21-30 Flashcards
3/6
- Metody uczenia sieci neuronowych.
Sieć neuronowa jest złożonym systemem połączonych neuronów, który może przetwarzać dane i uczyć się na ich podstawie, imitując pewne funkcje ludzkiego mózgu.
Wyróżniamy trzy metody uczenia sieci neuronowych:
* Uczenie z nauczycielem
o Obiekty wzorcowe na wejściu
o Porównanie wyjścia z wzorcowymi odpowiedziami i ewentualna korekcja wag
o Sieć uczy się wzorców „na pamięć” oraz nabywa zdolność uogólniania wiedzy
o Wagi zmieniają się w celu dopasowania działania do wielu wzorców
* Uczenie bez nauczyciela (samouczenie)
o Obiekty wzorcowe na wejściu
o Brak wzorców na wyjściu
o Sieć zmienia wagi na podstawie obserwacji otoczenia i interpretacji odebranych sygnałów. Sieć sama odkrywa znaczenie sygnałów i sama ustala zachodzące między nimi zależności.
o Uczenie jest wolniejsze, niż z nauczycielem oraz aby nauczyć się takich samych wzorców jak z nauczycielem, sieć musi być większa.
* Pośrednia
o Uczenie z trenerem
o Podobna do nauki z nauczycielem
o Nie porównuje się otrzymanych wyjść do wzorców, w zamian sieć otrzymuje podpowiedzi z zewnątrz, jakie skutki daje zmiana wag, pozytywne czy negatywne.
Sieć jest nauczona w momencie osiągnięcie minimalnego błędu określonego przed uczeniem, w momencie kiedy istnieje ryzyko przeuczenia sieci (błąd zaczyna rosnąć) oraz gdy istnieje ryzyko z osiągnięciem wartości docelowej błędu.
- Mikrosystemy ruchome: metody wywoływania ruchu w mikroskali, podstawowe mikrokonstrukcje i ich obszary zastosowania.
Mikrosystemy MEMS są urządzeniami mechaniczno-elektrycznymi, które składają się z zintegrowanych podzespołów mikromechanicznych i mikroelektronicznych. Podzespoły mikromechaniczne są trójwymiarowe i wykonane z materiałów takich jak krzem, szkło, ceramika czy polimery.
Metody wywoływania ruchu w mikroskali:
* Zjawisko odwrotnie piezoelektryczne: Wykorzystuje się zmiany wymiarowe materiałów piezoelektrycznych pod wpływem pola elektrycznego.
* Przyciąganie elektrostatyczne: Elektrody generują siłę przyciągania lub odpychania w odpowiedzi na zmiany napiecia między nimi.
* Indukcja elektromagnetyczna: Wykorzystuje siłę elektromagnetyczną do generowania ruchu poprzez przyciąganie elementów metalowych.
* Rozszerzalność cieplna: Wykorzystuje zmiany wymiarowe materiałów pod wpływem zmiany temperatury, aby wywołać ruch.
* Zjawisko elektrotermiczne: Generuje ruch przez podgrzewanie materiałów o wysokiej rezystywności.
* Odkształcenie przez ciśnienie membrany krzemowej: Wykorzystuje odkształcenie membrany krzemowej pod wpływem ciśnienia, aby wywołać ruch.
* Ruch wywołany przepływem gazu: Wykorzystuje siłę generowaną przez przepływ gazu w mikrokanalach lub mikroszczelinach.
Przykłady zastosowań mikrosystemów ruchomych:
* Mikrosiłowniki
* Narzędzia chirurgiczne
* Przekładnie obrotowe, liniowe, parowe
* Mikroczujniki
* Mikrosilniki obrotowe, liniowe, parowe
* Mierniki przepływu z turbinami
* Silniki rakietowe i odrzutowe
* Mikrozawory
* Aplikacje w telekomunikacji
- Modyfikacja właściwości warstw powierzchniowych - systematyka tych warstw, metody ich otrzymywania.
Systematyka warstw powierzchniowych:
Warstwy wierzchnie: Ograniczone powierzchnią obrabianego elementu, charakteryzujące się innymi właściwościami niż materiał rdzenia, uzyskane dzięki działaniu sił mechanicznych, cieplnych, elektrycznych oraz czynników chemicznych.
Powłoki: Trwałe warstwy nanoszone na powierzchnię podłoża, wykonane z metalu, stopu, materiału ceramicznego, polimerowego lub innych, w celu nadania określonych właściwości.
Podział ze względu na grubość:
- Warstwy grube: Powyżej 1 μm.
- Warstwy cienkie: Poniżej 1 μm.
Zastosowania warstw:
- Antykorozyjne, dekoracyjne, zwiększające twardość, przewodność elektryczną lub cieplną.
Metody pozyskiwania warstw:
Anodyzacja: Elektrolityczne osadzanie warstw tlenków, często stosowane do aluminium.
Galwanizacja: Elektrolityczne osadzanie cienkich warstw metalicznych na powierzchni metalowej, np. miedzi na metalu.
CVD (Chemiczne osadzanie z fazy gazowej): Tworzenie nowej warstwy materiału na ogrzewanym podłożu przez reakcje chemiczne z fazy gazowej. Na tworzenie warstw i ich właściwości wpływają takie parametry jak ciśnienie, skład gazu wprowadzanego do układu, czystość reagentów, przygotowanie powierzchni materiału.
Epitaksja: Wzrost nowej warstwy monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, powiela strukturę sieci krystalicznej podłoża.
Implantacja jonów: Domieszkowanie materiałów poprzez nadanie energii jonom w polu elektrycznym i ich zderzenie z materiałem, co zmienia jego strukturę krystaliczną. Jony uderzając w półprzewodnik niszczą jego strukturę krystaliczną.
PVD (Fizyczne osadzanie z fazy gazowej): Osadzanie warstwy z fazy gazowej przy niższym ciśnieniu, wykorzystujące procesy fizyczne do uzyskania par osadzonych.
Podział ze względu na metody otrzymywania:
Cieplne – oddziaływanie ciepła na powierzchnie w celu wprowadzenia zmian w strukturze (hartowanie, napawanie).
Mechaniczne – działanie energią kinetyczną narzędzia lub cząstek w celu umocnienia warstwy wierzchniej na zimnym podłożu (nagniatanie).
Cieplno-mechaniczne – oddziaływanie ciepła i nacisku (natryskiwanie, platerowanie).
Cieplno-chemiczne – oddziaływanie ciepła i aktywnego chemicznie ośrodka w celu pokrycia obrobionego materiału dla spowolnienia zmian struktury w podwyższonej temperaturze (CVD, nasycanie, stopowanie).
Fizyczne – osadzanie powłok adhezyjnych w warunkach podwyższonego ciśnienia lub obniżonego ciśnienia (PVD, implementacja jonów).
Chemiczne i elektromechaniczne – bezpośrednie nakładanie materiału niemetalicznego lub metalowego na powierzchnie obrabianego elementu i usuwanie zanieczyszczonej lub utlenionej warstwy powierzchniowej w procesie trawienia lub polerowania (osadzanie elektrolityczne, trawienie).
- Na czym polega modulacja światła mikrofalami? Podać przykłady realizacji modulatora elektrooptycznego
Modulacja światła mikrofalami:
Polega na zmianach parametrów fali świetlnej w czasie.
Mikrofale wykorzystane do modulacji światła poprzez generowanie rezonansu,(zmiana współczynnika załamania materiału optycznego), przez który przechodzi wiązka światła.
Zmiany te mogą obejmować modulację amplitudy i/lub częstotliwości sygnału świetlnego.
-
Przykład realizacji modulatora elektrooptycznego:
Przykładem modulatora elektrooptycznego jest modulator Mach-Zender’a.
Działa on na zasadzie efektu Pockelsa, który opisuje zależność współczynnika załamania światła w materiale od natężenia pola elektrycznego.
W modulatorze Mach-Zender’a, przyłożenie napięcia do materiału elektrooptycznego zmienia współczynnik załamania światła. Ta zmiana powoduje regulację drogi optycznej w materiale, co z kolei umożliwia modulację fali świetlnej.
- Najważniejsze zastosowania elementów, układów i urządzeń pracujących w zakresie częstotliwości mikrofalowych (300 MHz-300 GHz).
Zakres częstotliwości mikrofalowych (300 MHz - 300 GHz) znajduje szerokie zastosowanie w wielu dziedzinach. Oto najważniejsze zastosowania:
* Radary mikrofalowe - używane do detekcji obiektów i monitorowania w szerokim zakresie częstotliwości od 300 MHz do setek GHz.
* Radioastronomia - badanie kosmosu za pomocą radioteleskopów, w tym badanie mikrofalowego promieniowania tła.
* Kuchenki mikrofalowe - wykorzystują mikrofale o częstotliwości około 2,4 GHz do podgrzewania żywności poprzez wzbudzenie drgań cząsteczek wody.
* Łączność satelitarna - mikrofale pozwalają na transmisję danych do satelitów, ponieważ nie są absorbowane przez atmosferę.
* Maser - urządzenie wzmacniające mikrofale poprzez emisję wymuszoną, używane głównie w badaniach naukowych i technologiach precyzyjnych.
* Telefony komórkowe - wykorzystują częstotliwości mikrofalowe, np. standard GSM 870-960 MHz oraz 1710-1880 MHz.
System globalnego pozycjonowania (GPS)- używa częstotliwości 1575 MHz, 1267 MHz, 1173 MHz do precyzyjnego określania lokalizacji.
* Bezprzewodowe sieci komputerowe (WLAN) - działają na częstotliwości 2,4 GHz lub 5 GHz, znane jako WiFi lub WiMax.
* Bluetooth - technologia bezprzewodowa umożliwiająca łączność między urządzeniami na częstotliwości 2,4 GHz.
* Fizyka - akceleratory cząstek, badania materiałowe i reaktory, gdzie mikrofale są używane do zaawansowanych badań naukowych.
* 5G - nowa generacja sieci komórkowych planowana jest na częstotliwościach kilkunastu GHz, obecnie używane są częstotliwości w zakresie kilkuset MHz.
- Nośniki ładunku elektrycznego i mechanizmy przepływu prądu w półprzewodnikach.
Nośnikami ładunków w półprzewodnikach są elektrony i dziury (puste miejsca po elektronach).
Wyróżniamy różne rodzaje półprzewodników:
* Półprzewodniki samoistne (swobodne nośniki ładunku [elektrony i dziury]) – prąd płynący w półprzewodniku samoistnym jest sumą prądu elektronowego i dziurowego.
* Półprzewodniki typu n (przewodnictwo elektronowe) – powstają w wyniku domieszkowania atomów pierwiastków z IV grupy układu okresowego z V grupy. Niewykorzystany elektron staje się swobodnym nośnikiem ładunku.
* Półprzewodniki typu p (przewodnictwo dziurowe) – powstają w wyniku domieszkowania pierwiastków z IV grupy układu okresowego z pierwiastkami z III grupy. Miejsce które pozostaje puste w wyniku domieszkowanie jest dziurą, która staje się nośnikiem ładunku dodatniego.
Nośniki ładunku w półprzewodniku:
* Elektron – nośnik ładunku ujemnego, posiadający większa ruchliwość niż dziury.
* Dziura – nośnik ładunku dodatniego, praktycznie są to kwasi-cząstki, gdyż fizycznie oznaczają brak elektronu.
Mechanizmy przepływu prądu –
teorią opisującą przewodnictwo elektryczne w półprzewodniku jest teoria pasmowa. Podstawowym pojęciem jest pasmo energetyczne, czyli przedział energii jaki mogą posiadać elektrony.
Istnieją dwa podstawowe poziomy:
Poziom walencyjny – zakres energii jaką posiadają elektrony walencyjne.
Poziom przewodnictwa – zakres energii jaką posiadają elektrony uwolnione z poziomu walencyjnego.
Między tymi pasmami istnieje przerwa zabroniona. Praktycznie elektrony nie posiadają energii z tego zakresu. Elektron w paśmie przewodnictwa oraz odpowiadającą mu dziurę w paśmie walencyjnym nazywamy parą elektron-dziura.
Czynnikami mogącymi spowodować generację pary elektron-dziura jest temperatura i promieniowanie elektromagnetyczne (fotony).
- Obwód szeregowy RLC, rezonans napięć. Obwód równoległy RLC, rezonans prądów.
Obwód szeregowy RLC – rezonans napięć.
Rezonans napięć występuje dla określonej częstotliwości rezonansowej.
W przypadku gdy reaktancja cewki oraz kondensatora są równe XL = Xc to napięcie na cewce i kondensatorze są równe co do modułu, ale przeciwne co do znaku, wobec czego ich suma jest równa zero.
Cały układ ma charakter rezystancyjny, wartość skuteczna prądu płynącego w obwodzie zależy jedynie od rezystancji i osiąga maksimum w I=U/R.
Obwód równoległy RLC – rezonans prądów.
Rezonans prądów występuje dla określonej częstotliwości rezonansowej.
W przypadku gdy susceptancja kondensatora oraz cewki jest sobie równa Bc = BL. Wtedy prąd cewki i prąd kondensatora mają równe amplitudy, lecz przeciwne fazy, wobec czego ich suma jest równa zero.
Admitancja (przewodność) układu wynosi Y, czyli obwód ma charakter rezystancyjny, a więc prąd I jest w fazie z napięciem U, wobec czego napięcie U osiąga najwyższą wartość w porównaniu z napięciami poza rezonansowymi.
- Parametry i charakterystyki niezawodności, zależności między nimi.
Niezawodność – własność obiektu mówiąca o tym, czy pracuje poprawnie przez wymagany czas i w określonych warunkach eksploatacji.
Jest określona przez prawdopodobieństwo wystąpienia zdarzenia opisanego funkcją:
R(t) = P(T≥t), t≥0,
Gdzie : R(t) – niezawodność, T – czas pracy bez uszkodzenia, t – wymagany lub założony czas pracy bez uszkodzenia.
Charakterystyki:
Funkcja niezawodności R(t) – prawdopodobieństwo tego, że obiekt nie ulegnie uszkodzeniu w przedziale czasu (0,t).
R(t) = n(t)/n gdzie: n(t) – liczba elementów poprawnie działających po czasie t, n – liczba wszystkich elementów.
Krzywa „wannowa” („siodłowa”):
Zależność λ = f(t) określa trzy okresy życia obiektów nienaprawialnych:
* I – okres uszkodzeń wczesnych, uszkodzeniu ulegają wyroby o złej jakości, wadliwe;
* II – okres normalnej eksploatacji, liczba uszkodzeń jest stała, uszkodzenia są przypadkowe wynikające z przeciążeń, niepoprawnych warunków pracy;
* III – okres zużycia, gdzie ujawniają się niezdatności wskutek kumulowania się nieodwracalnych zmian fizycznych i chemicznych, deformacji konstrukcji, stopniowej zmiany wartości parametrów obiektu, aż poza dopuszczalne granice.
Parametry niezawodności:
* Funkcja intensywności uszkodzeń – opisuje szybkość z jaką obiekt się psuje, ma trzy okresy (dojrzewania do użytkowania, okres normalnego użytkowania i starzenie się obiektu). Jest kluczowym wskaźnikiem dynamiki uszkodzeń w czasie.
* Skumulowana intensywność uszkodzeń – mierzy całkowitą intensywność uszkodzeń od początku użytkowania do momentu czasu t. Jest miarą wyczerpywania się zdolności do wykonywania przez obiekt swoich funkcji.
* Gęstość prawdopodobieństwa – określa prawdopodobieństwo, że obiekt ulegnie uszkodzeniu dokładnie w momencie t. Jest to podstawowa miara niezawodności w analizie czasu do uszkodzenia.
Średni czas pracy do uszkodzenia (MTTF) – średni czas, jaki obiekt może pracować bez uszkodzenia. Ważny parametr w prognozowaniu średniego czasu między awariami.
Średni czas pracy między uszkodzeniami(MTBF) – średni czas, jaki upływa miedzy jednym uszkodzeniem, a kolejnym. Jest stosowany w przypadku, gdy czas naprawy jest krótszy od czasu życia obiektu.
Wariancja – mierzy rozrzut rozkładu czasu do uszkodzenia. Wysoka wariancja oznacza większy rozrzut w czasie uszkodzeń, co może wskazywać na mniej stabilną niezawodność.
Kwantyle rzędu p– określają czas do uszkodzenia, przy którym prawdopodobieństwo uszkodzenia jest równe p.
Pomagają w analizie niepewności i ryzyka związanego z czasem działania obiektu.
- Piezorezystywna detekcja sił i wychyleń w układach MEMS.
Piezorezystywna detekcja sił i wychyleń opiera się na wykorzystaniu efektu piezorezystywnego, który powoduje zmianę rezystancji materiału pod wpływem naprężeń.
- Efekt piezorezystywny: To zjawisko fizyczne, gdzie rezystancja materiału zmienia się w odpowiedzi na działające na niego siły mechaniczne (naprężenia). W odróżnieniu od efektu piezoelektrycznego, nie powstaje tu siła elektromotoryczna.
- Zasada działania: W układach MEMS, elementy takie jak membrany czy belki są wyposażone w piezorezystory umieszczone w strategicznych miejscach. Gdy na element działają siły mechaniczne (np. siła zewnętrzna, ciśnienie), element ulega odkształceniu. To odkształcenie powoduje zmianę rezystancji piezorezystorów. Najczęściej wykorzystuje się układ mostka Wheatstone’a, gdzie zmiana rezystancji skutkuje zmianą napięcia wyjściowego.
- Zastosowania: Czujniki piezorezystywne są stosowane do pomiaru sił, wychyleń, ciśnień itp. w układach MEMS. Przykłady zastosowań to mikrosensory, akcelerometry, czujniki ciśnienia, gdzie dokładność pomiarów jest kluczowa.
Mostek Wheatstone’a – jest utworzony z czterech piezorezystorów znajdujących się przy czterech krawędziach membrany czujnika. Pod wpływem ciśnienia doprowadzonego prostopadle, membrana ulega odkształceniu – z nią również piezorezystory. Dwa rezystory umieszczone równolegle do kierunku naprężenia są rozciągane i ich rezystancja rośnie, a dwa umieszczone prostopadle do kierunku naprężenia są ściskane i ich rezystancja maleje wraz ze wzrostem ciśnienia. Napięcie wyjściowe mostka rośnie, gdy rezystancja rezystorów umieszczonych równolegle rośnie, a rezystancja rezystorów umieszczonych szeregowo maleje.
Drugim przykładem piezorezystancyjnego sposobu detekcji naprężenia bądź siły jest zastosowanie cienkiej belki krzemowej z piezorezystorami umieszczonymi w pobliżu jej zamocowania. Działanie siły na wolny koniec belki powoduje jej ugięcie i zmianę rezystancji piezorezystorów.
- Podstawowe układy wzmacniaczy tranzystorowych.
Wzmacniacz tranzystorowy – zdolny do wzmacniania sygnału, bez zmiany jego kształtu, dzięki zastosowanym w układzie wzmacniania elementom czynnym: tranzystorom bipolarnym, unipolarnym lub układom scalonym.
Wyróżniamy trzy podstawowe układ wzmacniaczy tranzystorowych:
- Układ ze wspólnym kolektorem – wzmacniacz w tej konfiguracji jest nazywany wtórnikiem emiterowym, gdyż wielkość napięcia wyjściowego jest prawie taka sama jak wielkość napięcia wejściowego.
Wzmocnienie napięciowe jest bliskie jedności, a faza napięcia wyjściowa zgodna z faza napięcia wejściowego. Główne cechy to: duża rezystancja wejściowa i mała rezystancja wyjściowa.
Służy głównie do dopasowywania poziomów impedancji pomiędzy stopniami wzmacniaczy.
-
Układ ze wspólną bazą – układ może dostarczyć wzmocnienia napięciowego o wartościach porównywalnych ze wzmacniaczem w konfiguracji WE, jednak przy bardzo malej rezystancji wejściowej wzmacniacza.
Wzmocnienie prądowe jest <1.
Układ w konfiguracji wspólnej bazy ma dobre właściwości częstotliwościowe (duża częstotliwość graniczna), co pozwala uzyskać wzmocnienie napięciowe w takich zakresach, gdy praca w innych konfiguracjach jest niemożliwa (najszersze pasmo przenoszenia). - Układ ze wspólnym emiterem – jest to najczęściej wykorzystywany układ wzmacniaczy, szczególnie w zakresie niezbyt wysokich częstotliwości np. w wzmacniaczach akustycznych. Zapewnia stosunkowo wysokie wzmocnienie napięciowe oraz wzmocnienie prądowe jest znacznie większe od jedności.
