CC BY
13задача по объяснению материала лежала на школьных учителях, то в условиях самоизоляции она полностью легла на родителей. Чтобы что-либо объяснить детям, родителям теперь приходится сначала изучать материал самим. Это оказалось достаточно сложной и затратной по времени задачей. По словам родителей, на выполнение всех школьных заданий, у них теперь уходит практически весь день.
В качестве решения данной проблемы можно предложить добавить в занятия игровые моменты, использовать больше презентаций, простых и доступных видео уроков. Важно поощрять учащихся, оценивать каждую работу индивидуально, давать родителям обратную связь.Помимо этого имеет смысл продумать организацию мини конференций, конкурсов и викторин. Данный подход позволит разнообразить монотонный учебный процесс и даст некоторую эмоциональную разгрузку [3].
Библиографический список:
1. Новиков, А. М. Развитие отечественного образования / Полемические размышления / А. М. Новиков. - Москва : Эгвес, 2005.
2. Акофф, Р. Преобразование образования / Р. Акофф, Д. Гринберг ; перевод с английского. -Томск : ТГУ, 2009.
3. Бабанский, Ю. К. Методы обучения в современной общеобразовательной школе / Ю. К. Бабанский. - Москва : Просвещение, 1985. - 308 с.
УДК 53.082
ОБ ОДНОМ ЭКСПЕРИМЕНТЕ С ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ДАТЧИКОМ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ON ONE EXPERIMENT WITH A PYROELECTRIC INFRARED RADIATION SENSOR
Кудрявцев Н. Г., канд. техн. наук, доцент Воронков Е. Г., канд. биол. наук, доцент Учайкин Е. О., инженер-электроник Сафонова В. Ю., студент Физико-математический и инженерно-технологический институт ФГБОУ ВО «Горно-Алтайский государственный университет» Россия, Республика Алтай, г. Горно-Алтайск ngkudr@mail.ru
Аннотация. В данной статье описан опыт разработки и исследования условий применения пироэлектрического датчика инфракрасного излучения для обеспечения сравнительно быстрых и точных бесконтактных измерений температуры тела. Авторами делается вывод о том, что существует множество способов быстрого и бесконтактного измерения температуры различных объектов, все они базируются на применении синтетических датчиков, построенных с использованием пироэлектрического эффекта.
Ключевые слова: температура человека, пироэлектрический датчик, тепловая энергия, Arduino.
Abstract. This article describes the experience of developing and studying the conditions for the use of a pyroelectric infrared radiation sensor to provide relatively fast and accurate non-contact measurements of body temperature. The authors conclude that there are many ways to quickly and contactlessly measure the temperature of various objects, all of them are based on the use of synthetic sensors built using the pyroelectric effect.
Key words: human temperature, pyroelectric sensor, thermal energy, Arduino.
Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Республики Алтай в рамках научного проекта № 20-413-040003 р_а.
С физической точки зрения температура тела - это показатель одного из видов энергии, а именно тепловой энергии [1], запасенной телом на текущий момент времени. Поскольку любое тело взаимодействует с окружающим пространством, то в процессе взаимодействия данное тело и пространство (в том числе и другие тела в ближайшем окружении) обмениваются этой энергией. По второму закону термодинамики энтропия (степень неопределенности) такой системы взаимодействующих тел увеличивается. Другими словами, если нет притока энергии в систему извне, то энергия (тепловая энергия) системы тел стремится к выравниванию. При этом более нагретые тела передают энергию менее нагретым телам и остывают, а менее нагретые тела, в свою очередь, нагреваются. Причем передача энергии может осуществляться как контактным способом, через взаимодействие поверхностей тел, так и бесконтактно путем излучения одного тела в низкочастотном (Инфракрасном) диапазоне и приема этого излучения другим телом. Тепловая энергия может также передаваться через нагревание газов (например, воздуха), жидкостей (например, воды) и т.п. Стоит отметить, что для
простоты и наглядности изложения здесь и далее мы используем достаточно вольные интерпретации физических понятий.
Для того, чтобы оценить степень «нагретости» исследуемого объекта необходимо осуществить «нагревательное взаимодействие» этого тела с эталонным телом, реакция которого на изменение тепловой энергии известна заранее и откалибрована. Например, изменение объема ртути или спирта на 10С повышения температуры и т.п.
Электронными «образцовыми измерителями» являются полупроводниковые приборы, сопротивление которых в известной степени зависит от изменения температуры, термопары (сплавы различных металлов) и т.п. Отметим, что при использовании таких эталонных измерителей процесс передачи энергии требует «тесного контакта» и относительно длительного промежутка времени при взаимодействии для передачи необходимого количества тепловой энергии от объекта измерений к измерительному телу. Это объясняется тем, что время передачи необходимого количества энергии определяется теплоемкостью сенсора (его корпуса) и теплопроводностью материалов из которых изготовлено измерительное устройство. Однако, существуют задачи, которые требуют проведения относительно быстрых, точных и бесконтактны измерений температуры в заданных диапазонах, например с целью мониторинга температуры, а соответственно и состояния здоровья, у пассажиров, прибывающих в аэропорты или на железнодорожные вокзалы, сотрудников офисов и т.п. Более быстрые, по сравнению с контактными, способы измерения температуры существуют и связаны они с оценкой или измерением теплового излучения исследуемого объекта, которое может выполняться при помощи пироэлектрических датчиков или построенных на их основе тепловизоров [2].
Цель данной работы заключается в разработке и исследовании условий применения пироэлектрического датчика инфракрасного излучения для обеспечения сравнительно быстрых и точных бесконтактных измерений температуры тела.
Пироэлектрический эффект (пирос по-гречески - огонь) - заключается в генерации электрических зарядов в кристаллах под воздействием тепла. Исследованием данного эффекта еще в XIX веке занимался немецкий физик Вильгельм Рентген. Пироэлектрический эффект похож по своим проявлениям на пьезоэлектрический, и что интересно, по результатам исследований отмечается, что пиро-электрики обладают еще и пьезоэлектрическими свойствами. В природных кристаллах - кварце и турмалине наблюдается довольно слабая выраженность пироэлектрического эффекта, однако, теоретически была показана возможность существования кристаллов со сколь угодно большим отношением приращения электрического заряда к вызвавшему его приращению температуры. Совсем недавно такие вещества, которые относят к классу сегнетоэлектриков, были синтезированы учеными и на их основе стали создаваться весьма чувствительные пиродатчики различного назначения.
В типовом варианте схема такого пиродатчика изображена на рисунке 1.
Чувствительным элементом В1 служит своеобразный конденсатор, представляющий собой пластину из пироэлектрика, покрытую металлическими обкладками, с нанесенным на одну из них слоем вещества, хорошо поглощающего тепловое ИК излучение. В результате поглощения тепла данным веществом температура одной из пластин повышается, а в кристалле между обкладками возникает напряжение определенной полярности. Как видно из рисунка, данное напряжение прикладывается к участку затвор-исток полевого транзистора, вызывает изменение сопротивления канала, и соответственно падение напряжение на внешнем стоковом резисторе (на рисунке он не показан).
Большое количество широко распространенных недорогих пироэлектрических датчиков предназначены, в основном, для детектирования достаточно слабого изменения температуры (теплового излучения) в окружающем датчик пространстве, вызванного, например, перемещением теплокровного существа, в том числе и человека. И только небольшая часть пироэлектрических приборов предназначены для точного измерения температуры. Они имеют разную чувствительность и разную разрешающую способность, характеризуются разными диаграммами направленности (бывают узконаправленными и широкоугольными), но тем не менее, способны быстро и достаточно точно измерять температуру различных тел по их тепловому излучению в заданном диапазоне величин.
Таким образом, при наличии современных пироэлектрических датчиков появляется возможность создать достаточно точный, быстрый и бесконтактный измеритель температуры.
Для исследования сложности повторения подобного устройства и нюансов, связанных с его использованием в лаборатории робототехники ГАГУ (Горно-Алтайского государственного университета) был разработан бесконтактный измеритель температуры с использованием датчика тх190615, изображенного на рисунке 2.
SÍ
VTt
Рисунок 1 - Схема пиродатчика
Рисунок 2 - Модуль пироэлектрического датчика температуры на базе тх190615
При разработке устройства использовался метод проектных интерфейсов [3]. Идея данного метода проста и уже достаточно давно используется программистами. Заключается она в том, что при работе над созданием сложной системы (программной или аппаратной) ее (систему) стараются реа-лизовывать уже из готовых отлаженных блоков (в случае программ - из библиотек). Задача разработчика заключается только в продумывании и описании интерфейсов взаимодействия между такими блоками (модулями). При этом, во многих случаях интерфейсы используемых блоков также уже специфицированы. Системному архитектору остается только декомпозировать модель задачи на условно законченные функциональные модули (в нашем случае проектные модули), описать правила взаимодействия этих модулей и выбрать из существующих уже готовых решений подходящие строительные «кубики». Если подходящих «кубиков» не находится, то каждый из нужных для «строительства» системы «кубиков» описывается также на уровне правил взаимодействия с остальными и передается в разработку, которая может выполняться параллельно с проведением остальных работ. Таким образом сложность реализации каждого используемого «кубика» инкапсулируется (скрывается) от большинства разработчиков системы, тем самым повышая эффективность разработки за счет экономии времени, и ее надежность за счет использования уже проверенных готовых решений.
В нашем случае было использовано четыре таких стандартных «кубика» или проектных модуля: модуль датчика (см. рисунок 2), модуль отображения информации (см. рисунок 3), микроконтроллерный модуль (см. рисунок 4) и модуль питания.
Программное взаимодействие трех основных модулей, за исключением модуля питания, осуществляется в разработанной нами системе по протоколам RS232 ТТЛ и I2C, а аппаратное подключение было доработано с учетом используемого в лаборатории робототехники стандарта интерфейса KeyToothVCOM и KeyToothVI2C разъемов.
Каждый аппаратный модуль (модуль отображения на основе OLED дисплея) и модуль датчика были подключены и испытаны сначала по отдельности, а затем собраны в систему. Перед подключением модуля питания был проконтролирован режим энергопотребления всей конструкции.
Конструктивно устройство выполнено в пластиковом корпусе вместе с батарейными элементами питания (рисунок 5).
На переднюю панель выведен OLED дисплей, а в передней торцевой части закреплен сам Пи-родатчик. Для удобства соблюдения дистанции измерений вокруг датчика закреплена открытая полусфера диаметром около 2 см.
Рисунок 3 - OLED-дисплей
Рисунок 4 - Процессорный модуль на базе Arduino Pro Mini
При калибровке бесконтактного датчика температуры были использованы несколько проверенных контактных датчиков, при помощи которых выполнялись и усреднялись показания температуры у металлического образца, имеющего достаточно большую поверхность для обеспечения «равномерного» теплового излучения. Затем с расстояния 2 см (по рекомендации технического описания датчика) был произведен ряд измерений. При выполнении измерений температуры, полученные по протоколу RS232, данные делились на 100 (по рекомендации технического описания). Также был выбран режим командных однократных измерений. При калибровке десятых долей градуса пришлось делитель 100 немного откорректировать пропорционально обнаруженной «ошибке». Таким образом, после проведения предварительных испытаний и корректировки показаний мы получили устройство для проведения исследований, связанных с нашим основным вопросом - быстрых и бесконтактных измерений температуры тела человека.
Поскольку для мониторинга температуры измерения выполняются постоянно, то для удобства работы была введена кнопка фиксации и удержания значений измеренных показаний. Для удобства контроля выполняемых измерений предлагаемый датчик позволяет выводить две температуры: температуру, полученную по оценке теплового излучения и так называемую температуру «окружающей среды» (измеряемую «стандартным» встроенным полупроводниковым сенсором).
Первый измерительный эксперимент повторял увиденные кадры хроники, где представители медицинских учреждений направляли бесконтактные измерители на лоб граждан, температуру которых хотели контролировать (термометры светились зеленым цветом и демонстрировали показания 36,60С). В нашем случае повторение эксперимента «не получилось». Термометр упорно показывал температуру в районе 33,50С. Пролистав еще немного кадры хроник борьбы с пандемией был обнаружен способ измерения температуры на запястье человека (на кадрах были те же показания на фоне зеленого цвета 36,60С). Эксперимент опять показал отрицательный результат. В нашем случае показания были порядка 32,80С.
На самом деле найти легкодоступный участок на поверхности тела человека, который бы имел температуру 36,6 С градусов достаточно затруднительно. Приблизительное распределение температур в некоторых доступных точках тела человека показано на рисунке 6.
33,5
33.5
34.0
33.4
36.6 33,3
31.1 32,9 31,0
28.5
Рисунок 5 - Конструктивное исполнение экспе- Рисунок 6 - Приблизительное распределение риментального термометра температур на теле человека
Это объясняется многими физиологическими особенностями. У здорового человека температура может повышаться при физических нагрузках, высокой температуре окружающей среды, эмоциональном напряжении. К неинфекционному повышению температуры относится гормональная гипертермия, например, тиреотоксикоз и др. [4, с. 6-13].
Альбедо кожи также оказывает влияние на ее температуру. Более темная кожа за счет поглощения коротковолновой радиации нагревается в большей мере, чем светлая, причем эффект нагрева проявляется более значительно при низких температурах воздуха, когда потоотделение выражено слабо или отсутствует. Светлая кожа в большей мере, чем темная, подвержена изменениям температуры, связанным с изменениями температуры воздуха. [5, с. 21-22].
Отмечаются также половые различия кожной температуры в возрастных группах 8-12 и 18-25 лет. У лиц женского пола температура кожи была выше, что связано, по-видимому, с созреванием и функционированием желез внутренней секреции. В возрастных группах 1-3 и 4-7 лет половые различия в температуре кожи отсутствуют.
Суточные колебания температуры кожи в среднем составляют 0,1-0,30С, что зависит от физических и психических нагрузок, а также других факторов. У женщин часто кожная температура ниже, чем у мужчин. Колебания температуры кожи и плотности теплового потока обусловлены постоянными физиологическими изменениями сосудистого тонуса, в условиях комфортного теплового состояния на груди не превышают 10С, а на закрытых участках тела - 1,10С. К сожалению, авторы не указывают, на женщинах какой национальности были получены данные.
Температура кожи зависит от уровня теплообразования в организме, охлаждающей силы среды и особенностей кровоснабжения в коже, что в значительной степени обуславливает распределение температуры кожи, т.е. топографию.
Топография температуры кожи может служить объективным критерием для характеристики общего теплового состояния организма человека, который находится в покое. На изменения температурных условий среды наиболее чутко реагирует температура конечностей, и эти изменения могут служить в качестве критерия для гигиенической оценки условий микроклимата. При этом определенную роль играют особенности анатомического расположения артерио-венозной сети: густая венозная сеть в непосредственной близости с артериями. Считают, что при расширении сосудов конечности отток крови происходит преимущественно по поверхностным венам, увеличивая теплоотдачу конечностью, а при сужении сосудов - по глубоким венам, лежащим вместе с артериями, что способствует задержке тепла.
Взрослые и дети старшего возраста (11-14 лет) реагируют на охлаждение значительным снижением температуры кожи конечностей, при поддержании относительно высокого уровня температуры кожи туловища и сохранении комфортного теплоощущения.
По мере роста организма помимо снижения общего температурного уровня, увеличивается температурная разница между центральными и периферическими участками, увеличивается флюктуация температура кожи груди, верхних и особенно нижних конечностей, а на коже лба она снижается.
Самую низкую температуру имеют дистальные отделы конечностей, кончик носа и ушные раковины. Самая высокая температура в подмышечной области, промежности, области шеи, эпигастрия, губ, щек. Остальные участки - температура 31-33,50С, что по субъективным теплоощущениям соответствует комфорту. При температуре кожи, равной 26...28°С возникает дрожь как рефлекторная реакция на холод [5, с. 18-19, с. 21-22; 6, с. 17-18, с. 118-124; 4, с. 14-15, с. 38, 40-42].
По данным G. Hensel, при повышении температуры в помещении с 20 до 500С кровоток в стопе возрастал примерно в 30 раз, а в голени - только в 3,5 раза [7, с.16-26] Показано, что температура поверхности кисти является высоко информативным показателем для оценки не только нарушений теплового состояния, но также и развития гипоксии. Во время экспериментальных обследований добровольцев, вдыхающих гипоксическую смесь, установлено, что именно температура фаланг пальцев рук является наиболее информативным показателем при оценке гипоксического состояния организма. Известно, что в дистальных частях тела теплообмен происходит за счет активизации процессов вазоконстрикции и вазодилатации. Однако колебание температурной реакции в конечностях происходит только внутри определенного температурного диапазона, то есть в так называемой «вазомоторной зоне» [8].
Немаловажную роль в качестве органа теплоотдачи играет голова. При температуре воздуха 400С отдача тепла с поверхности головы составляет 1/3 часть всей теплоотдачи организма [7, с. 16-26]
Голова человека активно вовлекается в процесс теплорегуляции, но иным образом, чем конечности, так, она в основном отдает тепло непрерывно, поскольку в поверхностных кровеносных сосудах этой области циркуляция крови крайне интенсивна. Такой поток крови (и соответственно тепла) вносит вклад в обеспечение температурного гомеостаза мозга и ядра тела. У людей 90% всех тепло-потерь организма происходит через конечности и голову, в том числе 35% - за счет головы и верхней половины шеи. Следовательно, температурные перестройки на поверхности головы и дистальных частях конечностей могут служить источником ценной информации, свидетельствующей о температурном балансе или дисбалансе в организме [8]. Отдача тепла во многом зависит от работы сердечно-сосудистой системы. Следовательно, функция сердца также является фактором теплорегуляции [7, с.16-26].
Исследователями [8] было показано, что верхние и нижние конечности, а также поверхность головы наиболее активно вовлекаются в процесс теплообмена со средой, по сравнению с другими участками тела и таким образом являются «резервуаром тепла». Потенциально эти части тела можно было бы рассматривать как информативные для мониторинга температурного комфорта человека, находящегося в необычных условиях окружающей среды, так как в этих зонах сосредоточена основная часть теплопотока организма.
Что же делать пользователям бесконтактных ИК термометров? Конечно же они могут, считая, например, нормальной температуру на лбу человека 33,50С, прибавлять к полученным значениям 3,10С (чтобы в итоге получить желаемые 36,6), но что будет, если возникнет желание измерить температуру в области шеи (нормальной считается 340С), тогда вместе с поправкой будет уже 37,10С, а температура в подмышечной впадине (как раз там считается нормой температура 36,6 С) даст с поправкой все 39,70С
Видимо профессиональные производители бесконтактных термометров, демонстрирующих 36,60С при выполнении измерений температуры на лбу человека, используют какие-то собственные алгоритмы внесения поправок, определяющие места производимых измерений и вычисляющие соответствующие «плавающие корректировки». В нашем же случае предлагается перед выполнением процедуры контрольных измерений воспользоваться знанием о распределении температуры по поверхности тела человека, а затем уже сравнивать полученные результаты с существующими «эталонными» образцами.
Таким образом, на основании данных представленного выше исследования можно сделать вывод о том, что способы проведения быстрого, бесконтактного и достаточно точного измерения температуры тела человека и других тел существуют и основываются на использовании синтетических датчиков, построенных с использованием пироэлектрического эффекта. Однако, для измерения или периодического мониторинга температуры тел граждан термометрами, использующими «быструю» бесконтактную технологию, следует помнить о существующем неоднородном распределении температур в различных точка человеческого тела.
Библиографический список:
1. Фейнман. Р. Характер физических законов / Р. Фейнман. - 2-е изд. - Москва : Наука, 1987.
2. Пучкова, А. А. Приемы усовершенствования пироэлектрических сенсоров / А. А. Пучкова // Перспективы развития строительного комплекса. - 2014. - С. 197-206.
3. Кудрявцев, Н. Г. Особенности метода проектных интерфейсов как механизма развития проектного подхода в образовательном процессе и детском техническом творчестве / Н. Г. Кудрявцев, А. А. Темербекова // Вестник Новосибирского государственного педагогического университета. - 2018. - Т. 8. - № 6. - С. 167-182.
4. Брязгунов, И. П. Теплообмен и терморегуляция в практике педиатра / И. П. Брязгунов. - Москва : ИД Медпрактика. - 2005. - 128 с.
5. Айзенштат, Б. А. Тепловой режим человека / Б. А. Айзенштат, Л. П. Лукина. - Санкт-Петербург : Гидрометеоиздат, 1993. - 168 с.
6. Худайбердиев, М. Д. Физиологические механизмы адаптации человека и животных к высокой температуре / М. Д. Худайбердиев // Проблемы терморегуляции и температурной адаптации ; ответственный редактор Н. К. Попова. - Новосибирск : ИЦиГ СО АН СССР, 1992. - 220 с.
7. Линденбратен, В. Д. Модели температурного гетеростазиса / В. Д. Линденбратен, А. М. Иванов, С. З. Савин. - Владивосток : Дальнаука, 2001. - 231 с.
8. Информативность температурных параметров различных зон тела человека для коррекции его теплового дисбаланса при выходе в открытое космическое пространство / В. С. Кощеев, А. Кока, Г. Р. Леон, А. Л. Максимов // Физиология человека. - 2005. Т. 31. - № 6. - С. 78-79.
УДК 004.896, 62-529
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ОРГАНИЗАЦИИ ВИРТУАЛЬНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СОРЕВНОВАНИЙ
RESEARCH OF THE OPPORTUNITY OF ORGANIZING VIRTUAL ROBOTIC COMPETITIONS
Ковтун А. А., канд. техн. наук, доцент Корнеев Г. Е., Прохоров А. К.
Новокузнецкий институт (филиал) ФГБОУ ВО «Кемеровский государственный университет», Академия робототехники «Талос»
Россия, Кемеровская область, г. Новокузнецк talos17@ya.ru
Аннотация. В статье приводятся результаты исследования возможности моделирования проведения виртуальных дистанционных соревнований, различные аспекты и некоторые тонкости по сравнению с реальными конструкциями роботов.
Ключевые слова: робототехника, виртуальный робот, программирование, датчики.
Abstract. The article presents the results of a study of the possibility of modeling virtual distance competitions, various aspects and some subtleties in comparison with real robot designs.
Key words: robotics, virtual robot, programming, sensors.
Робототехника в целом - это комплексное направление, предполагающее применениезнаний из многих областей - физики и математики, моделирования, конструирования, механики (мехатрони-ки), логики, электроники, программирования. Комплексно и системно общий подход рассмотрен, например, в работах по ссылке [1].
Для обучения основам робототехники на школьном уровне широкое распространение получили конструкторы LEGOMINDSTORMSEV3, включающие блок управления, несколько электромоторов, от
