какое свойство мобильных устройств позволяет использовать их в качестве измерительных приборов

Современные измерительные приборы — беспроводная передача данных

Эксплуатация и управление энергосистемой

Основные электрические величины и управляющие сигналы могут быть измерены с использованием соответствующих измерительных приборов. Такие измерения необходимы не только при диагностике установок и электрических устройств, но и в обслуживании систем зданий и промышленной автоматизации.

Рисунок 1. Показания результатов измерений на мобильном устройстве

Многие современные измерительные приборы основаны на беспроводной технологии обмена данными не только между прибором и компьютером, но и между отдельными измерительными приборами. В этом решении можно подключить несколько измерителей, что приведет к созданию разработанных измерительных систем. Приборы работают в беспроводной сети с использованием измерительных модулей. Кроме того, инструменты могут взаимодействовать с мобильными устройствами, что повышает гибкость системы. Собранные результаты измерений могут быть отправлены по беспроводной сети на компьютер и отображены в мобильных приложениях. Если необходимо, случайные события извлекаются или возможное колебание сигналов записывается с использованием журнала модуля. Полезной особенностью является способность вести видеозвонок в полевых условиях с другими членами группы измерений.

Современные измерительные приборы имеют сенсорные экраны. Таким образом, работа устройства разборчива. Кроме того, мультитач позволяет увеличить интуитивную работу, и устройство характеризуется высоким уровнем устойчивости к условиям окружающей среды.

Рисунок 2. Диагностика электродвигателя Рисунок

Дистанционное, беспроводное измерение

Вышеупомянутая технология беспроводной передачи данных означает, что измерительные приборы могут передавать данные друг другу. Преимуществом этого решения является возможность дистанционно выполнять измерения с регистрацией результатов при одновременном проведении измерений.

В примере приложения мультиметр может отображать результаты измерений и считывать результаты с нескольких других модулей, работающих по беспроводной сети. В свою очередь, инфракрасные камеры могут сохранять результаты измерений, собранных по беспроводной сети, и представлять их на изображении. В типичных измерительных приборах измерительный модуль может быть удален до 20 м. Соответствующие модули отвечают за измерение переменного тока до 2500 А с точностью 3%. и память, в которой хранятся результаты измерений, накапливается до десятков тысяч записей.

На практике беспроводные измерительные модули размещаются непосредственно на месте измерения. Полезным решением является приложение, которое считывает модули, размещенные в местах измерения, которые закрыты — например, электрические распределительные щиты, шкафы управления и т. д. Это решение часто используется в промышленной диагностике, поскольку модули могут быть подключены в местах, опасных для людей.

Безопасность данных

В системах беспроводной передачи результаты измерений сосредоточены на защите данных, включая облачную среду. Поэтому поставщики таких услуг предоставляют не только электронный надзор, но и систему многоуровневого доступа. Кроме того, на серверах установлены брандмауэры, и данные шифруются.

Используемая радиочастота также безопасна, и передача данных не может нарушить частоту 50/60 Гц. Кроме того, для обеспечения безопасности радиопередачи проводятся испытания в области помех, излучаемых высокочастотными устройствами — сотовыми телефонами, станками, микроволновыми печами и т. д. Помехи также не вызваны сигналами других беспроводных сетей.

В некоторых решениях, в случае короткого диапазона или при доступе к историческим данным, смартфон для подключения к измерительным приборам использует технологию Bluetooth®, поэтому диапазон 3 / 4G не требуется. Данные сохраняются изначально, пока не будет установлено соединение WiFi,с которым результаты измерений будут сохранены в облаке.

Компьютерное программное обеспечение для обработки данных

Рисунок 3. Измерительное устройство и мобильное приложение

Ряд возможностей в области анализа собранных результатов измерений предоставляется специализированным компьютерным программным обеспечением, сотрудничающим с конкретным измерительным прибором. Например, в отношении термочувствительных камер компьютерное программное обеспечение в основном позволяет создавать отчеты о проведенных тестах. Многие компьютерные приложения могут адаптировать отчет к индивидуальным потребностям пользователя. Поэтому создаются оптимизированные формы отчетов, в том числе логотип компании. Многие программы могут работать с текстовыми процессорами. Автоматические расчеты проводятся с помощью формул.

При диагностике электрических машин и устройств полезны аналитические возможности. Прежде всего, речь идет о настройке тенденций на основе полученных данных. Температуру объекта можно подвергнуть детальному анализу, и в результате можно планировать профилактические и корректирующие действия.

В современных тепловизионных камерах часто используется функция «картинка в картинке» — применение инфракрасного изображения к объекту, сфотографированному в видимом свете. Вы можете использовать функцию цифрового масштабирования. Полезное решение также воспроизводит голосовые комментарии, которые записываются в поле. Координаты GPS и ссылка на Карты Google добавляются в отчет. Полезным решением является возможность выполнять вычисления с использованием передовых форму. Программное обеспечение воспроизводит голосовые комментарии, записанные в поле, изменяет цветовую палитру и позволяет использовать цифровой зум.

Приложения на вашем смартфоне

Приложения, установленные на смартфоне, предназначенные для работы с измерительными приборами, очень просты в использовании. Используются скользящие, прокрутки и меню пальцев. Каждая измерительная функция имеет предустановленный учебник. В некоторых приложениях используются стандартные функции смартфона — сообщения электронной почты, снимки подключения и т. д.

В качестве важной функции приложения для смартфона следует упомянуть возможность проведения видеозвонков. Кроме того, результаты измерений сохраняются и передаются каждому человеку из группы измерения. Доступ к данным возможен в любое время и из любого места. Благодаря специальным функциям вы можете быстро записывать измерения в свой телефон. Тенденции могут быть оценены, и пользователь получает безопасный беспроводной доступ к документации, хранящейся в облаке.

Беспроводные устройства в механической диагностике электрических машин

Многие устройства, обменивающиеся данными, на беспроводном уровне находят применение при диагностике механических компонентов электрических машин. Например, некоторые измерительные приборы, используемые в вибродиагностике, представляют собой вибрационные мониторы, позволяющие проводить непрерывную диагностику в соответствии с ISO 10816. Можно не только контролировать вибрации, но, самое главное, определять тенденции в измеренных значениях. Важную роль играет интегрированный ускоритель, отвечающий за непрерывное измерение вибрации на невращающейся части машины. Вычисляются амплитуды тестируемых объектов, и интервал измерения регулируется. В результате длина тренда может быть адаптирована к индивидуальным потребностям приложения измерения.

Типичная измерительная система основана на нескольких датчиках и приемнике. Передатчик монтируется непосредственно на машине. Обмен данными между передатчиком и приемником осуществляется по радио. Приемник подключен к компьютеру ПК, и соответствующее компьютерное программное обеспечение отображает измерения в реальном времени. Вы можете запускать аварийные сигналы и устанавливать пороговые значения. В случае распределенных приложений приемник действует как реле, поэтому можно расширить линию беспроводной передачи данных.

Приложения с беспроводными датчиками используются, например, при диагностике насосов, подшипников, трансмиссий, редукторов, а также двигателей, вентиляторов и т. д. В результате могут быть предприняты корректирующие действия, а самое главное — уменьшится риск внезапного повреждения сборки.

4. Удаленное считывание результатов измерений будет особенно пригодным для мест с трудными условиями окружающей среды

Обзор инструментов

На практике электрики используют разные измерительные приборы. Важными являются, например, измерители сопротивления изоляции, которые измеряют сопротивление с низким током с использованием акустической и оптической сигнализации. Диапазон измерения устройств, предназначенных для оценки сопротивления изоляции, часто превышает 100 ГΩ. В свою очередь, в измерителях зажима стоит обратить внимание на возможность точного измерения зажима малых токов в проводниках малого диаметра. Зажимы оснащены специальной выемкой в верхней части.

Стоит обратить внимание на современные локаторы инфраструктуры. Приемник и передатчик включены в них. Приемник локатора позволяет обнаруживать и отслеживать маршрут трубопроводов, кабелей и других объектов подземной инфраструктуры, где возможен поток электроэнергии. В свою очередь, во время многих диагностических работ, требующих анализа электрических осциллограмм, используются осциллографы. Простейшие устройства этого типа оснастки, которые подключены к USB-порту компьютера. Память в оснастке позволяет сохранять и передавать результаты измерений.
Типичное устройство этого типа имеет два независимых канала для сигналов с максимальной частотой 20 МГц. Соответствующие функции позволяют вам настроить настройки на заданный измерительный сигнал.

Многофункциональные устройства очень часто покупаются электриками. Они позволяют измерять все параметры, требуемые стандартами, т. е. сопротивление контура короткого замыкания, сопротивление изоляции, сопротивление заземления, испытания выключателей остаточного тока или непрерывность эквипотенциальных и защитных соединений. Говоря об устройствах, используемых электриками и специалистами по автоматизации, стоит упомянуть измерители пальцев, которые особенно работают в распределительных шкафах. Устройства такого типа измеряют напряжение: DC, AC TRMS и AC TRMS. Часто измерители магнитного поля используются для измерения магнитного и электрического полей, вызванных низкими частотами. Результаты измерений отображаются как абсолютные и относительные значения (в процентах).

Полезным решением являются меры безопасности электрооборудования. Благодаря этим устройствам можно, среди прочего, измерить сопротивление защитного проводника. В зависимости от модели измерителя используется измерительный ток 200 мА, 10 А и 25 А. Бытовые приборы могут использоваться для проверки безопасности электрооборудования.

5. Современные измерительные приборы

В современных анализаторах качества электроэнергии ожидается регистрация быстрых изменений напряжения. Кроме того, можно анализировать управляющие сигналы. Следует подчеркнуть, что минимальное время изменения, которое может быть зарегистрировано, составляет 650 нс. Некоторые модели соответствуют стандартному стандарту IEC 61000 для анализаторов класса A.

Современные измерительные приборы значительно отличаются от устройств, которые использовались несколько лет назад. На многих метрах стандарт — это сенсорные экраны, упрощающие работу. Технологии беспроводного обмена данными обеспечивают передачу результатов измерений как между измерительными приборами, так и между измерительным прибором и компьютером.

Источник

Классификация измерительных приборов и список технических устройств

Измерительные приборы прочно вошли в жизнь человека. За счет обширной классификации измерительных приборов можно определить именно тот аппарат, который понадобится для конкретных операций. Это могут быть как простейшие, по типу рулетки или амперметра, так и мультифункциональные измерительные приборы. При выборе устройства следует ориентироваться на его предназначение и основные характеристики.

Общие сведения

Измерительным прибором называют такое устройство, которое позволяет получить значение некоторой физической величины в заданном диапазоне. Последний задается с помощью приборной шкалы. А также технические приборы позволяют переводить величины в более понятную форму, которая доступна определенному оператору.

В настоящее время список измерительных приборов довольно широк, но большинство из них предназначается для контроля за проведением технологического процесса. Таким может быть датчик температуры или охлаждения в кондиционерах, нагревательных печах и других устройствах со сложной конструкцией.

Среди наименований измерительных инструментов есть как простые, так и сложные, в том числе и по конструкции. Причем сфера их применения может быть как узкоспециализированной, так и распространенной.

Чтобы узнать больше сведений о конкретном инструменте, необходимо рассмотреть определенную классификацию контрольно-измерительных устройств и приборов.

Виды измерительных приборов

В зависимости от того, какие бывают измерительные инструменты, их названия могут отличаться в разных классификациях.

Обычно приборы могут быть следующего вида:

Вышеописанные приборы являются наиболее распространенными и применяются для измерения ряда физических величин. Сложность происходящих физических процессов требует применения нескольких приборов, причисляемых к разным классам.

Классификация устройств

В разных сферах применяется своя классификация устройств, предназначенных для измерения физических величин.

Приборы могут делиться по таким критериям:

Регистрирующие устройства делятся на самопишущие и печатающие разновидности. Наиболее прогрессивным вариантом являются самопишущие аппараты, поскольку у них выше точность предоставления информации и шире возможности для измерения заданных ранее параметров.

Аналоговые и цифровые

Контрольно-цифровые инструменты могут быть как цифровыми, так и аналоговыми. Первые считаются более удобными. В них показатели силы, напряжения или тока переводятся в числа, затем выводятся на экран.

Но при этом внутри каждого такого прибора находится аналоговый преобразователь. Зачастую он представляет собой датчик, снимающий и отправляющий показания с целью преобразования их в цифровой код.

Хотя аналоговые инструменты менее точны, они обладают простотой и лучшей надежностью. А также существуют разновидности аналоговых инструментов и приборов, имеющих в своем составе усилители и преобразователи величин. По ряду причин они предпочтительнее механических устройств.

Для давления и тока

Каждому еще со школы или университета знакомы такие названия измерительных приборов, как барометры и амперметры. Первые предназначены для того, чтобы измерять атмосферное давление. Встречаются жидкостные и механические барометры.

Жидкостные разновидности считаются профессиональными из-за сложности конструкции и особенностей работы с ними. Метеостанции применяют барометры, заполненные внутри ртутью. Они наиболее точные и надежные, позволяют работать при перепадах температур и иных обстоятельствах. Механические конструкции проще, но постепенно их вытесняют цифровые аналоги.

Амперметры используются для измерения электрического тока в амперах. Шкала амперметра может градуироваться как в стандартных амперах, так и микро-, милли- и килоамперах. Лучше всего такие приборы подключать последовательно. В таком случае снижается сопротивление, а точность снимаемых показателей возрастает.

Слесарные инструменты

Достаточно часто можно встретить измерительные слесарные инструменты. Наиболее важная характеристика — точность измерений. За счет того, что слесарные инструменты механические, удается добиться точности до 0,005 или 0,1 мм.

Если погрешность измерений превысит допустимый порог, то произойдет нарушение технологии работы инструмента. Тогда потребуется переточка некачественной детали или замена целого узла в устройстве. Поэтому для слесаря важно при подгонке вала под втулку использовать не линейку, а инструменты с большей точностью измерений.

Наиболее популярным инструментом с высокой точностью измерений является штангенциркуль. Но и он не сможет дать гарантии точного результата с первого измерения. Опытные рабочие делают несколько измерений, которые затем преобразуют в некоторое среднее значение.

Встречаются операции, требующие максимальной точности. Таких много в микромашинах и отдельных деталях устройств крупного размера. Тогда следует воспользоваться микрометром. С его помощью можно измерять с точностью до сотых долей миллиметров. Распространенное заблуждение о том, что он позволяет измерять микроны, является не совсем верным. Да и при проведении стандартных домашних работ такая точность может не пригодиться, поскольку достаточно действующих значений точности и погрешности.

Специальные устройства

Существует такое известное устройство для измерения под названием угломер.

Его предназначение заключается в измерении углов деталей, а конструкция состоит из следующих элементов:

Процесс измерения таким прибором простой. Деталь прикладывается одной из граней к линейке. Сдвинуть ее надо таким образом, чтобы образовался равномерный и достаточный просвет между гранями и линейками. Затем сектор закрепляется винтом. Снимаются показатели сначала с линейки, а затем с нониуса.

Контрольно-измерительные устройства нашли довольно широкое применение в различных сферах производства, домашнего быта, слесарного дела и строительных работ. Они различаются как по сфере применения, так и по возможности измерения.

Все приборы могут подразделяться по способу преобразования, выдачи информации и виду выходной информации, предназначения и другим критериям. Имея хорошую классификацию, можно отыскать конкретный инструмент для определенных задач и операций.

Но главная цель у них состоит в измерении показаний, их записи и контроле технологических процессов производства. Рекомендуются использовать точные измерительные устройства, однако, устройство становится гораздо сложнее. Это потребует учета большого количества факторов и измерений параметров, чтобы вывести на экран точные показания.

Источник

Применение современных мобильных устройств в исследованиях

С целью оценки некоторых параметров при проведении экспериментов или при осмотре места происшествия на первых этапах расследования факта иногда можно использовать смартфон или планшетный компьютер. Эти устройства компактны, широко распространены, и в некоторых случаях позволяют оценить необходимые параметры с достаточной точностью.

Как и при использовании любого другого инструмента, для обеспечения максимальной эффективности применения современных мобильных устройств при расследовании и исследовании НОФ, а также во избежание ошибочных выводов из их показаний, необходимо четко представлять себе принцип и особенности функционирования интегрированных в них датчиков.

В этой статье мы попытаемся описать принцип работы, функциональные ограничения и возможные применения наиболее распространенных датчиков и функций современных мобильных устройств. Кроме этого, мы приведем примеры использования широко распространенных программ, основанных на обработке показаний этих датчиков.

Датчики современных мобильных устройств

Современные мобильные устройства (смартфоны, планшетные компьютеры, а также некоторые медиаплееры и даже фотоаппараты) выполняют огромное количество функций помимо тех, для которых непосредственно предназначены. Так, с помощью сотового телефона можно делать фотографии и выходить в Интернет, с помощью фотоаппаратов – размещать изображения в социальных сетях и т.п. Кроме того, мобильные устройства являются самой активно развивающейся игровой платформой. Все это приводит к тому, что разработчики мобильных устройств постоянно расширяют аппаратные возможности своих продуктов, добавляя в них компоненты, применение которым находится далеко не сразу.

В одном из классов таких компонентов являются разнообразные датчики и сенсоры, которыми напичканы современные мобильные устройства. И если часть из них (такие, как датчик освещенности или приближения) помогают устройству выполнять свои основные функции, то потенциал некоторых раскрывается только при использовании специального программного обеспечения.

В состав современных мобильных устройств могут входить следующие датчики:

Многие из этих датчиков могут использоваться при обследованиях мест происшествия необъясненных фактов, однако, как уже упоминалось выше, для квалифицированного применения необходимо понимать принцип их работы, а также ограничения, накладываемые реализацией датчиков в мобильном устройстве, ведь все эти датчики реализуются в виде чрезвычайно маленьких и энергоэффективных микросхем.

Рассмотрим назначение и принцип действия наиболее интересных нам датчиков.

Датчики движения (акселерометр, гироскоп)

Как следует из названия, акселерометр предназначен для измерения ускорения. В мобильных устройствах акселерометр применяется в основном для определения наличия линейного ускорения (например, в тех случаях, когда устройство падает или его трясут). Гироскоп применяется для определения углового ускорения – например в тех случаях, когда устройство поворачивают или переворачивают. Эти компоненты современных мобильных устройств находят большое применение, прежде всего, в игровых приложениях.

Принцип действия этих компонентов основан на применении микроэлектромеханических систем (MEMS). Подробно почитать о них можно в статьях 1.

На сегодняшний день наиболее популярны датчики движения, основанные на конденсаторном принципе. Подвижная часть системы – классический грузик на подвесах. При наличии ускорения грузик смещается относительно неподвижной части акселерометра. Обкладка конденсатора, прикрепленная к грузику, смещается относительно обкладки на неподвижной части. Емкость меняется, при неизменном заряде меняется напряжение – это изменение можно измерить и рассчитать смещение грузика. Откуда, зная его массу и параметры подвеса, легко найти и искомое ускорение. [1]

Зачастую современные MEMS-гироскопы устроены идентично акселерометрам. Просто в них значения ускорений по осям пересчитываются в значения углов поворота – конструкция примерно та же, но на выходе другая величина. Однако встречаются и гироскопы, устройство которых «заточено» именно под вращение.

Помимо конденсаторных датчиков, существуют MEMS-акселерометры, использующие иные принципы. Например, датчики, основанные на пьезоэффекте. Вместо смещения обкладок конденсатора, в акселерометрах такого типа происходит давление грузика на пьезокристалл. Основной принцип тот же, что и в пьезозажигалках – под воздействием деформации пьезоэлемент вырабатывает ток. Из значения напряжения, зная параметры системы, можно найти силу, с которой грузик давит на кристалл – и, соответственно, рассчитать искомое ускорение.

Очень подробно принцип действия и варианты исполнения MEMS-гироскопов и акселерометров описаны в статье [1].

Электронный уровень

Существуют программы, которые позволяют реализовать в мобильном устройстве функциональность таких строительных приборов, как отвес и уровень, основываясь на данных, получаемых от акселерометра и гироскопа.

При использовании подобного программного обеспечения необходимо иметь в виду, что показания цифровых датчиков в данном случае заведомо менее точные, чем реального «аналогового» инструмента. Датчики, расположенные в мобильном устройстве, предназначены, прежде всего, для отслеживания поворота экрана в играх и других приложениях, при этом от них не требуется точность, необходимая для проведения строительных работ. Таким образом, эти датчики, в отличие от реальных инструментов, не калибруются на предприятии-изготовителе, а допуски их размещения внутри устройства могут быть слишком большими для обеспечения приемлемой точности.

Для некоторых моделей мобильных устройств существует программное обеспечение, позволяющее откалибровать эти датчики. Процесс калибровки проводится путем расположения устройства на заранее выровненной с помощью реальных инструментов поверхности. Программное обеспечение записывает в память устройства показания датчиков, соответствующие нулевым отклонениям от горизонтали по каждой из осей, и эти значения в дальнейшем используются при расчете уровня. Такая процедура позволяет значительно повысить точность показаний виртуального прибора, однако ее действие является недолговечным и может быть прервано различными сторонними воздействиями, начиная от механических ударов и заканчивая нахождением в сильных электромагнитных полях.

Микрофоны и датчики давления

Эти компоненты также построены на основе MEMS-элементов.

Устроены они – проще некуда. Принципиально важных элементов в таком микрофоне всего два: это гибкая обкладка – мембрана, и более толстая, неподвижная обкладка. Под воздействием давления воздуха мембрана смещается, изменяется емкость между обкладками – при постоянном заряде изменяется напряжение. Эти данные пересчитываются в амплитуды и частоты звуковой волны.

Чтобы минимизировать влияние давления воздуха на неподвижную обкладку, эта обкладка перфорируется. Кроме того, под ней делается сравнительно большая ниша с обязательным вентиляционным отверстием. Идея в том, что единственным подвижным элементом в системе в идеале должна быть мембрана – и только она. Как и в случае с акселерометрами, здесь может быть использован пьезоэффект – в этом случае под мембраной ставится пьезокристалл. Дальше – как и в случае пьезоакселерометров: давление воздуха передается мембраной на пьезоэлемент, под этим воздействием кристалл вырабатывает ток. Напряжение измеряется и переводится в амплитуду и частоту звука.

То, что годится для звука, подходит и для измерения давления в иных областях. Похожие на микрофоны MEMS-системы могут использоваться в качестве датчиков давления [1].

Шумомер

Датчики звука, которые по сути представляют собой микрофоны мобильных устройств, вполне логично использовать в качестве шумомера – прибора, предназначенного для измерения уровня звука. По сути, необходимо установить зависимость уровня сигнала на выходе микрофона от амплитуды акустических колебаний около его мембраны (назовем эту зависимость передаточной характеристикой). Однако сделать это не так уж и просто, несмотря на то, что соответствующее программное обеспечение существует.

При попытке измерить уровень шума с помощью мобильного устройства мы сталкиваемся с двумя проблемами. Первая проблема распространяется на все датчики, расположенные в мобильных устройствах и заключается в том, что они не являются измерительными приборами. Применительно к микрофонам это означает, прежде всего, достаточно большой разброс параметров, влияющих на передаточную характеристику микрофона. Проще говоря, даже микрофоны одного производителя, установленные в устройства одной модели, при измерении одинакового уровня шума будут выдавать различные результаты. Теоретически можно было бы откалибровать микрофоны, однако этого никто не делает.

Вторая проблема носит более специфичный характер и сводит на нет возможную пользу от калибровки микрофонов. Дело в том, что практически во всех современных мобильных устройствах применяются адаптивные алгоритмы подавления шума. Эти алгоритмы предназначены для повышения качества передачи основной звуковой информации – речи, и основаны на повышении отношения полезный сигнал / шум в получаемом от микрофона сигнале. Таким образом, сигнал, идущий от микрофона, подвергается сложным нелинейным преобразованиям в результате цифровой обработки, и уровень шума, который пытается измерить программа, реализующая шумомер, имеет мало общего с реальным уровнем на входе микрофона. Теоретически, опять же, алгоритмы шумоподавления можно отключить, однако, учитывая большое разнообразие мобильных устройств на рынке, сомнительно предположить, что авторы программного обеспечения предусмотрели отключение этих алгоритмов во всех устройствах.

В результате всего вышесказанного можно сделать вывод, что шумомер в мобильном устройстве может выдавать результаты, не имеющие совершенно никакого отношения к реальному уровню шума, и рассчитывать на его показания при проведении исследований нельзя.

Звуковой спектроанализатор

Спектроанализатор предназначен для отображения распределения энергии принимаемого звукового сигнала (то есть звуковой картины вокруг смартфона) по частотам.

Применение спектроанализатора позволяет избежать проблемы с разбросом передаточных характеристик микрофонов, ведь в результатах его работы исследователя интересует не абсолютное значение уровня сигнала, а его распределение по частотам. Если бы не было нелинейных искажений сигнала, то результат спектрального анализа можно было бы рассматривать как объективное отражение окружающей мобильное устройство акустической картины, пусть и смасштабированное с неизвестным коэффициентом. Однако, как уже говорилось выше, сигнал с микрофона подвергается адаптивной обработке, искажается, в результате чего распределение энергии по частотам меняется. Стандартный телефонный канал, предназначенный для передачи речевой информации, занимает полосу от 300 до 3400 Гц, что позволяет различать голоса по тембру и ограничить помехи и шумы, возрастающие с увеличением полосы [6]. Уровни сигналов, выходящих за эту полосу, уменьшаются, так как априори считается, что эти сигналы являются помехами при разговоре.

Таким образом, звуковой спектроанализатор, реализованный в мобильном устройстве, также как и шумометр, получает на вход сигнал, не отражающий реальную акустическую обстановку, и не может использоваться при проведении серьезных исследований.

Датчик относительной влажности

Одним из самых современных элементов, предназначенных для измерения относительной влажности воздуха в мобильных устройствах, является микросхема Si7005 производства компании Silicon Labs. [7]

Для измерения относительной влажности используется полимерная диэлектрическая пленка с высокой диэлектрической постоянной, сформированная на кристалле, и схема смешанной обработки сигнала, изготавливаемая по техпроцессу CMOS. Датчики выпускаются в корпусах типа QFN размерами 4 x 4 мм. Зависимость абсолютной погрешности измерения относительной влажности от измеряемого значения описывается графиком:

Как видно из графика, при измерении относительной влажности, величина которой составляет менее 80 %, датчик обеспечивает постоянную погрешность на уровне ± 4,5 %. При повышении влажности выше 80 % погрешность начинает линейно расти и достигает ± 7 % при стопроцентной влажности.
Кроме влажности, данная микросхема также обеспечивает измерение температуры с точностью ± 0,5° С. [8]

Психрометр

Описанная технология в сегменте мобильных устройств является достаточно новой, и автору пока еще не попадалось ни одного устройства, снабженного датчиком влажности. Однако как только такие устройства появятся, появится и программное обеспечение, позволяющее считывать показания этих датчиков. Судя по характеристикам микросхемы, она может обеспечить приемлемую для большинства исследовательских задач точность. Однако при измерениях необходимо будет учитывать, что сенсор находится непосредственно на самой микросхеме, в результате чего должно пройти некоторое время от помещения устройства в исследуемую среду до того момента, когда можно будет получить адекватные результаты измерения. Величину этой задержки можно будет выяснить лишь экспериментально для каждого конкретного устройства.

Электронный компас

Практически в каждое современное мобильное устройство встроена система навигации, одной из составных частей которой является электронный магнитный компас. Физически в устройстве он реализован в виде микросхемы, принцип работы которой основан на эффекте Холла [9] – явлении возникновения поперечной разности потенциалов (напряжения) при помещении проводника с постоянным током в магнитное поле. Величина этого напряжения зависит от ориентации проводника относительно линий магнитной индукции магнитного поля. Таким образом, измеряя поперечное напряжение в проводнике, созданное магнитным полем Земли, можно определить его положение относительно севера, а значит, и положение самого мобильного устройства.

Следует иметь в виду, что точность и даже работоспособность такого компаса зависит от большого количества факторов. Магнитное поле Земли достаточно слабое, поэтому чувствительность микросхемы должна быть высокой. Однако это приводит к тому, что она, будучи помещенной внутрь устройства, напичканного другими электронными компонентами, становится подверженной воздействию большого количества помех, снижающих точность измерений.
Кроме того, на показания компаса очень большое влияние оказывают близко расположенные металлические предметы, в том числе детали самого мобильного устройства, искажающие форму магнитного поля вблизи микросхемы. Достаточно часто (особенно в недорогих моделях устройств, при разработке которых не было выделено достаточное количество инженерных ресурсов на разработку системы навигации) встречается совершенно неработоспособный компас, отображающий случайное положение устройства относительно севера.

Точность измерений современных электронных компасов в мобильных устройствах достигает единиц градусов (в среднем 3-5). При этом максимальную точность показаний они обеспечивают при горизонтальном расположении устройства. При отклонении от горизонтали по любой из осей ошибка определения направления на север начинает увеличиваться, достигая своего максимума при расположении устройства перпендикулярно к поверхности Земли.
Наконец, еще одной особенностью таких компасов является способность намагничиваться. После длительного нахождения вблизи ферромагнетика, особенно намагниченного, компас начинает выдавать значение направления с постоянной ошибкой. Для того, чтобы избавиться от подобного эффекта, необходимо «размагнитить» компас (обычно эта процедура производится при перезагрузке мобильного устройства), а потом провести процедуру его калибровки по описанной производителем методике.

Таким образом, можно сформулировать рекомендации, которым необходимо следовать при использовании электронного магнитного компаса:

Система спутниковой навигации GPS/ГЛОНАСС

Собственно, сами системы спутниковой навигации существуют независимо от мобильных устройств и представляют собой достаточно большое количество спутников, расположенных на геостационарных орбитах вокруг Земли. Каждый из этих спутников излучает радиосигнал. В мобильные устройства встраивают приемник и антенную систему, обеспечивающие возможность приема радиосигналов этих спутников, а также программное обеспечение, позволяющее по этим сигналам рассчитать текущие координаты устройства.
В настоящий момент существует только две функционирующие глобальные системы спутниковой навигации:

В процессе разработки и построения находится европейская система спутникового позиционирования ГАЛИЛЕО, однако ожидается, что она будет введена в эксплуатацию лишь в 2014-2016 годах. [12]
Единственным назначением глобальных систем спутникового позиционирования является определение координат, скорости и направления движения абонентского устройства, а также получение им сигнала точного времени. Все остальные функции, предоставляемые современными мобильными устройствами (навигация, трекеры, поиск на карте, «дополненная реальность» и т.п.) являются результатом программной обработки получаемых от систем навигации данных и не имеют никакого отношения к самим этим системам.

Точность определения координат при использовании спутниковых систем навигации очень сильно зависит от количества спутников, сигналы которых принимает абонентское устройство. Кроме этого, точность сильно зависит от открытости пространства, от высоты используемых спутников над горизонтом. В приполярных областях точность значительно снижается. При этом одновременное использование обеих навигационных систем уже сейчас даёт существенный прирост точности. Европейский проект EGNOS, использующий сигналы обеих систем, даёт точность определения координат на территории Европы на уровне 1,5-3 метров. [11]

Главным недостатком спутниковых систем навигации является необходимость расположения мобильного устройства в зоне доступности для радиосигналов, посылаемых спутниками. В закрытых помещениях, (не только в пещерах, зачастую даже в зданиях на удалении нескольких метров от окна) эти сигналы либо отсутствуют полностью, либо количества доступных спутников недостаточно для определения координат устройства. Указанная выше точность достигается лишь под открытым небом.

Кроме спутниковых систем навигации, современные мобильные устройства предоставляют и другие способы определения своих текущих координат. Так, технология A-GPS позволяет приблизительно определять координаты устройства по сигналам базовых станций сотовых систем [13].

Технология LBS (Location-based service) позволяет определять местоположение устройства, используя информацию о доступных точках доступа WiFi. Точность определения координат с использованием этих технологий обычно составляет не менее 50 м, а вот скорость движения устройства не определяется вовсе. При этом основной недостаток этих методов определяется принципом их действия: для работы A-GPS устройство должно быть зарегистрировано в сети сотового оператора, а для использования LBS необходим доступ через Интернет к серверу поставщика соответствующей услуги, на котором хранятся данные о координатах базовых станций WiFi.

В современных мобильных устройствах применяются все возможные технологии определения координат. Их совместное использование позволяет мгновенно определить местоположение устройства практически в любых условиях. Различия заключаются лишь в достигаемой точности и полноте данных, которые зависят от многих факторов – количества доступных сигналов спутниковых систем, возможности доступа к системе сотовой связи, к Интернету. При этом точность определения текущего местоположения устройства колеблется в диапазоне от 50 до 1,5 м.

Позиционирование устройства

Тут можно лишь повторить, что реальная точность определения собственных координат современными мобильными устройствами составляет в среднем 5-10 метров. Таким образом, не имеет смысла использовать их в задачах, которые требуют отслеживания местоположения чего-либо в радиусе менее 100-150 м, в этом случае результаты эксперимента будут чрезвычайно сильно зашумлены случайными флуктуациями системы навигации.
Не стоит также таким способом пытаться определить подвижность объекта – даже при неподвижном мобильном устройстве система навигации будет выдавать координаты с некоторым разбросом, как если бы устройство двигалось в пределах зоны, размер которой определяется погрешностью определения координат в текущих условиях.

Секундомер/таймер

Мобильные устройства используются также для определения временных интервалов. Здесь можно сказать, что точности временной синхронизации устройств более чем достаточно как для определения точного времени, так и для оценки временных интервалов между событиями. При этом необходимо иметь в виду, что попытки оценить длительность интервалов меньших, чем 1 с, будут обладать большими погрешностями, но не в силу ограничений, накладываемых мобильным устройством, а в силу инерционной реакции того, кто проводит эксперимент. Человек физически не способен совершать действия в таких коротких промежутках времени, задержка между событием и реакцией на него человека во много раз превышает погрешность, определяемую параметрами устройства. Для оценки таких коротких интервалов лучше использовать видеозапись события: ее покадровый анализ позволит на порядок повысить точность.

Датчик освещенности

Это один из простейших датчиков, применяемых в современных смартфонах. В основе таких датчиков практически всегда находятся полупроводниковые фотоэлементы – электронные приборы, которые преобразуют энергию фотонов в электрическую энергию. [15]

Напряжение, создаваемое фотоэлементом, пропорционально освещению датчика. Таким образом, с помощью подобных компонентов можно, например, автоматически регулировать яркость экрана устройства в зависимости от внешнего освещения. Собственно, это и является наиболее распространенным вариантом их использования. Возможности применения этих датчиков при расследовании НОФ достаточно малы.

Датчик приближения

Датчик приближения способен определять присутствие объектов в непосредственной близости к устройству без физического контакта. Датчик приближения создаёт электромагнитное поле или электромагнитное излучение (например, инфракрасное), и следит за изменениями поля или анализирует отраженный сигнал. При помощи датчика приближения блокируется сенсорный экран для предотвращения случайных действий или нажатий на экран во время вызова, например, когда смартфон расположен близко к уху, также уменьшается нагрузка на аккумуляторную батарею. [16]

Так же, как и для датчика освещенности, возможность использования датчика приближения при расследовании НОФ крайне мала.

Датчики температуры

Принцип действия датчиков температуры построен на зависимости сопротивления (проводимости) элементов от их температуры: чем выше температура проводника, тем больше его сопротивление. Таким образом, измеряя сопротивление предварительно откалиброванного проводника, можно узнать его температуру. При расположении проводника внутри устройства измеряется внутренняя температура, вблизи его поверхности – внешняя.

Терометр

Если внутренняя температура устройства при исследовании НОФ не имеет значения, то для оценки внешней такие датчики вполне можно использовать. Однако нужно иметь в виду, что максимально точные показания при этом можно получить в том случае, если датчик погружен в среду, температуру которой требуется измерить. Так, если измеряется температура воздуха, то устройство покажет ее достаточно точно без дополнительных действий. Однако если нужно измерить температуру жидкости, то недостаточно будет поднести телефон к ее поверхности – необходимо его в эту жидкость окунуть на некоторое время, чтобы температура датчика сравнялась с измеряемой. Нужно иметь в виду, что далеко не каждое устройство выдержит такое с собой обращение. Однако даже в этом случае погрешность измерения температуры вряд ли будет меньше 1-2 градусов, так как, несмотря на характеристики самого датчика, он не изолирован, а окружающие его компоненты выделяют тепло, что искажает результаты измерений. К тому же будет сильно проявляться зависимость точности от измеряемого значения – все-таки датчики в мобильных устройствах не являются измерительными приборами.

Фотокамера

Фотокамеры есть практически во всех современных мобильных устройствах. Они нашли большое количество применений и используются как для фотографирования, так и для съемки видео, осуществления видеозвонков и т.п.
Главный элемент любой современной цифровой камеры – светочувствительная матрица, предназначенная для преобразования проецированного на неё оптического изображения в аналоговый электрический сигнал или в поток цифровых данных (при наличии АЦП непосредственно в составе матрицы).

В современных мобильных устройствах используются матрицы трех типов [17]:
ПЗС-матрицы (они же CCD) [18]. Состоят из светочувствительных фотодиодов, выполнены на основе кремния, используют технологию ПЗС — приборов с зарядовой связью. ПЗС-матрицы были первым поколением светочувствительных матриц, применяемых в мобильных устройствах. В настоящее время идет процесс их вытеснения КМОП-матрицами.

КМОП-матрицы (они же CMOS) [19]. Выполнены на основе КМОП-технологии. Каждый пиксел снабжён усилителем считывания, а выборка сигнала с конкретного пиксела происходит, как в микросхемах памяти, произвольно. SIMD WDR матрица, также выполненная на основе КМОП-технологии, имеет в обрамлении каждого пиксела ещё и автоматическую систему настройки времени его экспонирования, что позволяет радикально увеличить фотографическую широту устройства. По данным на начало 2012 года, приборы типа CMOS заняли 92% рынка [20].
Live-MOS-матрицы [21]. Созданы и применяются компанией Panasonic. Выполнены на основе МОП-технологии, однако содержат меньшее число соединений для одного пикселя и питаются меньшим напряжением. За счёт этого и за счёт упрощённой передачи регистров и управляющих сигналов имеется возможность получать «живое» изображение при отсутствии традиционного для такого режима работы перегрева и повышения уровня шумов.

Как видно, подавляющее большинство современных мобильных устройств использует КМОП-матрицы. Это объясняется их высокой энергоэффективностью, а также низкой стоимостью производства. При этом, как это часто бывает в подобных случаях, несколько страдает качество получаемых изображений: если по параметрам светочувствительности и структурного шума современные КМОП и ПЗС-матрицы практически не отличаются, то тепловой шум в КМОП-матрицах несколько выше. В результате изображения, полученные с помощью КМОП-матриц, более зашумленные [19] (а если при этом применяются автоматические алгоритмы сглаживания, то изображения получаются несколько «замыленными»).

Такие характеристики матриц, как светочувствительность (более коротко чувствительность), отношение сигнал-шум и физический размер пикселя однозначно взаимосвязаны (для матриц, созданных по одной и той же технологии). Чем больше физический размер пикселя, тем больше получаемое соотношение сигнал-шум при заданной чувствительности, или тем выше чувствительность при заданном соотношении сигнал-шум. Физический размер матрицы и её разрешение однозначно определяют размер пикселя. Размер пикселя напрямую определяет такую важную характеристику, как фотографическая широта.

Это все говорит о том, что изображения, полученные с использованием мобильных устройств, в которых из-за жесткого дефицита свободного пространства (за крайне редким исключением) применяются матрицы очень малых размеров, практически никогда не могут иметь качество, сравнимое с изображениями, полученными с помощью полноценных фотокамер. По большей части, достаточно качественные изображения получаются при съемке в дневное время, при умеренном освещении. Во всех других случаях (при недостаточном освещении, при излишнем освещении и т.п.) матрица не способна выдать качественный сигнал, и мобильное устройство пытается повысить качество фотографии с помощью алгоритмов программной обработки. При этом в изображение практически всегда вносятся достаточно сильные искажения.

Кроме того, для повышения светочувствительности матрицы, производители расширяют диапазон длин волн, на которые она реагирует. Подавляющее большинство матриц современных мобильных устройств чувствительно в области ближнего инфракрасного диапазона. В этом можно убедиться, сделав фотографию обычного пульта от телевизора при нажатой на нем кнопке. Таким образом, практически во всех фотографиях с мобильных устройств присутствует часть невидимого человеческим глазом спектра.

Дальномер и т.п.

Существует целый набор программ, позволяющих оценить расстояние до объектов, их линейные размеры (высоту, длину), площадь. Все эти программы основаны на вычислении простейших геометрических пропорций и используют такие компоненты современных мобильных устройств, как камера и датчики положения (акселерометр и гироскоп).

Необходимо иметь в виду, что подобные программы дают достаточно точный результат только в ограниченных условиях применения: в случаях, когда человек стоит на одном уровне с основанием измеряемого объекта, между ними нет неровностей ландшафта и т.п. Во всех остальных случаях (т.е. в реальном применении) погрешность измерений будет достаточно большой.

Заблуждения

Помимо действительно полезных программ, использование которых может помочь в исследованиях НОФ, существует ряд развлекательных приложений, которые имитируют работу прибора, но не предоставляют реальной информации. В качестве примеров самых распространенных из них можно привести следующие:

В современных мобильных устройствах отсутствуют компоненты, которые позволили бы реализовать эти функции. Таким образом, результат работы этих виртуальных «приборов» просто имитируется. Так, рентген, тепловизор и камера ночного видения представляют собой приложения, принцип работы которых заключается в искажении изображений, получаемых с камеры устройства, с помощью специальных цифровых фильтров. Результаты такого искажения приведены ниже

Однако прогресс не стоит на месте. 18 февраля 2016 анонсирован первый в мире смартфон со встроенным тепловизором [23].

Компания Bullitt анонсировала первый в мире смартфон со встроенным тепловизором. Об этом сообщает Gizmodo.

Модель S60 входит в линейку гаджетов под брендом Cat. Тепловизионный модуль для устройства поставляет компания FLIR Systems, специализирующаяся на термографических системах.

Смартфон выводит тепловое изображение на экран в реальном времени в разрешении 640 на 480 пикселей. Сохранять показания можно как в форме снимков, так и видео.

«Счетчик Гейгера» и «металлоискатель» и вовсе просто имитируют показания соответствующих приборов, основываясь на генерируемых ими же случайных данных.

Вывод

Современные мобильные устройства вобрали в себя практически все достижения современных технологий, от микроэлектромеханических систем до спутниковых систем глобального позиционирования. Эти устройства предоставляют исследователю богатый арсенал инструментов, которые могут ему помочь в работе. Однако пользоваться им нужно аккуратно, четко представляя себе принцип работы каждого компонента и особенности его использования в конкретных условиях.

Прежде чем приступать к использованию большинства описанных в этой статье функций, необходимо определить адекватность показаний датчиков устройства, сравнив их с показаниями реальных приборов. В ряде случаев могут потребоваться дополнительные действия по калибровке датчиков, которые смогут значительно повысить точность их показаний.

В одной статье невозможно описать весь спектр функций, предоставляемых современными мобильными устройствами. Их сотни, и каждый день появляются все новые. Необходимый набор каждый исследователь составляет себе индивидуально, в зависимости от знаний, привычек и потребностей, однако в каждом из используемых инструментов он должен быть уверен на все 100 %.

Друзья сайта

Внимание!

Сайт содержит материалы, не рекомендуемые для просмотра впечатлительным людям.

Полезные ссылки

Информация об авторских правах

При использовании материалов сайта активная ссылка на источник обязательна.

Источник

• ← Ушибла копчик болит что делать
• Устойчивый к антибиотикам что это значит →

Добавлен	вс, 18/12/2016
Источники