СОСТАВ И СТРУКТУРА БИОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ
ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОДАТЧИКОВ
В ПРОГРАММНОЙ СРЕДЕ «SIAM»
ЦЕЛЬ РАБОТЫ:
Исследование влияния состава и структуры измерительных цепей биодатчиков на их динамические характеристики, погрешности и измеряемые параметры.
ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ:
1. Изучить строение, передаточные свойства и структуру преобразователей в двух биологических измерителях – зрительном и вестибулярном аппаратах.
2. Провести моделирование биологических измерительных преобразователей, обладающих различными динамическими свойствами, определить их реакцию на ступенчатый, импульсный и линейные сигналы и построить их функции преобразования.
3. Провести моделирование измерительных цепей биодатчиков, построить их переходные функции и определить длительность переходного процесса.
4. Исследовать влияние адаптивных измерительных преобразователей на длительность переходных процессов биодатчиков.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИКАХ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Динамические характеристики используются для оценки способности измерительного устройства (ИУ) реагировать на сигнал, изменяющийся во времени. В инженерной практике используются пять основных динамических характеристик ИУ: дифференциальное уравнение, передаточная, переходная, весовая функции и частотные характеристики.
1. Дифференциальное уравнение устанавливает связь между входным и выходным сигналами ИУ в текущий момент времени. Эта характеристика определятся в результате анализа принципа действия ИУ.
2. Передаточная функция W(p) – это дробно-рациональная функция комплексной переменной s = a ± jw, устанавливающая связь между изображениями по Лапласу сигналов на входе и выходе ИУ. Преобразование Лапласа используется для того, чтобы упростить решение дифференциальных уравнений.
3. Переходная функция h(t) – функция времени описывает реакцию измерителя на единичное ступенчатое воздействие.
4. Весовая функция ИУ g(t) – функция времени, описывающая реакцию ИУ на единичное импульсное воздействие d(t).
5. Амплитудно-частотная и фазо-частотная характеристики – функции частоты, определяющие реакцию ИУ на единичное гармоническое воздействие с различной частотой изменения входного сигнала.
Все основные динамические характеристики равноценны и взаимозаменяемы. Зная одну из них, всегда можно получить остальные четыре.
В данной работе используется также одна из частных динамических характеристик измерителей: длительность переходного процесса.
Длительность переходного процесса tп – время, по истечении которого динамическая погрешность измерений Dд = h(t) – k становится меньше допустимой Dдоп:
Dд £ Dдоп .
Рисунок 1. Графический способ определения
длительности переходного процесса.
СОСТАВ И СТРУКТУРА БИОЛОГИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ
Органы чувств живых существ имеют структуру, аналогичную техническим измерительным устройствам, что обусловлено общностью решаемых ими задач.
В технике любое измерительное устройство включает четыре основных функциональных компонента. Каждый из них необходим для получения измерительной информации (рисунок 2):
- чувствительный элемент (физическое тело или химическое вещество) реагирующее на измеряемое силовое воздействие, вследствие чего начинается движение материальных частиц;
- цепочка преобразователей, воспринимающая движение материальных частиц и преобразующая его в удобный для передачи и дальнейшей обработки сигнал;
- вычислительный блок, осуществляющий первичную обработку информации и вырабатывающий сигнал, пропорциональный измеряемому воздействию;
- сравнение полученного сигнала с мерой, позволяющее найти количественное значение измеряемой величины.
Рисунок 2. Обобщенная структурная схема технического измерительного устройства.
В живой природе биологические измерители также имеют четыре основных функциональных компонента, однако их структурная организация отличается от технической (рисунок 3). Изменения, происходящие с чувствительным элементом под действием измеряемой физической величины, воспринимаются множеством N преобразователей – рецепторными клетками. Каждая из них преобразует реакцию чувствительного элемента в эквивалентный нормированный частотно-импульсный код, единый для всего организма.
Рисунок 3. Обобщенная структурная схема биодатчика
Выходные сигнал рецепторов поступают в нейронные узлы и ядра, которые выполняют функцию вычислительных модулей. Нейроны при обработке измерительной информации выполняют операции алгебраического суммирования (сложение и вычитание). Там же происходит сравнение полученного сигнала с мерой. В качестве меры (нуль-сигнала) организмы используют осредненные значения измеряемых физических величии. Вследствие этого при изменении условий жизнедеятельности значения мер в организме живого существа меняются, что вызывает изменение их реакций на воздействия в новых условиях.