Photonic Sensing projects

Van het meten van ioniserende straling bij behandeling van borstkanker tot de hoeveelheid water in voedsel en van het meten van de beweging van een persoon om een exoskelet aan te sturen tot de vorm van een blad van een tomatenplant: meten is een van de belangrijkste toepassingen van fotonica en dat zal in de toekomst dankzij miniaturisatie (en kostenreductie) van optische sensoren en de grote behoefte aan data alleen maar verder toenemen. Voorbeelden van optische sensoren zijn camera’s, spectrometers en interferometers, maar ook glasvezels die van een nanostructuur zijn voorzien waardoor vervormingen heel nauwkeurig gemeten kunnen worden. Of speciale glasvezels die gevoelig zijn voor ioniserende straling. Een groot deel van het onderzoek bij het lectoraat Fotonica richt zich op het toepassen van fotonicatechnologie als sensor. 

Fiber Optic Shape Sensing 

Achtergrond, aanleiding en doelstelling

Het studententeam Project MARCH van de TUDelft heeft als doel om (jaarlijks) een exoskelet te ontwerpen en te bouwen voor een dwarslaesiepatiënt. Momenteel zijn mensen met verlamde of slecht functionerende benen de rest van hun leven gebonden aan een rolstoel. Project MARCH wil deze patiënten volledige bewegingsvrijheid teruggeven om zowel hun autonomie te vergroten als hun gezondheid te verbeteren.  Om het exoskelet aan te sturen wordt gebruik gemaakt van sensoren en regeltechniek. Het zetten van een stap gebeurt echter door een druk op de knop.  In samenwerking met het bedrijf PhotonFirst onderzoekt het HHS-lectoraat Fotonica of het mogelijk is een stuursignaal op te pikken uit kleine veranderingen in de stand van de rug. Dit wordt gemeten met een speciaal hiervoor ontwikkelde meetstrip met Fiber Bragg Gratings (optische rekstrookjes). Door op verschillende plekken op de rug de buiging en torsie (draaiïng) te meten kan een real-time 3D reconstructie van de strip (en dus de rug) gemaakt worden. Het onderzoek sluit aan bij de onderzoekslijn Photonics & Health en bij Fiber Optic Sensing. Het project is 5 jaar geleden gestart binnen het lectoraat Technologie voor Gezondheid De focus van het onderzoek ligt op het verkrijgen van betrouwbare kwantitatieve meetgegevens met de meetstrip met daarbij de vraag in hoeverre de buigings- en torsiemetingen elkaar beïnvloeden.

Doel

Betrouwbare karakterisatie van de meetstrip 

Te behalen resultaten

  • Betrouwbare metingen voor buiging, kalibratie meetstrip
  • Betrouwbare opstelling ontwikkelen voor meten torsiebeweging
  • Inzicht in wederzijdse beïnvloeding van buiging en torsie
  • Meetstriprespons vergelijken met Optitrack metingen Beweeglab HHS

Looptijd

september 2021 t/m september 2022

Output & Impact

(poster) presentatie van resultaten op beurs/conferentie, evt. publicatie in vaktijdschrift

Projectpartners

PhotonFirst, Project March

Betrokken onderzoekers

Aaron Mellema, Arjan Lock

Betrokken opleiding(en) en/of minoren

Techische Natuurkunde, Minor Medische Technologie 
 

Cost Effective Spectroscopy and Imaging

Achtergrond, aanleiding en doelstelling

In de afgelopen jaren is de positie van spectroscopie ingrijpend gewijzigd: van een analyse-techniek die voornamelijk in een laboratorium wordt gebruikt, naar een techniek die de consumentenmarkt binnentreedt. Dit heeft alleen kunnen gebeuren door miniaturisatie van de spectrometers en een bijkomende reductie in kosten. Door spectrometers on-chip te fabriceren kan elke smartphone met een spectrometer uitgerust worden en kan op elke plek gemeten worden. Dat brengt nieuwe toepassingsgebieden met zich mee in bv. de agrifood en healthcare. 
Photonic Sensing projects2
Deze zgn. kosten-effectieve spectrometers leveren wel in qua sensoreigenschappen als gevoeligheid en resolutie, maar dat hoeft voor bepaalde toepassingen geen belemmering te zijn. Binnen dit project willen we van enkele van deze goedkope spectrometers de sensoreigenschappen in kaart brengen, zodat we snel kunnen schakelen als een bepaalde toepassing dat vraagt. Daarnaast speelt cloud-computing een grote rol in het analyseren van de spectra, chemische analyse in het NIR is nl. wat complexer dan in het mid-infrarood.

Naast spectrometers worden camera’s steeds compacter en goedkoper. Een tweede doel is dan ook het karakteriseren van (web)cams en kleine camera’s die in verschillende golflengtegebieden kunnen werken: naast het zichtbare deel van het spectrum willen we ook NIR-imaging (700-1100 nm) en thermal imaging (rond 10 mm) meenemen. Op deze wijze kan een multispectrale imaging module gemaakt worden.
Doel: prestaties van kosten-effectieve spectrometers en diverse camera’s in kaart brengen en het opbouwen van een demonstratie opstelling met software/hardware.

Te behalen resultaten

  • Multispectrale imaging module aansluiten, ontwerpen en aansturing verzorgen
  • Karakterisatie van de camera’s.
  • Integratie met de spectrometer module tot een geheel
  • Start maken met wiskundige analyse complexe spectra

Looptijd

2019-2023

Output & Impact

Studentenrapporten, posterpresentaties, demonstrator, labfaciliteit voor snelle test

Betrokken onderzoekers

Arjan Lock

Betrokken opleiding(en) en/of minoren

Technische Natuurkunde, minor Medische Technologie MTECH 
 

Handheld NIR spectrophotometer in agri-food industry 

Achtergrond, aanleiding en doelstelling

Spectroscopische technieken worden al veel toegepast in de voedingsmiddelenindustrie om bijvoorbeeld compositie en kwaliteit te meten. Alleen gebeurt dat nog vaak met grotere instrumenten in een analytisch laboratorium, bijv. NIR, FTIR. Dit zijn vaak nauwkeurige, maar dure en tijdrovende methodes. Met handheld spectrofotometers, kan je veel sneller meten en deze apparaten zijn een stuk goedkoper en makkelijk te verplaatsen. Daarnaast kan een eventuele toepassing voor sensoren in bijvoorbeeld een productielijn getest worden. Vooral voor MKB-ers is dit interessant, omdat spectroscopische technieken wel heel interessant voor hen kan zijn, maar de kosten van traditionele apparatuur vaak (te) hoog zijn. In dit project willen we daarom verschillende casussen van MKB-ers onderzoeken op hun haalbaarheid. Hierdoor kunnen we bijdragen aan voedzame en veilige levensmiddelen die op een duurzame manier worden geproduceerd. Dit sluit mooi aan bij de onderzoekslijn Agriphotonics: “From farm to fork”.
Doel: verkennen wat de mogelijkheden zijn van “handheld spectrophotometers” in de voedingsmiddelenindustrie. Photonic Sensing projects3

Te behalen resultaten

  • Definiëren van ten minste 3 casussen in de voedingsmiddelenindustrie interessant voor NIR handheld spectrophotometer
  • Meetstudie per casus, vergelijken van NIR handheld met traditionele(re) technieken
  • Per casus haalbaarheidsrapport 
  • Richtlijn best practices voor gebruik van spectrometers in voedingsmiddelen industrie

Looptijd

september 2021 t/m augustus 2022

Output & Impact

3x haalbaarheidsrapport; presentatie van uitkomsten bij betrokken bedrijven/organisaties; eventueel voorstel om in fabrieksproces te implementeren

Projectpartners

1e case: SavFood

Betrokken onderzoekers

Rugéne Leito; Hilde Wijngaard; Steven van den Berg 
Betrokken opleiding(en) en/of minoren
Process en Food Technology (PFT). 

Fiber optic sensing for structural health monitoring 

Achtergrond, aanleiding en doelstelling

In de afgelopen decennia heeft CBM (Condition based Monitoring) een ontwikkeling doorgemaakt naar een breder scala aan toepassingen in specifieke omgevingen en de inzet van nieuwe sensoren op basis van nieuwe technologie. Met name de beperkingen en kosten van conventionele sensoren waren veelal oorzaak van toepassing op relatief kleine schaal voor het meten van de conditie van componenten van machines. Het is in het verleden vaak lastig gebleken de voordelen van CBM aan te tonen en daarmee de business case rond te krijgen.

Met de ontwikkeling van nieuwe technologie en nieuwe productietechnieken is de toepassing van sensoren om de toestand en conditie van onderdelen te monitoren in een stroomversnelling gekomen. We spreken in dit verband van Structural Health Monitoring. Door met sensoren de conditie van onderdelen en/of systemen te monitoren, ontstaat de mogelijkheid om falen van een constructie of stilstand van een machine te voorkomen.

Waar de conventionele meetprincipes gebaseerd op een elektrisch signaal afkomstig van een sensor in sommige situaties vaak niet voldoen aan de verwachtingenzijn optische sensoren soms een goed alternatief. De optische sensoren hebben voordelen t.o.v. de conventionele sensoren die de toepassingsmogelijkheden vergroten:

  • De optische sensoren zijn minder storingsgevoelig voor magnetische velden, vocht, vervuiling en andere elektrische problemen die altijd een rol spelen bij stroomvoerende meetkabels.
  • Bij optische sensoren in combinatie met glasvezels is er nagenoeg geen verlies van het meetsignaal over langere afstanden, tot over een afstand van zelfs vele kilometers

Binnen het lectoraat Fotonica worden optische sensoren van het type Fibre Bragg Grating (FBG)onderzocht voor toepassing t.b.v. Structural Health Monitoring.
Fiber Bragg Grating
Figuur 1: Principe van FBG; Bron: http://www.infibratechnologies.com/technologies/fiber-bragg-gratings.html

Met FBG sensoren kan vervorming (bijv. uitrekking) van een glasvezel zeer nauwkeurig gemeten worden. Zoals weergeven in de figuur is de glasvezel voorzien van een periodieke structuur die een deel van het licht reflecteert (de zgn. Fiber Bragg Grating). Welke golflengte precies reflecteert is afhankelijk van de periode (grating pitch) van de structuur. Door te meten welke golflengte gereflecteerd wordt kan de vervorming van de glasvezel worden gemeten.
 
Dankzij deze gevoeligheid voor vervorming kunnen deze sensoren worden ingezet vooro.a. het lokaliseren van de bron of locatie van een verstoring in een constructie.

Het project heeft als doel om te FBG-sensoren te onderzoeken op bruikbaarheid voor diverse toepassingen. Als eerste stap zal er worden gekeken naar de technische haalbaarheid van het meetprincipe waarbij de invloed van verschillende parameters zal worden getest. Te denken valt aan:

  • De meest optimale mechanische bevestiging van de sensor;
  • De plek van bevestiging;
  • De gevoeligheid van de sensor voor uitlijning;
  • Het effect van de lokale mechanische eigenschappen van de constructie;
  • De lengte van de sensor etc.;
Na de eerste verkennende stap zal worden gekeken naar verschillende toepassingen. Een overzicht wordt hierna gegeven, gaandeweg zal blijken welke toepassingen het meest in aanmerking komen voor nader onderzoek. Te onderzoeken toepassingen zijn:
  • Degradatie spoorstaven 
  • Slijtage van lagers in windmolens 
  • Verzakking van infrastructurele bouwwerken 
  • Slijtage van lagers van machines aan boord van schepen – ism. Damen e.a. Dit gebeurt op de proefopstelling van PrimaVera (project lectoraat Smart Sensoring Systems);

Looptijd

september 2021 t/m augustus 2022.

Output & Impact

  • Meetopstelling in lab Technische Natuurkunde met toepassing van een FBG op een mechanische constructie;
  • Meetopstelling met FBG’s op de testopstelling van PrimaVera met meetresultaten en indicatie van de haalbaarheid voor deze toepassing;
  • Haalbaarheidsrapportages voor 3 toepassingen in de industrie of bij de overheid 
  • Verslagen van studenten van de minor Asset Management & Maintenance (AMM) van Werktuigbouwkunde;
  • Rapportage over bevindingen van de technische haalbaarheid in het algemeen 

Betrokken onderzoekers

Erik Sikma en studenten van de minor AMM;

Betrokken opleiding(en) en/of minoren

Werktuigbouwkunde, minor AMM, lectoraat onderzoek: PrimaVera

3D Reconstructie van objecten met ‘structured light’

Achtergrond, aanleiding en doelstelling

Voor het meten van objecten in 3 dimensies kan gebruik gemaakt worden van lichtpatronen die op het voorwerp worden geprojecteerd en die vervolgens met een camera gemeten worden. Met deze methode kunnen objecten in 3D in kaart moeten worden gebracht zonder het te meten object (of persoon) aan te raken. Het snel en contactloos meten van voorwerpen of personen in 3 dimensies heeft een groot aantal toepassingsmogelijkheden. Denk bijvoorbeeld aan gezichtsherkenning, waarbij door het projecteren van een stippenpatroon op een gezicht en het meten van dit patroon met een camera een 3D reconstructie van het gezicht gemaakt wordt. Andere voorbeelden zijn het meten van de groei en vorm van planten (bijvoorbeeld bladkrulling), 3D metingen van de huid, of het volgen van het maakproces bij 3D-printen.  Het steeds goedkoper worden van de benodigde technologie (zoals smartphone camera’s en optische elementen die lichtstructuren kunnen genereren) draagt eraan bij dat deze meetmethode steeds breder wordt toegepast. 

In dit project wordt onderzoek gedaan naar de inzet van structured light voor het 3D meten van voorwerpen. Een van de uitdagingen van metingen met structured light is de encoding en bijbehorende decoding van de lichtpatronen die een unieke reconstructie voorwerp mogelijk maakt. Ook de kalibratie van het systeem met behulp van referentiepatronen (zoals schaakbordpatronen) is een belangrijke stap om tot betrouwbare metingen te komen. De ontwikkelde methode zal in eerste instantie worden toegepast met relatief eenvoudige voorwerpen (zonder scherpe randen e.d.).
Diffractive Optical Element

Doel

Het realiseren en karakteriseren van een meetopstelling en het ontwikkelen van reconstructiesoftware waarmee voorwerpen in 3 dimensies gemeten kunnen worden met behulp van structured light. 

Te behalen resultaten

  • Literatuurstudie naar meetmethodes voor 3D meting met structured light en inventarisatie van algoritmes en beschikbare software voor 3D reconstructie van een object.
  • Ontwerp en realisatie van een testopstelling; keuze voor type lichtstructuur voor encoding (bijvoorbeeld random dot patroon).
  • Kalibratie van de meetopstelling.
  • Metingen aan voorwerpen met bekende afmetingen.
  • Decoding om 3D vorm te reconstrueren; afschatting meetonzekerheid.
  • Rapportage van resultaten en formuleren van aanbevelingen

Looptijd

April 2021 t/m sept 2022

Output & Impact

Reconstructiesoftware, meetopstelling, rapport & poster

Betrokken onderzoekers

Jon Brons; Steven van den Berg

Betrokken opleiding(en) en/of minoren

Technische natuurkunde (profiel fotonica), Minor Medische Technologie

Studententeam

  • Voor de Minor Medische Technologie (apr-jun 2021): Jim Piek, Kay de Bakker, Martijn Jongen en Bas Bekker
  • Voor het Project Fotonica (sept 21- feb 22): Femke van der Sloot, Timo Duindam, Niels van den Nieuwendijk en Floris Hogenes