Melk en nummerplaten; Toepassing van sensoren neemt snel toe

Sensoren vinden hun weg in steeds meer meetsystemen. Voor lezen van nummerplaten, het controleren van verpakte melk of het uitklappen van air-bags. Maar de problemen komen als de vrachtauto vuil is of volgeplakt met stickers.

'MENSEN KUNNEN elkaar in een fractie van een seconde klassificeren. Of iemand man of vrouw is zien we vrijwel meteen', zegt prof.dr. P. Regtien, hoofd van het laboratorium voor Meettechniek en Instrumentatie aan de Universiteit Twente (UT) in Enschede. Op het laboratorium worden systemen ontwikkeld die voorwerpen in een oogopslag kunnen thuisbrengen. Het menselijk observatievermogen nabootsen is nog wat te veel gevraagd voor de Twentse onderzoekers. Ze zijn al tevreden als hun visiesystemen wijs kunnen worden uit kentekenplaten, elektronische onderdelen en klossen met garen. Dat herkennen moet meestal rap. Een patatfabriek wil bijvoorbeeld stenen tussen de aardappels ontdekken, want die moeten eruit voordat het materiaal door de frietmessen wordt geschoten.

Regtien vertelde het deze week op het Nationale Sensorcongres dat werd gehouden op de UT. Daar werd een deel van het snel groeiend aantal toepassingen van sensoren gepresenteerd. De mondiale markt voor sensoren bedroeg in 1995 naar schatting 6 miljard dollar en groeit jaarlijks met ongeveer 6 procent. Het zijn inmiddels elementaire onderdelen van bijvoorbeeld elektronische zuurgraadmeters, thermometers, drukopnemers of airbag-systemen in auto's.

Regtien sprak over allerlei object-herkenningssystemen waaronder kentekenplaten. Hoeveel missers het huidige systeem maakt, mag Regtien van zijn opdrachtgever Rietschoten & Houwens niet zeggen. Maar blijkbaar laat dat apparaat nogal eens een steekje vallen. Vooral vieze vrachtauto's geven hun nummerbord moeilijk prijs. Regtien: “Alleen al het ontdekken van de nummerplaat is een heel werk, want de achterkant van vrachtwagens zit meestal vol met stickers.”

Personenauto's gaan ook onder de loep. Deze vervoermiddelen kennen hun eigen problemen. Hardrijders gaan vaak te snel voor een goede herkenning van de nummerplaat. Maar de grootste boosdoener is de schaduwrand bovenaan het bord. Op een digitale 'zwartwit'-foto heeft deze schaduw nagenoeg dezelfde grijswaarde als de letters en cijfers. De computer kan een nummerbord met de code UU-LP-81 lezen als OO-CP-87. Daarom moet het apparaat eerst veel werk steken in het nauwkeurig 'wegknippen' van de schaduwrand. Dat moet met overleg, anders veranderen de O's in U's. Pas na dit oppoetsen zet een neuraal netwerk zich aan de herkenning van de letters en cijfers.

Regtien was op het Twentse congres een buitenbeentje. Want verreweg het grootste deel van het sensoronderzoek speelt zich af op heel kleine schaal. Het draait dan om gevoelige elementen die biologische en chemische verbindingen of fysische grootheden kunnen meten in zeer kleine volumes. Zoals de sensoren van dr. R. Berger, van IBM's researchlaboratorium in Zürich. Die kunnen stoffen detecteren in een kubieke millimeter gas of vloeistof. Berger laat zich bij zijn werk inspireren door dieren als zijdevlinder, vuurvlieg en spin. Wat gevoeligheid betreft beschikken die over grote gaven. De vuurvlieg (Melanophila) heeft zulke gevoelige infraroodsensoren dat hij in staat is een bosbrand op de Hoge Veluwe waar te nemen terwijl hij boven 's Hertogenbosch zweeft. En de vrouwelijke zijdevlinder (Bombyx mori) heeft aan duizend moleculen geurstof genoeg om te bespeuren of er een mannetje in de buurt is. Spinnen hebben weer een ander geraffineerd sensorsysteem: hun motoriek is zo nauwkeurig dat ze hun poten met een nauwkeurigheid van enkele miljoenste millimeters kunnen bewegen.

Bergers werkgever IBM is in sensoren geïnteresseerd, omdat het computers zintuigen wil geven. Het is niet toevallig dat dit onderzoek in Zürich gebeurt. Bij de ontwikkeling van zijn sensorsystemen gebruikt Berger het principe van scanmicroscopen. Zowel het type scanning tunneling microscope (STM) als de atomic force microscope (AFM) werd bedacht op het Zwitserse IBM-lab. Ze maken gebruik van een bladveertje met een atoom-scherpe naald waarmee ze een oppervlak aftasten. Daarbij is het de kunst om met het atoom op de uiterste punt het onderzoeksobject te volgen. Om dat met atomaire precisie te doen, is een zeer nauwkeurig positioneersysteem nodig. Scanmicroscopen doen dat door met een laserstaal de doorbuiging van de bladveer te meten.

Deze buig-detectie gebruikt Berger ook in zijn sensoren. Temperatuur meten gaat nog het eenvoudigste. Daarvoor is een silicium bladveer (0,5 millimeter bij 0,1 millimeter en een duizendste millimeter dun) met een flinterdun laagje goud belegd. Door het verschil in uitzetting buigt het metaalstripje en dat is eenvoudig optisch waar te nemen. Dit principe is echter ook voor chemische en biologische sensoren bruikbaar. Door een rij bladveertjes afwisselend met waterminnende en waterafstotende verbindingen te bedekken is vocht te detecteren. Ook door moleculen met specifieke bindingsplaatsen op veertjes aan te brengen is een nauwkeurig detectiesysteem voor speciale verbindingen te maken. De veer buigt eenvoudig doordat de stoffen samenklitten en elkaar een beetje wegduwen - of afhankelijk van de verbinding juist aantrekken.

Volgens Berger zijn duizend moleculen al genoeg om een specifieke stof waar te nemen. Hij denkt uiteindelijk een detectiesysteem te kunnen maken dat met een draagbare computer kan worden verbonden. Daarin wil hij dan wegwerpsensoren kunnen plaatsen met acht tot duizend gevoelige strookjes die allemaal gevoelig zijn voor verschillende stoffen.

Soms zijn sensoren doodgewoon en spotgoedkoop. Stoyan Nihtianov en Gerard Meijer van de Technische Universiteit Delft ontwikkelden voor het Zweedsebedrijf Tetra Brik, Tetra Pak R&D en Unilever een systeem waarmee steriel verpakte levensmiddelen zoals koffiemelk of vruchtensap zijn te controleren op bederf en lekkages. Momenteel is de controle een loterij. Van elke duizend pakken snijdt men er nu eentje open voor onderzoek.

De onderzoekers bedachten een manier om met een eenvoudige weerstandsmeting een verandering van de inhoud te detecteren. Daarbij maakten ze handig gebruik van de aluminiumlaag die in steriele verpakkingen aanwezig is als barrière tegen zuurstofindringing. Ze gebruiken deze metaallaag als elektrode. Een andere elektrode brengen ze aan de binnenkant (geïsoleerd van de aluminiumlaag) van de verpakking in contact met de vloeibare inhoud.

Met behulp van deze elektroden is de geleidbaarheid van de inhoud eenvoudig te meten. Ze doen dat met een wisselspanning van 100 Hz en meten daarna de weerstand. Die is omgekeerd evenredig met de geleidbaarheid. Een gaatje in de kunststof binnencoating is hiermee meteen te detecteren. “Zelfs de grootte van het gat valt goed waar te nemen”, zegt Nihtianov. Ook bederf is meteen op te merken omdat bacteriegroei de zuurgraad en dus de geleidbaarheid van de vloeistof verhoogt. Om bacteriegroei te kunnen opmerken is het wel nodig om de pakken enkele dagen op te slaan.

Tetra Pak wil al zijn seriele verpakkingsproducten met deze methode gaan controleren. Het bedrijf werkt momenteel aan de automatisering daarvan. Nihtianov: “We hebben nu prototype-elektroden gemaakt en halen daarmee een snelheid van vier tot vijfduizend stuks per uur, minder dan een seconde per pak.”