2014. január hónap bejegyzései

Zajjal segített gázérzékelés (FES)

Különböző gázok, szennyezések, vagy a levegő minőségének mérésére gyakran használnak Taguchi típusú, félvezető gázszenzorokat. E szenzorok esetében a leggyakrabban mért paraméter a szenzor ellenállása. Egyetlen mért adat esetén viszont nehéz megkülönböztetni a különböző gázokat, illetve gázkoncentrációkat, főleg, hogy ha azok egyszerre lehetnek jelen a mért légtérben. Több különböző szenzort alkalmazva, már lehetőségünk van több paramétert mérni, így növelhető a mérés szelektivitása. Az módszer ára a magasabb költség.

1999-ben, Laszlo B. Kish és kollégái vetették fel [1,2], hogy mindössze egy szenzort felhasználva is több információt nyerhetünk, ha nem csak az ellenállás átlagértékét mérjük, hanem az ellenállás időbeli, véletlenszerű változását is, az ellenállás zaját. Ez a zaj ugyanis függ a szenzorban lezajló mikroszkopikus, dinamikus folyamatoktól, melyeket mind a gáz típusa és koncentrációja is befolyásolja. Az alábbi ábrán látható egy szenzoron mért zaj spektruma különböző gázok esetén [3]:

Szenzor ellenállásának spektruma

Jól látható, hogy mind a zaj nagysága, mind pedig a spektrum alakja jelentősen függ az aktuális gáztól, ez pedig lehetőséget ad arra, hogy növeljük a szenzor szelektivitását, valamint bizonyos esetben az érzékenységét. A jelenség neve Fluctuation Enhanced Sensing (FES), számos kutatócsoport vizsgálja alkalmazásainak lehetőségeit, pl. baktériumok detektálására, illatanyagok megkülönböztetésére (mesterséges orr).

[1] László B Kish honlapja

[2] Wikipédia: Fluctuation-enhanced sensing

[3] L.B. Kish, Y. Li, J.L. Solis, W.H. Marlow, R. Vajtai, C.G. Granqvist, V. Lantto, J.M. Smulko and G. Schmera: "Detecting Harmful Gases Using Fluctuation-Enhanced Sensing With Taguchi Sensors", IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 5, no. 4, august 2005

Következő cikk a témában: FES mérőrendszer felépítése

Zajok és fluktuációk

A természetben előforduló jelenségek nagy részének alapvető tulajdonsága a véletlenszerűség, vagyis, hogy a jövőbeli viselkedésüket nem tudjuk előre jelezni. Ennek egyik oka az, hogy a rendszerek túlságosan is bonyolultak ahhoz, hogy viselkedésüket egzaktul leírjuk. E mellett a kvantummechanika rámutatott arra, hogy vannak olyan folyamatok, melyek eleve magukban hordozzák a véletlenszerűséget.

A rendszerekben lévő véletlen jelenségeket és zajokat tipikusan káros jelenségnek tekintik, azonban manapság egyre több kutatás foglalkozik azzal, hogy hogyan tudnánk saját céljainkra felhasználni ezeket a fluktuációkat.

A rendszerből jövő zajok magáról a rendszerről szolgáltatnak információkat, ezt pedig fel lehet használni a rendszer vizsgálatára. A rezgésdiagnosztika során motorok és egyéb berendezések állapotát tudjuk monitorozni, időben kiderítve a lehetséges problémákat, ez pedig lehetőséget ad a karbantartások időzítésére. A flukutációval segített gázérzékelés (FES) során pedig a szenzor zaja szolgáltat többlet információval.

A zaj nem csak információforrásként szolgál, hanem különböző folyamatokban konstruktív szerepe is van. Egy ilyen alkalmazás a dithering és a vele rokon sztochasztikus rezonancia, melyekben az információ megfelelő átvitelét segítik a rendszerben jelen lévő vagy hozzáadott zajok. A KLJN protokol esetén, melyről később még részletesebben beszélek, adatátvitel megbízható titkosítását végezhetjük el zajok segítségével.

Bemutatkozás

Mingesz Róbert vagyok, a Szegedi Tudományegyetem Műszaki Informatika tanszékén dolgozom. Ezen blog célja a kutatási és oktatási területemhez tartozó érdekességek bemutatása.