SE524708C2

SE524708C2 - Sensor device

Info

Publication number: SE524708C2
Application number: SE0101657A
Authority: SE
Inventors: Fabrizio Davide; Martin Holmberg; Ingemar Lundstroem; Marcus Andersson
Original assignee: Rome Internat University Srl
Priority date: 2001-05-11
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2004-09-21
Also published as: SE0101657D0; EP1461590A1; SE0101657L; WO2002093111A1

Abstract

Sensor device including at least one sensor and one self-oscillating chaotic electronic non linear dynamic circuit and one evaluation device coupled to the electronic non linear dynamic circuit. One component of the circuit can be trimmed to adjust a switching point for the response from the circuit. A small change in the response in the response of the sensor to a chemical or physical change will, due to chaotic behavior of the circuit, cause easily detectable changes in the read out.

Description

25 30 524 708 . . n . n UPPFINNINGENS BAKGRUND Deterrninistiska ickelinjära dynamiska system har studerats utförligt endast under de sista få åren har ändå redan fumiit användning i det verkliga livet. Baskaraktäristiken för des- sa system är att de även om de syns slumpartade för en yttre beaktare har de lagar som styr deras utveckling i tiden. Lagarna är generellt sett rekursiva, vilket gör dem mycket känsliga för ursprungsförhållandena. En liten skillnad i initialtillståndet för två identiska system kan efter tillräckligt lång tid ge mycket stor skillnad mellan de två systemen. Detta är en indikator för det så kallade kaotiska systemet. 25 30 524 708. . n. BACKGROUND OF THE INVENTION Deterinist non-linear dynamic systems have been extensively studied only in the last few years, yet have already been used in real life. The basic characteristic of these systems is that even if they appear random to an external observer, they have laws that govern their development over time. The laws are generally recursive, which makes them very sensitive to the conditions of origin. A small difference in the initial state of two identical systems can, after a sufficiently long time, give a very large difference between the two systems. This is an indicator of the so-called chaotic system.

Ickelinjära system beskrivs ofta och karaktäriseras av den så kallade fasrymden. Denna är en graf med en tillståndsvariabel för systemet på en axel och dess fördröjda versioner på de andra axlarna (ofta ritas endast två axlar). Även om endast en variabel beaktas för att byg- ga denna rymd, kan en mängd information om hela systemet erhållas beroende på ickelinjäri- tet som blandar infonnation bland tillståndsvariablarna. Eftersom en del variabler ofta inte kan observeras direkt i ett system är därför för analysen av fasrymden utomordentligt viktig vid studerandet av ickelinjära system.Nonlinear systems are often described and characterized by the so-called phase space. This is a graph with a state variable for the system on one axis and its delayed versions on the other axes (often only two axes are drawn). Even if only one variable is considered to build this space, a wealth of information about the entire system can be obtained depending on the non-linearity that mixes information among the state variables. Since some variables can often not be observed directly in a system, it is therefore extremely important for the analysis of phase space when studying non-linear systems.

I fasrymden, består en atraktor av ett antal av mätpunkter som påträffas av dynamiken från en inledande transient. Denna operativa definition kan implementeras samlande tillstånd under en relativt kort tidsperiod. Denna tid beror på kretsen, men för de avsedda appli- kationerria är en tid i samma storleksordning som sensorns reaktionstid (d. v. s. för att får 10% av slutvårdet) att betraktas som tillräcklig för kartläggning av atraktorn. Vi kallar den tid som erfordras för att avbilda atraktorn för atraktorns avbildningstid (tam).In the phase space, an atractor consists of a number of measuring points found by the dynamics of an initial transient. This operational definition can be implemented aggregate states in a relatively short period of time. This time depends on the circuit, but for the intended application series, a time in the order of the sensor's reaction time (i.e. to get 10% of the final care) is considered sufficient for mapping the tractor. We call the time required to image the tractor the tractor's imaging time (tam).

Inom fältet av kemiska och fysikaliska sensorer har sensorsignalema hitintills huvudsak- ligen använts som individuella delar i systemet. I denna uppfinningen används sensorema i en krets som uppvisar kraftigt ickelinjär dynamik och under vissa förhållanden kaotiskt upp- trädande.In the field of chemical and physical sensors, the sensor signals have so far mainly been used as individual parts of the system. In this invention, the sensors are used in a circuit which exhibits strong non-linear dynamics and under certain conditions chaotic behavior.

Syftena med att införa ett komplext uppträdande såsom kaos i fältet av fysikaliskt och kemiskt avkännande är: 1. Att fabricera ett system som snabbare detekterar ändringar i omgivningen än som skulle vara möjligt med användning av en enda sensor eller en grupp av sensorer (så kallade elektronisk näsa vid gasavkänning) med traditionella mönsterigenkänningstekniker; 2. För att minska känsligheten för drift i sensorsystem; 3. För att förbättra signal-brus-förhållande; 10 15 20 25 30 524 708 n ~ o » a - ' _ _ _ _ , o. . . n . .a 3 4. För att undvika begränsningar i harmoniska utläsningstekniker.The purposes of introducing a complex behavior such as chaos in the field of physical and chemical sensing are: 1. To fabricate a system that detects changes in the environment more quickly than would be possible using a single sensor or a group of sensors (so-called electronic nose in gas sensing) with traditional pattern recognition techniques; 2. To reduce the sensitivity of operation in sensor systems; 3. To improve signal-to-noise ratio; 10 15 20 25 30 524 708 n ~ o »a - '_ _ _ _, o. . n. .a 3 4. To avoid limitations in harmonic readout techniques.

Dessa idéer härstammar från känsligheten för små ändringar i ett kaotiskt system, till- sammans med ett robust kvarstående av atraktorstatistiken med brus, och kovariationen för liknande sensorer vid mätstorhetsändringar, såsom vi har använt vid tidigare arbeten.These ideas stem from the sensitivity to small changes in a chaotic system, together with a robust residual of the atractor statistics with noise, and the covariation of similar sensors in measured quantity changes, as we have used in previous work.

För att uppfylla det första syftet, studeras atraktom för kretsen i realtid. Om en ändring i de fysikaliska eller kemiska omgivningama ger en ändring i formen för atraktom, kan detek- tion göras inom en eller några få tm, d. v. s. mycket snabbare än den normala svarstiden (d. v. s. för att få 90% av slutvärdet) för en enda sensor.To fulfill the first purpose, the atractom of the circuit is studied in real time. If a change in the physical or chemical environment results in a change in the shape of the atractor, detection can be done within one or a few hours, ie much faster than the normal response time (ie to get 90% of the final value) for a single sensor .

Antagandet för att klara det andra syftet är att systemet är stabilt även när sensorema driver, förutsatt att de driver på ett liknande sätt. När detta förhållande är uppfyllt, löser upp- finningen ett av de svåraste problemen för processövervakning i industrin, nämligen att detek- tera små ändringar i processen som kan vara svåra att separera från driftfenomen i sensor- gruppen. Sensorsystemet skulle kunna vara stabilt (d. v. s. kvalitativt ha sarmna atraktor) även när sensorema driver. Den skulle emellertid ändra sig om sensorvariationerna berodde på långsamma ändringar i omgivningama. Vi kan även inkludera i utformningen kunskapen om hur atraktom liksom processparametrarna ändrar sig med tiden.The assumption to accomplish the second purpose is that the system is stable even when the sensors are operating, provided that they operate in a similar manner. When this condition is met, the invention solves one of the most difficult problems for process monitoring in industry, namely to detect small changes in the process that can be difficult to separate from operating phenomena in the sensor group. The sensor system could be stable (i.e. qualitatively have poor attractors) even when the sensors are operating. However, it would change if the sensor variations were due to slow changes in the environment. We can also include in the design the knowledge of how the atractor as well as the process parameters change over time.

Utvärderandet av kretsens tillstånd (d. v. s. typen av atrator) kan göras snabbt och enkelt via antingen digital eller analog beräkning. FFT är tillräcklig för att fullständigt beskri- va det harmoniska spektrumet i signalen, och detta är tillräckligt när periodiciteten i förhål- lande till bredbandssignalen skulle urskiljas. En enkel serie av filter kan även lösa det pro- blem som fortfarande kvarstår i det analoga processfáltet.The evaluation of the state of the circuit (i.e. the type of atrator) can be done quickly and easily via either digital or analog calculation. FFT is sufficient to fully describe the harmonic spectrum of the signal, and this is sufficient when the periodicity in relation to the broadband signal would be discerned. A simple series of filters can also solve the problem that still remains in the analog process field.

Det finns ﬂera fördelar med denna konfiguration jämfört med att driva sensorn på det traditionella sättet och/eller använda andra typer av användning och utvärdering av ickelinjära dynamiska system: * Kretsen är mycket enkel; * Ordinära sensorer kan användas utan modifiering; * Svarstiden är mycket kort (i storleksordningen sekunder för att få ett stabilt tillstånd för kemiska sensorer, som ofta är mycket långsammare); * Utvärderingen av kretsens tillstånd är enkel och snabb; * Det dynamiska systemet "avkänner" sensorsvaret många gånger i en bredbandsmod, i många elektriska system och ger således ett bättre signal-brus-förhâllande. 10 15 20 25 30 524 708 » . . . .- . . . . .- 4 BESKRIVNING AV RITNINGARNA Dessa och andra egenskaper och fördelar med den föreliggande uppfinningen förståss bättre efter läsande av följande detaljerade beskrivning, tillsammans med de bifogade ritning- arna: Härvid är ﬁgi ett blockschema av baskonfigurationen för mätsystemet i enlighet med den föreliggande uppﬁnningen med en sensor och en ickelinjär dynamisk krets (NLDC).There are ﬂ your advantages with this configuration compared to operating the sensor in the traditional way and / or using other types of use and evaluation of non-linear dynamic systems: * The circuit is very simple; * Ordinary sensors can be used without modification; * Response time is very short (on the order of seconds to obtain a stable state for chemical sensors, which are often much slower); * The evaluation of the state of the circuit is simple and fast; * The dynamic system "senses" the sensor response many times in a broadband mode, in many electrical systems and thus provides a better signal-to-noise ratio. 10 15 20 25 30 524 708 ». . . .-. . . . DESCRIPTION OF THE DRAWINGS These and other features and advantages of the present invention will be better understood upon reading the following detailed description, taken in conjunction with the accompanying drawings: sensor and a nonlinear dynamic circuit (NLDC).

N LDC-en är schematisk avbildad som ett tvåportsblock, en använd för anslutning till sensorn, den andra för att ansluta en belastning, vars eqvivalenta resistans är utritad som RL. En ana- log till digital konverter ger information för kretssystemet till en analysator som kan vara ana- log likaväl som digital.The N LDC is schematically depicted as a two-port block, one used for connection to the sensor, the other for connecting a load, the equivalent resistance of which is plotted as RL. An analog to digital converter provides information for the circuit system to an analyzer that can be analog as well as digital.

Fig 2 är ett blockschema av ett ﬂersensorsystem, bestående av en NLDC ansluten till två sensorer. Flera sensorer är likaså möjliga.Fig. 2 is a block diagram of a transducer system, consisting of an NLDC connected to two sensors. Several sensors are also possible.

Fig 3 är ett blockschema av ett ﬂersensorsystem, varvid varje sensor är ansluten till sin egen NLDC. Utgångama från NLDC-arna är sedan anslutna till en eller ﬂera andra NLDC med en vikt g, och påverkar därigenom sina dynamiska beteenden.Fig. 3 is a block diagram of a sensor system, each sensor being connected to its own NLDC. The outputs of the NLDCs are then connected to one or more other NLDCs with a weight g, thereby influencing their dynamic behaviors.

Fig 4 visar ett ﬂersensorsystem där sensorema påverkar endast förbindningsstyrkan g mellan tvâ N LDC-er.Fig. 4 shows a sensor system where the sensors only affect the connection strength g between two N LDCs.

Fig 5 visar en generalisering av de scheman som visats i fig 3 och 4 med ett förbindan- de nätverk av ﬂera NLDC-er (visade som cirkulära noder) och ﬂera sensorer inkluderade i både de förbindande vikterna och noderna.Fig. 5 shows a generalization of the diagrams shown in Figs. 3 and 4 with a connecting network of ﬂ your NLDCs (shown as circular nodes) and ﬂ your sensors included in both the connecting weights and the nodes.

F ig 6 visar ett exempel på synkroniseringsdiagram med den geometriska orten för egen- värdet (enda), för två Rössler-liknande kretsar kopplade som i fig 4, med två MOS-kemiska sensorer påverkande förbindningarna. Mätstorheten, d. v. s. gaskoncentrationen x förﬂyttar egenvärdet y längs pilen som representerar geometriska orten.Fig. 6 shows an example of a synchronization diagram with the geometric location of the eigenvalue (single), for two Rössler-like circuits connected as in Fig. 4, with two MOS chemical sensors affecting the connections. The measured quantity, i.e. the gas concentration x, displaces the eigenvalue y along the arrow representing the geometric locality.

Fig 7 exempel på ett bifurkationsdiagram hänförande sig till en krets liknande den som visas i fig 1. X-axeln representerar mätstorheten (t. ex. koncentrationen för en bestämd gas i luft), under det att y-axeln visar det dynamiska mönstret för N LDC-en som ackumulerings- punkter i en Poincaré-sektion. Denna karta visar ett system på kanten av kaos vid det nedersta värdet för mätstorleken och reguljär periodiskt system över en bestämd minimidetektionsgräns (mdl). Vid vissa värden för mätstorheten (så kallade bifurgationspunkter) minskar perioden med hälften. Pi markerar det område inom vilket det finns en period med längden i.Fig. 7 shows an example of a bifurcation diagram relating to a circuit similar to that shown in Fig. 1. The x-axis represents the measured quantity (eg the concentration of a certain gas in air), while the y-axis shows the dynamic pattern of N The LDC as accumulation points in a Poincaré section. This map shows a system on the edge of chaos at the lowest value for the measured size and regular periodic system above a certain minimum detection limit (mdl). At certain values for the measured quantity (so-called bifurcation points), the period decreases by half. Pi marks the area within which there is a period of length in.

Fig 8 Rössler-atraktorkretsen som används i ett kemiskt avkänningsexempel. 10 15 20 25 30 524 708 . . . - a - 5 F ig 9 Den kaotiska atraktorn som erhålles för 0 i vätekoncentration. Atraktom tvingades att vara kaotisk vid 0-koncentration genom variation av spänningen V. Kurvan gjordes genom utsättning av spänningarna vid X och Y i fig 8 på de två axlarna.Fig. 8 The Rössler attractor circuit used in a chemical sensing example. 10 15 20 25 30 524 708. . . - a - 5 Fig. 9 The chaotic attractor obtained for 0 in hydrogen concentration. The atractor was forced to be chaotic at 0 concentration by varying the voltage V. The curve was made by plotting the voltages at X and Y in Fig. 8 on the two axes.

Fig 10 gränscyklerna (period 4) som erhållits vid 156 ppm vätekoncentration.Fig. 10 the limit cycles (period 4) obtained at 156 ppm hydrogen concentration.

Fig ll Gränscyklema (period 2) erhållna vid 312 ppm vätekoncentration .Fig. 11 The limit cycles (period 2) obtained at 312 ppm hydrogen concentration.

Fig 12 ström-spänningskaraktäristiken för den MOSFET-gassensor använd i experimen- ten. Kurvorna som visas är respektive 0, 156, och 312 ppm vätgas.Fig. 12 The current-voltage characteristic of the MOSFET gas sensor used in the experiments. The curves shown are 0, 156, and 312 ppm hydrogen, respectively.

FÖREDRAGNA UTFÖRINGSEXEMPEL PÅ UPPFmNmGEN Exempel på kemisk avkänning Mätningar på en ickelinjär dynamisk krets med en diodkopplad MOSFET-gassensor har gjorts med användning av konfigurationen som visas i fig 8 (implementering av schemat i fig 1). Kretsen som används är en standardkrets för att erhålla en Rössler-atraktor under vissa parameterval, men med modifieringen med inkluderandet av en sensor i stället för en vanlig diod vid en plats. Spänningen V i figuren kan varieras och därigenom åstadkomma olika dynamiska beteenden. Beteendet ändras också när karaktäristiken för de andra komponenterna ändras (i detta är fall variationerna i MOSFET-sensorn de enda intressanta). Spänningen vid de olika punkterna X, Y, och Z kan övervakas i syfte att studera uppträdandet för kretsen.PREFERRED EMBODIMENTS OF THE INVENTION Examples of Chemical Sensing Measurements on a non-linear dynamic circuit with a diode-connected MOSFET gas sensor have been made using the configuration shown in Fig. 8 (implementation of the scheme in Fig. 1). The circuit used is a standard circuit for obtaining a Rössler attractor during certain parameter selections, but with the modification with the inclusion of a sensor instead of a standard diode at a location. The voltage V in the figure can be varied and thereby achieve different dynamic behaviors. The behavior also changes when the characteristics of the other components change (in this case, the variations in the MOSFET sensor are the only interesting ones). The voltage at the different points X, Y, and Z can be monitored in order to study the behavior of the circuit.

I figurema 9 - 11 är atraktorerna visade i XY-planet för olika vätekoncentrationer.In Figures 9-11, the atractors are shown in the XY plane for different hydrogen concentrations.

Spänningen V justerades i syfte att finna kanten av en kaotiska traktor vid 0 i vätekoncentra- tion (se fig 9). Vätekoncentrationen ändrades sedan och karakteristika för MOSFET-sensorn ändrades därefter, resulterande i en ändring av atraktom, vilken blev icke-kaotisk för koncen- trationerna som studerades (156 och 312 ppm vätgas). Mönstret ändrades till gränscykler för period 4 respektive 2. Detta mönster erhölls och blev stabilt i storleksordningen 5 till 10 se- kunder (avbildningstid för atraktom), jämfört med ﬂera minuter för dessa sensorer för att er- hålla ett stabilt värde (sensor-reaktionstid) vid mätande med vanliga metoder. Dessa mönster analyserades också i en FFT, där gränscyklema syntes som enstaka toppar, under det att det kaotiska tillståndet framgick som en signal med ett kontinuerligt effektspektrum över ett fre- kvensoniråde.The voltage V was adjusted in order to find the edge of a chaotic tractor at 0 in hydrogen concentration (see Fig. 9). The hydrogen concentration was then changed and the characteristics of the MOSFET sensor were then changed, resulting in a change in the atractor, which became non-chaotic for the concentrations studied (156 and 312 ppm hydrogen). The pattern was changed to limit cycles for periods 4 and 2, respectively. This pattern was obtained and became stable on the order of 5 to 10 seconds (imaging time of the atractor), compared with ﬂ your minutes for these sensors to obtain a stable value (sensor response time). when measuring with standard methods. These patterns were also analyzed in an FFT, where the boundary cycles appeared as single peaks, while the chaotic state appeared as a signal with a continuous power spectrum over a frequency range.

I syfte att förstå storleken för ändringen av de elektriska kännetecknen för MOSFET- sensom när den används i dessa mätninger, gjordes även mätning av ström-spännings-karaktä- ristiken (se fig 12). Vid drift varierar spänningen över dioden mellan -O,4 och +2,7V. Vid 10 15 20 25 30 524 708 , . . - a- . . . . .u 6 dessa spänningar fimis en mycket liten skiftning i karaktäristiken, men såsom syns i figurerna 9 - 11 är denna lilla differens mycket lätt att detektera tack vara uppfinningen. Andra änd- ringar, även dramatiska, uppträder i kretsen om drivspänningen över MOSFET-sensom ökas.In order to understand the magnitude of the change in the electrical characteristics of the MOSFET sensor when used in these measurements, measurement of the current-voltage characteristic was also made (see Fig. 12). During operation, the voltage across the diode varies between -O, 4 and + 2.7V. At 10 15 20 25 30 524 708,. . - a-. . . . These voltages show a very small shift in the characteristics, but as can be seen in Figures 9 to 11, this small difference is very easy to detect thanks to the invention. Other changes, even dramatic ones, occur in the circuit if the drive voltage across the MOSFET sensor is increased.

TEORETISKT RAMVERK FÖR UrLÄsNINGsTEKNIKEN ocH DESIGNANSATS De föregående exemplen på utföranden är en direkt implementering av schemat i fig 1.THEORETICAL FRAMEWORK FOR THE READING TECHNIQUE AND DESIGN ACT The previous examples of embodiments are a direct implementation of the diagram in Fig. 1.

Detta arrangemang kräver en utformning av både NLDC-en och de involverade sensorerna i syfte att ha mätstorheten som en parameter som framkallar bifurgation i systemdynamiken.This arrangement requires a design of both the NLDC and the sensors involved in order to have the measured quantity as a parameter that induces bifurgation in the system dynamics.

En ytterligare begränsning är att systemet efter bifurkationen skall vara mycket distinkt. En direkt designstrategi är den med användandet av en välkänd egenskap för systemet på kanten av kaos d. v. s. de består av en samling ostabila periodiska system. För det första låt oss väl- ja en baskrets i vilken schemat i fig 1 är på kanten av kaos med mätstorheten under den av- sedda minimiavkänningsnivån (mdl). Sedan kan tack vare förlängningsteorin parametrarna så- väl för NLDC och sensorer optimeras i syfte att ha en bifurgationskaskad när mätstorheten ökar över mdl. Fig 7 visar resultatet av sådan utfonnning med en krets mycket liknande den i fig 8. Noteras skall också att bifurkation av ickereguljära system i andra ickereguljära sy- stem kan utformas och användas i enlighet med uppfinningen.A further limitation is that the system after bifurcation must be very distinct. A direct design strategy is that with the use of a well-known property of the system on the edge of chaos i.e. they consist of a collection of unstable periodic systems. First, let's select a base circuit in which the diagram in Fig. 1 is on the edge of chaos with the measured quantity below the intended minimum sensing level (mdl). Then, thanks to the elongation theory, the parameters for both NLDC and sensors can be optimized in order to have a bifurcation cascade when the measured quantity increases above mdl. Fig. 7 shows the result of such an invention with a circuit very similar to that of Fig. 8. It should also be noted that bifurcation of non-regular systems in other non-regular systems can be designed and used in accordance with the invention.

Fig 2 inför två sensorer vars tillstånd påverkar dynamiken. Här skall utformningen be- akta exakt samma procedur om den avsedda mätstorheten endast är en. I detta fall är systemet redundant av precisionsskäl och brusundertryckning. Om mätstorheterna är två kommer kon- struktören att vilja utforma ett bifurgationsdiagram med dubbla parametrar med bifurgationer placerade på lämpliga ställen i mätplanet.Fig. 2 introduces two sensors whose state affects the dynamics. Here, the design must observe exactly the same procedure if the intended measured quantity is only one. In this case, the system is redundant for precision reasons and noise suppression. If the measured quantities are two, the designer will want to design a bifurcation diagram with double parameters with bifurcations placed in suitable places in the measuring plane.

Informationsutvimiande i scheman som visas i fig 1 och 2 kan vara diskreta eller konti- nuerliga.Information expansion in diagrams shown in Figures 1 and 2 can be discrete or continuous.

* Med diskreta avses att känna igen storleken av bifurkationen vi har nära till och sedan uppskatta ett område för mätstorheten. Om man t. ex. tar fallet med bifurkationsdia- grammet som visas i fig 7 innebär detta igenkämrande att veta vilket intervall längs P16, P8, P4, P2, P1, PO som mätstorheten hör till. Dessa intervall hänför sig till atraktor- gränscyklema för period 16 (eller mer) 8, 4, 2, 1, 0 (fasta punkter) respektive. Perio- den för den verkliga cykeln kan lätt igenkännas med användning av en FET-analys (var- 10 15 20 25 30 524 708 . , . » . ~ ~ . . . nu 7 för vi behöver A/D-konvertern som visas i figurerna 1, 2) eller en serie av smalbands- filter (i detta fall är analysatom en analogkrets och kräver ej A/D-omvandlaren) eller många andra direkta tekniker. Diskret är överlägsen varje annan existerande utläsnings- strategi genom att den är enkel och begränsad endast av upplösningen av måttet (d. v. s. längden för intervallen).* Discrete means to recognize the size of the bifurcation we are close to and then estimate an area for the measured quantity. If one e.g. takes the case of the bifurcation diagram shown in Fig. 7, this means it is reprehensible to know which interval along P16, P8, P4, P2, P1, PO to which the measured quantity belongs. These intervals refer to the attractor limit cycles for period 16 (or more) 8, 4, 2, 1, 0 (fixed points) respectively. The period of the actual cycle can be easily recognized using an FET analysis (which is now 7 because we need the A / D converter shown in Figures 1, 2) or a series of narrowband filters (in this case the analyzer is an analog circuit and does not require the A / D converter) or many other direct techniques. Discrete is superior to any other existing readout strategy in that it is simple and limited only by the resolution of the measure (i.e. the length of the intervals).

* Kontinuerliga organ för att uppskatta parametervärdet, d. v. s. vår mätstorlek, från be- räkning i stället för enkel igenkänning. Kontinuerlighet kräver först att den diskreta uppskattningen görs, d. v. s. identifiera intervallet; efter det att en förfining skett mät- ande avstånden mellan den verkliga atraktorn och den vid nästa bifurkation (övre gräns för intervall). Detta avstånd är korrekt definierat i enlighet med bifurkationstyp och typ av dynamik. I fallet med gränscykler är den enklaste distansen förhållandet för effekten för de framkommande subsvängningarna (t. ex. period 4) och för den fundamentala svängningen (period 1). Det finns en definierad övre gräns för förhållandet, som hänför sig till närvaron av bifurkationspunkter (se fig 7). En kalibreringskurva kan relatera det verkliga förhållandet till mätstorhetens värde i vilket som helst av intervallen. Demla approach är mycket effektivare än att försöka uppskatta standarddynamikparametrarna, såsom exempelvis generaliserade Lyapunov-exponenter och generaliserade atraktor- dimensioner, såsom föreslagits av andra författare. Skälet är att det dubbla avbildandet från atraktorrekonstruktionen till dynamiska parametrar och sedan till mätstorheter, är oexakt på grund av kalibreringssvårigheter och brus och åldringsfenomen. Tvärtom är utformning och användning av bifurkationer en konstruktionsaproach, styrbar, precis och repeterbar.* Continuous means for estimating the parameter value, i.e. our measured size, from calculation instead of simple recognition. Continuity first requires that the discrete estimate be made, i.e. identify the interval; after a refinement has taken place measuring the distances between the actual atractor and that of the next bifurcation (upper limit of range). This distance is correctly defined according to the type of bifurcation and the type of dynamics. In the case of boundary cycles, the simplest distance is the ratio for the effect of the emerging sub-oscillations (eg period 4) and for the fundamental oscillation (period 1). There is a defined upper limit to the ratio, which refers to the presence of bifurcation points (see Fig. 7). A calibration curve can relate the actual relationship to the value of the measured quantity in any of the intervals. Demla approach is much more efficient than trying to estimate the standard dynamics parameters, such as generalized Lyapunov exponents and generalized attractor dimensions, as suggested by other authors. The reason is that the double imaging from the atractor reconstruction to dynamic parameters and then to measurement quantities, is inaccurate due to calibration difficulties and noise and aging phenomena. On the contrary, the design and use of bifurcations is a design approach, controllable, precise and repeatable.

Schemana i fig 3 och 4 kan behandlas på exakt samrna sätt som schemana i fig 1 och 2. Emellertid finns en annan teoretisk approach som år en del av denna uppfinning, synkroni- seringen av dynamiken för N LDC-ama. Här är informationsutvinnandet baserat på analysen av motsvarande tillståndsvariabel ide olika kopplade NLDC-arna (säg X med Y, med Y etc.) Dessa variabler kan synkronisera, d. v. s. deras skillnad är mycket liten i jämförelse med sig- nalernas absolutvärde. Om så är fallet är det väl känt från synkroniseringsteorin av TL Carro] och LM Pecora att förbindningsviktema har specifika egenskaper. Demia teori beaktar egen- värdena för förbindningsmatrisens vikter och bevisar att om de alla befinner sig inom ett visst 10 15 20 25 30 . . . ~ u ~ zur-_: : . ._ . . ¿.¿ . , - - .n 8 område i det komplexa planet sker synkroniseringen i alla de kopplade NLDC-arna. Detta område kallat stabilitetsomráde, har också visat sig vara beroende endast av utformningen för NLDC och ej på mönstret och vikterna för förbindningama. Diagrammet bestående av kom- plexa planet, stabilitetsområdet och egenvärdena för förbindningsmatrisen kallas synkronise- ringsdiagram. Utformningen av ett utläsningsschema i enlighet med den föreliggande uppfin- ningen avser utforma ett korrekt synkroniseringsdiagram tillsammans med dess ändringar när mätstorheten ändrar sig.The schemes in Figures 3 and 4 can be treated in exactly the same way as the schemes in Figures 1 and 2. However, there is another theoretical approach that is part of this invention, the synchronization of the dynamics of the N LDCs. Here, the information extraction is based on the analysis of the corresponding state variable in the different connected NLDCs (say X with Y, with Y, etc.). These variables can synchronize, i.e. their difference is very small in comparison with the absolute value of the signals. If so, it is well known from the synchronization theory of TL Carro] and LM Pecora that the connection weights have specific properties. Demia theory takes into account the eigenvalues of the weights of the connection matrix and proves that if they are all within a certain 10 15 20 25 30. . . ~ u ~ zur-_::. ._. . ¿.¿. , - - .n 8 area in the complex plane, the synchronization takes place in all the connected NLDCs. This area, called the stability area, has also been shown to depend only on the design of the NLDC and not on the pattern and weights of the joints. The diagram consisting of the complex plane, the stability area and the eigenvalues of the connection matrix is called the synchronization diagram. The design of a readout scheme in accordance with the present invention is intended to design a correct synchronization diagram together with its changes when the measured variable changes.

Beaktande två NLDC-er, kan vi utforma synkroniseringsdiagramrnet på så sätt att om det finns synkronisering vet vi att mätstorheterna befinner sig i ett speciellt område (t. ex. under avsedd mdl), eljest befinner de sig utanför ornrâdet. Detta är förhållandevis likt använd- ningen av bifurkation i det ovan diskuterade exemplet. En förenkling i utformningen uppträ- der när schemat i fig 4 utnyttjas. Där kan mätstorhetsförändringama endast förﬂytta egenvär- den på planet men stabilitetsornrâdet förblir detsamma. Den enklaste approachen är att först välja N LDC-schemat i syfte att ha ett bekvämt stabilt område, som är slutet, konvext och har skarpa gränser. För att sedan optimera sensorema och förbindningarna i syfte att utforma geometriska orterna för egenvärdena när mätstorheten ändrar sig. Fig 6 visar fallet med tvâ Rössler-liknande kretsar, med två MOS-kemiska sensorer påverkande förbindningarna såsom i schemat 4. Mätstorheten, som är en gaskoncentration, förﬂyttar egenvärdet längs pilen som representerar den geometriska orten. I detta arrangemang innebär uppträdandet av synkroni- sering att koncentrationen är under ett värde X0.Considering two NLDCs, we can design the synchronization diagram in such a way that if there is synchronization, we know that the measured quantities are in a special area (eg below the intended model), otherwise they are outside the control range. This is relatively similar to the use of bifurcation in the example discussed above. A simplification in the design occurs when the diagram in Fig. 4 is used. There, the measured variable changes can only surface the intrinsic values on the plane, but the stability range remains the same. The simplest approach is to first select the N LDC scheme in order to have a comfortably stable area, which is closed, convex and has sharp boundaries. To then optimize the sensors and connections in order to design the geometric locations of the eigenvalues when the measured variable changes. Fig. 6 shows the case of two Rössler-like circuits, with two MOS chemical sensors affecting the connections as in diagram 4. The measured quantity, which is a gas concentration, displaces the eigenvalue along the arrow representing the geometric locality. In this arrangement, the occurrence of synchronization means that the concentration is below a value X0.

Om det finns mer än två NLDC-er kan de alla vara synkroniserade eller endast med synkroniserade subkluster (detta kallas för ett synkroniseringsmönster). En simuleringsbaserad utformning åstadkommas i syfte att definiera många lämpliga områden för mätstorheter var och en uppträdande sammanfallande med ett bestämt synkroniseringsmönster.If there are more than two NLDCs, they can all be synchronized or only with synchronized subclusters (this is called a synchronization pattern). A simulation-based design is provided in order to define many suitable ranges for measurement quantities, each occurring coinciding with a specific synchronization pattern.

Så länge som synkroniseringstekniken föredras, kan utläsningstekniken vara diskret eller kontinuerlig. Med diskret menas helt enkelt att igenkämla synkroniseringsmönstret och att associera områdena för mätstorhetema. Kontinuerligt betyder först diskret uppskattning och efter en förfining, baserad på mätande av avståndet mellan den verkliga atraktom för hela nät- verket och den vid det närbelägna (i enlighet med en lämplig avstånds- och inducerad topo- logi) synkroniseringsmönstret.As long as the synchronization technique is preferred, the readout technique may be discrete or continuous. By discrete is meant simply to recognize the synchronization pattern and to associate the areas of the measured quantities. Continuous first means discrete estimation and after a refinement, based on measuring the distance between the real atrocity of the whole network and the synchronization pattern at the nearby (according to a suitable distance and induced topology).

Slutligen skall noteras att detekterandet av synkronisering (näringen ändlig fördröjning är involverad) är med säkerhet den enklaste elektroniska operation att utföra: Den består . - « » v '- e o som n a o» n; nu u q m. -a ~- 5 4 w w-Oﬂ* ”\ :nu 9 endast av en komparator som slår på en hög utgång när ingångamas skillnad är mindre än en bestämd tröskel. Även om uppfinningen har beskrivits med hänvisning till ett föredraget utförande kan andra utföranden åstadkomma samma resultat. Variationer och modifieringar av föreliggande uppfinning är uppenbara för fackmannen, och de bifogade kraven avses täcka alla sådana modifieringar och ekvivalenter.Finally, it should be noted that the detection of synchronization (the finite delay industry is involved) is certainly the simplest electronic operation to perform: it passes. - «» v '- e o som n a o »n; nu u q m. -a ~ - 5 4 w w-O ﬂ * ”\: nu 9 only by a comparator that switches on a high output when the difference of the inputs is less than a certain threshold. Although the invention has been described with reference to a preferred embodiment, other embodiments may provide the same results. Variations and modifications of the present invention will be apparent to those skilled in the art, and the appended claims are intended to cover all such modifications and equivalents.

Claims

10 15 20 524 708 10 PATENT REQUIREMENTS

Sensor device, characterized in that it comprises at least one sensor and an electronic non-linear dynamic circuit and an evaluation device connected to the electronic non-linear dynamic circuit, at least one component of the circuit being operable to adjust a turning point of the response from the circuit. .

Sensor device, characterized in that the circuit is a self-oscillating circuit.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that more than one component in the non-linear dynamic circuit consists of a sensor.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized by a connection of two or ﬂ your circuits each to one or ﬂ your components consisting of sensors.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the non-linear circuit contains variable components which can be used to tune in the switching points of the device.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that one or more of your circuits is chaotic.

Sensor device according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor is a chemical sensor. P0115