EO

Ruis op het signaal? Geen probleem!

17 februari 2020 om 13:33 uur

Een optische trilholte met een niet-lineair materiaal (paars) tussen twee spiegels (blauw). Licht dat binnenkomt aan de linkerkant, resoneert binnen de trilholte. De ruis in het systeem zorgt ervoor dat het licht dat er aan de rechterkant uitkomt, een intensiteit heeft die willekeurig wisselt tussen twee waarden. Een kleine verstoring in de trilholte (zoals een binnenkomend deeltje, hier aangegeven in geel) verandert het wisselende output-patroon. Beeld: Said Rodriguez en Henk-Jan Boluijt, Amolf.

Elke meting heeft last van ruis. Dat geldt zeker voor sensoren die veranderingen in de omgeving moeten waarnemen en die nauwelijks groter of zelfs kleiner zijn dan de ruis in de sensor zelf. Ook Amolf-onderzoeker Said Rodriguez kwam dit probleem tegen in zijn optische experimenten en besloot het anders aan te pakken. Hij laat zien hoe ruis een hulpmiddel kan zijn bij optische detectie, in plaats van een stoorzender.


Het artikel verschijnt in Physical Review Applied.


"Ruis gebruiken om sensoren te verbeteren klinkt contra-intuïtief", geeft Rodriguez toe. "Stel je voor dat je de grootste letters in een ogentest niet eens kunt zien. En dat een plotselinge aardbeving ervoor zorgt dat het beeld scherper wordt, dat je zelfs de kleinste letters wel kunt onderscheiden, geholpen door de trillende moleculen in de lucht tussen het scherm en je ogen. Dit lijkt op wat er gebeurt in de optische sensor die ik voorstel."

 

Kleine veranderingen in de omgeving

Zoals veel onderzoekers die zich met optica bezighouden, gebruikt Rodriguez resonerende systemen die piepkleine veranderingen in hun omgeving kunnen detecteren. Een gebruikelijke optische sensor bestaat uit een trilholte, een lege ruimte waarin laserlicht heen en weer beweegt (resoneert) tussen twee spiegels. De resonantiefrequentie hangt af van wat er in en om de trilholte gebeurt. "Zo zal een gas dat door de trilholte stroomt, de resonantiefrequentie beïnvloeden, net zoals een verandering in de temperatuur, of de druk. Een standaarddetector meet deze verandering in resonantiefrequentie als een verandering in de intensiteit van het licht dat de trilholte verlaat. De metingen worden echter altijd verstoord door ruis in het meetsysteem. De meest gebruikte manier om het schadelijke effect van ruis te verminderen is door over een lange tijdsperiode te meten en dan het gemiddelde te berekenen. Dat drukt de meetsnelheid, terwijl het voor de meeste toepassingen belangrijk is om zo snel mogelijk te kunnen meten. Bovendien is het onmogelijk om alle ruis te onderdrukken. Zelfs als we alle klassieke (bijvoorbeeld thermische) ruis elimineren, wordt de meetsnelheid nog beperkt door kwantumruis."

 

Ruis omarmen voor betere metingen

Terwijl de meeste optische sensoren lineair zijn - licht dat eruit komt is een lineaire functie van het licht dat erin ging - heeft Rodriguez gerekend aan een optische detectiemethode gebaseerd op non-lineariteit, wat betekent dat fotonen binnen de sensor op elkaar inwerken. "In de trilholte stoppen we een materiaal dat het resonerende licht beïnvloedt op een niet-lineaire manier. Het licht dat uit de trilholte komt, is geen lineaire functie van wat erin ging, maar is bi-stabiel: voor een gegeven ingaande lichtintensiteit, kan de output twee waarden hebben", zegt hij. "De onvermijdelijk ruis in het systeem zorgt dat de lichtsterkte die uit de sensor komt willekeurig wisselt tussen die twee waarden. Wanneer de resonantiefrequentie van de trilholte verandert (bijvoorbeeld als er een deeltje binnenkomt), verandert dit patroon van wisselingen ook."


Een statistische analyse van het output-patroon laat de verandering van de resonantiefrequentie zien. Omdat ruis zorgt voor een hogere frequentie van wisselingen in het output-patroon, én omdat een hogere wisselfrequentie betekent dat er minder tijd nodig is om genoeg data te verkrijgen voor de statistiek, maakt meer ruis de sensor sneller. Rodriguez: "In gewone sensoren zorgt meer ruis ervoor dat een langere meettijd nodig is om iets te detecteren dat de trilholte binnenkomt, maar bij deze sensor is de meetsnelheid juist hoger bij meer ruis. Dat is opmerkelijk!"

 

Optimaal gevoelig bij kwantumruis

Omdat het onmogelijk is om kwantumruis te vermijden, is het erg nuttig om sensoren te ontwikkelen die de ruis omarmen in plaats van proberen te vermijden. Rodriguez ontdekte dat de gevoeligheid van zijn ruis-omarmende sensor ook afhankelijk is van ruis. "Net als de meetsnelheid blijkt de gevoeligheid toe te nemen bij toenemende ruis, maar niet continu. Het blijkt dat de sensor het best presteert in het regime van kwantumruis", zegt hij. "Dat maakt de sensor een interessant alternatief voor meetgebieden waar de standaardmethoden niet zo goed presteren."


Rodriguez berekende de theoretische limiet voor de meetsnelheid van zijn niet-lineaire meetmethode en vergeleek die met de theoretische snelheidslimiet van lineaire optische sensoren. Omdat de niet-lineaire methode al bijna even goed presteert als de lineaire, heeft hij er hoge verwachtingen van. Hij is van plan om het systeem nog verder theoretisch te onderzoeken en uiteindelijk een daadwerkelijke sensor te realiseren die gebruik maakt van ruis. "Er zijn al vergelijkbare methoden in gebruik in elektrische systemen, maar tot nu toe is ruis nog nooit gebruikt om optische metingen te verbeteren", zegt hij. "Omdat ze laten zien hoe we de onvermijdelijke kwantumruis kunnen inzetten voor optische detectie, kunnen deze resultaten uiteindelijk de grenzen oprekken van wat meetbaar is met state-of-the-art optische sensoren."

 

Gerelateerd nieuws

FME en GMV vragen aandacht Tweede Kamer voor gevolgen Coronavirus

FME en GMV vragen aandacht Tweede Kamer voor gevolgen Coronavirus

Op donderdag 26 maart is er weer een Kamerdebat over het Coronavirus en de te treffen maatregelen. Zowel FME als GMV, de organisatie voor machinebouwers voor de voedselproducerende sector, hebben brieven ingediend waarin…

Een sensor als een zeehond. Of een vis (video)

Een sensor als een zeehond. Of een vis. (video)

Onderzoeker Ajay Kottapalli maakt aan de RUG nieuwe sensoren van zachte polymeren. Zijn inspiratie haalt hij uit de natuur.

Ethiek en privacy bij gebruik van sensoren op de werkplek

Ethiek en privacy bij gebruik van sensoren op de werkplek

Sensoren bieden veel mogelijkheden om blootstelling op de werkvloer in kaart te brengen, waardoor we de blootstelling beter kunnen beheersen en gezondheidsgerelateerde klachten kunnen voorkomen. Maar ze verzamelen ook…

Webshop

webshop

 

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Focus op

ABB BV
ABB BV

Machineveiligheid, systemen en componenten

B&R Industriële Automatisering BV *
B&R Industriële Automatisering BV *

Perfection in Automation

Elobau Benelux BV *
Elobau Benelux BV *

creating sustainable solutions

Pilz Nederland
Pilz Nederland

Voor industriële (veilige) automatiseringsoplossingen

Ringspann Benelux BV
Ringspann Benelux BV

Partner in aandrijf- en opspantechniek

Rotero Holland BV
Rotero Holland BV

Stappenmotor - Servomotor - Elektro Magneet

Download gratis engineering boeken

A gratis boeken downloaden

 

Agenda

1 april 2020, online: additiveworld.com

Additive World Conference

Industrieel 3D-printconferentie

9 april 2020, Vianen

Machineveiligheid in een dag

9 en 16 april 2020 (avond) 1 dag of 2 avonden 09.00-16.00 uur incl. lunch of 17.00-21.30 uur incl....

22 april 2020, Vianen

Masterclass Machineveiligheid XL

22, 23, 29, 30 april 2020

Meer agendapunten »