Table of Contents

وقد تطورت أجهزة الاستشعار الميكانيكية التي لا تُستَفَق من أدوات القياس الميكانيكية إلى أدوات تمكينية حاسمة لتطبيقات عالية الدقة حيث يكون الاتصال المادي مستحيلاً أو غير مرغوب فيه، وهذه أجهزة الاستشعار هي الآن أساس الأداء في ميادين تتراوح من اختلاقات النانواتو بين الخواص إلى جراحة آلية، مدفوعة باختراقات في علوم المواد، وتجهيز الإشارات، والتقليل إلى أدنى حد من الدقة، وقدرة الكشف عن تحركات دون تحميل الأهداف الناشئة أو في الآونة الأخيرة.

المبادئ الأساسية للاستشعار عن التشرد بلا اتصال

ويقيّم جميع أجهزة الاستشعار عن بعد للتشرد العلاقة المكانية بين عنصر الاستشعار والهدف دون اتصال آلي، ويحدد مبدأ التشغيل حساسية جهاز الاستشعار ونطاق القياس والتسامح البيئي والتكلفة، والمبادئ الثلاثة الأكثر انتشارا هي مبادئ أسيرية ومحفزة (تيار متطور) وبصرية، كل منها يناسب مختلف القيود المفروضة على التطبيق.

أجهزة الاستشعار الاقتصادية

ويكتشف جهاز الاستشعار الكتائب التغيرات في متوسط الديكل أو المسافة بين لوحاتين مسيّرين، ويتكون جهاز استشعار نموذجي للتشرد الأسري من جهاز كهرومغناطيسي مسبّب وسطح مستهدف كطبق ثان، ومع تحركات الهدف، فإن تغيرات القدرة، التي تحول إلى إشارة تشرد خطية، وهذه أجهزة الاستشعار تقدم حلاً احتياطياً ودرجة حرارة عالية، مما يجعلها مثالية بالنسبة لمراحل قوة الصدرية.

أجهزة استشعار (التيارات)

وتولد أجهزة الاستشعار المولدة حقل مغناطيسي عالي التردد من الفحم، وعندما يدخل هذا الميدان هدف مسلكي، تُستحث تيارات الدودي، مما يغير من عجز الفحم، ويتناسب التغير في الازدحام مع المسافة بين جهاز الاستشعار والهدف، وتكون أجهزة قياس القدرة العالية على القياس قوية في البيئات القاسية التي تبلغ فيها درجة الحرارة، والغبار، والمحركات العالية.

أجهزة الاستشعار الضوئية

ويشتمل جهاز الاستشعار الضوئي للتشرد على أجهزة لازراعة ثلاثية، وأجهزة استشعار متطابقة، وأجهزة استشعار متداخلة، وتضع علامة على الهدف وتصوره على جهاز كشف مراعي للمواقع، وتغير الحركة موقع الموقع، وتنتج عن التشريد، وتستعمل أجهزة الاستشعار الصوتية المضغوطة لتركيز مختلف الحركات على مسافات مختلفة، مما يوفر نقاطا قياسية عالية الدقة عن طريق المضاربة.

الأداء التكنولوجي المنجز مؤخرا

وقد شهد العقد الماضي وجود ازدحام في الابتكارات التي دفعت أجهزة استشعار التشريد التي لا اتصال بها إلى نظم أداء جديدة، وهناك خمسة مجالات رئيسية تنطلق.

التجهيز المتقدم للعلامات وخفض عدد الإشارات

وتستخدم أجهزة الاستشعار الحديثة أجهزة معالجة الإشارات الرقمية وأجهزة البوابات المجهزة بالميدان لتنفيذ عمليات التصفيف والتخفيض المتزامن، وتقليص عدد أجهزة التكتل العاملة التي تعمل في مجال الإرساليات الرقمية، مما يؤدي إلى تحسين معدلات الضبط التجاري عند درجة الحرارة 5 درجات مئوية، مما يؤدي إلى زيادة معدلات الارتفاع في مستويات الضوضاء الكهربائية، إلى الحد من عدد أجهزة الاستغناء عن المستويات الصناعية أو الطوابع الطبية.

التنويم الطفولي والإدماج في نظام الرصد البيئي

وبالإضافة إلى ذلك، فإن تكنولوجيا النظم الكهروميكانيكية الدقيقة تقلل من رؤوس أجهزة الاستشعار عن التشرد إلى أحجام دون الملليمتر دون الحساسية، ويمكن الآن أن تُدرج أجهزة الاستشعار ذات المستوى الأسري والمنتجي في أجهزة الاستشعار ذات المستوى العالي داخل أجهزة التخدير الجراحي، أو داخل أجهزة التغليف الدقيقة، أو على طرفي من مؤشرات الإنتاج الإندوسي.

المواد الجديدة من أجل الاستقرار والانتقال

وقد ساهم علم المواد في قياسات الديكل الجديدة للمستشعرات الأسرية (مثل السيراميكات العالية الكهرموز) التي تزيد من سرعة خط الأساس وتخفض الانجراف الحراري، كما أن أجهزة الاستشعار الخليطية، والنواة المحملة من الكواكب، والهيكلات النيجيرية، توسّع نطاق السلاسل البلاستيكية وتحسن درجة الحرارة.

Rereless Connectivity and Edge Intelligence

ولا توفر أجهزة الاستشعار اللاسلكية المتكاملة (الطاقة المنخفضة، أو زيغبي، أو بروتوكولات السلع الفرعية ذاتية) أجهزة الاستشعار عن طريق التشريد لبث البيانات مباشرة إلى منابر التحليل السحابي دون اختناقات في الكابلات، وتقوم وحدات قياسية متناثرة في أجهزة الاستشعار بخفض البيانات الأولية - مثل الكشف عن الذروة أو تحليل الاتجاهات الإحصائية - قبل نقل المعلومات ذات الصلة فقط.

الاستشعار المتعددة الوظائف والمختلطة

فبدلاً من قياس التشرد وحده، تجمع أجهزة الاستشعار الحديثة بين طرائق متعددة للاستشعار المادي في مجموعة واحدة، فعلى سبيل المثال، يمكن للمستشعر الأسري المختلط أن يقيس في وقت واحد الخصائص المسافية والمادية (مثلاً، السلوكية أو الرخصية)، ويوفر بيانات عن العمليات الأغنى، ويمكن للمستشعرات البصرية التي تدمج كاميرا مصغرة بمسدس للليزر أن تنتج صوراً للتشرد والطوبوغرافية على السواء.

تطبيقات في البيئات الحساسة والمطالبة

وقد فتحت القدرات المعززة المذكورة أعلاه أبواباً للتطبيقات التي يزعج فيها أي اتصال أو حتى كتلة استشعار مفرطة القياس نفسها، فيما يلي عدة مجالات حاسمة الأهمية.

الأجهزة الطبية والجراحة

وفي العمليات الآلية التي تتلقى مساعدة، تقوم أجهزة الاستشعار عن التشريد الأسري والبصري برصد حالة المعلومات الواردة في الأجهزة بدقة عالية، مما يتيح اتخاذ إجراءات دقيقة مثل عزلة الوريد الرجعي أو زرع الشلط، كما تستخدم أجهزة الاستشعار عن بعد في أجسام الارتداد المغناطيسي، لأنها لا تتأثر بميادين النسيج الجامدة.

تصنيع المواد الكيميائية

وتعتمد أجهزة الاستطلاع والتفتيش على أجهزة الاستشعار المكثفة للحفاظ على تركيز ومواءمتها مع دقة الأشعة، ونظراً لأن أحجام السمات قد انخفضت إلى أقل من 3 دقائق، فإن أجهزة الاستشعار عن طريق التشريد يجب أن تحل تحركات 0.1 نانو متر أو أفضل، أما أجهزة الاستشعار الضوئية المتقطعة فيكون الآن معياراً في أدوات الليثيوم الفوقية القصوى حيث تقيس مراحل الاستقرار الفوقية.

مختبرات البحوث وعلم القياس

وفي الفيزياء الأساسية، تشكل أجهزة الاستشعار عن طريق التشريد التي لا تُستَلَمَّى جزءاً لا يتجزأ من أجهزة الكشف عن الموجات الرطبة (مثلاً، LIGO)، حيث يُقيس جهاز الاستنشاق بالليزر من التشريد يتراوح بين 10 و18 متراً.

الفضاء الجوي والطاقة

وتشغل محركات التربين وأجهزة ضغط النفاثة درجات حرارة وسرعة قصوى، وتقيس أجهزة الاستشعار التي تستخدم في التشريد المثبتة قرب النصائح الصاروخية، والفجوة بين النصل ودقة 5 ميكروغرام، وتسمح هذه البيانات بأن تؤدي نظم التحكم في التطهير إلى تحقيق الكفاءة القصوى ومنع فرك الصدر.

معدات هندسة دقيقة وأدوات ماكين

وتحتاج أدوات الماكنة، والمحركات الطينية، وتنسيق آلات القياس إلى تغذية مرتدة في الوقت الحقيقي بشأن وضع المحور لتحقيق التسامح في مجال القياسات الدقيقة، وقد استخدمت أجهزة الإرسال ذات النطاقات العالية، ولكنها قابلة للتعرض للتخدش، كما أن أجهزة قياس الترسيب المطلق الجديدة توفر الدقة (المعدات الفوقية) مع ضمان التلوث وكمية النسيج.

التحديات والحدود الحالية

ورغم التقدم المثير للإعجاب، لا تزال أجهزة الاستشعار عن طريق التشريد التي لا تُستَلَمَع تواجه عقبات عديدة تحد من انتشارها في أكثر السيناريوهات احتياجا.

Environmental Sensitivity

والمستشعرات الكفاءية تتأثر بشكل ملحوظ بالتغيرات في الرطوبة ودرجات الحرارة والحقول الكهربائية المزروعة، وحتى مع الكهروديس الحراس وتعويض درجة الحرارة، تظل العائمة الطويلة الأجل مشكلة في البيئات غير الخاضعة للتنظيم، ويمكن أن يعمى الحساسات الضوئية بالدخان أو البخار أو السطحات السميكة التي تنتج انعكاسات متعددة زائفة، وتكون الحساسات المستحثة قوية ولكنها محدودة بالنسبة لأهداف التناوب.

التجارة بين الرنج وحلها

وبالنسبة لجهاز قياسي مُعين، فإن زيادة نطاق القياس يُبطل عادة القرار، إذ لا تحقق أجهزة الاستشعار المُقدرة سوى حلاً بالمسافات المُقفية التي تقل عن بضعة مليمترات، ويمكن أن تقيس الترايت الضوئية على مدى الأمتار، ولكن مع قصر القرار على عشرات القياسات الدقيقة، ولا تشمل تكنولوجيا الاستشعار الوحيدة حالياً كلاً من مبادئ المقاييس الفرعية والمتغيرة دون حدود.

التعقيد والتكلفة

ولا تزال النظم العالية التناظرية باهظة التكلفة - تتجاوز في كثير من الأحيان 000 50 يورو لكل قناة - بسبب الدقة في التصورات ومصادر الليزر المطلوبة، وقد يتطلب إدماج جهاز استشعار متعدد المؤشرات اللاسلكية في جهاز التحكم الصناعي المتوارثة سائقي برامجيات ومحولات بروتوكولات، وعلاوة على ذلك، فإن معايرة أجهزة الاستشعار اللاسلكية أكثر مشاركة من أجهزة الاستشعار القائمة على الاتصال، التي كثيرا ما تتطلب معايير للتشريد (مثلا، اللازر).

حجم البيانات والارتطام

ويمكن أن تولد أجهزة الاستشعار البصرية ذات السرعة العالية مجاري البيانات ذات التردد العالي في الثانية الواحدة، وتعالج هذه البيانات في الوقت الحقيقي من أجل مراقبة التغذية المرتدة، وتطالب بفرض رسوم جمركية قوية على الترددات الفلورية أو وحدات البرمجيات العالمية، مما يزيد من استهلاك الطاقة وحرارتها، وفي التطبيقات اللاسلكية، تُفرض قيود على نطاق الترددات بين معدل العينات وعدد القنوات المنقولة، ويمكن أن يخفف من ذلك، ولكن لا بد من تصميم أجهزة الحاسبة لتفادي حدوث ثغرات.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

وفي المستقبل، تعد عدة اتجاهات بحثية بالتغلب على القيود الحالية وبتوسيع نطاق فائدة أجهزة الاستشعار التي لا اتصال بها في الحدود الجديدة.

الاستخبارات الفنية للاستشعار الذكي

ويجري تدريب الخوارزميات المتعلمة من الآلات، ولا سيما الشبكات العصبية وأجهزة الدعم، على التنبؤ بالإنجراف المستشعر، والتعويض عن غير الخط، وحتى البيانات المستقاة من مبادئ الاستشعار المتعددة، ويمكن للمجسات ذات القدرة العالية، مثلا، أن تتعلم أثر الرطوبة الحساسية وأن تعدل تلقائياً من نوعية التصوير الضوئي.

قياس التشريد الكمي - المعزز

ويمكن أن تؤدي تقنيات قياس القياس الكمي، مثل التحلل المتداخل بين الدول، إلى الحد من عدم التيقن دون الحد الكمي القياسي، مما قد يؤدي إلى تحسين حله بترتيب من الضخامة، وعلى الرغم من أن هذه التقنيات لا تزال تقتصر على التجهيزات المختبرية، فإن أجهزة الاستنشاق الضوئية المدمجة تستخدم الضوء المكدس يمكن في نهاية المطاف أن تُتاجر بها للاستشعار عن بعد بالتشريد في علم الميثا دون موصلات.

أجهزة الاستشعار المرنة والقابلة للزراعة

وتسمح الأجهزة الإلكترونية المطبوعة والمقاطعات الفرعية الممتدة بتطوير أجهزة استشعار التشريد المطابقة التي يمكن ربطها بالآليات اللينة أو البسكويت أو الجلد البشري، ويمكن للصفائف الكبائية المطبوعة على أفلام البوليمر أن تكتشف القفز والتمدد والقرب في آن واحد، وفي حين أن القرار والاستقرار الحاليين منخفضان، فإن هذه أجهزة الاستشعار تفتح تطبيقات جديدة في الوصلات بين البشر والملاحين ورصد إعادة التأهيل.

ذاتي الدفع وأجهزة استشعار الطاقة

ويمكن للمستنبطين في مجال الطاقة الكهربائية والتريبية أن يحولوا الحركة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية، ويعملون كمجس للتشريد ومصدر للطاقة، ويمكن للمستشعرات المحفزة ذاتيا أن تبلغ عن التشريد التناوبي دون البطاريات، مما يقلل من الصيانة في المواقع النائية، ويجمع بين جمع الطاقة وبين النقل اللاسلكي المنخفض الطاقة (مثل منطقة البحوث في لوروا).

خاتمة

وقد شهدت أجهزة الاستشعار الميكانيكية التي لا تُستفد من أجهزة الاستشعار المعملية إلى أجهزة الاستنشاق الصناعي، بفضل التقدم المحرز في المواد، وتجهيز الإشارات، والتقليل من درجة الحرارة، والوصل، وقدرتها على تنفيذ الدقة دون المستوى المادي دون التفاعل، مما يجعلها غير قابلة للاستبدال في مجالات القياس الطبي وشبه الموصل والفضاء الجوي وتطبيقات البحث، ومع ذلك فإن التحديات في مجال القدرة البيئية، والمبادلات بين مختلف القطاعات، والمقاييس.

External References]