Szenzorok címkéhez tartozó bejegyzések

Elektronikus orr

Michael Madsen egy mindenképp érdekes projektet valósított meg, melyben egy Arduino-t használva megvalósított egy elektronikus orrot. A gázok illetve illatok érzékelése nagyszámú szenzorral történik, az adatokat pedig mintázatfelismerő algoritmusokkal elemzi.

Electronic nose

Forrás: Michael Madsen: Electronic Nose

Konferencia Gdansk-ban

Az előző hónapban meghívott előadóként a Gdanski IMAPS konferencián beszámolhattam a zajjal segített gázérzékelés (FES) témakörében elért legújabb eredményekről. Előadásom címe: "Low power wireless sensor nodes for fluctuation enhanced sensing". A teljes előadást itt lehet letölteni.

Megjelent: Mérés és adatgyűjtés laboratóriumi jegyzet

A TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1-2011-0104 pályázat keretében elkészített Mérés és adatgyűjtés laboratóriumi jegyzet megjelent a tankönyvtár oldalán. A jegyzetet itt lehet elérni: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2011_0104_SZTE-3_Meres_es_adatgyujtes/adatok.html 

A jegyzet témakörei:

  • A LabVIEW programozási környezet
  • Multiméterek és oszcilloszkópok használata
  • Műszerek vezérlése LabVIEW környezetből
  • Mérések végzése és mérési adatok feldolgozása
  • Szenzorok és távadók vizsgálata
  • Kommunikációs protokollok, távmérés
  • Valós idejű rendszerek programozása

A magyar nyelvű jegyzet mellett megjelent egy angol nyelvű kiegészítő is, elsősorban külföldi hallgatók számára, ez itt érhető el: http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/2011_0104_SZTE-4_Measurement_supplement/adatok.html

Szeminárium: „Vezetéknélküli FES mérőrendszer fejlesztése”

A szeminárium anyaga itt elérhető: Magyary-FES.pptx

A szeminárim tematikája röviden:

  • A zajjal segített gázérzékelés (FES) elvének bemutatása
  • Saját készítésű mérőrendszerek és eredményeinek bemutatása
  • Alacsony fogyasztású vezetéknélküli modul
  • Spektrális rekonstrukció módszere

Absztraktja:

Különböző gázok vagy a levegőminőség  mérésére gyakran használnak félvezető alapú szenzorokat.  Ezen szenzorok esetén az elsődlegesen mért jel a szenzor ellenállása, azonban csak ezen adat mérése alapján a szenzor érzékenysége és szelektivitása erősen korlátozott. Ugyanakkor, hogy ha nem csak az ellenállás átlagos értékét mérjük, hanem annak fluktuációját, zaját, sokkal több információhoz juthatunk, ezzel növelve mind az érzékenységet, mind pedig a szelektivitást.

Előadásomban röviden bemutatom a mérési elvet, e mellett pedig a kutatásban elért legfrissebb eredményeinket is. Ezek között szerepel egy vezetéknélküli, alacsony költségű szenzormodul fejlesztése valamint a hozzá kötődő adatfeldolgozás érdekességei.

További cikkek a témában: http://drrm.net/tag/fes/

Megjelent: Teljesítménysűrűség becslése vezetéknélküli zajjal segített gázérzékeléshez

Máris megjelent a FES témakörében írt cikkünk, melynek eredeti angol címe: "Power Spectral Density Estimation for Wireless Fluctuation Enhanced Gas Sensor Nodes"

Az absztrakt magyarul:

A zajjal segített gázérzékelés (FES) egy ígéretes módszer, mely segítségével növelni lehet a félvezető alapú nanótechnológiás gázszenzorok érzékenységét és szelektivitását. A legtöbb mérési elrendezés számos drága jelkondicionáló és adatgyűjtő eszközt tartalmaz valamint intenzív jelfeldolgozást. Ugyanakkor számos próbálkozás van arra, hogy csökkenthessük a hardverek árát és energiafogyasztását, valamint hogy hatékony jelfeldolgozási módszereket találjunk olcsó, vezetéknélküli szenzorok fejlesztéséhez. Jelen cikkünkben bemutatunk egy nagy hatékonyságú jelfeldolgozó módszert, mellyel a zaj teljesítménysűrűség-spektrumát vizsgálhatjuk. Ezen módszerek lehetővé teszik, hogy nagyon alacsony fogyasztású intelligens vezetéknélküli szenzor modulokat fejleszthessünk zajjal segített érzékeléshez, valamint további alkalmazásokat is lehetővé tesz.

A teljes cikket itt lehet elérni:  http://www.worldscientific.com/doi/abs/10.1142/S0219477514500114 (Fluctuation and Noise Letters, Volume No. 13, Issue No. 2.), a preprintet pedig itt lehet elolvasni: http://arxiv.org/abs/1403.3586

FES mérőrendszer felépítése

A zajjal segített gázérzékelés (FES) vizsgálatához kutatócsoportunk számos mérőrendszert készített. Az első, teljes egészében integrált rendszer [1] blokkvázlata a következő ábrán látható:

FES mérőrendszer blokkvázlata

FES mérőrendszer blokkvázlata

A rendszerben áramlásszabályozókkal állítjuk elő a kívánt gázkoncentrációt, melyet a mérőkamrában lévő szenzor vizsgál.  E szenzor lehet félvezető alapú Taguchi szenzor, valamint szén nanocsöveket tartalmazó szenzor. Utóbbiakat a SANES nevű nemzetközi projekt keretében teszteltük. A szenzor jelének feldolgozását a kutatócsoportunk által elkészített elektronika végezte el, ennek blokkvázlata a következő ábrán látható:

FES adatgyűjtő blokkvázlata

FES adatgyűjtő blokkvázlata

Az elektronikában egy C8051F060-as mikrovezérlőt használtunk fel, mely vezérelte a szenzor fűtését, valamint egyes szenzorok esetén a Gate elektróda feszültségét. E mellett pedig szinkronban mérte a szenzor DC jelét (átlagos ellenállás) valamint a szenzor felerősítet zaját. A mért jeleket a számítógépen futó LabVIEW szoftver regisztrálta és elmentette.

Szenzorok FES alkalmazása esetén kritikus a szenzort kiszolgáló elektronika felépítése, valamint tulajdonságai. Egyrészt, a szenzor zaja nagyon kicsi, így komoly erősítésekre van szükség, miközben az erősítők zaját nagyon alacsonyan kell tartani. Ehhez megfelelő, alacsony feszültség és áramzajú erősítőket kell kiválasztani. E mellett pedig nagyon fontos a mérőrendszer árnyékolása, különben a mérőrendszerbe beszűrődő külső zavarjelek lehetetlenné teszik a mérést.

Szenzor interfész

A szenzort meghajtó és az előerősítést elvégző áramkörök

A szenzor ellenállását két féle módon is mérhetjük: egy feszültségosztó kapcsolásban, valamint áramgenerátor segítségével. Utóbbi előnye, hogy a kimenet lineárisan függ a szenzor ellenállásától, éppen ezért választottuk ezt az elrendezést szenzorunk meghajtására. A szenzor ellenállása az egyik fontos mért paraméter, e mellett mérjük a szenzor ellenállásának véletlenszerű változását. Mivel ez a jel nagyon kicsi, szükség van egy jelentős, 100x-1000x erősítőre ahhoz, hogy elegendő felbontással mérni tudjuk. Az erősítés két lépésben történik meg, mindkét fokozat egy-egy felüláteresztő szűrőt tartalmaz.

[1] Mingesz R, Gingl Z, Kukovecz A, Konya Z, Kordas K, Moilanen H: "Compact USB measurement and analysis system for real-time fluctuation enhanced sensing", Proceedings of the 21st International Conference on Noise and Fluctuations, Toronto, Kanada (2011)

Előzmény: Zajjal segített gázérzékelés (FES)

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