vezetéknélküli fes mérőrendszer fejlesztése

Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.

TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Mingesz Róbert, Gingl Zoltán Makan Gergely ésVadai Gergely

Vezetéknélküli FES mérőrendszer fejlesztése


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Bevezetés: zajjal segített gázérzékelés


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Fémoxid gázszenzorok

• gáz → megváltozik a szenzor ellenállása


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Zajjal segített gázérzékelés

• Korlátozott érzékenység és szelektivitás

• Szelektivitás növelése:–Megfelelő bevonatok

(funkcionalizálás)– Több szenzor alkalmazása


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001


• Ellenállás fluktuációja: információ forrásaFügg:– szenzor anyaga– hőmérséklet– gáz típusa és koncentrációja

• Kérdés: elegendő-e egyetlen szenzor a gáz típusának és koncentrációjának méréséhez?


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001


L.B. Kish et al: "Detecting Harmful Gases Using Fluctuation-Enhanced Sensing With Taguchi Sensors",IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 5, no. 4, august 2005


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Tipikus mérőrendszer diagramja


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Az általunk tervezett mérőrendszer diagramja


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Jel kondicionálás és adatgyűjtés


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Előerősítő elektronika

current

RefSensorS R

URU


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Tervezési szempontok

• Ellenállás-feszültség konverzió: áramgenerátor

• Alacsony zajú referencia• Alacsony zajú erősítők– Feszültség-zaj– Áram-zaj (nagy ellenállású szenzorok esetén)

• Árnyékolás– Belső (nagy erősítés)– Külső (50/60 Hz)


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Korai prototípus


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Mérőelrendezés


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

FES 24


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Aktuális mérőrendszer


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Mérő és vezérlőprogram


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Minta spektrumok


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Analízis menete

• Spektrum számolása• Spektrum megtisztítása

zavarjelek, nagyfrekvenciás komponensek

• Spektrum átlagolása• PCA számolás a számolt spektrumok

alapján


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Minta eredmények különböző gázok

-4 -2 0 2 4 6

-2

-1

0

1

2

400 ppm CO 80 ppm NO 2000 ppm CH4

PC

2 x

1013

PC1 x 1013


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Különböző koncentrációk

-10 -8 -6 -4 -2 0 2 4

-2

-1

0

1

2

25 ppm CO 50 ppm CO 100 ppm CO

PC

2 x

1012

PC1 x 1012


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Bináris ujjlenyomat módszer


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Alacsony energiaigényű megoldások keresése

• Korábbi módszer:nagy mennyiségű adatelemzés (PC)

• Szükség lenne:– Kisméretű, hordozható– Alacsony teljesítményfelvétel– Kis feszültség, akkumulátoros– Vezeték nélküli szenzorhálózatokba

integrálható


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Példa: baktériumok szagának érzékelése (nyers spektrum)Chang H-C, Kish LB, King MD, Kwan C, Fluctuation-enhanced sensing of bacterium odors. SENSORS AND ACTUATORS, B: CHEMICAL 142:(2), pp. 429-434. (2009)


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

„binary fingerprints” módszerChang H-C, Kish LB, King MD, Kwan C, Binary fingerprints at fluctuation-enhanced sensing. SENSORS 10:(1), pp. 361-373. (2010)

LNA

DACMP

DACMP

AVER

AGE

R

SENSOR


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Példa: baktériumok szagának érzékelése (bináris ujjlenyomat)


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Integrált aluláteresztő szűrők

• 1,1mW-4,2mW• Analóg elektronika

TIA

S. Sonkusale, Y. Kim and A. Agarwal, A CMOS front-end IC for fluctuation enhanced sensing, IEEE Sensors, 2005, pp. 1213-1216

SENSOR


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Saját prototípusVezeték nélküli FES modul


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Alacsony fogyasztású FES modul


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Tulajdonságok

• Egyetlen, 3V-os tápfeszültség• Programozható erősítés• 300 A – 600A tápfeszültségfelvétel• 8 szűrőből álló aluláteresztő

szűrőláncHatárfrekvenciák:10, 27, 72, 193, 518, 1389, 3728, 10000 Hz

• 12 bit felbontás


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Energiafogyasztás

Áramkör Áram [A] Teljesítmény [mW]

Szenzor meghajtása 220 0,66Előerősítő 370 1,11Szűrőkörök 30 0,09Mikrovezérlő 710 2,13Összesen 1330 3,99

• Mintavételi frekvencia: 7,4 kHz• 8 csatorna


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Spektrális rekonstrukció


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Mérés menete

• Mért mennyiségek: egyes szűrők kimenete– 1 kHz / csatorna– 12 bit felbontás

• Mérési idő: 10 s• Szórás számolása• Adatok feldolgozása


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

ADC felbontásának hatása

• Mekkora ADC felbontás elegendő?• Legyen a zaj szórása: • Kvantálási zaj: • Mért zaj:


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

ADC felbontásának hatása


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Spektrális rekonstrukció

• Csak a szűrők által szolgáltatott adatok alapján lehet-e következtetni a spektrum alakjára?

• Vizsgált spektrumok: 1/fα típusú• 2 módszer– Direkt–Normalizált


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Direkt módszer


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Normalizált módszer

• 1/f zaj:meghatározható a várt érték a szűrő kimenetén

• Mekkora az eltérés ettől?


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Normalizált módszer


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Két módszer összehasonlítása


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Eredmény 1/f 1,2 zaj esetén


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Eredmény 1/f 0,8 zaj esetén


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Eltérés követéseTesztfüggvény:


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

8 szűrő esetén


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

16 szűrő esetén


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

„Valódi” spektrumok feldolgozása


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Rekonstruált spektrum PCA analízise


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Analízis módszerek összehasonlítása

Nyers jel mérése + PSD számolás majd PCA

Szűrőkimenetek + rekonstrukció majd PCA


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Analízis módszerek összehasonlítása

• Nagyobb spektrális felbontás

• Műveletigény: x• Memóriaigény: x

• Alacsony erőforrásigény

• Műveletigény: x / 50

• Memóriaigény: x / 20

Nyers jel mérése + PSD számolás majd PCA

Szűrőkimenetek + rekonstrukció majd PCA


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Összefoglalás


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Alacsony fogyasztású FES prototípus

• 1,3 mA, 3 V tápfeszültség• akár 390 nap üzemidő CR2032

elemekkel• Kis méret• Alacsony ár (<6000 Ft)


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Spektrális rekonstrukciós módszer

• Mindössze 8 elsőfokú szűrő felhasználása

• Alacsony műveletigény• FES-ben előforduló zajtípusok jól

megkülönböztethetők• Alacsony dimenziószám

mintázatfelismeréshez


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

Alkalmazások

• FES alapú gázérzékelés– Gázok detektálása– Baktériumok észlelése– Kis költségű, vezetéknélküli megoldások

• Zaj mint diagnosztikus eszköz– Eszközök degradációjának érzékelése

• Általános PSD becslő módszer


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

További tervek

• Új, vezetéknélküli FES modul tervezése– Zaj tulajdonságok optimalizálása–Wireless modul

• Hatékony mintázatfelismerési algoritmusok

http://drrm.net/tag/fes/

http://drrm.net/tag/kljn/

http://drrm.net/tag/kljn/


TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001

KöszönetnyilvánításA kutatás a TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 azonosító számú Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése konvergencia program című kiemelt projekt keretében zajlott. A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg.

A kutatási program címe: Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.

vezetéknélküli fes mérőrendszer fejlesztése

Documents