Signals and Statistics (Lecture 1) PDF

Signals and Statistics (Lecture 1) 1. Hvad er forskellen mellem passive og aktive sensorer? Aktive sensorer har brug for en ekstern størmkilde mens passive ikke har brug for ekstern energi. 2. Hvad er en transferfunktion? En transferfunktion beskriver forhold...

Signals and Statistics (Lecture 1) 1. Hvad er forskellen mellem passive og aktive sensorer? Aktive sensorer har brug for en ekstern størmkilde mens passive ikke har brug for ekstern energi. 2. Hvad er en transferfunktion? En transferfunktion beskriver forholdet mellem input og output i et system og viser, hvordan systemet behandler et signal. Den bruges til at analysere, hvordan forskellige frekvenser, amplituder eller signalændringer påvirker systemets respons. 3. Hvorfor er den inverse af en transferfunktion ofte interessant? Den inverse transferfunktion bruges til at: Rekonstruere input: Ved at anvende den inverse på output kan man finde det oprindelige inputsignal, hvilket er nyttigt i signalanalyse og sensorteknologi. Kompensere systemopførsel: Den inverse kan modvirke forvrængninger eller dæmpninger i systemet og gendanne signalets oprindelige form. Optimering: Hjælper med design og forbedring af systemer ved at tage højde for fejl eller uønsket adfærd. 4. Hvilke forskellige typer funktioner kan en transferfunktion have (fx lineær, eksponentiel, logaritmisk)? Lineær: Forholdet mellem input og output er proportionelt, fx y=kx Eksponentiel: Output vokser eller aftager eksponentielt, y = e^{kx} Logaritmisk: Output ændrer sig logaritmisk i forhold til input, fx y=k In (x) Ikke-lineær: Kombination af forskellige funktioner, fx polynomiale relationer. 5 Hvad betyder det, at vi ofte lineariserer transferfunktionen? Linearisation indebærer, at vi forenkler en kompleks, ikke-lineær funktion til en lineær funktion omkring et bestemt driftsområde: Formål: Gør beregninger og analyse enklere og hurtigere. Anvendelse: Bruges især i kontrolsystemer og sensorer, hvor små ændringer i input kræver lineær præcision. Eksempel: En ikke-lineær sensor, som normalt har en eksponentiel respons, kan tilnærmes lineært i det område, hvor den primært bruges. 6 Hvilke tre typer kalibrering findes der (grinding, trimming, beregning af transferfunktion)? Grinding: Fysisk justering af komponenter for at korrigere fejl (fx slibning). Trimming: Justering af elektriske eller mekaniske egenskaber (fx modstandsværdier) for at opnå præcision. Beregning af transferfunktion: Brug af matematiske metoder til at fastlægge det nøjagtige forhold mellem input og output.  7 Hvad betyder termerne sensitivitet, hysteres, mætning og opløsning? Sensitivitet Hvor godt en sensor reagerer på små ændringer i input. Eksempel: En temperatursensor med høj sensitivitet kan registrere meget små temperaturændringer. Hysteres Forskellen i en sensors respons afhængigt af, om input øges eller mindskes. Eksempel: En temperatursensor kan vise en anden værdi ved opvarmning end ved afkøling til samme temperatur. Mætning Det punkt, hvor en sensor ikke længere kan måle ændringer i input. Eksempel: En fotosensor, der ikke kan registrere mere lys, fordi den allerede er "fuldt opladet". Opløsning Den mindste ændring i input, som en sensor kan registrere. Eksempel: En sensor med en opløsning på 0,1 °C kan registrere temperaturændringer ned til en tiendedel grad. Resistive Sensors (Lecture 3) 8. Hvad er en resistiv sensor? En resistiv sensor er en sensor, der ændrer sin elektriske modstand som reaktion på en fysisk påvirkning som tryk, temperatur, deformation eller fugtighed. 9. Hvilke parametre definerer modstanden i et kabel (L, A, T)? L: Kabelens længde (jo længere kabel, desto højere modstand). A: Kabelens tværsnitsareal (jo større areal, desto lavere modstand). T: Temperaturen påvirker materialets resistivitet (ρ\rhoρ). Materialer har typisk højere modstand ved højere temperaturer. 10. Hvad er piezoelektrisk effekt?  Den piezoelektriske effekt er en egenskab, hvor visse materialer (fx kvartskrystaller) genererer en elektrisk spænding, når de udsættes for mekanisk tryk eller deformation. Direkte effekt: Mekanisk tryk → Elektrisk spænding. Omvendt effekt: Elektrisk spænding → Mekanisk deformation. 11. Hvordan fungerer en strainsensor? En strainsensor måler mekanisk deformation (strain) af en overflade eller et objekt. Princip: Når sensoren strækkes eller komprimeres, ændres dens elektriske modstand proportionelt med deformationen. 12. Hvad er FSR og FSC, og hvordan anvendes de som kraftsensorer? FSR (Force-Sensitive Resistor) 1. En modstand, hvis værdi ændres ved påføring af kraft. 2. Anvendes i applikationer, hvor lette tryk skal måles, fx touchskærme eller medicinsk udstyr. FSC (Force-Sensing Capacitor)  3. Måler kraft gennem ændringer i kapacitans. 4. Mere præcis end FSR og ofte brugt i højteknologiske sensorer. Anvendelser: patient weighing , lift systems , positioning systems, forces on joints 13. Hvilke forskellige typer temperatursensorer findes der (fx termistor, pyroelektrisk, termoelement)? Termistorer: Disse ændrer deres elektriske modstand afhængigt af temperaturen. De kan opdeles i to typer: NTC (Negative Temperature Coefficient) termistorer, hvor modstanden falder med stigende temperatur, og PTC (Positive Temperature Coefficient) termistorer, hvor modstanden stiger med stigende temperatur. Termoelementer: Disse er dannet af to forskellige metaller, der forbundet i enderne. Når de udsættes for en temperaturforskel, genererer de en spænding, som kan måles. De bruges ofte på grund af deres hurtige respons og bredt temperaturområde. Pyroelektriske sensorer: Disse genererer en elektrisk ladning i respons til ændringer i infrarød stråling. De anvendes ofte i bevægelsesdetektorer og temperaturmålinger, hvor ændringer i infrarød stråling indikerer ændringer i temperatur. 14. Hvordan måler man ændringer i modstand? Når broen er balanceret Vout= 0), kan Rx beregnes direkte fra forholdet. Når broen er ubalanceret, bruges V out til at finde den ændrede modstand 15. Hvordan ser en Wheatstone-bro ud, og hvad er dens fordele sammenlignet med en spændingsdeler?  2 fordele, no offset ,distortions in the supply voltage have little effect on voltage output 16. Hvordan forstærker man små spændinger, fx med en instrumentforstærker? 2 stages amplifier 1: impedance converter with electrometer 2: differential amplification 17. Hvilke egenskaber har en instrumentforstærker (fx høj indgangsmodstand, høj CMRR) High resistance, symetrical, high CMRR, amplification can be adjusted via R1 Capacitive and Inductive Sensors (Lecture 4) 18. Hvad er kapacitans? Kapacitans er evnen for en komponent (typisk en kondensator) til at lagre elektrisk ladning, når der er en spændingsforskel mellem dens terminaler. Det måles i farad (F) og defineres som: C = Q/V 19. Hvilke parametre ændrer kapacitansen i en pladekondensator? 20. Hvordan fungerer en fugtighedssensor? En kapacitiv fugtighedssensor fungerer ved at: 1. Bestå af en pladekondensator med et fugtfølsomt dielektrisk materiale mellem pladerne. 2. Når fugtigheden i luften ændrer sig, absorberer det dielektriske materiale vand, hvilket ændrer dets dielektriske konstant (εr. 3. Ændringen i εr fører til en ændring i kapacitansen, som måles og korreleres med luftfugtigheden. 21. Hvordan fungerer en kondensatormikrofon? n kondensatormikrofon fungerer ved at: 1. Have en fast plade og en tynd, fleksibel membran, der fungerer som kondensatorens plader. 2. Når lydbølger rammer membranen, vibrerer den, hvilket ændrer afstanden (d) mellem pladerne. 3. Ændringer i ddd resulterer i ændringer i kapacitansen, som omdannes til elektriske signaler, der svarer til lydbølgerne. 22. Hvordan fungerer en touchskærm? En kapacitiv touchskærm fungerer ved at: 1. Have et ledende lag, der danner et netværk af kondensatorer over skærmens overflade. 2. Når en finger (eller et andet ledende objekt) rører skærmen, påvirker det det elektriske felt og ændrer kapacitansen på kontaktpunktet. 3. Ændringen i kapacitans registreres og lokaliseres, hvilket identificerer berøringspunktet. Kapacitive touchskærme er præcise og kan registrere flere berøringspunkter samtidigt (multitouch). Microphones (Lecture 5) 23. Hvilke forskellige typer mikrofoner findes der (kondensator, dynamisk, bånd, kulstof)? Hvad er deres princip og fordele/ulemper?  24. Hvad betyder frekvensrespons? Frekvensrespons refererer til et systems evne til at reagere på forskellige frekvenser af lyd. For en mikrofon betyder det, hvordan mikrofonen opfanger lyd på tværs af et bredt spektrum af frekvenser, fra de lave (bass) til de høje (treble). 25. Hvad er retningskarakteristik? Retningskarakteristik beskriver, hvordan en mikrofon opfanger lyd fra forskellige retninger. MEMS (Lecture 5) 27. Hvad er princippet bag MEMS-teknologi? MEMS står for Micro-Electro-Mechanical Systems, og princippet bag teknologien er at kombinere mikroskala mekaniske komponenter med elektroniske systemer på en enkelt, meget lille chip. Mikroskala mekanik refererer til små bevægelige strukturer, som f.eks. hængsler, fjedre eller bevægelige membraner, der kan reagere på fysiske stimuli som acceleration, tryk, lyd eller temperatur. De elektroniske komponenter kan være sensorer, aktuatorelementer eller kredsløb, der omdanner de mekaniske bevægelser til elektriske signaler, som kan behandles og bruges i et system. 28. Hvordan bruges MEMS i accelerometre? I mange MEMS accelerometre bruges en kapacitiv målemetode. Den bevægelige masse er placeret tæt på elektroder på den faste ramme. Når accelerationen opstår (for eksempel, når en enhed bevæger sig), vil den bevægelige masse forskydes i forhold til elektroderne, hvilket ændrer kapacitansen mellem elektroderne.