МЕТОД ВИЗНАЧЕННЯ ЧАСТОТИ ДЛЯ АВТОМОБІЛЬНИХ НАНОДАТЧИКІВ
DOI:
https://doi.org/10.30977/BUL.2219-5548.2021.94.0.179Ключові слова:
автомобільні нанодатчики, вимірювання частоти, метод раціональної апроксимаціїАнотація
Актуальність. Сучасний автомобіль є складною мехатронною системою, що містить механічні та електронні компоненти, з'єднані єдиною мережею датчиків. Значна частина перспективних і наявних автомобільних датчиків на основі нанотехнологій. Проте нанодатчики мають деякі суттєві відмінності від традиційних, наприклад, менший поріг чутливості та високі динамічні характеристики. Оскільки переважна кількість автомобільних нанодатчиків перетворює зміну вимірюваного параметра на зміну частоти електричного сигналу, то актуальним є завдання використання нових методів визначення цієї частоти, та як класичні методи не дозволяють реєструвати частоту одночасно швидко й точно. Мета. Забезпечення швидкості та точності вимірювань параметрів автомобільними нанодатчиками за рахунок використання нового методу визначення частоти сигналу. Метод. Запропоновано для забезпечення швидкості та точності вимірювань сучасними автомобільними нанодатчиками використовувати метод визначення частоти сигналу, що запропонований авторами в попередніх роботах. Результати. Проведений аналіз нанодатчиків показав, що більшість із них перетворює вимірюваний параметр у зміну частоти вихідного сигналу. Наведено основні положення та приклади використання методу визначення частоти на основі раціональної апроксимації; виконано аналіз точності методу, запропоновано його технічну реалізацію. Висновки. Запропонований метод визначення частоти дозволяє забезпечити виконання вимог до автомобільних датчиків: високу швидкість вимірювання, низький поріг чутливості, а також високу точність за рахунок того, що помилка визначення частоти викликана лише нестабільністю еталонної частоти, та знижуватиметься з удосконаленням відповідних технічних засобів.
Посилання
Guerrero-Ibanez J., Zeadally S. and Contreras-Castillo J. Sensor Technologies for Intelligent Transportation Systems. Sensors. 2018, vol. 18, no. 4, Art no. 1212, doi: 10.3390/s18041212.
Automotive Mechatronics. Bosch Professional Automotive Information, K. Reif Ed.: Springer Vieweg, 2015, p. 538.
Coelho M.C., Torrao G., Emami N. and Gracio J. Nanotechnology in Automotive Industry: Research Strategy and Trends for the Future-Small Objects, Big Impacts. Journal of Nanoscience and Nanotechnology. 2012, vol. 12, no. 8, pp. 6621–6630, doi: 10.1166/jnn.2012.4573.
Madou M.J. From MEMS to Bio-MEMS and Bio-NEMS: Manufacturing Techniques and Applications (Fundamentals of Microfabrication and Nanotechnology, no. 3). CRC Press, 2011.
Asmatulu R., Nguyen P. and Asmatulu E. Nanotechnology Safety in the Automotive Industry. Nanotechnology Safety, 2013, pp. 57–72.
Lombardi M.A. Fundamentals of time and frequency. Mechatronic Systems, Sensors, and Actuators. Fundamentals and Modeling, R. H. Bishop Ed.: CRC Press, 2013, ch. 17.
Huang L., Yang H., Gao Y., Zhao L. and Liang J. Design and Implementation of a Micromechanical Silicon Resonant Accelerometer. Sensors. 2013, vol. 13, no. 11, pp. 15785–15804, doi: 10.3390/s131115785.
Johansson S. and Ieee. New frequency counting principle improves resolution. IEEE International Frequency Control Symposium and Exposition. Vancouver, CANADA, 2005, pp. 628–635, doi: 10.1109/freq.2005.1574007.
Kirianaki N.V., Yurish S.Y. and Shpak N.O., Methods of dependent count for frequency measurements. Measurement. 2001, vol. 29, no. 1, pp. 31–50, doi: 10.1016/s0263-2241(00)00026-9.
Zeng K.F., Ong K.G., Mungle C. and Grimes C.A. Time domain characterization of oscillating sensors: Application of frequency counting to resonance frequency determination. Review of Scientific Instruments. 2002, vol. 73, no. 12, pp. 4375–4380, doi: 10.1063/1.1518128.
Wang H. et al. A time and frequency measurement method based on delay-chain technique. 2008 IEEE International Frequency Control Symposium. 2008, pp. 484–486, doi: 10.1109/freq.2008.4623046.
Dehghani A., Saneei M. and Mahani A. A high-resolution time-to-digital converter using a three-level resolution. International Journal of Electronics. 2016, vol. 103, no. 8, pp. 1248–1261, doi: 10.1080/00207217.2015.1092599.
Tan C., Wang J.C. and Li Z.L. A frequency measurement method based on optimal multi-average for increasing proton magnetometer measurement precision. Measurement. 2019, vol. 135, pp. 418–423, doi: 10.1016/j.measurement.2018.10.016.
Kia S.H., Henao H. and Capolino G.A. A high-resolution frequency estimation method for three-phase induction machine fault detection. Ieee Transactions on Industrial Electronics. 2007, vol. 54, no. 4, pp. 2305–2314, doi: 10.1109/tie.2007.899826.
Tu Y.Q. and Shen Y.L. Phase correction autocorrelation-based frequency estimation method for sinusoidal signal. Signal Processing. 2017, vol. 130, pp. 183–189, doi: 10.1016/j.sigpro.2016.06.012.
Sergiyenko O.Y. The mediant method for fast mass/concentration detection in nanotechnologies. International Journal of Nanotechnology. 2016, vol. 13, no. 1–3, pp. 238–249, doi: 10.1504/ijnt.2016.074537.
Murrieta-Rico F.N. et al. Optimization of pulse width for frequency measurement by the method of rational approximations principle. Measurement. 2018, vol. 125, pp. 463–470, doi: 10.1016/j.measurement.2018.05.008.
Murrieta-Rico F.N. et al. Pulse width influence in fast frequency measurements using rational approximations. Measurement. 2016, vol. 86, pp. 67–78, doi: 10.1016/j.measurement.2016.02.032.
Presting H. and Konig U. Future nanotechnology developments for automotive applications. Materials Science & Engineering C-Biomimetic and Supramolecular Systems. 2003, vol. 23, no. 6–8, pp. 737–741, doi: 10.1016/j.msec.2003.09.120.
Mohseni M., Ramezanzadeh B., Yari H. and Moazzami Gudarzi M. The Role of Nanotechnology in Automotive Industries. New Advances in Vehicular Technology and Automotive Engineering, Joao P.C. and Joao E.R. Eds.: Intech, 2012, ch. 1.
Mathew J., Joy J. and George S.C. Potential applications of nanotechnology in transportation: Science. 2019, vol. 31, no. 4, pp. 586–594, doi: 10.1016/j.jksus.2018.03.015.
Bhatt G., Manoharan K., Chauhan P.S. and Bhattacharya S. MEMS Sensors for Automotive Applications: A Review. Sensors for Automotive and Aerospace Applications. Energy, Environment, and Sustainability, Bhattacharya S., Agarwal A., Prakash O. and Singh S. Eds. Singapore: Springer, 2019, pp. 223–239.
Mohankumar P., Ajayan J., Yasodharan R., Devendran P. and Sambasivam R. A review of micromachined sensors for automotive applications. Measurement. 2019, vol. 140, pp. 305–322, doi: 10.1016/j.measurement.2019.03.064.
Marek J. Automotive MEMS sensors – Trends and applications. Proceedings of 2011 International Symposium on VLSI Technology, Systems and Applications. 2011, pp. 1–2, doi: 10.1109/VTSA.2011.5872208.
Uzawa R., Nishikawa M. and Tanaka T. 6.5 th-Generation Automotive Pressure Sensors. Fuji Electric Review. 2017, vol. 63, no. 4, pp. 232–236.
Askari H., Hashemi E., Khajepour A., Khamesee M.B. and Wang Z.L. Towards self-powered sensing using nanogenerators for automotive systems. Nano Energy. 2018, vol. 53, pp. 1003–1019, doi: 10.1016/j.nanoen.2018.09.032. 27. Meyyappan M., Li Jing, Li Jun and Cassell A. Nanotechnology: An Overview and Integration with MEMS. 19th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems. 2006, pp. 1–3, doi: 10.1109/MEMSYS.2006.1627721.
Khanna V.K., Khanna V.K., Ed. Nanosensors: Physical, Chemical, and Biological, 2nd ed. CRC Press, 2021, p. 578. 29. Maddipatla D., Narakathu B.B., Ali M.M., Chlaihawi A.A. and Atashbar M.Z. Development of a novel carbon nanotube based printed and flexible pressure sensor. 2017 IEEE Sensors Applications Symposium (SAS). 2017, pp. 1–4, doi: 10.1109/SAS.2017.7894034.
Plesco I. et al. Flexible pressure sensor based on graphene aerogel microstructures functionalized with CdS nanocrystalline thin film. Superlattices and Microstructures. 2018, vol. 117, pp. 418–422, doi: 10.1016/j.spmi.2018.03.064.
Lou L., Zhang S., Park W.-T., Tsai J.M., Kwong D.-L. and Lee C. Optimization of NEMS pressure sensors with a multilayered diaphragm using silicon nanowires as piezoresistive sensing elements. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2012, vol. 22, no. 5, Art no. 055012, doi: 10.1088/0960-1317/22/5/055012.
Zhang J., Zhao Y., Ge Y., Li M., Yang L. and Mao X. Design Optimization and Fabrication of High-Sensitivity SOI Pressure Sensors with High Signal-to-Noise Ratios Based on Silicon Nanowire Piezoresistors. Micromachines. 2016, vol. 7, no. 10, Art no. 187, doi: 10.3390/mi7100187.
Vajjaramatti A., Kirankumar B.B. and Ashokkumar M. Design, Simulation and Analysis of NEMS based Piezoresistive Pressure Sensor. International Journal of Engineering Research & Technology. 2020, vol. 9, no. 7, p. 4, doi: 10.17577/IJERTV9IS070342.
Chen M. et al. An ultrahigh resolution pressure sensor based on percolative metal nanoparticle arrays. Nature Communications. 2019, vol. 10, Art no. 4024, doi: 10.1038/s41467-019-12030-x.
Milne J.S., Rowe A.C.H., Arscott S. and Renner C. Giant Piezoresistance Effects in Silicon Nanowires and Microwires. Physical Review Letters. 2010, vol. 105, no. 22, Art no. 226802, doi: 10.1103/PhysRevLett.105.226802.
Stampfer C. et al. Fabrication of single-walled carbon-nanotube-based pressure sensors. Nano Letters. 2006, vol. 6, no. 2, pp. 233–237, doi: 10.1021/nl052171d.
Zhou J. et al. Flexible piezotronic strain sensor. Nano Letters. 2008, vol. 8, no. 9, pp. 3035–3040, doi: 10.1021/nl802367t.
Fitzpatrick M., Pechstedt R. and Lu Y. A new design of optical in-cylinder pressure sensor for automotive applications. SAE Technical Paper. 2000, Vol. 2000-01-0539, p. 10, doi: 10.4271/2000-01-0539.
Hu Y., Xu C., Zhang Y., Lin L., Snyder R.L. and Wang Z. L. A Nanogenerator for Energy Harvesting from a Rotating Tire and its Application as a Self-Powered Pressure/Speed Sensor. Advanced Materials. 2011, vol. 23, no. 35, pp. 4068–4071, doi: 10.1002/adma.201102067.
Askari H., Hashemi E., Khajepour A., Khamesee M.B. and Wang Z.L. Tire Condition Monitoring and Intelligent Tires Using Nanogenerators Based on Piezoelectric, Electromagnetic, and Triboelectric Effects. Advanced Materials Technologies. 2019, vol. 4, no. 1, Art no. 1800105, doi: 10.1002/admt.201800105.
Docquier N. and Candel S. Combustion control and sensors: a review. Progress in Energy and Combustion Science. 2002, vol. 28, no. 2, pp. 107–150, doi: 10.1016/s0360-1285(01)00009-0.
Ghodrati M., Farmani A. and Mir A. Nanoscale Sensor-Based Tunneling Carbon Nanotube Transistor for Toxic Gases Detection: A First-Principle Study. Ieee Sensors Journal. 2019, vol. 19, no. 17, pp. 7373–7377, doi: 10.1109/jsen.2019.2916850.
Moos R. A brief overview on automotive exhaust gas sensors based on electroceramics. International Journal of Applied Ceramic Technology. 2005, vol. 2, no. 5, pp. 401–413, doi: 10.1111/j.1744-7402.2005.02041.x.
Kishore Kumar D. et al. Metal oxide-based nanosensors for healthcare and environmental applications. Nanomaterials in Diagnostic Tools and Devices, Kanchi S. and Sharma D. Eds.: Elsevier. 2020, pp. 113–129.
Walther D., Lin L. and Pisano A. Micro- and Nano-Technologies for Automotive Sensor Research. SAE Technical Paper. 2007, vol. 2007-01-1012, p. 11, doi: 10.4271/2007-01-1012.
Young D.J., Zorman C.A. and Mehregany M. MEMS/NEMS Devices and Applications. Springer Handbook of Nanotechnology, Bhushan B. Ed. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2004, pp. 225–252.
Swingler J. MEMS for passenger safety in automotive vehicles. MEMS for Automotive and Aerospace Applications, Kraft M. and White N.M. Eds.: Woodhead Publishing, 2013, pp. 3–28.
Reze M. and Osajda M. MEMS sensors for automotive vehicle stability control applications. Mems for Automotive and Aerospace Applications. 2013, no. 32, pp. 29–53, doi: 10.1533/9780857096487.1.29.
Koka A. and Sodano H.A. High-sensitivity accelerometer composed of ultra-long vertically aligned barium titanate nanowire arrays. Nature Communications. 2013, vol. 4, Art no. 2682, doi: 10.1038/ncomms3682.
Fan X. et al. Graphene ribbons with suspended masses as transducers in ultra-small nanoelectromechanical accelerometers. Nature Electronics. 2019, vol. 2, no. 9, pp. 394–404, doi: 10.1038/s41928-019-0287-1.
Druzhynin A., Kogut I., Khoverko Y. and Golota V. Accelerometer sensing element based on nanostructured silicon. Computational Problems of Electrical Engineering. 2013, vol. 3, no. 1, pp. 11–15.
Ollier E. et al. NEMS devices for accelerometers compatible with thin SOI technology. 2nd IEEE International Conference of Nano/Micro Engineered and Molecular Systems. 2007, pp. 180–185, doi: 10.1109/NEMS.2007.352257.
Carmichael R.D. The Theory of Numbers and Diophantine Analysis. Dover Publications, 2004.
