechanická transformace tlaku na sílu a deformaci (P=F/S) Statické: Absolutní (>vakuum), diferenční (přetlak vůči okolí) a manometrické (rozdíly) mechanické: trubicové, membránové, krabicové a vlnovcové manometry

elektrické: kapacitní (kondenzátor s deformovanou deskou), odporové a piezo tenzometry

Dynamické (zvuk=akustický tlak) – mikrofony uhlíkové (stlačováním grafitového prášku pod membránou se mění jeho vodivost); piezoelektrické (separací náboje na deformovaných krystalech vzniká el. napětí); elektromagnetické (pohybem feromagnetické kotvy uvnitř cívky vzniká napětí) a elektrodynamické (pohyb cívky nebo pásku v magnet. poli – mechanicky výhodnější); Kondenzátorové/elektretové (deformací vodivé desky se mění kapacita kondenzátoru) 14/21 Zpracování informací, přednáška 1.

Senzory – tekutinové Tekutiny neproudí jen v přehradách a turbínách, i jednodušší zařízení potřebují znát výšku hladiny a aktuální průtok

„Inženýry učíme jak zkonstruovat betonový kajak... Třetina lidí na této planetě přitom pije špinavou vodu, protože pro ně ani pro jejich sousedy doteď nikdo nevymyslel funkční a dostupný záchod...“ Bernard Amadei University of Colorado, Engineers without Borders


15/21

Senzory – tekutinové Hladinové snímače: mechanické polohové snímače („koncák s plovákem“, vodoznaky...) tlakové snímače v referenční hloubce (P=hrg ...neplatí pro plyny!) sonar/radar (odraz od hladiny v cisterně, odraz dna proti plovoucí lodi) elektrické spínače u vodivých kapalin Optické spínače (vyšší index lomu tekutiny „zneviditelní“ odrazový hranol) Snímače průtoku – směr (úhel náběhu), objem/hmotnost/rychlost (anemometry): metodika závisí na typu proudění (laminární/turbulentní) a uzavřenosti systému malé průtoky lze měřit v laminární „boční větvi“ o známém průřezu většina snímačů potřebuje „minimální průtok“, od kterého má měření smysl: plovoucí bójka+stopky (princip měření rychlosti v „uzlech“) plováčkové průtokoměry (výchylka plováčku ve svisle vzhůru proudící tekutině), snímače s převodem na deformaci (proud tekutiny vychyluje měřící „pádlo“) turbínové anemometry (lopatkové kolo nebo axiální turbínka v proudu tekutiny) rychlostní trubice (Pitotova, Prandtlova: rozdíly tlaků kolmo a ve směru proudění) Venturiho trubice (úbytek tlaku za dýzou známého tvaru v uzavř. systému, měřeno před a za), vodoznaky (v místech se známým otevřeným profilem), měrné přelivy (rozdíl hladin před a za) ultrazvukové průtokoměry (zvukové vlny unášené proudem tekutiny se šíří rychleji) indukční průtokoměry (u vodivých tekutin v magnet. poli – Hallův efekt) termoanemometry (rychlost proudění ovlivňuje teplotu tekutiny ohřívané známým příkonem) 16/21 Zpracování informací, přednáška 1.

Senzory – teplotní veličiny Vliv na funkci řady věcí a materiálů má i teplota, které jsou vystaveny...


17/21

Senzory – teplotní veličiny Kontaktní metody (měřené těleso je v přímém kontaktu s teploměrem) teplotu je možné odečítat až po vyrovnání teplot teploměru s objektem kapalinové teploměry (olej, líh, rtuť...) - na principu rozpínání média odporové teploměry (kovy, polovodiče) – změna el. odporu s teplotou kontaktní barevné indikátory (chemické, tavné, LCD...) Bezkontaktní metody pyrometry (analýza emisního spektra žhavého tělesa)

termovize (snímání intenzit vyzařování v IR části spektra)


18/21

Senzory - fotometrické Pro popis situace nemusíme vždy jen měřit a převádět, někdy se stačí i podívat...


19/21

Senzory - fotometrické Světlocitlivé prvky (fotosenzory, expozimetry, dozimetry...) fotochemické (expozicí fotocitlivé vrstvy elektromag. zářením katalyzována chemická reakce) fotorezistory (fotoexcitací elektronů v polovodiči /Se, CdS/ se zvyšuje vodivost a klesá odpor) fotonky (osvětlení žhavené katody elektronky řídí proud elektronů) fototranzistory (fotoexcitací elektronů v řídící vrstvě je regulováno zesílení) fotodiody a fotovoltaické články (fotoexcitací elektronů v N vrstvě vzniká el. potenciál proti P) Záznam obrazu (promítání na fotocitlivé elementy v obrazové rovině) vidicon, orthicon (řádkováním svazku elektronů na fotorezistivní anodě vzniká videosignál) CCD snímače (sériové snímání náboje v poli fotodiod) CMOS snímače (přímo adresované fototranzistory) Záznam barevné informace napodobení schopnosti lidského oka vnímat jas nezávisle v kanálech R, G a B paralelní (tříkanálová) nebo prokládaná řešení (Bayerovo schéma) Záznam spektra (rozlož.hranolem) bodové spektrum (linie) liniové spektrum (plocha) Zpracování informací, přednáška 1.

20/21

Shrnutí Abychom získali INFORMACE, potřebujeme DATA. Technická data získáváme měřením a sledováním. Logické a spojité veličiny (signály) měříme pomocí snímačů (senzorů). Pro elektronické zpracování je nutný převod do formy elektrického signálu (U,I...). Pro digitální zpracování se signály vzorkují (v čase) a kvantují (A/D).

Ukázky senzorů pro různé druhy veličin uvidíte v laboratořích ÚAI.


21/21

Zpracování informací

Recommend Documents