vezetéknélküli fes mérőrendszer fejlesztése
Post on 04-Jan-2016
28 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Bevezetés: zajjal segített gázérzékelés
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Fémoxid gázszenzorok
• gáz → megváltozik a szenzor ellenállása
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Zajjal segített gázérzékelés
• Ellenállás fluktuációja: információ forrásaFügg:– szenzor anyaga– hőmérséklet– gáz típusa és koncentrációja
• Kérdés: elegendő-e egyetlen szenzor a gáz típusának és koncentrációjának méréséhez?
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Zajjal segített gázérzékelés
L.B. Kish et al: "Detecting Harmful Gases Using Fluctuation-Enhanced Sensing With Taguchi Sensors",IEEE SENSORS JOURNAL, vol. 5, no. 4, august 2005
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Tipikus mérőrendszer diagramja
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Az általunk tervezett mérőrendszer diagramja
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Jel kondicionálás és adatgyűjtés
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Előerősítő elektronika
current
RefSensorS R
URU
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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)
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Korai prototípus
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Mérőelrendezés
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
FES 24
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Aktuális mérőrendszer
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Mérő és vezérlőprogram
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Minta spektrumok
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Bináris ujjlenyomat módszer
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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)
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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)
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Példa: baktériumok szagának érzékelése (bináris ujjlenyomat)
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Saját prototípusVezeték nélküli FES modul
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Alacsony fogyasztású FES modul
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Spektrális rekonstrukció
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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:
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
ADC felbontásának hatása
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Direkt módszer
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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?
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Normalizált módszer
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Két módszer összehasonlítása
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Két módszer összehasonlítása
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Eredmény 1/f 1,2 zaj esetén
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Eredmény 1/f 0,8 zaj esetén
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Eltérés követéseTesztfüggvény:
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
8 szűrő esetén
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
16 szűrő esetén
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
„Valódi” spektrumok feldolgozása
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Rekonstruált spektrum PCA analízise
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Analízis módszerek összehasonlítása
Nyers jel mérése + PSD számolás majd PCA
Szűrőkimenetek + rekonstrukció majd PCA
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001
Összefoglalás
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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)
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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/
Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása.
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.
top related