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

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

Ellenállás-szenzor felépítése

Ellenállás-szenzor működése Kiürített réteg

Porózus szenzorok

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

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

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

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

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

Mérési elrendezés

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

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

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)

Műveleti erősítők zaja Példa adatlap: OP 177

Teljes kép

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:

Aluláteresztő szűrő viselkedése

Zaj különböző erősítőknél, impedanciáknál

Referenciafeszültség Ez hajtja meg az áramgenerátort

Szenzor elektronika Áramgenerátor 1000 x előerősítő

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

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

Mérőelektronika

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

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 ...

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)

Eredmények

Eredmények N2O CO

Eredmények

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, http://www.figaro.co.jp/en/top.html OPA132 adatlap AD745 adatlap Modern méréstechnika előadás prezentáció Ron Parr – PCA, http://www.cs.duke.edu/courses/fall09/cps271/pca.pdf http://en.wikipedia.org/wiki/Principal_component_analysis http://www.nlpca.de/pca.html http://cnx.org/content/m11461/latest/