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Was ist ein taktiler Sensor?

Taktile Sensoren sind Sensoren, die den menschlichen Tastsinn imitieren.

Als Sensor wird ein Gerät verwendet, das den Druck und die Vibration der Kontaktfläche in ein elektrisches Signal umwandelt, und es gibt verschiedene technologische Bemühungen, auch im Bereich der Sensorik, um die Funktionsweise dieses Sensors dem menschlichen Tastsinn nachzubilden. Darüber hinaus sind taktile Sensoren mit mehreren Informationen verknüpft, wie z. B. der Temperaturempfindlichkeit, und einige sind in der Lage, die Beschaffenheit empfindlicher Objekte zu beurteilen.

Der Tastsinn ist für die Entwicklung der Robotertechnik von entscheidender Bedeutung, nicht nur, um die Eigenschaften und die Beschaffenheit von Objekten zu bewerten, sondern auch, weil er bei grundlegenden menschlichen Bewegungen eine wichtige Rolle spielt, z. B. beim Greifen von Gegenständen mit angemessener Kraft und beim Schreiben mit einem Stift in der Hand.

Anwendungen von taktilen Sensoren

Taktile Sensoren werden in der medizinischen Diagnostik und Robotik sowie in industriellen Anwendungen eingesetzt.

In letzter Zeit werden jedoch auch Anwendungen im Bereich der Spielräume und des Metaversums erwartet, wie sie durch die virtuelle Realität (VR), den Oberbegriff für die Haptik-Technologie, verkörpert werden.

1. Medizinische Anwendungen von taktilen Sensoren

Die Fähigkeit, die Härte eines Objekts zu bewerten, ermöglicht es, das Vorhandensein von Klumpen, die von Brust- und Prostatakrebs herrühren, mit hoher Empfindlichkeit zu erkennen, was zur Früherkennung von Krebs beiträgt. Sie kann auch zur quantitativen Bewertung von Dermatitis und Xeroderma eingesetzt werden, indem die aus der Oberflächenrauheit resultierende Rauheit bewertet wird.

2. Anwendungen von taktilen Sensoren in der Robotik

In der Robotik liefert die Entwicklung von Sensoren zur Nachahmung von Fingern als Sensoren für Roboterhände Informationen zur Einstellung der Griffstärke.

3. Industrielle Anwendungen von taktilen Sensoren

In der Industrie kann die Überwachung der Beschaffenheit von Produkten für die Qualitätskontrolle nützlich sein.

4. Haptik für VR

In der Welt der virtuellen Realität (VR) wurden bereits 3D-Brillen auf den Markt gebracht, und es wird an Anwendungen gearbeitet, die eine realistischere Welt in VR wiedergeben, indem Anzüge und Handschuhe an dieser VR angebracht und mit taktilen Sensoren ausgestattet werden. 

Funktionsweise der taktilen Sensoren

Taktile Sensoren nutzen verschiedene physikalische Phänomene, um Kontaktkräfte auf Objekte in elektrische Größen umzuwandeln, und bestehen hauptsächlich aus Umwandlungsgeräten (Sensoren: Elemente). Diese elektrischen Signale werden über signal- und informationsverarbeitende Schaltungen ausgewertet. Grundsätzlich können bei diesen Sensoren verschiedene Erfassungsmodalitäten eingesetzt werden.

Eine Methode besteht beispielsweise darin, die elektrostatische Kapazität zu erfassen, die sich durch die Ausübung von Druck in einem leitenden, zwischen zwei Schichten liegenden Raum ändert. Je nach Anwendung werden in vielen Fällen piezoelektrische Keramikelemente (PZT: Bleizirkonattitanat) als Sensorelemente eingesetzt. Piezokeramische Elemente, die auch als piezoelektrische Elemente bezeichnet werden, erzeugen eine Spannungsänderung, wenn Druck ausgeübt wird. Dies wird als piezoelektrischer Effekt bezeichnet.

Die Anordnung der Ionen im Festkörperkristall eines piezoelektrischen Elements wird durch die Ausübung von Druck verändert, was zu einem Phänomen führt, das als elektrische Polarisation bezeichnet wird, bei der ein Ende des Kristalls mit positiver Elektrizität und das andere mit negativer Elektrizität geladen wird. Druck- und Schwingungsfrequenzinformationen werden vom piezoelektrischen Element in elektrische Signale umgewandelt, die dann über die entsprechenden analogen und digitalen Verarbeitungsschaltungen mit ASICs und anderen Geräten in taktile Informationen umgewandelt werden können.

Darüber hinaus kann als optisches Prinzip die Kontaktposition eines Objekts auf der Sensoroberfläche erfasst werden, indem Änderungen des gestreuten Lichts im Lichtwellenleiter innerhalb des Sensors detektiert werden.

Weitere Informationen zu taktilen Sensoren

1. Markt für taktile Sensoren

Die Größe des Marktes für taktile Sensoren wird voraussichtlich 16.083,8 Mio. USD bis 2025 erreichen, von 8.204,9 Mio. USD im Jahr 2019. (Referenz: Markt für taktile Sensoren (2020-2025))

Taktile Sensoren sind ein Schlüsselelement zur Unterstützung der Entwicklung von Robotern, die mit Menschen zusammenarbeiten können. So wird beispielsweise am MIT in den USA ein Roboter namens RoCycle entwickelt, bei dem taktile Sensoren zur Materialerkennung in die Roboterhand integriert werden, damit er Papier, Kunststoff und Metall erkennen und sortieren kann.

An der Technischen Universität Pohang in Südkorea wird ein Sensor für menschliche Fingerabdrücke entwickelt, der mit Hilfe von Nanofedern und anderen Materialien kleinste Druck- und Vibrationsbewegungen wahrnimmt. Als Ergebnis der Entwicklung wurden die vom Taktilen Sensoren gewonnenen Informationen mit Hilfe von maschinellem Lernen analysiert, und es wurde bekannt gegeben, dass acht Arten von Fasern mit einer Genauigkeit von 99,8 % unterschieden werden können. Da sich die Genauigkeit der taktilen Sensoren verbessert, ist mit einer steigenden Nachfrage zu rechnen, insbesondere in der Robotikindustrie.

2. MEMS taktile Sensoren

MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) sind Geräte, in denen Sensoren, elektronische Schaltkreise usw. auf einem Substrat mit Hilfe der Mikrofabrikationstechnologie integriert sind.

In den letzten Jahren haben ultra-empfindliche taktile Sensoren, die MEMS-Technologie verwenden, Aufmerksamkeit erregt.

3. Ausweitung auf den Bereich der Haptik

Nicht nur in der Welt der VR, sondern auch in verschiedenen bekannten Bereichen hält die Haptik Einzug. Beispiele hierfür sind Home-Buttons auf Smartphone-Bildschirmen, Navigationssysteme auf den Armaturenbrettern von Elektrofahrzeugen, Stifte für die elektronische Authentifizierung und PC-Tastaturen.

In diesen Bereichen ist es für die Haptik entscheidend, wie kompakte, leichte, dünne und realistische taktile Sensoren realisiert werden können. Die Hersteller arbeiten daher intensiv an der Entwicklung modernster MEMS-Technologie, piezoelektrischer Bauteile und Anwendungssoftware.

Was ist eine Längenmessmaschine?

Eine Längenmessmaschine ist, wie der Name schon sagt, ein Gerät zum Messen von Längen.

Heute wird die Länge durch die vom Licht in einer Zeiteinheit zurückgelegte Strecke definiert, wobei die Lichtgeschwindigkeit zugrunde gelegt wird. Bei den Längenmessmethoden wird zwischen direkten und indirekten Methoden unterschieden.

• Direkte Methode
  Bei dieser Methode wird die Länge durch den Vergleich mit einer Standardlänge, einem Maßstab oder einer Skala unter Verwendung gängiger Messinstrumente wie Lineal, Maßband, Messschieber oder Mikrometer gemessen.
• Indirekte Methode
  Bei dieser Methode wird die Länge mit Hilfe anderer physikalischer Größen, die mit der Länge zusammenhängen, oder mit Hilfe elektrischer oder optischer Methoden gemessen.

In vielen Fällen kann die Länge mit der direkten Methode gemessen werden, aber bei langen Strukturen oder mikroskopischen Objekten in der Größenordnung von Mikrometern wird die indirekte Methode verwendet, da es schwierig ist, eine Standardlänge (Maßstab) zu erstellen. Indirekte Methoden werden auch verwendet, wenn das Objekt eine komplexe Form hat, unzugänglich ist oder nicht angefasst werden kann.

Anwendungen von Längenmessmaschinen

Längenmessmaschinen werden in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt, aber je nach Anwendung muss das am besten geeignete Gerät ausgewählt werden.

• Einige Millimeter bis zu einigen zehn Millimetern und groß genug, um in die Handfläche oder auf einen Tisch zu passen: Lineale und Messschieber
• Etwas größer und länger, von mehreren hundert Millimetern bis zu mehreren Metern: Maßband usw.
• Gegenstände mit einer Genauigkeit in der Größenordnung von Mikrometern, bei denen das Ergebnis unter dem Mikroskop beobachtet werden kann: Mikrometer
• Entfernungen von mehreren Metern bis zu mehreren zehn Metern im Gelände: optische Methoden (Triangulation, Laser-Längenmessung)
• Messung feiner Unregelmäßigkeiten in industriellen Präzisionsprodukten wie Linsen oder Halbleiterwafern: Laserinterferometrie

Darüber hinaus werden Technologien wie die Röntgen-CT für Messungen im Inneren von Objekten eingesetzt, die mit Licht oder Taster unzugänglich sind. In der Nanotechnologie sind Messungen im Nanometerbereich erforderlich, die mit Hilfe der Rasterelektronenmikroskopie durchgeführt werden. Als praktische Anwendung werden auch Längenmessmethoden auf der Grundlage der Bildanalyse entwickelt, wie z. B. die jüngste Entwicklung von Längenmessanwendungen mit Smartphone-Kameras.

Funktionsweise der Längenmessmaschinen

Die Definition eines Meters ist die Länge, die das Licht im Vakuum in 1 / 299 792 458 Sekunde zurücklegt. Der darauf basierende Meter-Prototyp ist der Standard für die Länge. Die direkte Methode ist in der Funktionsweise ein Vergleich mit diesem metrischen Prototyp.

Eine Messfunktionsweise, die auf der Definition der Länge beruht, ist die Messung der Lichtlaufzeit (ToF). Aufgrund der sehr hohen Lichtgeschwindigkeit ist eine ausgefeilte Elektronik erforderlich. Viele Laserinstrumente (ToF) verwenden heute üblicherweise eine Messmethode, die auf der Phasendifferenz zwischen dem intensitätsmodulierten einfallenden Licht und dem reflektierten Licht beruht.

Definitionsgemäß handelt es sich dabei um das Verhalten von Licht im Vakuum, so dass in der Praxis eine Korrektur für den Brechungsindex von Luft erforderlich ist. Die Laserinterferometrie nutzt das Phänomen der Interferenz zwischen Laserstrahlen.

Durch die Analyse der Interferenzstreifen, die entstehen, wenn das von der Referenzfläche reflektierte Licht und das von der Messfläche reflektierte Licht für dieselbe Laserstrahlung miteinander interferieren, kann der Abstand der Messfläche von der Referenzfläche in der Größenordnung von nm gemessen werden. Eine Reihe von Längenmessgeräten wird als Beispiel gezeigt, aber es gibt eine Vielzahl von Methoden.

Weitere Informationen zu Längenmessmaschinen

1. Anwendung von Längenmessmaschinen

Die horizontale Längenmessmaschine, die in vielen Längenmessmaschinen verwendet wird, besteht aus einem Bett, einer hin- und hergehenden Plattform mit einer eingebauten Maßverkörperung, die sich auf dem Bett bewegt, einem Messmikroskop zur Beobachtung der Maßverkörperung, einer Messfläche, auf der die Probe unter einer konstanten Messkraft platziert wird, und einem Messtisch, der die zu messende Probe trägt. Es sind zwei Arten von horizontalen Längenmessgeräten bekannt: solche, die dem Abbe’schen Prinzip entsprechen, und solche, die dem Eppenstein’schen Prinzip entsprechen.

Bei horizontalen Längenmessmaschinen mit einem Aufbau, der dem Abbe’schen Prinzip entspricht, erfolgt die Messung, indem die Messachse des Probekörpers und die Skalenfläche des Maßstabs auf derselben Geraden liegen, so dass Messfehler aufgrund von Winkelabweichungen von der Messachse des hin- und hergehenden Tisches, die auf der Ungeradheit des Bettes beruhen, vernachlässigt werden können.

Bei horizontalen Längenmessmaschinen mit einer Struktur, die dem Eppenstein-Prinzip entspricht, wird die Messung hingegen so durchgeführt, dass Messfehler aufgrund der Ungeradheit des Bettes eliminiert werden, indem die Brennweite des Objektivs für den Maßstab gleich dem Abstand zwischen der Messachse des Prüflings und dem Maßstab ist, wenn sie getrennt sind, und indem die Brennebene des Objektivs optisch auf den Maßstab gelegt wird. Die Messung wird durchgeführt, indem die Brennebene der Linse optisch auf den Maßstab gelegt wird.

2. Laser-Längenmessmaschinen

Laser-Längenmessmaschinen strahlen einen Laserstrahl auf ein Prüfobjekt und messen anhand des reflektierten Lichts die Entfernung des Prüfobjekts. Laser-Längenmessmaschinen werden je nach dem zu messenden Abstand als Wegsensoren oder Abstandssensoren bezeichnet.

• Verschiebungssensor
  Längenmessgeräte, die kurze Entfernungen (zehn bis hundert Millimeter) in Mikrometern messen.
• Abstandssensoren
  Es handelt sich um Längenmessgeräte, die große Entfernungen (einige Millimeter bis mehrere Meter) in Millimetern messen.

Die beiden bekannten Messverfahren für die oben genannten Längenmessmaschinen sind das Triangulations- und das Time-of-Flight (ToF)-Verfahren.

Dreiecksmessung
Hierbei handelt es sich um ein Messverfahren, das auf dem Prinzip der Triangulation auf der Grundlage von reflektiertem Licht beruht und aus einer Längenmessmaschine mit einem lichtemittierenden Element und einem lichtempfangenden Element besteht. Als lichtemittierendes Element wird ein Halbleiterlaser verwendet. Bei dem Messverfahren wird ein vom Halbleiterlaser durch eine Projektionslinse fokussierter Laserstrahl auf die Probe gestrahlt. Ein Teil der diffusen Reflexion des auf die Probe eingestrahlten Laserlichts bildet über die Lichtempfangslinse ein Punktbild auf dem Lichtempfangselement. Die Verschiebung der Probe kann durch Erfassen und Berechnen der Position des Punktbildes gemessen werden.

Ein System, das ein CMOS-Lichtempfangselement (Complementary Metal Oxide Semi-Conductor) verwendet, wird als CMOS-System bezeichnet, während ein System, das ein CCD-Lichtempfangselement (Charge Coupled Device) verwendet, als CCD-System bezeichnet wird. Bei der CCD-Methode wird ein CCD (Charge Coupled Device) als lichtempfindliches Element verwendet.

Flugzeitmessung (ToF)
Bei dieser Methode wird die Entfernung gemessen, indem die Zeit gemessen wird, die das eingestrahlte Licht benötigt, um von der Probe reflektiert und vom lichtempfangenden Teil empfangen zu werden. Es gibt zwei bekannte Methoden: die Phasendifferenz-Entfernungsmethode, bei der die Phasendifferenz zwischen der ausgesandten und der empfangenen Wellenlänge verwendet wird, und die Impulsausbreitungsmethode, bei der ein Laserstrahl mit einer festen Impulsbreite ausgesandt wird.

Was ist ein Fluoreszenzmikroskop?

Fluoreszenzmikroskope verwenden Laserlicht, Superhochdruck-Quecksilberlampen oder Xenonlampen als Lichtquelle, um die Fluoreszenz fluoreszierender Substanzen in einem Objekt zu beobachten. In gewöhnlichen Lichtmikroskopen wird sichtbares Licht wie Halogenlampen als Lichtquelle verwendet, um ein Objekt zu bestrahlen und das reflektierte oder durchgelassene Licht zu beobachten.

Die Fluoreszenzmikroskopie ist eine Art der Mikroskopie, die sich hauptsächlich auf biologische Gewebe und Zellen konzentriert, die mit fluoreszierenden Substanzen markiert sind. Die Auflösung eines Mikroskops hängt von der Wellenlänge des verwendeten Lichts ab. Fluoreszenzmikroskope, die Licht mit kurzen Wellenlängen verwenden, zeichnen sich daher durch eine hervorragende räumliche und zeitliche Auflösung aus.

Auf diese Weise lassen sich hochgradig quantitative Informationen gewinnen. Die Fluoreszenzmikroskope gewinnen immer mehr an Bedeutung, da die konfokale Lasermikroskopie und die Multiphotonenmikroskopie immer ausgereifter werden.

Anwendungen der Fluoreszenzmikroskope

Fluoreszenzmikroskope werden hauptsächlich für das Bio-Imaging eingesetzt. Die spezifischen Ziele sind Zellen und Gewebe, die lebend beobachtet werden können. Die folgenden Techniken werden in Kombination eingesetzt, um Objekte mit Fluoreszenz zu markieren:

• Techniken zur Fluoreszenzmarkierung bestimmter Proteine, z. B. durch genetische Rekombination.
• Techniken zur Markierung von Nukleinsäuren und anderen Substanzen mit fluoreszierend markierten Chemikalien.
• Technologien zur Expression fluoreszierender Proteine in bestimmten Zellen.

Mit diesen Technologien kann die Lokalisierung von Zielproteinen und exprimierten Genen beobachtet werden. Darüber hinaus wurden Medikamente und Proteine entwickelt, die als Reaktion auf bestimmte Stoffe Fluoreszenz ausstrahlen, wodurch die neuronale Aktivität und die Dynamik von Stoffen in Zellen sichtbar gemacht werden können.

In den letzten Jahren hat das Aufkommen der CRISPR-Technologie die Herstellung von genetisch veränderten Organismen erheblich erleichtert, und die Anwendungsmöglichkeiten werden immer vielfältiger.

Funktionsweise der Fluoreszenzmikroskope

Ein Fluoreszenzmikroskop ist ein Gerät zur Beobachtung von Fluoreszenz. Fluoreszenz entsteht, wenn eine fluoreszierende Substanz ein bestimmtes Licht als Energie absorbiert (Anregungslicht) und dann die Energie wieder abgibt.

Die Exposition mit Anregungslicht führt zu einer schnellen Emission von Licht. Die Wellenlänge der Fluoreszenz ist länger als die Wellenlänge des Anregungslichts, und diese Wellenlängen variieren zwischen den fluoreszierenden Substanzen. Um eine bestimmte Fluoreszenz beobachten zu können, verfügt das Fluoreszenzmikroskop über eine Filtereinheit, die aus folgenden Elementen besteht:

• einem Filter, der das Erregungslicht der Lichtquelle durchlässt
• einem Filter zur Übertragung der emittierten Fluoreszenz
• einem Spiegel, der die Interferenz des Anregungslichts mit der Fluoreszenz verhindert

Durch Auswechseln oder Kombinieren von Filtereinheiten lassen sich verschiedene fluoreszierende Substanzen in ein und derselben Probe beobachten.

Weitere Informationen zur Fluoreszenzmikroskopie

1. Auflösung von Fluoreszenzmikroskopen

Das Auflösungsvermögen eines Mikroskops ist definiert als der Mindestabstand, bei dem es möglich ist, zwei nahe beieinander liegende Punkte von verschiedenen Punkten zu unterscheiden. Mikroskope verwenden Linsen zur Vergrößerung und Beobachtung von Objekten, und im Prinzip ist es möglich, die Vergrößerung durch die Kombination von Linsen ins Unendliche zu steigern.

Bei Lichtmikroskopen, die zur Beobachtung von Proben Licht verwenden, liegt die Auflösungsgrenze jedoch aufgrund der Beugung, einer Eigenschaft des Lichts, bei etwa der halben Wellenlänge des Lichts. Dies galt als theoretische Grenze der Auflösung von Mikroskopen, aber es wurde eine Technologie entwickelt, die diese Grenze durchbricht, und die Entwickler wurden 2014 mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet.

Die Technik ist als Superauflösungsmikroskopie bekannt. Vor der Entwicklung der Superauflösungsmikroskopie lag die Auflösungsgrenze der Fluoreszenzmikroskopie bei etwa 250 nm, aber mit der Superauflösungsmikroskopie kann eine hohe Auflösung von bis zu 15-100 nm erreicht werden, was der Elektronenmikroskopie nahekommt. Bei der Superauflösungsmikroskopie wird eine Vielzahl von Techniken eingesetzt, um die begrenzenden Faktoren der Auflösung zu umgehen und eine hohe Auflösung zu erreichen.

Zu den Methoden der Superauflösungsmikroskopie, die die Auflösung drastisch verbessert haben und mit dem Nobelpreis für Chemie ausgezeichnet wurden, gehören PALM und STED. PALM und STED haben dies erreicht, indem sie die Auflösungsgrenzen der Fluoreszenzmikroskope durch den Einsatz von Spezialoptiken und Spezialfarbstoffen durchbrochen haben. Superauflösungsmikroskope, die verschiedene andere Technologien verwenden, wurden bereits hergestellt und werden von verschiedenen Unternehmen vermarktet.

2. Vorteile der Fluoreszenzmikroskopie

Der Vorteil der Fluoreszenzmikroskopie besteht darin, dass sie eine detaillierte Beobachtung des molekularen Verhaltens und der Zellstruktur als visuelle Information ermöglicht. Durch die Verwendung eines geeigneten Fluoreszenzmikroskops kann das Objekt mit hoher zeitlicher und räumlicher Auflösung beobachtet werden.

Es ist auch möglich, Objekte mit mehreren Farbstoffen zu beobachten. Werden beispielsweise zwei verschiedene Proteine mit roten und grünen Fluoreszenzstoffen markiert und beobachtet, so zeigen gelb gefärbte Bereiche an, dass diese beiden Proteine an der gleichen Stelle in der Zelle vorhanden sein könnten.

Eine Vielzahl von Fluoreszenzmaterialien und Fluoreszenzmikroskopen wurde für unterschiedliche Zwecke und Anwendungen entwickelt und gewinnt in der biowissenschaftlichen und klinischen Forschung zunehmend an Bedeutung.

Was ist ein Geruchssensor?

Ein Geruchssensor ist ein Gerät, das die Bewertung von Gerüchen quantifizieren kann, die traditionell auf dem Fachwissen von sensorischen Prüfern und Geruchsrichtern beruhte.

Von den fünf menschlichen Sinnen werden der Geruchssinn und der Geschmackssinn von Rezeptoren in der Nase und auf der Zunge erkannt, die Bestandteile von Lebensmitteln, Kosmetika usw. wahrnehmen. Die chemischen Substanzen, aus denen diese Bestandteile bestehen, sind jedoch sehr unterschiedlich und werden oft auf komplexe Weise wahrgenommen, so dass die Forschung und Entwicklung von Sensoren hinter der anderer Sinne zurückgeblieben ist.

Der menschliche Geruchssinn ist ein mehrdeutiger Sinn, der von Mensch zu Mensch stark variiert, aber Geruchssensoren haben es möglich gemacht, Gerüche objektiv zu bewerten.
Während es Gassensoren und andere Geräte gibt, die einzelne Komponenten identifizieren und quantifizieren, ermöglichen Geruchssensoren eine umfassende Beurteilung und Bewertung der Qualität und Intensität eines Geruchs.

Einsatzgebiete von Geruchssensoren

Derzeit werden Geruchssensoren in folgenden Bereichen eingesetzt: (1) Forschung und Entwicklung sowie Qualitätskontrolle von Lebensmitteln und Kosmetika, (2) Messung von Umweltgerüchen und (3) Überwachung von Anomalien bei Gas, Feuer usw.

Im Fall (1) wird der Sensor nicht für einzelne Gaskomponenten verwendet, sondern für die subtile Identifizierung des Geruchs, der von einem Objekt ausgeht.

Im Fall (2) wird er eingesetzt, wenn die Geruchsintensität ein Thema ist, z. B. bei der Verwaltung von Arbeitsumgebungen und der Messung der Wirksamkeit von Desodorierungsgeräten.

Im Fall (3) wird er für Sicherheitskontrollen verwendet, obwohl er nicht mit dem menschlichen Geruchssinn übereinstimmen muss.

Darüber hinaus wird für die medizinische Diagnose ein Sensor entwickelt, der das Vorhandensein oder Nichtvorhandensein von Krankheiten durch den Nachweis von für Krebspatienten charakteristischen Atemkomponenten prüft.

Das Prinzip der Geruchssensoren

Es gibt zwei Haupttypen von Geruchssensoren: Halbleiter- und Quarzkristallsensoren.

Der “”Halbleitertyp”” wird seit langem als Gassensor verwendet und erkennt Gerüche, indem er die Änderung des Widerstands eines Halbleiters aufgrund einer Oberflächenreaktion nutzt, die durch die Adsorption von Geruchsmolekülen an der Halbleiteroberfläche verursacht wird. Diese Systeme lassen sich in zwei Typen einteilen: Oxid-Halbleiter und organische Halbleiter.
Beim Oxid-Halbleitertyp werden Zinnoxid und Zinkoxid verwendet, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das proportional zur Anwesenheit oder Abwesenheit einer Substanz und ihrer Konzentration ist. Anorganische Geruchsstoffe wie Gase werden in der Regel erkannt, aber die Empfindlichkeit für organische Verbindungen wie Duftstoffe ist gering.
Polypyrrol und Polyacetylen werden in organischen Halbleitern verwendet und sind in der Lage, Gerüche zu unterscheiden. Sie haben jedoch den Nachteil, dass sie teuer sind.

Der Quarzkristall-Resonatortyp besteht aus einer Lipidmembran, einer empfindlichen Membran, die menschliche Riechzellen imitiert und an der Oberfläche eines Resonators angebracht ist. Wenn Geruchsmoleküle an der empfindlichen Membran adsorbiert werden, sinkt die Resonanzfrequenz des Resonators aufgrund des Effekts der Massenbelastung. Mit Hilfe des Mechanismus, bei dem der Betrag der Abnahme proportional zur Masse des adsorbierten Geruchsstoffs ist, wird die Konzentration des Geruchsstoffs durch Messung des Betrags der Abnahme gemessen. Das System ist besonders gut in der Lage, organische Geruchsstoffe zu erkennen und kann zwischen Whiskey, japanischem Sake, Kaffee und Parfüm unterscheiden.
Zu den verwendeten geruchsempfindlichen Membranen gehören Epoxidharzmembranen, Vinylacetatharzmembranen und Langmuir-Blodgett-Membranen.

Was ist ein am Smartphone montierter Geruchssensor?

Im Jahr 2019 wurde ein kompakter Geruchssensor entwickelt, der an einem Smartphone befestigt werden kann. Die Geruchssensoren können erkannt werden, indem die Geruchssensoren über USB Yype-C mit dem Smartphone verbunden werden. Die erkannten Gerüche können für Gaslecks, Frischekontrollen von Lebensmitteln, Körpergeruch, Alkoholkontrollen usw. verwendet werden.

Dieser Geruchssensor ist ein Quarzkristall mit einer empfindlichen Membran. Er enthält Detektorteilchen mit verschiedenen Sensormembranen, um eine Vielzahl von Gerüchen zu erkennen.

Wenn er mit einem Smartphone verbunden ist, dient das Smartphone als Analyseplattform. Die Art und Stärke jedes erkannten Geruchs wird analysiert, und die Ergebnisse werden auf dem Smartphone angezeigt.

Obwohl der allgemeine Verkauf der am Smartphone montierten Geruchssensoren noch nicht beschlossen ist, laufen die Forschungen und Verbesserungen weiter, und es wird erwartet, dass der Sensor etwa 10 verschiedene Arten von Gerüchen erkennen kann. Es wird erwartet, dass das Produkt für weniger als 100 Dollar verkauft wird und damit in Zukunft für jedermann erschwinglich ist. Das Gerät ist tragbar, leicht zu transportieren und kann Gerüche einfach und bequem erkennen und verwalten.

Derzeit wird daran geforscht, die Geruchsarten in Daten umzuwandeln und maschinelles Lernen einzusetzen. Dadurch soll die Genauigkeit der Geruchssensoren und der Analyse verbessert werden. Auch die Anzahl der Geruchsarten, die erkannt werden können, soll erhöht werden.

Quantifizierung von Gerüchen in Geruchssensoren

Der Begriff “”Geruch”” hat keine eindeutige Norm oder Einheit, wie etwa “”Geruch”” und “”Gestank””, “”Duft”” und “”Parfüm””. Auch bei Geruchssensoren wird eine Methode zur Messung von “”Geruch”” benötigt. Geruch wird auf der Grundlage der Intensität und des vom menschlichen Geruchssinn wahrgenommenen Komforts oder Unbehagens gemessen und ausgedrückt.

Die Olfaktometrie drückt die Intensität und den Komfort oder das Unbehagen aus, das der menschliche Geruchssinn wahrnimmt. Diese werden in vier Typen eingeteilt und jeder Geruch wird schrittweise quantifiziert.

Die vier Methoden sind “”Geruchsintensität””, “”Angenehmes/Unangenehmes””, “”Geruchsindex”” und “”Periodische Häufigkeit””.

Die Methode zur Anzeige des Geruchsindexes ist eine Quantifizierung der Geruchskonzentration und des Geruchsindexes.

Die Geruchskonzentration ist definiert als “”der Verdünnungsfaktor, der erforderlich ist, um bei Verdünnung mit geruchloser reiner Luft Geruchlosigkeit zu erreichen. Der Geruchsindex ist der Wert, den man durch Multiplikation des gewöhnlichen Logarithmus der Geruchskonzentration mit 10 erhält. Diese Werte werden als Referenz verwendet und in die Geruchssensoren integriert.

Was ist eine Kreuzklemme?

Kreuzklemmen sind Vorrichtungen, die dazu dienen, einen Stab oder eine Stange, die mit verschiedenen optischen Elementen gekoppelt sind, in einem festen Winkel in optischen Systemen mit Lasern und anderen Geräten zu fixieren.

Es gibt zwei Arten: feste und drehbare.

Bei der festen Ausführung kann der Winkel der Stange um 90° gedreht werden, während er bei der drehbaren Ausführung in jeden beliebigen Winkel gedreht werden kann. Die Methode zur Befestigung der Stange wird als Spaltklemmverfahren bezeichnet, wobei die in die Klammer eingeführte Stange vom Umfang her geklemmt wird und fest fixiert werden kann.

Anwendungen von Kreuzklemmen

Laserstrahlen werden zur Analyse verschiedener Materialien und zur Erzielung von Bestrahlungseffekten eingesetzt. Zur Führung des Laserstrahls vom Austritt bis zum Material werden verschiedene optische Elemente verwendet.

An den optischen Elementen sind Stäbe befestigt, deren Höhe und Winkel zur Einstellung des Strahlengangs verändert werden müssen. Feste oder drehbare Kreuzklemmen können dann zur einfachen Einstellung des optischen Weges verwendet werden.

Kreuzklemmen werden häufig von Herstellern optischer Geräte und im akademischen Bereich verwendet.

Funktionsweise von Kreuzklemmen

Eine Klammer ist ein Werkzeug zur Befestigung von Material an einer Werkbank oder ähnlichem. Im Bauwesen ist eine Klammer ein Werkzeug, mit dem Materialien an einem Tisch befestigt werden, während in der Medizin eine Klammer ein Werkzeug ist, mit dem z. B. ein Schlauch wie eine Schelle festgeklemmt wird.

Kreuzklemmen werden auch als Werkzeug zum Fixieren verwendet. Sie kommen vor allem bei optischen Geräten zum Einsatz und werden an Teilen wie Stangen und Stäben verwendet, die für die Befestigung optischer Elemente wichtig sind. Stangen werden häufig mit Durchmessern von 12 mm bis 20 mm verwendet.

Es gibt feste und drehbare Typen, wobei erstere nur rechtwinklig befestigt werden können, während der drehbare Typ eine Umstellung der Ausrichtung der Stange in jede Richtung ermöglicht. Je nach Situation, z. B. dem Winkel der Laseremission und dem Winkel der Materialoberfläche, sollte einer der beiden Typen gewählt werden. Aluminium wird häufig als Klemmenmaterial verwendet und ist relativ leicht.

Es hat eine Durchgangsbohrung, durch die der Stab eingeführt und von außen verschraubt werden kann, um den Stab fest zu halten (so genannte Spaltklemmmethode).

Was ist eine Klemmschraube?

Eine Klemmschraube ist ein Bauteil, das dazu dient, einen Gegenstand mit Hilfe der Antriebskraft der Schraube zu positionieren oder zu fixieren.

Die Spitze ist kugelförmig und kann durch Drehen der Schraube fixiert werden, so dass sie mit dem Objekt in Kontakt kommt. Diese Spitzen haben verschiedene Formen und werden für unterschiedliche Zwecke verwendet.

Während bei der Befestigung mit herkömmlichen Schrauben ein Oberflächenkontakt entsteht, der einen Spalt zwischen dem Gegenstand und der Klemmschraube erzeugt und diesen beschädigen kann, wird der Gegenstand bei der Klemmschraube nicht beschädigt und kann mit einer einfachen Konstruktion befestigt werden.

Verwendungszweck von Klemmschrauben

Klemmschrauben werden zur Befestigung und Positionierung von Gegenständen verwendet. Sie können zum Beispiel von beiden Seiten geklemmt werden. Normalerweise müsste die Form des zu klemmenden Gegenstandes verändert werden. Bei Klemmschrauben hingegen kann der Gegenstand durch Berührung an mehreren Stellen fixiert werden. Der Aufbau ist einfach, da nur die Bearbeitung durch die Schraubenlöcher ausreicht, um den Gegenstand zu fixieren. Auch die Wartung ist einfacher, da Verschleiß durch Reibung nur an den Schraubenlöchern auftritt.

Eigenschaften von Klemmschrauben

Die wichtigsten Eigenschaften von Klemmschrauben sind wie folgt

1. Einfache Konstruktion und sichere Befestigung

Im Vergleich zu Befestigungsmethoden mit Oberflächenkontakt, bei denen geklemmt und gedrückt wird, ist die Befestigung mit punktuellem Kontakt durch die Vorschubkraft der Schraube einfacher in der Konstruktion. Sie kann auch sicher befestigt werden, ohne dass eine größere Bearbeitung erforderlich ist.

2. Auch für die Befestigung von leichten Gegenständen geeignet

Bei der Befestigung mit allgemeinen Schrauben könnten leichte Gegenstände durch das Drehmoment der Schraube beeinträchtigt werden, so dass sie ihre Position verändern. Die Klemmschrauben verfügen jedoch über eine separate rotierende Schraube und eine Kugel an der Spitze, so dass das Objekt fixiert werden kann, ohne dass eine Drehbewegung auf es übertragen wird.

3. Die Spitze kann frei gewechselt werden

Die Palette reicht von Kugeln, die von flachen oder unebenen Oberflächen getragen werden, bis zu solchen aus weichen Materialien, die das Harz nicht beschädigen, oder Materialien, die hitze- und säurebeständig sind. Je nach Anwendung kann eine Vielzahl unterschiedlicher Kugeln verwendet werden.

Was ist KVM?

KVM (Kernel-based Virtual Machine) ist eine Virtualisierungstechnologie, die auf Linux, einer Art Betriebssystem, läuft.

Unter Virtualisierung versteht man die Einrichtung mehrerer Server auf einem einzigen Server.

Dies reduziert die anfänglichen Investitionskosten, da mehrere PCs auf einem einzigen PC laufen.

Ein weiterer Vorteil ist die effektive Nutzung der PC-Ressourcen. Der PC verfügt über Verarbeitungseinheiten wie Speicher, CPU und Storage. Wie stark die Verarbeitungsfunktionen genutzt werden, hängt von der verwendeten Software ab. Die Virtualisierung ermöglicht die Zuweisung der für die jeweilige Software geeigneten Ressourcen.

Anwendungen von KVM

KVM wird häufig in Unternehmen eingesetzt. Ein Beispiel für einen Anwendungsfall ist die Nutzung vorhandener Daten.

Nach vielen Jahren der Nutzung eines PCs kann der Supportzeitraum für das Betriebssystem und die darin enthaltene Software auslaufen. Nicht mehr unterstützte PCs stellen ein Sicherheitsrisiko dar und müssen durch einen neuen PC ersetzt werden.

Die im neuen PC verwendete Hardware ist jedoch möglicherweise nicht mit der verwendeten Software kompatibel. Um sie kompatibel zu machen, muss das System neu aufgebaut werden, was zeitaufwändig sein kann. In solchen Fällen wird die vorhandene Software vorübergehend in einer virtuellen Umgebung ausgeführt und alle Daten werden auf den neuen PC übertragen, wenn das System fertig ist.

Funktionsweise von KVM

KVM ist eine Technologie, die auf Linux basiert. In diesem Abschnitt wird Linux vorgestellt.

Linux ist eine Art von Betriebssystem, das zum Betrieb eines PCs beiträgt. Es gibt verschiedene Arten von Betriebssystemen, die anderen bekannten sind Windows und macOS. Jedes Betriebssystem hat seine eigenen Eigenschaften, aber Linux hat die folgenden Merkmale:

• Frei
  Bei Windows und macOS müssen Sie eine Lizenzgebühr bezahlen, um sie zu nutzen. Linux hingegen ist ein Open-Source-Betriebssystem und kann daher kostenlos genutzt werden.
• Große Vielfalt
  Da es open-source ist, wird es von Menschen auf der ganzen Welt entwickelt. Es ist daher je nach Einsatzzweck unterteilt.

Eines der bekanntesten ist Ubuntu, das häufig für Serveranwendungen verwendet wird.

• Leichtgewichtig
  Für kommerzielle Betriebssysteme gibt es System-Updates. Die durch Updates bereitgestellten Funktionen können den PC schwer machen. Ältere PCs funktionieren möglicherweise nicht mehr, wenn sie zu schwer sind.

Linux ist leichter als andere Betriebssysteme und kann ohne Probleme auf älteren PCs eingesetzt werden.

Es gibt zwar Vorteile, aber auch Nachteile.

• Kompliziert zu bedienen
  Linux muss über Befehle ausgeführt werden. Hierfür sind Kenntnisse erforderlich, da man die Schlüsselwörter für die Eingabe der Befehle lernen muss. Für manche Menschen ist es schwierig zu bedienen.