Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mingesz Róbert, Gingl.

Az előadások a következő témára: "Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mingesz Róbert, Gingl."— Előadás másolata:

1 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 és Vadai Gergely Vezetéknélküli FES mérőrendszer fejlesztése

2 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

3 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

4 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

5 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 forrása Függ: – szenzor anyaga – hőmérséklet – gáz típusa és koncentrációja Kérdés: elegendő-e egyetlen szenzor a gáz típusának és koncentrációjának méréséhez?

6 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

7 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Tipikus mérőrendszer diagramja

8 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

9 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

10 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Előerősítő elektronika

11 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)

12 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Korai prototípus

13 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mérőelrendezés

14 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 FES 24

15 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Aktuális mérőrendszer

16 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Mérő és vezérlőprogram

17 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Minta spektrumok

18 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

19 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

20 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Különböző koncentrációk

21 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Bináris ujjlenyomat módszer

22 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

23 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)

24 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)

25 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 „binary fingerprints” módszer Chang H-C, Kish LB, King MD, Kwan C, Binary fingerprints at fluctuation- enhanced sensing. SENSORS 10:(1), pp. 361-373. (2010) LNA DACMPDACMP AVERAGER SENSOR

26 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)

27 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

28 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Saját prototípus Vezeték nélküli FES modul

29 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

30 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 – 600  A tápfeszültségfelvétel 8 szűrőből álló aluláteresztő szűrőlánc Határfrekvenciák: 10, 27, 72, 193, 518, 1389, 3728, 10000 Hz 12 bit felbontás

31 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 2200,66 Előerősítő 3701,11 Szűrőkörök 300,09 Mikrovezérlő 7102,13 Összesen 13303,99 Mintavételi frekvencia: 7,4 kHz 8 csatorna

32 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Spektrális rekonstrukció

33 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

34 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 ADC felbontásának hatása

35 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 ADC felbontásának hatása

36 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/f α típusú 2 módszer – Direkt – Normalizált

37 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Direkt módszer

38 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Normalizált módszer

39 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Normalizált módszer

40 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Két módszer összehasonlítása

41 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Két módszer összehasonlítása

42 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

43 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

44 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Eltérés követése Tesztfüggvény:

45 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 8 szűrő esetén

46 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 16 szűrő esetén

47 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 „Valódi” spektrumok feldolgozása

48 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

49 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

50 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

51 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Összefoglalás

52 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)

53 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

54 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

55 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/

56 Zajok és véletlen jelenségek interdiszciplináris területeken való alkalmazásának kutatása és oktatása. TÁMOP-4.2.4.A/2-11/1-2012-0001 Köszönetnyilvánítás A 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.