Принципы построения многоэлементных осцилляторных измерительных устройств, основанных на использовании нелинейных процессов в сложных динамических системах

Особенностью многоэлементных пьезорезонансных датчиков (МЭ ПРД), основанных на использовании нелинейных процессов в сложных динамических системах, является то, что при большом многообразии входных воздействий они имеют вполне определенное число устойчивых состояний, что определяет набор определенных комбинаций сигналов на выходе таких устройств.

Рис. 15.20 Структурные схемы МЭ МСК - датчики с использованием связанных колебаний в составных пьезорезонаторах

На рисунке 15.21 представлена спектральная характеристика колебательной системы, представляющей собой цепочку из 4-х осцилляторов.

Рис. 15.21Спектр частот и фаз колебаний цепочки из 4-х осцилляторов

Всплески на АЧХ обусловлены наличием 4-х нормальных частот связанных колебаний в такой системе. Им, в свою очередь, соответствуют вполне определенные типы синхронизированных колебаний осцилляторов (синфазных и противофазных). Изменение параметров отдельных элементов такой колебательной системы приводит к изменению режимов взаимосвязанных колебаний осцилляторов, в результате изменяется комбинация выходных сигналов на выходе такого устройства.

В отличие от существующих линейных принципов формирования и обработки измерительной информации в МЭ ПРД реализуется параллельный принцип выделения и предварительной обработки первичной измерительной информации непосредственно в самом датчике, на физическом уровне, в условиях максимального приближения к объекту измерения. Это позволит существенно повысить точность измерения, упростить принцип формирования и обработки измерительной информации, повысить быстродействие, расширить функциональные возможности контрольно-измерительных устройств различного назначения.

Анализ режимов работы таких достаточно сложных динамических систем осуществляется методами численного моделирования с использованием современных компьютерных технологий.

В результате проведенных исследований был разработан ряд устройств - датчиков и приборы для контроля и измерения различных физических величин. К достоинствам данных устройств относится обеспечении высокой чувствительности и применимость их для тяжелых условий эксплуатации.

Особенностью такого датчика является возможность использования его в качестве как измерительного устройства с расширенным до десятков метров диапазоном измерения, так и устройства контроля с дискретным выходом. Потребность в устройствах такого типа в настоящее время существует в самых различных отраслях народного хозяйства.

К настоящему времени на базе взаимодействующих осцилляторов были созданы различные типы. Рациональное использование режимов сильно и слабосвязанных колебаний осцилляторов в сложных системах измерительных устройств позволило существенно повысить эффективность и расширить область практического применения средств измерений на их основе. Но на основе сложных динамических систем могут быть созданы также и устройства, с помощью которых можно будет осуществлять не только первичное преобразование измерительной информации, но и ее передачу, хранение и обработку. Например, в настоящее время проводятся исследования по созданию на основе системы взаимодействующих осцилляторов нейроноподобных устройств (ОНС осцилляторных нейроноподобных систем), являющихся аналогами сенсорных систем живых организмов.

В отличие от других парадигм, при изучении осцилляторных нейроноподобных систем (ОНС) основной интерес сосредоточен на динамических, колебательных аспектах функционирования нейронных сетей. В соответствии с этим выбирается такая конструкция отдельного элемента и такая архитектура сети, при которых наблюдаются регулярные, квазипериодические или стохастические колебания. При этом представляют интерес условия возникновения колебаний и условия их синхронизации.

Изучение ОНС стимулируется результатами нейрофизиологических экспериментов, указывающих на существенную, а возможно и центральную роль колебательных процессов в работе нервной системы. Одна из центральных гипотез состоит в том, что процесс обработки информации в нервной системе может описываться в терминах синхронизации активности различных нейронных структур. Эта гипотеза была сформулирована в работах известных русских нейрофизиологов: А.А. Ухтомского и М.Н. Ливанова.

Интерес к осцилляторным нейроноподобным системам усилился благодаря нейрофизиологическим исследованиям У. Фримена, В. Зингера, Р. Экхорна и других авторов. Как показано в этих работах, в обонятельной и зрительной зонах коры мозга могут возникать высокочастотные колебания (40-60 герц) в ответ на внешнюю стимуляцию, причем в определенных условиях наблюдается синхронизация колебаний в далеких друг от друга участках коры.

Принципиальная важность временной когерентности активности при обработке информации мозгом отмечается во многих работах. Так, в работе Ф. Крик и К. Кох при обсуждении проблемы сознания утверждают, что с теоретической точки зрения легче всего добиться одновременности импульсации, используя осцилляции. Они считают, что сознание предполагает наличие механизма внимания и кратковременной памяти, которые действуют в такой последовательности: посредством внимательного механизма достигается синхронная активность (в виде осцилляции) соответствующих нейронов, и, в свою очередь, эти осцилляции активируют кратковременную память.

Несколько иная роль отводится высокочастотным осцилляциям. Считают, что посредством синхронной колебательной активности в мозге подсознательно на ранних стадиях обработки информации происходит выделение объекта из фона (во время так называемой "предвнимательной" обработки). Этим не ограничивается возможная роль осцилляторной активности. Осцилляции могут быть необходимы для достижения высокого уровня нейронной активности, при котором только и активируются некоторые передающие пути мозга как основа для получения сложных динамических режимов, поскольку система взаимодействующих осцилляторов обладает богатым набором таких режимов, включая хаос.

Была предложена гипотеза о том, что при обработке информации мозгом интеграция отдельных признаков объекта в единый образ на нейронном уровне означает коррелированную импульсацию нейронов. Эта гипотеза нашла косвенное подтверждение в результатах исследований по синхронизации нейронной активности в первичной зрительной коре. Необходимо упомянуть и о том, что осцилляции могут служить своеобразными часами, создавая временную структуру как для активности внутри одной модальности, так и между сенсорными модальностями.

В исследования ОНС как моделей нервной системы в настоящее время вовлечены несколько научных групп в России, США, ФРГ, Великобритании, Италии и Японии. Работа ведется в двух взаимосвязанных направлениях:

· математическое исследование явлений синхронизации в ОНС (аналитические и компьютерные методы);

· применение ОНС для построения моделей обонятельной, зрительной коры и двигательной системы, а также памяти и внимания (имитационное моделирование).

Функциональной единицей ОНС, как правило, является осциллятор. В зависимости от целей исследования выбирается не только определенная архитектура связей сети, но и конструкция отдельного осциллятора. В наиболее сложных и максимально приближенных к реальности моделях используются осцилляторы, состоящие из элементов с интегративно-пороговыми свойствами разной степени сложности. Это - аналоги биологических нейронов. Осциллятор включает нейроны, как с тормозными, так и с возбуждающими связями. Это приводит к тому, что при определенных условиях суммарная активность нейронов приобретает колебательный характер. Такие ОНС исследуются обычно методами имитационного моделирования.

Другой подход состоит в описании динамики усредненной активности нейронных ансамблей, которые в результате взаимодействия образуют осциллятор. В ряде работ исходные предположения приводят к ОНС из осцилляторов Ван-дер-Поля. В других осцилляторы формируются в результате взаимодействия небольшого числа нейронных ансамблей, соединенных возбуждающими и тормозными связями. Возникающие на этом пути многомерные динамические системы все еще, как правило, слишком сложны для математического анализа, поэтому их исследуют численно, или редуцируют к еще более простым осцилляторам, поведение которых описывается одной переменной - фазой колебания. Иногда сети из таких максимально упрощенных осцилляторов вводятся аксиоматически. Такие ОНС пригодны для весьма приближенного, качественного описания реальных процессов. Их главное преимущество - возможность аналитического исследования.

Графен

Эффект Мёссбауэра

Метод электронографии

Вернуться в оглавление: Современные фундаментальные и прикладные исследования в приборостроении