Ontwikkeling van Sensorenarrays
Belang van Gasdetectie
De detectie van gassen in stedelijke en industriële omgevingen is belangrijk. Het zorgt ervoor dat mensen in een gezonde en veilige omgeving kunnen werken. Voor bijna elk gas is er een gassensor die het gas kan detecteren en de concentratie ervan kan bepalen. In een ideale wereld zou de respons van een sensor alleen afhangen van de gasconcentratie van het betreffende component. In deze situatie zou het gedetecteerde signaal SA door sensor A voor component A eruitzien als:S_A = k_AA.[A] [1]Sensor Respons Mechanisme
Waar SA het gemeten signaal door sensor A is, k_AA is de responsfactor van de sensor A op molecuul A en [A] is de concentratie van molecuul A.
Lineaire Relaties en Realiteitsuitdagingen
Zie figuur 1.
De meeste sensoren die zijn ontwikkeld tonen een lineaire relatie tussen de concentratie van de stof en de signaalsterkte, zo niet wordt het signaal gelineariseerd. In werkelijkheid is de respons van sensoren niet ideaal aangezien ze kunnen reageren met verschillende componenten en wordt beïnvloed door veranderende temperatuur, vochtigheid en druk. De invloed van de temperatuur, vochtigheid en de druk op het gemeten signaal valt buiten het bereik van dit artikel.
Kruisgevoeligheid van Sensoren
De reactie van de sensor op verschillende moleculen wordt kruisgevoeligheid genoemd. Als we bijvoorbeeld twee moleculen A en B hebben, kan de respons van de sensor A worden beschreven als:
S_A = k_AA.[A] + k_BA.[B] [2]De grafiek van vergelijking [2] ziet eruit als:
Zie figuur 2.
In de ideale situatie is kBA, de respons van sensor A op molecuul B, nul. Als de waarde van kBA niet nul is, is er een probleem. Het is niet meer duidelijk of de sensor reageert op molecuul A of B. Als we geen informatie hebben behalve de signaalsterkte die van de sensor komt, is de oplossing van [2] een lijn. Voor de meeste toepassingen is dit geen acceptabele oplossing. Om dit probleem te overwinnen ontwikkelt Ravebo B.V. een sensorenarray. Het belangrijkste idee achter de sensorenarray is om een systeem te ontwikkelen dat relatief goedkope sensoren kan gebruiken en toch de concentratie van de verschillende componenten met grote precisie kan meten. De sensorenarray bestaat uit een aantal sensoren gelijk aan het aantal beschikbare gassen en de matrix K die compenseert voor alle bekende kruisinterferenties.
Oplossing via Sensorenarrays
De matrixberekening ziet er als volgt uit:
S=Kc [3]Waar S de responsvector van de sensoren is, K is de kruisinterferentiematrix en c is de concentratievector.
Matrix Berekeningen voor Sensoren
Als de matrix K een inverse K_inv heeft, kunnen we vergelijking [3] oplossen voor c.
K_inv.S = K_inv.K.c = c [4]Dus het hoofdprobleem van het vinden van de ware concentraties c is teruggebracht tot het vinden van de matrix K en zijn inverse.
Procedure voor het Bepalen van Matrix K
Om de matrix K te bepalen kan de volgende procedure worden gebruikt.
Bepaal de gassen die beschikbaar zijn in de gasmatrix. In ons voorbeeld zullen we de gassen A, B en C gebruiken. Het creëren van een grafiek is normaal gesproken een goed startpunt om de verschillende interacties te visualiseren.
Zie figuur 3.
Gebruik verschillende kalibratiegassen om de responsfactoren van elke sensor op de toegepaste gassen te bepalen en bepaal de lineariteit ervan. Uit deze tests kunnen de verschillende k-waarden worden berekend.
Creëer de matrix K met de verschillende k-waarden. In ons voorbeeld zou dit de vorm aannemen:
K = [[k_AA, k_AB, k_AC], [k_BA, k_BB, k_BC], [k_CA, k_CB, k_CC]]Bepaal of de determinant van de matrix K niet gelijk is aan nul. Als de determinant gelijk is aan nul, is de matrix K niet omkeerbaar.
Gebruik Gauss-eliminatie of een andere procedure om K_inv te bepalen.
Na de bovenstaande procedure is het nu relatief eenvoudig om de werkelijke concentraties c te berekenen in plaats van de gemeten concentratie S.