Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben

Az előadások a következő témára: "Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben"— Előadás másolata:

1 Zajok és fluktuációk fizikai rendszerekben
FES Alacsony zajú erősítők 2009. november 18.

2 Gázszenzorok Gázkoncentráció érzékelése spektrométerek
fotoakusztikus módszer rezisztív gázszenzorok (Taguchi-szenzorok) Célok érzékenység növelése szelektivitás növelése gázelegyek érzékelése megbízhatóság/reprodukálhatóság

3 Ellenállás-szenzor felépítése

4 Ellenállás-szenzor működése
Kiürített réteg

5 Porózus szenzorok

6 Érzékenység és szelektivitás
Szelektivitás növelése: megfelelő anyagok kiválasztása bevonatok (funkcionalizálás) működési paraméterek (T) helyes megválasztása

7 Gázok megkülönböztetése
1 szenzor → 1 adat → nem lehet meghatározni a gáz típusát és a koncentrációt egyszerre Több adatra van szükség: több, különböző szenzor egy fajta szenzor különböző paraméterekkel egy szenzorból több adat: szenzorból jövő zaj mérése: Fluctuation Enhanced Sensing

8 Zaj keletkezésének okai
Töltéshordozók fluktuációjából eredő zaj (Hooge formula) Termikus zaj Gáz diffúziója Gázkoncentrációban fellépő mikroszkopikus fluktuációk Gáz adszorpciója és deszorpciója

9 FES alapelve A szenzor zajából (ellenállásváltozás) több információ nyerhető ki, mint csak az ellenállás átlagértékéből → több szenzor helyettesítése

10 Szenzorok felépítése 2 típusú szenzor alkalmazása
félvezető fémoxid (NiO, TiO…) nanocsövek (funkcionalizált)

11

12 Mérési elrendezés

13 Hogy mérjük meg? Az ellenállás változására vagyunk kíváncsiak
frekvenciatartomány: 1Hz – 10 kHz DC ellenállásérték: 10 kΩ – 500 MΩ

14 Mérőelektronika AC mérés követelménye: 1000 – 10000 x erősítés
max zaj: 100 kΩ-os ellenállás termikus zaja

15 Zajforrások az elektronikában
Ellenállások termikus zaja Kis frekvencián ellenállások 1/f zaja Kapacitások zaja (pl. kerámiakondenzátorok ~ mikrofon) Félvezető áramkörök (erősítők) zaja fehér zaj 1/f zaj Hálózati 50 Hz Egyéb zavarjelek (pl. oszcilloszkóp)

16 Műveleti erősítők zaja
Példa adatlap: OP 177

17 Teljes kép

18 Áramzaj Nagyobb impedanciáknál (10 – 100 kΩ ) előtérbe kerül Nem csak a feszültségzajt kell figyelni, hanem az áramzajt is → kis bemenő áramú erősítők: FET-es OP132:

19 Aluláteresztő szűrő viselkedése

20 Zaj különböző erősítőknél, impedanciáknál

21 Referenciafeszültség
Ez hajtja meg az áramgenerátort

22 Szenzor elektronika Áramgenerátor 1000 x előerősítő

23 Az A/D előtt Programozható erősítő (1x – 16x) Anti-aliasing szűrés

24 Problémás pontok Analóg elektronika nagyimpedanciás áramgenerátor
nagyimpedanciás bemenet 10000x erősítés → induktív csatolás → begerjedés Tápfeszültség 50 Hz komoly hidegítés igénye → gerjedés veszélye

25 Mérőelektronika

26 Feldolgozás módja Jelet megmérni. Zajt kinyerni és erősíteni
PSD-t kiszámolni air Mintafelismerő algoritmus

27 PCA Cél: sok adat → kevés, de jellemző adat (dimenziócsökkentés)
Lineáris vetítés egy 2D síkra (/3D térre) az első tengely esetén a legnagyobb a szórás (PC1) PC2 második legnagyobb szórás ...

28

29 PCA Előnyök Hátrányok Hasonló módszerek számos implementáció
egyszerű használat Hátrányok feltételezés: Gauss hibák Lineáris nem címkézettek az adatok Hasonló módszerek kernel PCA ICA (independent component analysis) (→ nem Gauss) LDA (linear discriminant analysis) (→ címkézés)

30 Eredmények

31 Eredmények N2O CO

32 Eredmények

33 Források ANALOG DEVICES, http://www.analog.com/
Physical properties of thin metal films, szerző: G. P. Zhigal'skii,Brian K. Jones L.B. Kish et. al.: „Detecting Harmful Gases Using Fluctuation-Enhanced Sensing With Taguchi Sensors”, IEEE Sensors Journal, Vol. 5, No. 4, August 2005 Molnár Dániel: „Fluktuáción alapuló gázdetektálás alkalmazása szén nanocső alapú gázszenzorokra”, TDK dolgozat N. Barsan & U. Weimar, „Conduction Model of Metal Oxide Gas Sensors”, Journal of Electroceramics, 7, 143–167, 2001 FIGARO, OPA132 adatlap AD745 adatlap Modern méréstechnika előadás prezentáció Ron Parr – PCA,