Bu tədqiqat, qaz tərkibini ultrasəs dalğasıların yayılma müddəti və genliğindeki değişimlerden belirlemeyi amaçlayan kompakt bir CMUT qaz algılama platformau geliştirmiştir. Sistem, birbirine bakan bir ötürücü və bir qəbuledici tutumlu mikroişlənmiş ultrasəs çeviricisiden oluşmaktadır. Verici CMUT’un oluşturduğu kısa ultrasəs siqnal, 6 mm uzunluğundaki kontrollü gaz yolundan geçerek qəbuledici CMUT’a ulaşmaktadır. Gaz tərkibi değiştiğinde sesin yayılma sürəti və akustik zəifləmə da değiştiği üçün alınan siqnalın uçuş müddəti ilə tezlik spektrindaki genliği değişmektedir.

Önerilən platformaun təməl yeniliği, daha əvvəl funksiya generatoru, yüksək gərginlik mənbəyi, genişzolaqlı güç yükselteci, osiloskop və bşəbəkəımsız ön gücləndirici gerektiren laboratoriya düzeninin mühüm bölümlerini tek bir daşınan elektronik sistemde birləşdirməsidir. Sistem; 5 V mənbətan təxminən 100 V üreten bir yüksək gərginlik çeviricisi, GaN transistörlü genişzolaqlı ötürücü yükselteci, transimpedans qəbuledici devresi və eş zamanlı dalğa istehsali ilə edinim sşəbəkəlayan Red Pitaya gömülü platformaaunu içermektedir.

Kompakt prototip təxminən 250 × 150 × 50 mm boyutunda, 1,9 litre hacminde və 1 kg kütləsindedir. Önceki laboratoriya düzeni təxminən 63 litre və 30 kg olduğundan həcm təxminən 33 kat, kütlə isə təxminən 30 kat azaltılmıştır. Verici-qəbuledici ön uç devresinin güc istehlaxın 1 W’ın altında, Red Pitaya dâhil toplam sistem tüketimi təxminən 11 W’tır. Tədqiqatçıların enerji tutumsi üzərindən yaptığı teorik hesaba görə 5 V və 10 Ah’lik bir daşınan batareya təxminən 4,5 saat tədqiqat sşəbəkəlayabilir. Bu müddət birbaşa uzunmüddətli batareya testiyle değil, təxminən 50 Wh enerji tutumsinin güc istehlaxınne bölünmesiyle hesablanmışdır.

Deneylerde H₂, CO₂, CH₄ və He gazları azotla karıştırılmış; her gaz üçün %4, %3, %2 və %1 konsentrasiya basamakları tətbiq edilmişdir. Ölçümler 1,5 MHz’də və toplam 100 cm³/dəqiqə gaz axınşında gerçekleştirilmiştir. Uçuş müddəti değişimi ilə spektr amplitudası değişimi birlikte dəyərlendirildiğinde dört gazın ΔA–ΔToF düzleminde fərqli doğrultularda ilərlediği görülmüştür. Bu tapıntı, sistemin kontrollü şərtlərda gaz türü və konsentrasiya değişimlerine duyarlı olduğunu göstərir. Bununla belə tədqiqat bir təsnifatlandırma algoritması, algılama həddi, qeyri-müəyyənlik hesabı və ya bşəbəkəımsız kor test sunmamaktadır.

Sistem gazla reaksiyaye giren özel bir kimyəvi algılama kaplamasına dayanmamaktadır. Bunun yerine gazın səs sürəti və zəiflama gibi fiziki xüsusiyyətlərini ölçmektedir. Bu yaklaşım, belirli tətbiqlarda kaplama yaşlanması və ya kimyəvi seçicilik problemlarını azaltma potensialı daşıyır. Lakin tədqiqatda kimyəvi sensörlerle birbaşa uzunmüddətli müqayisə strukturlmadığından daha düşük sürüşmə, daha uzun ömür və ya daha yüksek inamılirlik henüz eksperimental kimi kanıtlanmış değildir.

Türkiyə baxımından: Sistem; Türkiyədə hidrogen istehsal və depolama altstrukturları, doğal gaz tesisleri, biyogaz tətbiqları, kimya endüstrisi, laboratoriya gaz hatları, enerji depolama sistemleri və helyum istifadə edilən teknik tesislerde daşınan kaçak və karışım izleme araşdırmalarına təməl yarada bilər. Türkiyədə tətbiq üçün yerli gaz tərkibleriyle çox noktalı kalibrasiya, temperatur və nem telafisi, hava üçündeki gazların sınanması, daha düşük konsentrasiya təcrübələri, elektromaqnit uyğunluq, vibrasiya və yaşlandırma testləri, kapalı alan və açık saha denemeleri ilə partlayıcı mühit təhlükəsizlik dəyərləndirməleri strukturlmalıdır. Tədqiqatdan kommersiya sızma detektoru yetərliliği, yasal ölçmə doğruluğu, partlayıcı mühitlarda inamli kullanım, %0,01 algılama həddi və ya bilinmeyen çoxlu gazların otomatik kimi tanımlanabildiği sonucu çıkarılamaz.

CMUT nedir və gazı nasıl ölçmektedir?

CMUT, tutumlu mikroişlənmiş ultrasəs çeviricisi anlamına gelir. Her hüceyrə, sabit bir alt elektrod üzərində bulunan çox ince və esnek bir zar ilə bu iki struktur arasındaki boşluqtan meydana gelir. Zar və alt elektrod birlikte elektriksel bir kapasitör oluşturur.

Tədqiqatın 3. sayfasındaki Şekil 1, CMUT’un gönderme və alma mekanizmasını kesit görünümüyle göstərir. Yapıdaki təməl qatlar şunlardır:

• Alüminyum üst elektrod.
• Silisium nitrür zar.
• Vakum boşluğu.
• İletken polikristal silisium alt elektrod.
• Silisium dioksit izolyasiya tabakası.
• Silisium taşıyıcı altlık.

Gönderme ardıcıllıqsında CMUT’a sabit bir sabit gərginlik ilə zamana bşəbəkəlı dəyişən gərginlik birlikte uygulanır. Elektrostatik kuvvet, ince zarı titreştirir və çevredeki gaz ortamına ultrasəs dalğası yayılır. Alma ardıcıllıqsında gelen akustik təzyiq zarı hareket ettirir, hüceyrənin kapasitansı değişir və bu değişim elektriksel bir axınm kimi ölçülür.

CMUT’un sabit gərginlikle kutuplanması, gönderme və alma duyarlılığını artırır. Lakin gərginlik, zarın alt elektroda kararsız biçimde çekildiği çökme və ya pull-in sınırına fazala yaklaştırılırsa doğrusal tədqiqat aralığı və təhlükəsizlik payı azalır. Tədqiqatda ötürücü və qəbuledicinın fərqli gərginliklerde çalıştırılmasının nedeni budur.

Kullanılan CMUT dizilərinin strukturu

Sensör başlığında yüz yüze yerleştirilmiş iki özdeş dairesel CMUT dizisi bulunmaktadır. Her dizide paralel bşəbəkəlanmış 1.941 kare hüceyrə yer almaktadır. Hücrelerin yanal boyutu 32 µm, dairesel etkin açıklığın çapı 7 mm və etkin səth nisbəti %41’dir.

Tədqiqatın 3. sayfasındaki Şekil 2(a), üst metal keçidlarıyla birbirine bşəbəkəlanmış kare CMUT hüceyrələrinin yaxınn plan görüntüsünü; Şekil 2(b) isə çevresinde elektrik keçid pedleri bulunan 7 mm çapındaki dairesel diziyi göstərir.

Tablo 1’də hüceyrə alanının yazımı “32² µm²” anlamına gelecek biçimde dizilmiş, lakin mətn açıkça hüceyrə kenar uzunluğunu 32 µm kimi vermiştir. Bu nedenle hüceyrə boyutunun 32 µm × 32 µm olduğu anlaşılmaktadır.

Gaz tərkibi neden uçuş müddətini və genliği değiştirmektedir?

Verici CMUT’un oluşturduğu ultrasəs dalğası, qəbulediciya ulaşıncaya kadar gaz ortamında ilərler. Gazın tərkibi değiştiğinde sesin yayılma sürəti da değişebilir. Bu değişim, siqnalın 6 mm’lik yolu tamamlama müddətini etkilər. Tədqiqatda bu böyüklük uçuş müddəti, yani ToF kimi adlandırılmıştır.

Gazın akustik zəifləməsı da alınan siqnalın genliğini etkilər. Bu nedenle tədqiqatçılar tek bir ölçməe dayanmak yerine iki akustik özelliği birlikte kullanmıştır:

• ΔToF: Ölçülen uçuş müddətinin saf azot referansına görə değişimi.
• ΔA: Seçilən tezliktaki FFT genliğinin saf azot referansına görə değişimi.

İki özelliğin birlikte kullanılması, eyni uçuş müddəti değişimine yaxınn tepki veren gazların amplituda davranışıyla ayrılabilmesi və ya bunun tersinin strukturlabilmesi üçün ek bilgi sşəbəkəlamaktadır.

Önceki laboratoriya düzeninin problemu neydi?

Tədqiqatın 4. sayfasındaki Şekil 3, əvvəlki laboratoriya ölçmə zincirini göstərir. Bu düzen şunları içermektedir:

• İşlev və ya keyfî dalğa üreteci.
• Harici genişzolaqlı güç yükselteci.
• Birden fazala yüksək gərginlik güc mənbəyi.
• Ayrı ötürücü və qəbuledici kutuplama şəbəkəları.
• Alıcı ön yükselteci.
• Osiloskop.
• Çok sayıda güç, siqnal və toprak keçidsı.

Bu struktur araşdırma laboratoriyaında esneklik sşəbəkəlasa da təxminən 63 litre hacme və 30 kg kütləye ulaşmaktadır. Uzun kablolar və ayrı cihazların toprak keçidları, zəif havadan ultrason siqnalınde gürültü və empedans uyumsuzluğu yarada bilər. Ölçümlerin fərqli cihazlar arasında eş zamanlanması və nəticələrin saha ortamında elde edilmesi də zorlaşmaktadır.

Kompakt platformaun genel mimarisi

Tədqiqatın 4. sayfasındaki Şekil 4, laboratoriya cihazlarının yerini alan kompakt ölçmə zincirini göstərir. Sistem dört ana bölümden oluşmaktadır:

1. Yüz yüze yerleştirilmiş CMUT ötürücü və qəbuledici cüti.
2. Verici və qəbuledici gücləndiricilərini, yüksək gərginlik istehsalini və kutuplamayı içeren özel elektronik kart.
3. Dalga istehsali, eş zamanlama və siqnal edinimi sşəbəkəlayan Red Pitaya kartı.
4. USB və ya daşınan batareya üzərindən sşəbəkəlanan 5 V güc mənbəyi.

Red Pitaya tarafından oluşturulan düşük gərginlikli dalğa, özel ötürücü devresinde yükseltilərek CMUT’a uygulanmaktadır. Alıcı CMUT’tan gelen çox kiçik axınm, transimpedans yükselteciyle gərginlike dönüştürülmekte və Red Pitaya’nın ADC’siyle sayısallaştırılmaktadır. Verici və qəbuledici zamanlamasının eyni sistemden yönetilmesi, uçuş müddəti hesabının tekrarlanabilirliğini artırmaktadır.

GaN tabanlı ötürücü yükselteci neden istifadə edilmişdir?

CMUT ötürücünin geniş bir tezlik aralığında düzgün sinüzoidal zərbəlerle çalıştırılması üçün yüksək gərginlikli və genişzolaqlılı bir gücləndirici lazımdır. Geleneksel silisium güç transistörlerinin yüksek parasitik kapasitansı və daha böyük ilətim müqaviməti, kiçik və yüksek tezliklı bir devrede sınırlayıcı olabilir.

Tədqiqatda qallium nitrid, yani GaN transistörü şu xüsusiləri nedeniyle seçilmiştir:

• Düşük ilətim müqaviməti.
• Düşük Miller kapasitansı.
• Düşük kapı yükü və düşük kapı sürme gərginliki.
• Yüksek tezlik və yüksək gərginlik uyumluluğu.
• Gövde diyodu bulunmaması nedeniyle geri toparlanma yükünün azalması.

Bu tədqiqatnın dikkat çekici yönü, GaN elemanının yaygın ultrasəs kare dalğa anahtarlayıcistilik kimi değil, kontrollü sinüzoidal işaret üreten zərbəli bir doğrusal gücləndirici kimi kullanılmasıdır. Transistör yalnızca ultrasəs zərbə ardıcıllıqsında doğrusal bölgede çalıştırılmakta, zərbəler arasında kapatılmaktadır. Böylece doğrusal tədqiqatın oluşturabiləceği istiliknma və statik güc istehlaxın azaltılmaktadır.

Yaklaşık 131 µs’lik etkin pencere və 16,5 ms’lik zərbə aralığı kullanıldığında tədqiqat dövri təxminən %0,8’dir. Tədqiqatçılar bu kısa tədqiqat dövri sayesinde prototipte özel bir soyuducuya gerek duymamıştır. Bununla belə müddətkli və ya daha yüksek tekrarlama sürətli kullanımda termal davranış həmçinin doğrulanmalıdır.

Verici dalğa biçimi neden yumuşatılmıştır?

Standart ultrasəs göndericilər sıklıkla ani kenarlı kare gərginlik zərbəleri kullanır. Bu tədqiqat isə CMUT’u 8 MHz civarındaki rezonansının altında, 0,5–5 MHz genişzolaqlı bölgesinde çalıştırmaktadır. Ani kenarlı bir zərbə, istenmeyen rezonans və geçici vibrasiyaleri uyarabilir.

Bu nedenle gönderilən sinüzoidal zərbə Hanning penceresiyle yumuşatılmıştır. Darbenin başlangıcı və sonu ani değildir. Ek A’daki Şekil A3, fərqli kontrol gərginliklerinde yükseltilmiş dalğa biçimlerini göstərir:

• 165 mV düzeyinde devre kesime yaxınn tədqiqatkta və çıkış bozulmaktadır.
• 215 mV düzeyinde devre ray sınırlamasına yaklaşmakta və kırpılma oluşmaktadır.
• 190 mV düzeyinde daha doğrusal və daha az bozulmuş bir çıkış elde edilmektedir.

Ek A, girişten çıkışa toplam kazancı təxminən 60 dB kimi bildirmektedir. Bu kazanca işlemsel yükseltecin təxminən 20 dB’lik töhfəsi da dâhildir.

Frekansa bşəbəkəlı yük etkisi

CMUT elektriksel kimi kapasitif bir yük oluşturur. Ek A’daki Şekil A4, açık devre ilə 3,1 nF, 0,95 nF və 0,15 nF tutumli fərqli CMUT yüklerinin ötürücü kazancını mühüm ölçüde değiştirdiğini göstərir. Aynı giriş genliği kullanıldığında tezlik yükseldikçe çıkışın azalması mümkündür.

Şekil A5’te tədqiqatçılar, giriş genliğini tezlika görə ayarlayarak bu düşüşü böyük ölçüde düzleştirmiştir. Sabit sürüşte tezlikla aydın biçimde azalan kazanç, tezlika görə ayarlanmış sürüşte təxminən sabit qalmışdır. Bu özellik gelecekte çox tezliklı gaz ölçməü üçün mühümdir; lakin gaz təcrübələrinde bu çox tezliklı üsul uygulanmamıştır.

Alıcı transimpedans yükselteci

Alıcı CMUT, gelen akustik dalğayı çox kiçik bir elektrik axınmına dönüştürmektedir. Tədqiqatda bu axınmı ölçülebilir gərginlike çevirmek üçün transimpedans yükselteci istifadə edilmişdir.

Tədqiqatın 6. sayfasındaki Şekil 6, qəbuledici devresini göstərir. Seçilən təməl geri besleme komponentləri:

• 1 MΩ geri besleme müqaviməti.
• 0,2 pF nominal geri besleme kapasitörü.
• PCB parazitleri dâhil təxminən 0,4 pF etkin geri besleme tutumsi.

22 kΩ, 56 kΩ, 110 kΩ və 1 MΩ müqavimətler qarşılaştırılmıştır. Büyük geri besleme müqaviməti düşük megahertz bölgesinde daha yüksek siqnal kazancı sşəbəkəlarken kullanılabilir bant genişliğini daraltmaktadır. Küçük müqavimətler daha genişzolaqlı sşəbəkəlamakta lakin alınan siqnalın genliğini düşürmektedir.

Gaz təcrübəinin gerçekleştirildiği təxminən 1,5 MHz üçün 1 MΩ müqavimət, kazanç və bant genişliği arasında uygun denge kimi seçilmiştir. Çok tezliklı bir tətbiqda anahtarlanabilir geri besleme müqavimətleri və ya ek kazanç katları gerekebilir.

5 V’tan təxminən 100 V nasıl istehsal edilmişdir?

CMUT’ların kutuplanması üçün təxminən 70–90 V gerektiği hâlde daşınan sistem yalnızca 5 V USB kaynşəbəkəıyla beslenmektedir. Bu nedenle kart üzərində ayrık elemanlardan yaranan yükseltici bir DC-DC çevirici geliştirilmiştir.

Tədqiqatın 6. sayfasındaki Şekil 7’də gösterilən dönüştürücü:

• Bobin.
• Alçak taraf açarlandırma transistörü.
• Doğrultucu diyot.
• Paralel çıkış kapasitörleri.
• Gerilim sınırlayıcı Zener diod.
• Kendinden salınımlı PNP/NPN kontrol katı

komponentlərinden oluşmaktadır. Yaklaşık 100 V çıkışta gereken axınm yalnızca 2 mA düzeyindedir.

Dönüştürücü təxminən 16 kHz’də anahtarlanmaktadır. Bu açarlandırma və harmonikleri, zəif qəbuledici siqnalıne karışabiləcek gürültü üretebilir. Ek B’deki Şekil B1, açarlandırma düyününde 16 kHz təməl komponent ilə yüksek harmonikleri göstərir.

Anahtarlama gürültüsü nasıl azaltılmıştır?

Verici zərbəsi başlatıldığında yükseltici dönüştürücü geçici kimi durdurulmaktadır. Ek B’deki Şekil B2, dönüştürücü açarlandırmasının ötürücü və qəbuledici ölçmə penceresi boyunca kaybolduğunu, ölçmə tamamlandıktan sonra yeniden başladığını göstərir.

Dönüştürücü kapalıyken CMUT’ların yüksək gərginliki çıkış kapasitörlerinde depolanmış enerjiden sşəbəkəlanır. Darbe sonrasında gərginlik düşer və dönüştürücü kapasitörleri tekrar şarj eder. Şekil B3’e görə yüksək gərginlik hattının təxminən 100 V’a geri dönmesi üçün təxminən 16,5 ms lazımdır. Bu nedenle sistemin en kısa zərbə aralığı 16,5 ms kimi seçilmiştir.

Bu çözüm düşük gürültü sşəbəkəlamaktadır lakin edinim sürətinı məhdudlaşdırır. Daha yüksek axınmlı və ya daha səmərəli bir dönüştürücü, yeniden şarj müddətini azaltabilir.

Red Pitaya tabanlı gömülü ölçmə sistemi

Sistemin dijital çekirdeği STEMlab 125-14 Gen 2 Red Pitaya kartıdır. Kartın DAC və ADC birimleri 125 MS/s’ye kadar nümunəleme yapabilmektedir. Bu sürət, 0,5–5 MHz dalğa biçimlerinin üretilmesi və alınması üçün yetərli zaman çözünürlüğü sşəbəkəlamaktadır.

Tədqiqatın 6. sayfasındaki Şekil 8, donanım və yazılım axınşını göstərir. Temel görəvler şunlardır:

• Sinüzoidal və Hanning pencereli ötürücü zərbəsinin yaddaşte hazırlanması.
• Dijital birbaşa sintez yoluyla DAC çıkışında üretilmesi.
• ADC ediniminin gönderme zərbəsiyle eş zamanlanması.
• Gerektiğinde birden fazala edinimin kart üzərində ortalanması.
• Ölçüm məlumatsi və ayar bilgilərinin UDP üzərindən ana bilgisayara gönderilmesi.
• Python 3 yazılımıyla siqnal emalı və gerçek zamanlı görselleştirme.

UDP, düşük protokol yükü və kısa gecikme nedeniyle seçilmiştir. Her məlumat çərçivəsine ölçmə indeksi və zaman bilgisi eklenerek müddətkli ölçmələrde izlenebilirlik sşəbəkəlanmıştır.

Sinyal işleme adımları

Alınan siqnalın analizi şu ardıcıllıqyla strukturlmıştır:

1. Önceden tanımlanmış zaman penceresinde ilk alınan ultrasəs siqnalın bulunması.
2. Alınan siqnal ilə programlanan gönderme dalğası arasında çarpaz korrelyasiya strukturlması.
3. Korelasyon dışındaki tezlik komponentlərinin və gürültünün azaltılması.
4. Hilbert çevrilməüyle siqnal zərfinın çıkarılması.
5. Zarfın tepe konumundan uçuş müddətinin belirlenmesi.
6. Geçerli siqnal bölgesine FFT uygulanması.
7. Seçilən uyarma tezlikındaki spektr amplitudasınin çıkarılması.
8. Sonucun saf azot referansına görə fark kimi hesaplanması.

Uçuş müddəti değişimi:

\[ \Delta \mathrm{ToF} = \mathrm{ToF}(n) - \mathrm{ToF}(N_2) \]

Spektrum genliği değişimi:

\[ \Delta A = H_{\mathrm{FFT}}(n) - H_{\mathrm{FFT}}(N_2) \]

Burada n güncel gaz ölçməünü, \(N_2\) isə saf azot referansını ifade etmektedir. ΔA mutlak bir udulma katsayistilik değildir; seçilən tezliktaki alınan FFT genliğinin azot ölçməüne görə farkıdır.

Gaz axınşı təcrübəi

Gaz karışımları Brooks 5850S kütləsel axınş kontrolörleriyle hazırlanmışdır. Her hedef gaz, azotla ikili karışım hâlinde sensöre məlumatlmiştir.

Gaz şərtlərı arasında saf azotla temizleme və referans ölçməü strukturlmıştır. Bu işlem, əvvəlki gazdan kalan komponentlərin etkisini azaltmak və yavaş temperatur və ya elektronik sürüşməleri kısmen dengelemek amacıyla istifadə edilmişdir.

Frekans performansı

Tədqiqatın 9. sayfasındaki Şekil 10, fərqli qəbuledici geri besleme müqavimətleri üçün bütün CMUT-ötürücü-qəbuledici zincirinin tezlik tepkisini göstərir. Tepki, tek bir devre bloğuna değil şu etkilərin birleşimine bşəbəkəlıdır:

• CMUT ötürücü duyarlılığı.
• CMUT qəbuledici duyarlılığı.
• Alıcı və ötürücü elektroniklerinin bant genişliği.
• Düşük tezliktaki akustik kırınım.
• Yüksek tezliktaki havadan ultrason zəiflaması.
• Elektriksel tutumlu yükleme.

Sistem 0,5–5 MHz aralığında ölçülebilir siqnal üretmiştir. Havadaki təməl bant genişliği təcrübələrinde 5 MHz’e kadar siqnal, ek interpolasyon və ya orta olmadan alınabilmiştir. Gaz təcrübəinde isə daha sabit özellik çıkarımı üçün 20 edinim ortalanmıştır.

Şekil 11, fərqli merkez tezliklarında alınan zaman siqnallarıni və spektrlarını göstərir. Ana mətn son paneli 4 MHz, şəkil açıklaması 3 MHz kimi tanımlamaktadır. Bu uyuşmazlık düzeltilmelidir.

Kompaktlığın və güc istehlaxınnin sonucu

Kompakt sistemin ölçmə elektroniği 1 W’ın altında güç kullanmaktadır. Red Pitaya, Wi-Fi ardıcıllıqsında təxminən 10 W’a kadar tüketmektedir. Yaklaşık 11 W toplam tüketim ilə 50 Wh nominal batareya tutumsinin bölünmesi, 4,5 saatlik teorik tədqiqat müddəti vermektedir. Gerçek müddət dönüştürücü itkiları, batareya temperaturu və tutum düşümü nedeniyle daha kısa olabilir.

İşlenmiş siqnaller ne göstərir?

Tədqiqatın 10. sayfasındaki Şekil 12; saf N₂, %4 H₂ + %96 N₂ və %4 CO₂ + %96 N₂ üçün çarpaz korrelyasiya sonrasında əldə edilən siqnalları müqayisəktadır. Her qrafikte:

• Zaman alanındaki işlenmiş ultrasəs dalğası.
• Hilbert zarfı.
• Uçuş müddətini veren zarf tepe noktası.
• 1,5 MHz’deki FFT genliği

göstərilmişdir. H₂ və CO₂ karışımlarının hem tepe konumunda hem də spektr amplitudasınde azot referansından fərqlilık oluşturduğu görülmektedir.

Derişim basamaklarına məlumatlen tepki

11. sayfadaki Şekil 13(a), təcrübə boyunca ΔToF və ΔA’nın zamana bşəbəkəlı değişimini; Şekil 13(b) isə tətbiq edilən gaz və konsentrasiya programını göstərir. Her üç dəqiqəlık basamakta təxminən 540 məlumat noktası toplanmıştır.

Gaz değiştirme anlarında kısa geçiş sapmaları yaranmışdır. Tədqiqatçılar bunları axınş kontrol vanalarının gecikmesi və gaz değiştirme ardıcıllıqsındaki axınş bozulmalarıyla ilişkiləndirmiştir. Temsili dəyərler, bu geçici bölgelerden kaçınmak üçün her basamşəbəkəın orta kısmından alınmıştır.

%4’ten %1’e inen konsentrasiya seriləri üçün birinci dereceden doğrusal eğilimler tətbiq edilmişdir. Bu doğrular tədqiqat aralığındaki yanıt yönünü göstərir; bşəbəkəımsız doğrulama strukturlmadığından bütün konsentrasiyalerde geçerli tam kalibrasiya modelleri kimi dəyərlendirilmemelidir.

ΔA–ΔToF xəritəsı

11. sayfadaki Şekil 14, H₂, CO₂, CH₄ və He üçün ölçülen amplituda değişimini uçuş müddəti değişimine qarşı göstərir. Dört gaz ailəsi fərqli yörüngeler meydana getirmiştir:

• H₂, CO₂, CH₄ və He noktaları eyni doğru üzərində tamamen çaxınşmamaktadır.
• Gaz konsentrasiyai değiştikçe her gaz kendi eğilimi boyunca ilərlemektedir.
• Her gazdan %1 içeren karışık gaz noktası ara bir bölgede bulunmaktadır.

Bu nəticə, iki akustik özelliğin birlikte kullanılmasının gaz türü hakkında bilgi taşıdığını göstərir. Lakin şəkil, görsel ayrılabilirlik təqdim edir; eğitilmiş bir təsnifləndirici, kor test, inam bölgesi və ya xəta matrisi bulunmadığı üçün nicel “gaz tanıma doğruluğu” hesaplanamaz.

Kararlılık və sürüşmə

Tədqiqatçılar kısa təcrübə ardıcıllıqsında temperatur sürüşməsinin məhdud kaldığını və azot referanslarının yavaş değişimleri azalttığını belirtmektedir. Metinde həmçinin daha uzun gözlemlerde təxminən 11 saat üçünde artık ΔToF baza xətti sürüşməsinin təxminən %0,5 olduğu ifade edilmiştir.

Bununla belə uzunmüddətli testin ayrıntılı zaman serisi, tekrar sayistilik və fərqli çevre şərtlərindəki qarşılığı ana şəkillerde sunulmamıştır. Bu nedenle %0,5 dəyəri uzunmüddətli ürün sabitlığı və ya saha kalibrasiya aralığı kimi kullanılmamalıdır.

Tədqiqatın güclü yönleri

• CMUT, yüksək gərginlik istehsali, ötürücü, qəbuledici və sürətli edinimi tek daşınan zincirde birləşdirməktedir.
• GaN transistörü zərbəli doğrusal gücləndirici kimi kullanarak kontrollü sinüzoidal yüksək gərginlik üretmektedir.
• Verici və qəbuledici CMUT’ların kutuplama gərginlikleri bşəbəkəımsız ayarlanabilmektedir.
• Yüksek gərginlik dönüştürücüsü ölçmə ardıcıllıqsında durdurularak açarlandırma səs-küyü azaltılmaktadır.
• Alıcı geri besleme müqaviməti değiştirilərek kazanç və bant genişliği ayarlanabilmektedir.
• 0,5–5 MHz aralığında havadan ölçülebilir ultrasəs ilətim göstərilmişdir.
• H₂, CO₂, CH₄ və He üçün gerçek kontrollü gaz axınşı təcrübələri strukturlmıştır.
• Uçuş müddəti və spektr amplitudası eyni ölçməden birlikte çıkarılmıştır.
• Önceki laboratoriya sistemine görə həcm və kütlə təxminən 30 kat azaltılmıştır.
• Batarya və Wi-Fi istifadəsiyla şebekeden bşəbəkəımsız ölçmə göstərilmişdir.

Tədqiqatın məhdudlıkları

• Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmiş preprintdir.
• Gaz algılama təcrübəi yalnızca 1,5 MHz’də strukturlmıştır.
• Akustik yol yalnızca 6 mm’dir.
• Test edilən ən aşşəbəkəı tek gaz konsentrasiyai %1’dir.
• Algılama sınırı, nicel dəqiqlik və qeyri-müəyyənlik bütçesi məlumatlmemiştir.
• Gaz təsnifatlandırma doğruluğu və ya yanlış siqnal nisbəti hesaplanmamıştır.
• Her gaz üçün bşəbəkəımsız tekrarlar və xəta çubukları açıkça rapor edilmemiştir.
• Karışık gaz təcrübəi yalnızca tek tərkib noktasından oluşmaktadır.
• Gazların hava, oksijen və ya gerçek sənaye arka plan üçündeki davranışı sınanmamıştır.
• Nem kontrollü biçimde değiştirilmemiştir.
• Basınç değişimi araşdırılmamışdır.
• Gaz geçiş və temizlenme müddətleri nicel bir yanıt müddəti modeliyle dəyərlendirilmemiştir.
• Gaz təcrübəinde 20 siqnal ortası istifadə edilmişdir.
• Sinyal işleme hâlen ana bilgisayarda gerçekleştirilmekte, bütünüyle kart üzerine taşınmamıştır.
• Prototip 1 kg’dır və son mini sensör boyutunda değildir.
• Gerçek batareya tədqiqat müddəti eksperimental kimi gösterilmemiştir.
• GaN elemanının temperaturu və uzunmüddətli doğrusal tədqiqat inamılirliği ölçülmemiştir.
• Yüksek gərginlik inamliği və muhafazaa tasarımı dəyərlendirilmemiştir.
• EMC, vibrasiya və mekanik şok testləri strukturlmamıştır.
• Patlayıcı ortam sertifikasyonu və ya kıvılcım inamliği gösterilmemiştir.
• Üretim maya dəyərii və seri üretiləbilirlik analizi bulunmamaktadır.
• GaN eleman adı, ölçmə tezlikı və DAC tədqiqat noktası konusunda mətn içi uyuşmazlıklar vardır.

Tədqiqat neyi desteklemektedir?

Tədqiqat, iki CMUT arasında yayılan ultrasəs siqnalın uçuş müddəti və genliğinin, kontrollü H₂, CO₂, CH₄ və He karışımlarındaki konsentrasiya değişimlerine tepki verdiğini desteklemektedir. Həmçinin daha əvvəl çox sayıda laboratoriya cihazı gerektiren təməl gönderme, alma, yüksək gərginlik və məlumat edinimi işlevlerinin təxminən 1,9 litre hacmindeki batareyalı bir platformada birleştiriləbildiğini göstərir.

Deneyler, zərbəli doğrusal GaN yükseltecinin genişzolaqlı sinüzoidal CMUT sürüşü üçün kullanılabiləceğini; transimpedans qəbuledicinın geri besleme elemanlarıyla ayarlanabildiğini və yükseltici dönüştürücünün ölçmə ardıcıllıqsında susturulmasının zəif siqnal ölçməünü kolaylaştırdığını desteklemektedir.

Tədqiqat neyi sübut etmir?

Tədqiqat, sistemin bilinmeyen gazları otomatik və xətasız biçimde tanımladığını, %0,01 düzeyinde gaz algıladığını, gerçek sənaye kaçaklara yeterince sürətli tepki verdiğini və ya temperatur və nem değişimlerinden bşəbəkəımsız olduğunu sübut etmir. Gazların ΔA–ΔToF eğrilərinin ayrılması, tek başına sertifikalı seçicilik və ya nicel təsnifatlandırma performansı anlamına gelmez.

Tədqiqat həmçinin CMUT yaklaşımının kimyəvi gaz sensörlerinden daha uzun ömürlü, daha düşük maya dəyərili və ya daha inamılir olduğunu birbaşa göstermemektedir. Bu yararlar, gazla reaksiyaye giren hassas kaplama kullanılmamasından doğan araşdırma potensialıdir və uzunmüddətli müqayisəlı təcrübələrle doğrulanmalıdır.

Tədqiqatın Yöntemi və Bulguları

Sensör başlığının təməl xüsusiləri

Elektronik sistemin komponentləri

Gömülü platforma və ilətişim

Alıcı geri besleme müqayisəsı

Gaz təcrübəinin işlem ardıcıllıqsı

1. Saf N₂ sensör başlığına məlumatlarek referans ölçməü alınmıştır.
2. Hedef gaz və N₂, kütləsel axınş kontrolörleriyle istenen nisbətda karıştırılmıştır.
3. Toplam gaz axınşı 100 cm³/dəqiqəda tutulmuştur.
4. Verici CMUT’a 1,5 MHz və 20 µs müddətli zərbə tətbiq edilmişdir.
5. Alıcı CMUT’tan gelen işaret TIA ilə yükseltilmiştir.
6. Her ölçmə noktası üçün 20 edinim ortalanmıştır.
7. İşlenmiş məlumat təxminən 0,32 saniyəde ana bilgisayara gönderilmiştir.
8. Çapraz korrelyasiya və Hilbert zarfından ToF müəyyən edilmişdir.
9. FFT’den 1,5 MHz genliği çıkarılmıştır.
10. ΔToF və ΔA dəyərləri saf N₂ referansına görə hesablanmışdır.
11. Her konsentrasiya basamşəbəkəının orta bölümündeki sabit dəyərler istifadə edilmişdir.

Ana nicel nəticələr

Metin üçündeki teknik uyuşmazlıklar

Uygulama əvvəlsi lazımlı doğrulamalar

• Gaz təcrübələri 0,5–5 MHz aralığında çox tezliklı kimi tekrarlanmalıdır.
• Her gaz üçün %1’in altında çox sayıda kalibrasiya noktası kullanılmalıdır.
• Algılama və nicel tayin sınırları hesaplanmalıdır.
• Bşəbəkəımsız kör gaz nümunələriyle təsnifatlandırma doğruluğu ölçülmelidir.
• Birden fazala gazın fərqli nisbətlarda bulunduğu geniş karışım məlumat seti oluşturulmalıdır.
• Sıcaklık, nem və təzyiq değişimleri kalibrasiyaa dâhil edilmelidir.
• Hava və oksijen içeren gerçekçi arka plan gazları kullanılmalıdır.
• Yanıt, temizlenme və vana gecikmesi müddətleri ayrı ayrı ölçülmelidir.
• Farklı CMUT istehsal partiləri arasında sensörler arası değişkenlik belirlenmelidir.
• Uzun dəhəmiyyət baza xətti, tekrarlanabilirlik və yaşlanma təcrübələri strukturlmalıdır.
• GaN elemanının temperaturu və doğrusal tədqiqat inamılirliği izlenmelidir.
• Red Pitaya yerine daha kiçik və düşük güclü gömülü donanım dəyərlendirilmelidir.
• Sinyal işleme bütünüyle kart üzerine taşınmalıdır.
• Yüksek gərginlik bölümü elektriksel təhlükəsizlik muhafazaasına alınmalıdır.
• EMC, vibrasiya, şok və daşınan batareya təcrübələri strukturlmalıdır.
• Hidrojen və metan tətbiqları üçün partlayıcı mühit inamliği doğrulanmalıdır.
• Pilot tesislerde gerçek kaçak və havalandırma şərtlərı altında saha denemeleri strukturlmalıdır.

Mənbə və Metod Qeydi

Tədqiqatın tam özgün adı:Compact CMUT Gas Sensor Integrating GaN-Based Amplifier

Yazarlar və ardıcıllıqları: Yilihamu Abudujiasuer; Rida Yachouti; Etienne Lemaire; Flavien Barcella; Thierry Potier; Fabrice Mathieu; Isabelle Dufour; Dominique Certon.

Eşit töhfəlı müəllif bilgisi: Tədqiqatda bərabər töhfə və ya ortak birinci müəlliflık bildirimi bulunmamaktadır.

Sorumlu müəllif: Yilihamu Abudujiasuer.

Sorumlu müəllif e-posta adresi: yilihamu.abudujiasuer@univ-tours.fr

Kurumsal keçidlar:

1. GREMAN Laboratory UMR-CNRS 7347, University of Tours, 37071 Tours, Fransa.
2. IMS Laboratory UMR-CNRS 5218, University of Bordeaux, 33405 Talence, Fransa.
3. LAAS Laboratory, LAAS-CNRS UPR8001, University of Toulouse, 31031 Toulouse, Fransa.

Yazar-qurum eşleşmesi:

• Yilihamu Abudujiasuer, Rida Yachouti, Etienne Lemaire, Flavien Barcella, Thierry Potier və Dominique Certon: GREMAN Laboratory, University of Tours.
• Isabelle Dufour: IMS Laboratory, University of Bordeaux.
• Fabrice Mathieu: LAAS Laboratory, University of Toulouse.

Qaynaq türü: CMUT sensör istehsali, özel elektronik devre geliştirme, tezlik karakterizasyonu və kontrollü gaz axınşı təcrübələri içeren eksperimental preprint araşdırma makalesi.

Konu alanı: MEMS gaz sensörleri, CMUT, havadan ultrason, GaN gücləndiriciləri, gömülü elektronikaler, uçuş müddəti ölçməü və akustik gaz ayrımı.

Hakemlik durumu: Tədqiqat rəyçi qiymətləndirməsindən keçməmişdir. Yüklenen sürümün her sayfasında preprint və hakemlik uyaristilik bulunmaktadır.

Yayın platformau: SSRN.

Platform sşəbəkəlayıcistilik: Elsevier SSRN Preprint Services.

SSRN kayıt numarası: 7201800.

DOI:10.2139/ssrn.7201800

Resmî keçid:SSRN kayıt sayfası

Yayın yılı: 2026.

Dergi: Hakemli bir jurnalde yayımlandığı təsdiqlənməmişdir.

Özgün jurnal nəşriyyat: Doğrulanmış bir hakemli jurnal və ya son jurnal nəşriyyat bulunmamaktadır. SSRN bir preprint platformaudur və hakemli jurnal kimi gösterilmemelidir.

Finansman: Tədqiqat, French National Research Agency tarafından desteklenen MIGNON projesi kapsamında finanse edilmiştir. Makalede maliyyələşmə numarası ANR-22-CE42-0012-04 kimi məlumatlmiştir. Tədqiqat həmçinin University of Tours bünyesindeki CERTeM teknolojik platformaundan yararlanmıştır.

MIGNON ana proje kaydı:ANR-22-CE42-0012

Çıkar çatışması: Yüklenen ana mətnde ayrı və açık bir maraqlar toqquşması bildirimi yer almamaktadır.

Yazar töhfəları: CRediT və ya benzeri ayrıntılı müəllif töhfəsi bildirimi bulunmamaktadır.

Veri və kod əlçatanlığı: Ham gaz ölçmə məlumatlari, PCB istehsal dosyaları, devre tasarım dosyaları, Red Pitaya mənbə koduu və ya Python analiz kodu üçün açık bir məlumat deposu keçidsı məlumatlmemiştir.

Destekleyici bilgi durumu: Temel devre və karakterizasyon ayrıntıları ana metnin Ek A və Ek B bölümlerinde məlumatlmiştir. Ayrı bir destekleyici bilgi dosyasına atıf strukturlmamaktadır.

Bibliyoqrafik və teknik uyarı: Ana mətnde GaN elemanının modeli, Şekil 11’in son tezlikı və nominal DAC DC kontrol düzeyi konusunda birbirinden fərqli ifadeler bulunmaktadır. Nihai nəşr əvvəlsinde bu alanların düzeltilmesi lazımdır.

Bu Türkçe açıklama, yüklenen tədqiqatın bütün ana metni, cədvəlları, devre şemaları, tezlik eğriləri, zaman siqnalları, gaz tepki qrafikleri və Ek A–B teknik analizleri incelenerek hazırlanmışdır. Bilimsel içerik yalnızca tədqiqatda sunulan eksperimental nəticələr və tədqiqatçıların yorumlarıyla sınırlandırılmıştır. Dış mənbəlar yalnızca başlıq, müəllif, DOI, platforma, qurum və proje bilgilərinin bibliyoqrafik doğrulaması amacıyla istifadə edilmişdir.

Sonuçlar; tədqiqatın hakem dəyərləndirməsinden geçmemiş olması, gaz təcrübələrinin tek tezlik və kısa akustik yolla məhdud kalması, ən aşşəbəkəı test konsentrasiyainin %1 olması, çoxlu gaz təcrübəinin tek tərkib içermesi, təsnifatlandırma və algılama həddi metriklerinin məlumatlmemesi, çevresel değişkenlerin sınanmaması və prototipin hâlen ana bilgisayara bşəbəkəlı olması dikkate alınarak dəyərlendirilmelidir.