Sulautettu pitoisuusanalysaattori

Diplomityö

Translated title of the contribution: Embedded composition analyzer: Master's Thesis

Rami Aikio

Research output: ThesisMaster's thesisTheses

Abstract

Aineen pitoisuutta voidaan mitata säteilyenergian absorptioon perustuen. Pitoisuusmittaus lähi-infrapuna-alueella on kohtuullisen hintainen, nopea ja kosketukseton menetelmä. Aiemmin lähi-infrapuna-alueen säteilylähteenä on käytetty hehkulamppua tai mustan kappaleen säteilijää. Niiden käyttäminen vaatii usein liikkuvia osia, mistä aiheutuu käyttökustannuksia ja rajoituksia käyttökohteisiin. Puolijohdetekniikan kehittymisen myötä ledien optiset tehotasot ja aallonpituusvalikoima ovat kasvaneet, ja ledit haastavat perinteisiä säteilylähteitä. Diplomityön keskeisenä tavoitteena oli tutkia, saavutetaanko lähi-infrapunaalueen leditekniikalla kilpailukykyinen suorituskyky pitoisuusanalysaattorina hehkulampputoteutukseen verrattuna. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin paperin kosteuspitoisuutta mittaavan prototyypin elektroniikkaosat ja laskentaohjelma. Prototyyppi rakennettiin kaupallisen sulautetun järjestelmän ympärille. Aiempien kokemusten perusteella pitoisuusmittauksen tarkkuustavoitteeksi 1 ms:n mittausajalla asetettiin 0,2 kosteusprosenttia, toistettavuudeksi 0,15 ja mittauksen 2 -kohinaksi 0,6 kosteusprosenttia. Valolähteenä toimi nelikanavainen ledimoduuli, jonka optiset huippuaallonpituudet olivat 1,2, 1,4, 1,9 ja 2,1 μm. Optiseksi ilmaisimeksi valittiin valodiodi, ja sille suunniteltiin pienikohinainen transimpedanssivahvistin. Optisten aallonpituuksien erottelussa hyödynnettiin taajuusjakoista multipleksointia. Työssä tutustuttiin usean modulaatiotaajuuden vaiheherkkään ilmaisuun ja toteutettiin se digitaalisesti FPGA-piirille. Sekä ledien ohjauksen että ilmaisun aaltomuotona käytettiin siniaaltoa. Pitoisuusanalysaattorille tehtyjen laboratoriotestien perusteella asetetut tavoitteet saavutettiin. Parhaimmillaan tarkkuudeksi mitattiin 0,14, toistettavuudeksi 0,01 ja 2 -kohinaksi 0,04 kosteusprosenttia. Ilmaisun kanavakohtaisiksi signaali-kohinasuhteiksi saatiin 70–85 dB, kun kaikki ledit olivat päällä. Lopputuloksena todettiin, että leditekniikalla saavutetaan jopa parempi suorituskyky kuin hehkulampuilla. Käytetty menetelmä on mahdollista laajentaa muille aallonpituuksille sekä useamman aallonpituuden tai kokonaisen spektrin jatkuvaan mittaukseen.
Original languageFinnish
QualificationMaster Degree
Awarding Institution
  • University of Oulu
Place of PublicationOulu
Publisher
Publication statusPublished - 2009
MoE publication typeG2 Master's thesis, polytechnic Master's thesis

Keywords

  • Spektrometri
  • NIR
  • led
  • vaiheherkkä ilmaisu
  • FPGA

Cite this

Aikio, R. (2009). Sulautettu pitoisuusanalysaattori: Diplomityö. Oulu: University of Oulu.
Aikio, Rami. / Sulautettu pitoisuusanalysaattori : Diplomityö. Oulu : University of Oulu, 2009. 65 p.
@phdthesis{4447e6f89e074ac298f03ae8fd6492c3,
title = "Sulautettu pitoisuusanalysaattori: Diplomity{\"o}",
abstract = "Aineen pitoisuutta voidaan mitata s{\"a}teilyenergian absorptioon perustuen. Pitoisuusmittaus l{\"a}hi-infrapuna-alueella on kohtuullisen hintainen, nopea ja kosketukseton menetelm{\"a}. Aiemmin l{\"a}hi-infrapuna-alueen s{\"a}teilyl{\"a}hteen{\"a} on k{\"a}ytetty hehkulamppua tai mustan kappaleen s{\"a}teilij{\"a}{\"a}. Niiden k{\"a}ytt{\"a}minen vaatii usein liikkuvia osia, mist{\"a} aiheutuu k{\"a}ytt{\"o}kustannuksia ja rajoituksia k{\"a}ytt{\"o}kohteisiin. Puolijohdetekniikan kehittymisen my{\"o}t{\"a} ledien optiset tehotasot ja aallonpituusvalikoima ovat kasvaneet, ja ledit haastavat perinteisi{\"a} s{\"a}teilyl{\"a}hteit{\"a}. Diplomity{\"o}n keskeisen{\"a} tavoitteena oli tutkia, saavutetaanko l{\"a}hi-infrapunaalueen leditekniikalla kilpailukykyinen suorituskyky pitoisuusanalysaattorina hehkulampputoteutukseen verrattuna. Ty{\"o}ss{\"a} suunniteltiin ja toteutettiin paperin kosteuspitoisuutta mittaavan prototyypin elektroniikkaosat ja laskentaohjelma. Prototyyppi rakennettiin kaupallisen sulautetun j{\"a}rjestelm{\"a}n ymp{\"a}rille. Aiempien kokemusten perusteella pitoisuusmittauksen tarkkuustavoitteeksi 1 ms:n mittausajalla asetettiin 0,2 kosteusprosenttia, toistettavuudeksi 0,15 ja mittauksen 2 -kohinaksi 0,6 kosteusprosenttia. Valol{\"a}hteen{\"a} toimi nelikanavainen ledimoduuli, jonka optiset huippuaallonpituudet olivat 1,2, 1,4, 1,9 ja 2,1 μm. Optiseksi ilmaisimeksi valittiin valodiodi, ja sille suunniteltiin pienikohinainen transimpedanssivahvistin. Optisten aallonpituuksien erottelussa hy{\"o}dynnettiin taajuusjakoista multipleksointia. Ty{\"o}ss{\"a} tutustuttiin usean modulaatiotaajuuden vaiheherkk{\"a}{\"a}n ilmaisuun ja toteutettiin se digitaalisesti FPGA-piirille. Sek{\"a} ledien ohjauksen ett{\"a} ilmaisun aaltomuotona k{\"a}ytettiin siniaaltoa. Pitoisuusanalysaattorille tehtyjen laboratoriotestien perusteella asetetut tavoitteet saavutettiin. Parhaimmillaan tarkkuudeksi mitattiin 0,14, toistettavuudeksi 0,01 ja 2 -kohinaksi 0,04 kosteusprosenttia. Ilmaisun kanavakohtaisiksi signaali-kohinasuhteiksi saatiin 70–85 dB, kun kaikki ledit olivat p{\"a}{\"a}ll{\"a}. Lopputuloksena todettiin, ett{\"a} leditekniikalla saavutetaan jopa parempi suorituskyky kuin hehkulampuilla. K{\"a}ytetty menetelm{\"a} on mahdollista laajentaa muille aallonpituuksille sek{\"a} useamman aallonpituuden tai kokonaisen spektrin jatkuvaan mittaukseen.",
keywords = "Spektrometri, NIR, led, vaiheherkk{\"a} ilmaisu, FPGA",
author = "Rami Aikio",
note = "CA2: TK606 Oulun yliopisto ; S{\"a}hk{\"o}- ja tietotekniikan osasto",
year = "2009",
language = "Finnish",
publisher = "University of Oulu",
address = "Finland",
school = "University of Oulu",

}

Aikio, R 2009, 'Sulautettu pitoisuusanalysaattori: Diplomityö', Master Degree, University of Oulu, Oulu.

Sulautettu pitoisuusanalysaattori : Diplomityö. / Aikio, Rami.

Oulu : University of Oulu, 2009. 65 p.

Research output: ThesisMaster's thesisTheses

TY - THES

T1 - Sulautettu pitoisuusanalysaattori

T2 - Diplomityö

AU - Aikio, Rami

N1 - CA2: TK606 Oulun yliopisto ; Sähkö- ja tietotekniikan osasto

PY - 2009

Y1 - 2009

N2 - Aineen pitoisuutta voidaan mitata säteilyenergian absorptioon perustuen. Pitoisuusmittaus lähi-infrapuna-alueella on kohtuullisen hintainen, nopea ja kosketukseton menetelmä. Aiemmin lähi-infrapuna-alueen säteilylähteenä on käytetty hehkulamppua tai mustan kappaleen säteilijää. Niiden käyttäminen vaatii usein liikkuvia osia, mistä aiheutuu käyttökustannuksia ja rajoituksia käyttökohteisiin. Puolijohdetekniikan kehittymisen myötä ledien optiset tehotasot ja aallonpituusvalikoima ovat kasvaneet, ja ledit haastavat perinteisiä säteilylähteitä. Diplomityön keskeisenä tavoitteena oli tutkia, saavutetaanko lähi-infrapunaalueen leditekniikalla kilpailukykyinen suorituskyky pitoisuusanalysaattorina hehkulampputoteutukseen verrattuna. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin paperin kosteuspitoisuutta mittaavan prototyypin elektroniikkaosat ja laskentaohjelma. Prototyyppi rakennettiin kaupallisen sulautetun järjestelmän ympärille. Aiempien kokemusten perusteella pitoisuusmittauksen tarkkuustavoitteeksi 1 ms:n mittausajalla asetettiin 0,2 kosteusprosenttia, toistettavuudeksi 0,15 ja mittauksen 2 -kohinaksi 0,6 kosteusprosenttia. Valolähteenä toimi nelikanavainen ledimoduuli, jonka optiset huippuaallonpituudet olivat 1,2, 1,4, 1,9 ja 2,1 μm. Optiseksi ilmaisimeksi valittiin valodiodi, ja sille suunniteltiin pienikohinainen transimpedanssivahvistin. Optisten aallonpituuksien erottelussa hyödynnettiin taajuusjakoista multipleksointia. Työssä tutustuttiin usean modulaatiotaajuuden vaiheherkkään ilmaisuun ja toteutettiin se digitaalisesti FPGA-piirille. Sekä ledien ohjauksen että ilmaisun aaltomuotona käytettiin siniaaltoa. Pitoisuusanalysaattorille tehtyjen laboratoriotestien perusteella asetetut tavoitteet saavutettiin. Parhaimmillaan tarkkuudeksi mitattiin 0,14, toistettavuudeksi 0,01 ja 2 -kohinaksi 0,04 kosteusprosenttia. Ilmaisun kanavakohtaisiksi signaali-kohinasuhteiksi saatiin 70–85 dB, kun kaikki ledit olivat päällä. Lopputuloksena todettiin, että leditekniikalla saavutetaan jopa parempi suorituskyky kuin hehkulampuilla. Käytetty menetelmä on mahdollista laajentaa muille aallonpituuksille sekä useamman aallonpituuden tai kokonaisen spektrin jatkuvaan mittaukseen.

AB - Aineen pitoisuutta voidaan mitata säteilyenergian absorptioon perustuen. Pitoisuusmittaus lähi-infrapuna-alueella on kohtuullisen hintainen, nopea ja kosketukseton menetelmä. Aiemmin lähi-infrapuna-alueen säteilylähteenä on käytetty hehkulamppua tai mustan kappaleen säteilijää. Niiden käyttäminen vaatii usein liikkuvia osia, mistä aiheutuu käyttökustannuksia ja rajoituksia käyttökohteisiin. Puolijohdetekniikan kehittymisen myötä ledien optiset tehotasot ja aallonpituusvalikoima ovat kasvaneet, ja ledit haastavat perinteisiä säteilylähteitä. Diplomityön keskeisenä tavoitteena oli tutkia, saavutetaanko lähi-infrapunaalueen leditekniikalla kilpailukykyinen suorituskyky pitoisuusanalysaattorina hehkulampputoteutukseen verrattuna. Työssä suunniteltiin ja toteutettiin paperin kosteuspitoisuutta mittaavan prototyypin elektroniikkaosat ja laskentaohjelma. Prototyyppi rakennettiin kaupallisen sulautetun järjestelmän ympärille. Aiempien kokemusten perusteella pitoisuusmittauksen tarkkuustavoitteeksi 1 ms:n mittausajalla asetettiin 0,2 kosteusprosenttia, toistettavuudeksi 0,15 ja mittauksen 2 -kohinaksi 0,6 kosteusprosenttia. Valolähteenä toimi nelikanavainen ledimoduuli, jonka optiset huippuaallonpituudet olivat 1,2, 1,4, 1,9 ja 2,1 μm. Optiseksi ilmaisimeksi valittiin valodiodi, ja sille suunniteltiin pienikohinainen transimpedanssivahvistin. Optisten aallonpituuksien erottelussa hyödynnettiin taajuusjakoista multipleksointia. Työssä tutustuttiin usean modulaatiotaajuuden vaiheherkkään ilmaisuun ja toteutettiin se digitaalisesti FPGA-piirille. Sekä ledien ohjauksen että ilmaisun aaltomuotona käytettiin siniaaltoa. Pitoisuusanalysaattorille tehtyjen laboratoriotestien perusteella asetetut tavoitteet saavutettiin. Parhaimmillaan tarkkuudeksi mitattiin 0,14, toistettavuudeksi 0,01 ja 2 -kohinaksi 0,04 kosteusprosenttia. Ilmaisun kanavakohtaisiksi signaali-kohinasuhteiksi saatiin 70–85 dB, kun kaikki ledit olivat päällä. Lopputuloksena todettiin, että leditekniikalla saavutetaan jopa parempi suorituskyky kuin hehkulampuilla. Käytetty menetelmä on mahdollista laajentaa muille aallonpituuksille sekä useamman aallonpituuden tai kokonaisen spektrin jatkuvaan mittaukseen.

KW - Spektrometri

KW - NIR

KW - led

KW - vaiheherkkä ilmaisu

KW - FPGA

M3 - Master's thesis

PB - University of Oulu

CY - Oulu

ER -

Aikio R. Sulautettu pitoisuusanalysaattori: Diplomityö. Oulu: University of Oulu, 2009. 65 p.