Sensorteknik EEM031. Inst f Biomedicinsk teknik. Sensorteknik

Transkript

1 Sensorteknik EEM031 Inst f Biomedicinsk teknik Johan.Nilsson@bme.lth.se Christian.Antfolk@bme.lth.se Sensorteknik Mätning av allt från: tryck, temperatur, hastighet, flöde m.m. lukt, kemisk sammansättning och medicinsk avbildning. Enkla givare - komplexa mätsystem Projektkurs, läsperiod 1 (HT LP1)

2 Sensorteknik Idag Vad är en sensor Behov Kursinformation Projektindelning SENSOR from Latin sentire to perceive (märka, se, varsebli) Provide us with information about physical and chemical signals Webster s Collegiate Dictionary: A device that responds to a physical (or chemical) stimulus (such us heat, light, sound, pressure, magnetism or particular motion) and transmits a resulting impulse Thus, a sensor can detect an input signal (or energy) and convert it to an appropriate output signal (or energy).

3 Sensorer (Wikipedia) En sensor är ett samlingsbegrepp på en apparat eller anläggning som insamlar, konverterar och i vissa fall distribuerar någon form av stimuli eller data. Våra fem sinnen kan betraktas som olika biologiska sensorer. Ett elektriskt system kommunicerar med omvärlden med hjälp av sensorer och aktuatorer. Nästan alla fysiska egenskaper hos ett material som varierar i förhållande till någon stimulans kan användas för att skapa en sensor. Sensors Principle Physical stimulus -> Electric signal (often) Ex. Pressure Temperature Flow Levelx Voltage Current Impedance Fraden, Handbook of Modern Sensors Physics, Designs, and Applicationse ISBN

4 Sensors Linear Non-linear Hysteresis Saturation Fraden, Handbook of Modern Sensors Physics, Designs, and Applicationse ISBN Sensors Sensor dynamics Fraden, Handbook of Modern Sensors Physics, Designs, and Applicationse ISBN

5 Sensors Measurement systems Ex. Display Feedback Fraden, Handbook of Modern Sensors Physics, Designs, and Applicationse ISBN SCANRAFF - Preemraff 2003 Refinery Lysekil Crude oil - different components Propen polymer grade

6 Block diagram - destillation Equipment - sensors

7 Equipment - sensors Tillverkningsindustrin - Automation

8 Pappersproduktion - Automation Siemens Coal-fired power plant in Puertollano - No pollution carbon dioxide can be seperated and stored in underground caverns Siemens

9 Miljö och klimat - ERS-2 ENVISAT enviromental satellite Temperatur Lufttryck Vindhastighet Fuktighet Läge Ny Teknik 2002:8 California fires Chlorophyll Interferogram Ozon

10 GPS - Global Positioning System Siemens Curiosity - the Mars rover

11 Bilindustri - Fordonssäkerhet Autoliv NyTeknik 2012 Smarta hem

12 Smarta hem Ex. Point från Minut (Start-up i Malmö) Point includes sensors to measure air pressure and quality (using our own patent pending sensor), a microphone array measuring sounds from sub-hertz to bat-level frequencies, a humidity sensor, a temperature sensor and two processors for analyzing the data. FREESCALE Kampen om sensordata Maratonlöpare tror att bärbar elektronik hjälper dem till framgång det blev tydligt i Freescales undersökning av 500 aktiva löpare som tränare för maraton och som redan använder någon form av elektronik. Av de tillfrågade använder redan 74 procent elektronik (wearable techno logy) i sin träning, medan 88 procent planerar att göra det. Samtidigt ansåg 78 procent att elektroniken ger dem en konkurrensfördel, medan 88 procent använder tekniken för att motivera sig. Figuren avslöjar vad löparna önskar sig av den bärbara elektroniken för att nå bättre resultat. FAKTA: Sensorhubb kontra sensornod En sensorhubb är en krets som för några dollar samlar data från flera externa eller integrerade sensorer och bearbetar data från dessa. Uppgiften är att avlasta huvudprocessorn. En sensornod är snarare en enkel sensor som kan ha en egen processorkärna för att bearbeta data. Flera sensornoder kan således kopplas till en sensorhubb som konsoliderar sensoringångarna och levererar användbar information till värdprocessorn snarare än att bara erbjuda rå sensordata till applikationsprocessorn. För bara något år sedan talade knappt någon om sensor hubbar. Idag slåss halvledartillverkarna om att ta marknadsandelar. Företag som Freescale, Bosch och Atmel är bara några som just nu gör allt för att haka på racet. M änniskans uttalade vilja att kunna mäta, känna av, analysera och styra allt fler funktioner i sitt dagliga liv driver utvecklingen av sensorer. Sensorerna har tagit plats i smartmobilen, där de än så länge främst används för att identifiera rörelse och gester i tre dimensioner. Likaså banar de väg för än fler innovativa bärbara elektronikprylar som ska stötta oss i det mesta vi gör. De har klivit in på industrigolvet samtidigt som de mutar in mer plats i våra bilar. Vi ser en enorm efterfrågan på sensorer. Framförallt är det tre områden som driver på Internet of Things, fordon och konsumentprodukter i form av bärbar elektronik med allt mer funktionalitet, säger Jeanne Forget-Funk, marknadsansvarig på Bosch Sensortec. BOSCH SENSORTEC är den tyska elektronikjätten Robert Boschs dotterbolag som tillverkar mikromekaniska sensorer. Förra året lade företaget in överväxeln, tog sig förbi fransk-italienska ST Mic roelectronics, och är numera världens största tillverkare av minimala sensorer. Men Bosch Sensortec erbjuder inte enbart sensorer. Även sensorhubbar som kombinerar olika sensorer med dataprocessning är på väg att bli en viktig produkt i det tyska företagets portfölj. För ett drygt år sedan släpptes sensorhubben BNO055, företagets första medlem i en ny familj som inkluderar sensorer och sensorfusion i samma kapsel. Under skalet ryms en treaxlig 14-bitars accelerometer, ett treaxligt 16-bitars gyro, en treaxlig geomagnetisk sensor och en 32-bitars styrkrets. Till detta kommer företagets tredje generation programvara, kallad BSX3.0 FusionLib, med uppgift att bearbetar rådata från de olika sensorerna. För bara någon månad sedan avslöjade dock företaget ett nytt grepp som bygger på ett samarbete med amerikanska Hillcrest Labs, som utvecklar mjukvaran SH-1 för energisnål sensorfusion. Kretsen sprungen ur det nya samarbetet, kallad BNO070, bygger på fjolårets release men är en skräddarsydd sensorlösning för videoglasögon (Head Mounted Display, HMD). D E FÖRSTA PROVERNA av BNO070 är på väg och väntas nå nyckelkunder under mitten av detta år. Vi vill nå ut ännu snabbare på marknaden, därav samarbetet med Hillcrest Labs vars mjukvara är optimerad för HMD-tilllämpningar. Detta är vårt första samarbete av denna typ, men vi är öppna för att göra likadant inom andra områden, säger Jeanne Forget-Funk till Elektroniktidningen. För Hillcrest Labs som tillhör ledarna inom sitt gebit är I våras lanserade Bosch Sensortec och Hillcrest Labs en sensorlösning, BNO070, speciellt framtagen för videoglasögon. Den kan exempelvis styra rörelse, fungera som kompass, räkna steg, känna igen gester samt förmedla utökad realitet med projicerade bilder eller video. detta självklart en fjäder i hatten. Företagets programvara går att få som en nyckelfärdig lösning med Atmels färska SAM D20 Cortex M0+, men är även kompatibel med andra MCU:er baserade på Arm Cortex M0+, M3 och M4. SH-1 KAN SKRÄDDARSYS för en mängd tillämpningar förutom videoglasögon, exempelvis smartmobiler, annan bärbar elektronik och IoT-produkter. Genom de inbyggda energisparfunktionerna påstås den kunna hantera det man kallar alwayson-avkänning utan att göra avkall på prestanda. Det som driver utvecklingen av nya arkitekturer som sensorhubbar är kravet på lägre energiförbrukning när data från allt fler sensorer måste processas. Alla Bosch Sensortecs BNO055 håller koll på absolut läge. Den är bara 5,2 5 3,8 5 1,1 mm. Kretsen inkluderar Hillcrest Labs mjukvara för videoglasögon liksom accelerometer, gyro, magnetometer och en 32-bitars processor. delar behöver effekt, men för att ekvationen ska gå ihop när antalet sensorer ökar måste effektförbrukningen optimeras i varje detalj, förklarar Chade Lucien, marknadsansvarig på Hillcrest Labs. Sensorhubbarkitekturen har från början utvecklats för att avlasta den energislukande applikationsprocessorn i smartmobiler. Idag finns det lösningar i flera kulörter. Vissa tar enbart hand om grundläggande sensorkalibrering och sensorfusion, medan andra inkluderar effekthanteringslogik, sköter drivningen av sensorerna ibland upp till tio stycken och hanterar alwayson-funktioner. Amerikanska Atmel är ledande när det gäller styrkretsar för sensorhubbar. Företaget har FAKTA: Sensorhubbar ser en e Analysföretaget IHS Technology pekar på en explosionsartad tillväxt för sensor hubbar under de närmaste åren. Under femårsperioden 2012 till 2017 kommer antalet sålda enheter att mer än tiofaldigas. Hubbarna har kommit till för att avlasta huvudprocessorn i mobiltelefoner och läsplattor, men framåt är det den stundande sensorrevolutionen pådriven av allt mer uppkopplade bärbara prylar (wearables) och Internet of Things som piskar på utvecklingen. Enligt IHS Technology kan sensorhubbarna delas upp i tre grupper:

13 NASA Wants Help Training Valkyrie Robots to Go to Mars By Evan Ackerman Posted 24 Jun :00 GMT Photo: Evan Ackerman/IEEE Spectrum NASA envisions Valkyrie as a robotic helper to human astronauts. NASA s Valkyrie robot ( didn t have a very good time at the DARPA Robotics Challenge (DRC) Trials. There are a bunch of good reasons for this ( but our concern has always been that NASA would see the DRC Trials as a failure of the robot and the program and just give up. We should have had more faith, because NASA is in this for the long game, and so is Valkyrie. And where does the long game end? Mars. And beyond. At the exhibit area that was part of the DRC Finals earlier this month ( NASA had two Valkyrie robots on display, and they even performed a brief demonstration involving both mobility and manipulation. We got a chance to speak with the Valkyrie team, including project manager Kris Verdeyen, about the future of Valkyrie. Robot Sony's humanoid QRIO Sony's recently discontinued Aibo cybernetic human HRP-4C

14 REEM Internet of Things

15 Sensorer vårt interface mot verkligheten Intelligens och sensorisk perception är nära relaterade till varandra

16 Har vi behov av nya sensorer? Artikel i Automation Reglerproblemen i pappers & massaindustrin Fråga till driftingenjörer, utvecklingsingenjörer, systemtekniker och instrumenttekniker på Assidomän samt forskare vid Högskolor och externa konsulter och instrumentleverantörer

17 Bättre mätteknik

18 Efterlyser mätare att lita på Artikel i Automation

19 Läkemedlesindustri Mål: Hög kvalité Låga kostnader Krav: Kritiska parametrar i tillverkningsprocessen mäts i realtid Sensorteknik - Målsättning Ge en översikt över de vanligaste metoderna för mätning av icke elektriska storheter. Genomföra ett projektarbete. Fördjupning inom ett givet ämne (givartyp/mätprincip). Experimentell erfarenhet av vanliga givare. Förberedelse av demonstrationer. Ge föreläsning på fördjupningsarbetet Skriva rapport.

20 Sensorteknik - kursinformation. Kursen "Sensorteknik" ges under höstterminens första läsperiod (HT LP1). Kursen ges i projektform där deltagarna fördjupar sig i och föreläser om var sitt ämne (givartyp och/eller mätmetod) och i samband med föreläsningen demonstrerar någon givartyp eller mätsituation. Efter varje föreläsning kommer presentationen att bedömas både då det gäller innehåll och framförande. För att deltagarna (föreläsarna) skall få ett någorlunda stort auditorium får åhörare tillgodoräkna sig bonuspoäng (0.3 poäng för varje föreläsningstillfälle). I kursen ingår även tre laborationer. Laborationerna ger experimentell erfarenhet av de vanligaste givarna i några olika mätapplikationer: Töjnings- och flödesmätning Temperatur- och varvtalsmätning Sensorer Sensorteknik Laborationer Töjnings- och flödesmätning Temperatur- och varvtalsmätning Sensorer

21 Sensorteknik - kursinformation. För att få kursen godkänd utan tentamen (betyg 3) krävs att följande delmoment har genomförts och blivit godkända: 1. Projekt (fördjupning inom ett givet ämne, förberedelse av demonstrationer, föreläsning och rapportskrivning). 2. Laborationer och tillhörande skriftliga eller muntliga kontrollfrågor. 3. Närvaro vid 80% av föreläsningarna under läsveckor 2-7 Sensorteknik - kursinformation. En skriftlig tentamen ges i slutet av kursen för de som vill ha betyg 4 eller 5, eller för de deltagare som inte har varit närvarande vid tillräckligt många föreläsningar. Eventuella bonuspoäng kan tillgodoräknas vid första ordinarie tentamenstillfället. Föreläsningsplan läsvecka 1-2: Tis 30-aug E:1328 Introduktion, indelning i projektgrupper. Ons 31-aug E:1328 Gruppindelning, allmänt om sensorer. Tor 1-sep Ingen föreläsning Tis 6-sep E:1328 Arduino Christian Antfolk Ons 7-sep Ingen föreläsning Tor 8-sep E:1328 Föreläsningsteknik Torgny Roxå Därefter föreläsningar av kursdeltagare. Schema sammanställs under första läsveckan. Kurslitteratur: Grahm, Jubrink, Lauber "Modern Industriell Mätteknik" (Finns på KFS) Kursansvariga: Johan Nilsson, rum 1342, Christian Antfolk, rum 1330A

22 Sensorteknik - projekt. 1. Trådtöjningsgivare 2. Piezoelektriska och magnetostriktiva givare 3. Mikrosensorer (mikromekanik) 4. Ljus och optisk mätteknik 5. Längd, läge, position och tjocklek 6. Hastighet,varvtal och vridmoment 7. Kraft, massa, densitet och nivåmätning 8. Tryck i vätskor och gaser, fuktighetsmätning 9. Mekaniska vibrationer, acceleration och ljudmätning 10. Flöde i gaser och vätskor, viskositet 11. Temperaturmätning 12. Kemiska givare, biosensorer 13. Ultraljud och icke förstörande provning 14. Miljömätteknik 15. Medicinsk mätteknik