Energy harvesting methods for wireless sensor nodes in heavy-duty vehicles

The number of autonomous wireless sensor and control nodes has been increasing rapidly during the last decade. Until recently, these wireless nodes have been powered with batteries, which have lead to a short life cycle and high maintenance need. Due to these battery-related problems, new energy sources have been studied to power wireless nodes. One solution is energy harvesting, i.e. extracting energy from the ambient environment. Energy harvesting can provide a long-lasting power source for sensor nodes, with no need for maintenance. In this thesis, various energy harvesting technologies are studied whilst focusing on the theory of each technology and the state-of-the-art solutions of published studies and commercial solutions. In addition to energy harvesting, energy storage and energy management solutions are also studied as a subsystem of a whole energy source solution. Wireless nodes are also used in heavy-duty vehicles. Therefore a reliable, long-lasting and maintenance-free power source is also needed in this kind of environment. A forestry harvester has been used as a case study to study the feasibility of energy harvesting in a forestry harvester’s sliding boom. The energy harvester should be able to produce few milliwatts to power the target system, an independent limit switch.

Sensoriteknologia rakennetun alueen taistelussa

Nykyajan sodankäynti painottuu yhä enemmän taisteluun informaatiosta. Informaation perusteella muodostetaan tilannekuva, jonka avulla päätökset tehdään. Informaation hankinnassa on sensoriteknologia keskeisessä asemassa. Kaupunkien merkityksen korostumisen seurauksena pääosa nykyajan taisteluista tullaan käymään ainakin osittain rakennetulla alueella. Sensorien toiminnan kannalta rakennettu alue on aivan erilainen ympäristö kuin esimerkiksi metsämaasto. Esimerkiksi lyhyet tähystysetäisyydet erityisesti sisätiloissa, rajoitettu näkyvyys, erilaisista materiaaleista valmistetut rakennukset ja pinnat sekä valoisuuden vaihtelu sisätiloissa asettavat uusia vaatimuksia sensorien suorituskyvylle. Tutkimuksessa tarkastellaan uhkamallina Yhteiskunnan turvallisuusstrategian mukaista strategista iskua, jonka osakohteina voivat olla esimerkiksi sähkön jakelun valvomot ja materiaalin varastotilat. Näiden kohteiden lisäksi tarkastellaan ulkotiloja yleisesti. Tutkimus on kirjallisuustutkimus ja sen tarkastelutapa on tekninen. Tutkimuksen ensimmäisen osan tarkoituksena on selvittää eri sensoreiden suorituskyky ja kehityksen tulevaisuudennäkymiä. Tutkimuksen toisessa osassa tarkastellaan eri sensorijärjestelmien sopivuutta tilannekuvan hankkimiseen ja ylläpitoon rakennetulla alueella kahta esimerkkitapausta soveltaen. Tavoitteena on selvittää rakennetun alueen asettamat reunaehdot eri sensorijärjestelmille. Tutkimuksen tulokset osoittavat, että yksittäiseen teknologiaan perustuva sensori ei ole suorituskykyinen rakennetulla alueella. Eri teknologiat soveltuvat eri olosuhteisiin ja monien nykyisten järjestelmien suorituskyky rakennetulla alueella on hyvin rajoittunut. Tutkimuksen perusteella tulevaisuudessa korostuvat erityisesti optronisten sensorien integrointi yhteen laitteeseen, liikuteltavat sensorit sekä langattomat sensoriverkot. Sensoriteknologia rakennetulla alueella vaatii runsaasti lisätutkimusta esimerkiksi sensorin lavetin merkityksestä ja taistelunkestävyydestä sekä taktisten miehittämättömien ilmaalusten käytöstä sisä- ja ulkotiloissa.

Seuraavan hävittäjähankkeen ideointivaiheessa käytettäviä suorituskykykriteerejä

Nykyisen torjuntahävittäjäkaluston elinkaaren päättyminen 2025 - 2030 aiheuttaa tarpeen aloittaa korvaavan suorituskyvyn rakentamisen suunnittelu ja tutkiminen lähivuosina. Tämän tutkimuksen tavoitteena oli kartoittaa suorituskykykriteerejä huomioitavaksi seuraavan hävittäjähankkeen ideointivaiheessa tapahtuvaan operatiivisten suorituskykyvaatimusten laadintaan. Ideointivaiheessa ei päätetä miten suorituskyky toteutetaan ja sen takia tutkimuksessa hävittäjä -termi käsitti laaja-alaisesti miehittämättömän ja miehitetyn vaihtoehdon. Strateginen suunnittelunprosessi ja suorituskyvyn rakentaminen on puolustusvoimissa muutoksen alla. Puolustusvoimat on siirtymässä enemmän suorituskykylähtöiseen kehittämiseen. Suorituskykylähtöisen kehittämisen mahdollistamiseksi on meneillään olevalla suunnittelukierroksella luotu luonnoksena määrittely puolustusjärjestelmän suorituskykyalueista. Tutkimuksessa käytettiin suorituskyvyn käsitemallin kyvykkyysnäkymää luvussa 3 esitellyin rajauksin. Kyvykkyysnäkymän soveltuvuuden selvittämiseksi tutkimuksessa tutkittiin puolustusjärjestelmän suorituskykyalueiden sekä suorituskyvyn käsitemallin ja sen kyvykkyysnäkymän liittymistä suorituskyvyn rakentamiseen tulevaisuudessa. Tutkimuksessa käytettiin pääosin Survey -kirjallisuustutkimusta ja puolustusvoimien asiantuntijoille sekä teollisuudelle suunnattua avointa kyselyä tulevaisuuden suorituskykykriteereistä. Tutkimuksen näkökulmana oli projekti-/hankehenkilöstön näkökulma seuraavassa hävittäjähankkeessa. Kyselyjen ja alaan liittyvien julkaisujen perusteella koottiin merkittävimpiä havaintoja kyvykkyysnäkymäalueittain. Tulokset on esitetty edellä mainitulla jaottelulla luvussa 4. Toimintaympäristötietoisuus ei esiintynyt alkuperäisessä merkityksessään, vaan se rajattiin tässä tutkimuksessa käsittelemään tilannetietoisuutta. Merkittävimpinä tuloksina oli suorituskykyjen osalta verkottumisen, toimintaympäristötietoisuuden, tiedon vastaanottamisen ja jakamisen sekä tiedon yhdistämistä tukevan automatiikan vaatimusten korostuminen. Huomattava tekijä oli edellä mainittujen kykyjen sidonnaisuus toisiinsa. Tulevaisuuden järjestelmät nähtiin komplekseina ja nykyisiä kalliimpina. Verkottuminen korostuu taistelun lisäksi myös logistiikassa (huoltoketjun optimointi) ja joukkojen tuottamisessa (virtuaalisimulaattoriympäristöjen tarve). Hävittäjällä pitää olla kyky vaikuttaa tarkasti kauas ja lähelle, joko omaan tai muiden antamaan maalinosoitukseen. Vaikutukseen tulee pystyä kineettisesti ja ei-kineettisesti. Hävittäjän suojan on koostuttava laajasta keinovalikoimasta, johon liittyy oleellisesti erilaiset häiveteknologiat. Puolustusministeriön materiaalistrategian vaatimuksena oleva kansallinen ja kansainvälinen yhteistoimintakyky nähtiin kaluston optimoinnin kannalta välttämättömänä. Elinjakson kustannustehokkuuden varmistamiseksi seuraavan hävittäjän sensori- ja asejärjestelmä tulisi kyetä ylläpitämään uhkaa vastaavalla tasolla koko elinkaaren ajan ilman suuria rakenteellisia päivityksiä. Käytettävyys pidetään korkeana esimerkiksi hävittäjän kyvyllä ottaa vastaan uusia aseita ja sensoreita plug and play tyylisesti. Tutkimustulosten perusteella mielenkiintoisin jatkotutkimustarve on verkottumisen tuoma suorituskyvyn lisääntyminen ja sen merkitys tulevaisuuden hävittäjäkoneissa.

Häivehävittäjän torjunta nykyaikaisella torjuntahävittäjällä

Sotilasilmailun viimeisintä kehitystä edustavat häivehävittäjät, joissa pyritään häiveominaisuuksia sekä uusinta sensori- ja moottoritekniikkaa hyödyntämällä ylivertaiseen suorituskykyyn muihin hävittäjiin verrattuna. Tässä tutkimuksessa tarkastellaan häivehävittäjien suorituskykyä taktisesta näkökulmasta. Tutkimuksen tavoitteena on hyödyttää taktiikan jatkotutkimusta selvittämällä, mitkä häivehävittäjän ominaisuudet ja taktiset periaatteet ovat merkittävimpiä, kun suunnitellaan sen torjuntaa nykyaikaisella torjuntahävittäjällä. Tutkimus toteutettiin julkisesti saatavilla olevien kirjallisten lähteiden sisältöä analysoimalla hyödyntämällä hypoteettisdeduktiivista tutkimusmenetelmää. Tutkimusaineisto koostuu ilmailualan kirjallisista julkaisuista sekä internet-sivustoilta kerätyistä artikkeleista. Aineiston johdonmukainen analyysi tehtiin tarkastelemalla tutkimustyön aikana syntynyttä tutkimushypoteesia, jonka mukaan paras menetelmä häivehävittäjän torjumiseksi nykyaikaisella torjuntahävittäjällä olisi pyrkiä huomaamattomasti näköetäisyydelle ja haastaa se taisteluun infrapunasensoreiden kantamalla. Myös tutkimusraportti ja tutkimuksen tulokset rakentuvat tämän tutkimushypoteesin ympärille. Häivehävittäjän havaitseminen näköetäisyyden ulkopuolella hävittäjätutkan avulla on erittäin vaikeaa. Näköetäisyydelle kannattaisi pyrkiä hakeutumaan häivehävittäjän alta matalalla lentäen samalla maanpinnan tutkakatveita hyödyntäen. Nykyaikaisten ilmataisteluohjusten suorituskyvyllä taistelun ratkaisemiseksi ei välttämättä edes synny kaartotaistelua, vaan taistelun voittaa yllätykseen kyennyt osapuoli. Jos torjuntahävittäjällä sitoudutaan kaartotaisteluun häivehävittäjän kanssa, häivehävittäjän jatkuva liikehtimiskyky on ylivoimainen, mutta sen hetkellinen liikehtimiskyky ei tämän tutkimuksen perusteella ole merkittävästi parempi. Taistelu on siis mahdollista voittaa, jos ratkaisuun kyetään nopeasti taistelun alkuvaiheessa. Tämän tutkimuksen perusteella nykyaikaisella torjuntahävittäjällä voidaan torjua häivehävittäjä sen huomattavasta suorituskyvystä huolimatta. Taktisista periaatteista torjunnassa on tärkeää pyrkiä hyödyntämään erityisesti yllätystä ja aloitetta. Tutkimuksen mukaan häivehävittäjä kannattaa aina pyrkiä haastamaan mahdollisimman matalalla ja suurella nopeudella. Torjunnan suunnittelun kannalta tulisi tutkia tarkemmin osapuolten tutkien suorituskykyä ja hakeutumisgeometrioita häivehävittäjän nopeusluokan maalille. Näköetäisyydellä taistelun kannalta tärkeimmät tutkittavat kohteet ovat häiveominaisuuksien vaikutukset infrapunaohjusten seurantaetäisyyksiin ja häivehävittäjien todellinen aerodynaaminen suorituskyky. Ylipäätään torjunnan mahdollistamiseksi tärkeimmät tutkimuskohteet ovat häivehävittäjän seurantaan kykenevät sensorit, sillä nykyaikaisilla torjuntahävittäjillä on erittäin rajallinen kyky löytää häivehävittäjä. Olisi kannattavaa tutkia, onko torjuntahävittäjään asennettava pitkän kantaman infrapunasensori ehdoton varuste tulevaisuuden ilmasodankäynnissä häiveominaisuuksia vastaan.

Häivetekniikan nykytila

Tutkielmassa käsitellään tutka-alueen häivetekniikkaa ja sen huomioon ottamista aluksissa. Häiveteknologian käyttö on noussut viime vuosina merkittäväksi osaksi taistelualusten omasuojajärjestelmiä. Merellä tapahtuva tiedustelu, valvonta ja tulenjohto aiheuttavat kilpajuoksun toisaalta maalin havaitsemisen suhteen ja toisaalta paljastumisen suhteen. Tämä ilmenee sensori- ja häiveteknologian välisenä kehityskilpailuna. Häivetekniikan merkitys korostuu, kun maiden laivastot pienenevät. Sen avulla minimoidaan tappioita ja taistelunkestävyys paranee. Häivetekniikalla kyetään suojaamaan aluksia ennakoivasti. Sen avulla kyetään välttämään omaan toimintaan kohdistuvaa tiedustelua sekä suojautumaan tulenjohdolta. Päätutkimuskysymyksenä on: Miten aluksen näkyvyyteen voidaan vaikuttaa merellä. Tutkielmaan on asetettu lisäksi kolme alakysymystä. Ensimmäinen alakysymys käsittelee muotoilun merkitystä häivetekniikalle. Toinen alakysymys määrittää materiaalien roolia häiveteknologiassa ja kolmas tutkimuskysymys käsittelee olosuhteiden vaikutusta häiveteknologiaan sekä uusien runkoratkaisujen tuomia mahdollisuuksia alussuunnitteluun ja häiveteknologiaan Kirjallinen aineisto on kerätty pääsääntöisesti kirjastoista. Artikkelit ovat suurimmaksi osaksi internetissä olevista tietokannoista. Haastattelut on tehty puolustusvoimien sisällä. Johtopäätöksissä esitellään, millaisia ratkaisuja aluksen tutkaherätteen pienentämiseksi käytetään maailmalla tällä hetkellä. Mukaan on otettu myös mahdollisia tulevaisuuden näkymiä, jotka pohjautuvat lähteistä saatavaan informaatioon.

Enseigner l'interculturel dans le supérieur: quels discours et approches d'un concept ambigu à l'heure de l'internationalisation? Le cas de la Finlande

L‘interculturel est un concept souvent partagé mais rarement défini dans la recherche alors que ses compréhensions, interprétations et applications sont variées, ce qui mène à des malentendus et des positionnements épistémologiques et méthodologiques ambigus. En parallèle, de nombreuses critiques et propositions de réorientations de la notion voient le jour. Nous entendons faire le point sur la notion et son intégration potentielle dans l‘enseignement de la communication interculturelle (ECI). Notre étude se base sur l‘analyse de six groupes focalisés d‘enseignants (-chercheurs) impliqués dans l‘enseignement de l‘interculturel du niveau supérieur en Finlande, pays du nord de l‘Europe. Nous avons recours aux paradigmes postmodernes et aux sciences du langage (analyse du discours inspirée d‘auteurs français, et plus particulièrement de l‘école française de la deuxième génération (les théories de l‘énonciation (Kerbrat-Orecchioni, 2002 ; Marnette, 2005) et une approche du dialogisme inspirée par Bakhtine (1977))). Ces méthodes permettent de mettre en avant la complexité identitaire en posant l‘hétérogénéité du discours comme principe, c‘est-à-dire qu‘elles considèrent que tout discours inclut la « voix » de l‘autre. Repérer la présence de ces voix dans les discours des enseignants/chercheurs nous a permis de démontrer comment celles-ci participaient à la construction de leur identité pendant l‘interaction. Nous avons pu observer comment les relations entre ces interactions verbales donnaient lieu à des instabilités (contradictions, omissions), dont l‘étude nous a aidée à déduire leur(s) façon(s) de concevoir l‘interculturel. Les discours analysés révèlent a) que la définition de l‘interculturel est partagée sans être perçue de la même manière et b) que les différentes représentations du concept peuvent varier dans le discours d‘un même enseignant, mettant en évidences des contradictions qui posent problème s‘il s‘agit de communiquer un savoir-être aux apprenants. Nous nous sommes efforcée de trouver la place d‘un interculturel renouvelé parmi ces discours et de dissocier l‘image de l‘éducation interculturelle qui est promue en Finlande de ce qui est proposé en réalité : les changements actuels semblent avoir un minimum d‘impact sur la façon dont les enseignants traitent l‘interculturel. Nous nous demandons alors comment l‘Etat finlandais peut promouvoir un enseignement interculturel cohérent sans proposer aux enseignants/chercheurs une formation qui leur permettrait de reconnaitre les diverses diversités impliquées par l‘interculturel. Mots clés : Communication interculturelle, diversité, culture, enseignement supérieur finlandais.

Kiteen mekaanisten värähtelyjen vaimentaminen takaisinkytkennällä

Pulseri on laite, joka tuottaa noin 10 MHz:n taajuudella olevan sähköisen pulssin, joka ohjataan kiteeseen. Kide lähettää korkeataajuuksisen ääniaallon ja toimii samalla vastaanottimena kaikuna heijastuneille ääniaalloille. Kide ja membraanikalvo ovat vedessä. Ääniaalto heijastuu takaisin suodatusmembraanikalvosta, jolla on tarkoitus erotella epäpuhtauksia. Membraanikalvo ja kide ovat millimetrin etäisyydellä toisistaan ja ääniaalloilla kestää noin 1,3 mikrosekuntia kulkea kiteestä membraanikalvon pinnalle ja siitä kaikuna takaisin kiteeseen. Saadaksemme luotettavia tuloksia ääniaallon kulkuajasta, kiteen tulee olla värähtelemättömässä tilassa silloin, kun kaikuna palaava pulssi saapuu takaisin. Työssä keskitytään kiteen vaimentamiseen mahdollisimman nopeasti lähetetyn pulssin jälkeen ja siihen liittyviin ongelmiin.

Täsmäviljely ja ravinteiden käytön tarkentaminen

Ravinnetaseiden vaihtelut peltolohkojen välillä ja myös niiden sisällä voivat olla suuria. Toisissa paikoissa lannoituspanoksia hukataan, jolloin sadon käyttämättä jättämät ravinteet ovat alttiina huuhtoutumiselle pinta- ja pohjavesiin. Toisissa pellon osissa puolestaan sadontuottokyky saattaa olla vajaassa käytössä. Molemmissa tapauksissa aiheutuu taloudellista menetystä. Silmämääräisesti ravinnetaseiden vaihtelun määrän todentaminen on mahdotonta, ja siksi tarvitaan erilaisia mittausmenetelmiä. Alati kehittyvät täsmäviljelytekniikat tarjoavat käytännön työkaluja pellon vaihtelun mittaamiseen sekä vaihtelun huomioon ottamiseen viljelyn toteutuksessa. Kehittyvät ja yleistyvät tekniikat halpenevat, tulevat entistä luotettavammiksi ja käytettävämmiksi. Paikkatiedon hallinta on täsmäviljelyn avain. Paikkatiedon mittaaminen ja yhdistäminen eri lähteistä, tiedon analysointi ja käyttö viljelyn suunnittelussa sekä työn ja koneiden ohjaamisessa vaatii uudenlaista osaamista ja asennoitumista niin viljelijältä kuin hänen työtään tukevalta ja siihen linkittyvältä toimijaverkolta. Lähitulevaisuudessa on odotettavissa automaation käytön lisääntymistä niin työkoneiden, tiedonkeruun kuin tiedonhallinnan osalta. Sensori- ja sensoriverkkoteknologiat, kaukokartoitusteknologiat, ISOBUS-työkoneet ja web-pohjaiset tiedonhallintapalvelut asemoivat viljelyn ja sen toteutustekniikat uudelle tietämyksen, käytön ja tietoisuuden tasolle. Tuotantoprosessien tarkempi ohjaaminen helpottuu. Uusien teknologioiden mahdollistama vaivaton tiedonkeruu ja työn dokumentointi avaavat mahdollisuuden parempaan tuotannon läpinäkyvyyden ja vastuullisuuden osoittamiseen. Raportti on toteutettu osana Tehoa maatalouden vesiensuojeluun (TEHO) -hanketta.

AVR-pohjainen mobiilirobotti

Kandidaatintyön aineena oli rakentaa autonomisesti pyörillä liikkuva, esteitä väistelevä mobiilirobotti käyttäen Arduino-kehitysympäristöä prototyypin valmistamiseen. Rakensin robotin alusta alkaen itse eli työhön sisältyi robotin mekaniikan kokoaminen, elektroniikan suunnittelu ja rakentaminen sekä toimintaälyn ohjelmointi mikroprosessorille eteenpäin kulkemiseen ja esteiden väistämiseen. Arduinon ytimenä on Atmelin AVR-sarjaan kuuluva ATMega328-mikroprosessori. Robotin ympäristön havainnointi tapahtuu käyttämällä ultraäänisensoria. Robotti oli mielenkiintoinen projekti toteuttaa ja toimi kokonaisuutena katsottuna odotetulla tavalla.

Imbuing airborne electronic warfare self-protection : possibilities to disguise

Tutkielman nimi käännettynä suomeksi on Lentokoneiden omasuojajärjestelmien kyllästäminen – mahdollisuuksia kätkeytymiseen. Siinä keskitytään etsimään aktiivisia, ilmauhkaa kohti säteileviä keinoja ilmahyökkääjän, lentokoneen tai helikopterin, omasuojajärjestelmän harhauttamiseksi. Järjestelmät pyrkivät varoittamaan lentäjää laser- ja tutkasäteilyhavainnoista sekä ohjuksen laukaisusta ja lähestymisestä. Omasuojajärjestelmiin kuuluviin vastakeinoihin tutkimus ei keskity. Tavoitteena harhauttamisella on ilmapuolustuksen todellisen määrän ja sijainnin suojaaminen. Epätietoisuus voi saada lentäjän tekemään vääriä johtopäätöksiä. Työ ei fokusoi harhauttamisen taktiseen kehykseen työn kannalta tarpeellista määrää enempää. Tietosuojasyistä tutkimus ei käsittele käytössä olevien omasuojajärjestelmien operatiivisia ominaisuuksia vaan käsittelee teoriaa niiden taustalla. Tutkimus tehtiin käyttäen taustatutkimukselle enemmän tyypillistä kirjallisuustutkimusta. Jo tutki-muksen alkuvaiheessa oli oletettavaa, että elektronisiin sensoreihin perustuvaa omasuojajärjestelmää pystytään harhauttamaan. Systeemianalysoinnilla pyrittiin löytämään vastauksia tähän olettamukseen. Omasuojajärjestelmästä muodostettiin jo tutkimuksen varhaisessa vaiheessa malli. Tieteellistä kirjallisuutta omasuojajärjestelmistä on olemassa jonkin verran, ja niistä löydettyä tietoa omasuojajärjestelmien ominaisuuksista ja sensoreista yhdistettiin malliin niin, että siitä saatiin mahdollisimman tarkka systeemin kuvaus todellisesta omasuojajärjestelmästä. Analyysin tavoitteena oli löytää niitä kriteereitä, joilla omasuojajärjestelmä saataisiin kohtuullisen tehokkaasti uskomaan harhautusta oikeaksi hälytykseksi. Ohjuksen laukaisusta varoittava sensori perustuu ohjuksen moottorin muodostaman pilven lämpö-säteilyyn. Säteily kuitenkin muuttuu lennon eri vaiheissa, mikä tuottaa haasteita järjestelmälle. Millimetrialueen tutkan käyttö varoittimen sensorina on myös yksi vaihtoehto. Laser-varoittimet toimivat koko sillä taajuusalueella, mitä sotilaskäytössä tulenjohtamiseen ja ohjusten ohjaamiseen käytetään. Tutkavaroittimen tutkimus on vielä kesken. Löydettyjä tuloksia analysoimalla tulen tässä vaiheessa hieman ristiriitaisiin tuloksiin. Lämpösäteilyn käytön suurin haaste on sen eteneminen ilmakehässä. Varoittimen tavoitekaan ei ole toimia kymmentä kilometriä pidemmälle. Yksi mahdollinen ratkaisu on suunnitella ja toteuttaa raketti, jonka tuottaa lämpösäteilyä kuten tietty puolustavan joukon käytössä oleva ohjus. Jos koneessa on kuitenkin myös millimetrialueen tutka tukemassa varoitusjärjestelmää, hankaloituu rakettiharhautus merkittävästi, koska sen pitäisi oletettavasti olla lentokoneen kanssa melko tarkasti kohtaavalla reitillä. Laser-varoitin on ilmeisesti herkin järjestelmistä, koska se voi tietyissä olosuhteissa ja varsinkin matalalla lentokorkeudella aiheuttaa paljon vääriä hälytyksiä ilman tarkoituksellista harhauttamista. Laserin käyttö yhdistettynä raketin laukaisuun saattaisi tuottaa halutun tuloksen. Tutkavaroittimen harhautus onnistuu, jos valelaitteen signaali on uskottavan tarkka.

Photon Upconverting Nanophosphors: Unique Reporters for Optical Biosensing

Upconversion photoluminescence is a unique property of mostly certain inorganic materials, which are capable of converting low-energy infrared radiation into a higher-energy emission at visible wavelengths. This anti-Stokes shift enables luminescence detection without autofluorescence, which makes the upconverting materials a highly suitable reporter technology for optical biosensing applications. Furthermore, they exhibit long luminescence lifetime with narrow bandwidths also at the optical window of biomaterials enabling luminescence measurements in challenging sample matrices, such as whole blood. The aim of this thesis was to study the unique properties and the applicability of nano-sized upconverting phosphors (UCNPs) as reporters in biosensing applications. To render the inorganic nanophosphors water-dispersible and biocompatible, they were subjected to a series of surface modifications starting with silica-encapsulation and ending with a bioconjugation step with an analyte-recognizing biomolecule. The paramagnetism of the lanthanide dopants in the nanophosphors was exploited to develop a highly selective separation method for the UCNP-bioconjugates based on the magnetic selectivity of the high gradient magnetic separation (HGMS) system. The applicability of the nano-sized UCNPs as reporters in challenging sample matrices was demonstrated in two homogeneous sensing applications based on upconversion resonance energy transfer (UC-RET). A chemosensor for intracellular pH was developed exploiting UC-RET between the UCNP and a fluorogenic pH-sensitive dye with strongly increasing fluorescence intensity in decreasing pH. The pH-independent emission of the UCNPs at 550 nm was used for referencing. The applicability of the pH-nanosensor for intracellular pH measurement was tested in HeLa cells, and the acidic pH of endosomes could be detected with a confocal fluorescence microscope. Furthermore, a competitive UC-RET-based assay for red blood cell folic acid was developed for the measurement of folate directly from a whole blood sample. The optically transparent window of biomaterials was used in both the excitation and the measurement of the UC-RET sensitized emission of a near-infrared acceptor dye to minimize sample absorption, and the anti-Stokes detection completely eliminated the Stokes-shifted autofluorescence. The upconversion photoluminescence efficiency is known to be dependent on crystallite size, because the increasing surface-to-volume ratio of nano-sized UCNPs renders them more susceptible to quenching effects of the environment than their bulk counterpart. Water is known to efficiently quench the luminescence of lanthanide dopants. In this thesis, the quenching mechanism of water was studied using luminescence decay measurements. Water was found to quench the luminescence of UCNPs by increasing the non-radiative relaxation of the excited state of Yb3+ sensitizer ion, which had a very strong quenching effect on upconversion luminescence intensity.

Kerros-kerrokselta kokoonpannut ohutkalvot ja luminoivat kalvosensorit

Kerros-kerrokselta eli layer-by-layer eli LbL –kalvoja voidaan valmistaa kastamis-, sumutus-, pyöritys- tai pyöritys-sumutusmenetelmillä. Kalvon muodostumisen ensimmäinen vaihe on nopea, se kestää muutaman sekunnin. Toisessa vaiheessa tapahtuu diffundoitumista ja se kestää useita minuutteja. Rakentumista voidaan tarkkailla lukuisilla visuaaliseen tai uv-valoon tai muuhun säteilyyn perustuvilla menetelmillä. Kalvojen pintarakennetta ja karheutta sekä eri suolojen vaikutusta voidaan selvittää atomivoimamikroskopia- ja ellipsometrisillä kuvilla. Luminesenssi on säteilyn itsestään tapahtuvaa emissiota. Fluoresenssi ja fosforesenssi ovat luminesenssin erikoistapauksia. Fotonin absorption jälkeen molekyyli voi palata perustilalle fluoresenssin tai fosforesenssin avulla, mutta molekyyli voi myöskin kokea sisäisen varauksensiirron tai konformaation vaihdoksen. Luminesenssi-ilmiötä voidaan käyttää tunnistamaan yhdiste tai määrittämään sen pitoisuus. Voidaan rakentaa sensoreita, joissa yhdisteen toinen osa on osana sensoria. Yhdisteen toisen osan, analyytin, liittyessä siihen tapahtuu värimuutos. Sensori koostuu optisesta päästä, vaihtelevan pituisesta johdosta ja aistimisyksiköstä. Kokonaislaitteisto koostuu valon lähteestä, valokuidusta ja optisesta voimamittarista. Analyytin indusoimaa aggregaatiota ja sitä seuraavaa optista vastetta voidaan käyttää herkkänä muuntomekanismina analyytin havaitsemiseen. On kehitetty lukuisille analyyteille herkkiä spesifisiä polymeerejä, joita voidaan käyttää eri ionien havaitsemiseen. Myös bioaistiminen on mahdollista, esimerkiksi kolibakteeri voidaan havaita. Kvanttipisteet ovat pieniä puolijohtavan materiaalin hiukkasia. Niillä on ainutlaatuisia optisia, sähköisiä ja kemiallisia ominaisuuksia. On kehitetty erityisiä lastulaboratorioita. Niillä on mahdollisuus toteuttaa erilaisia funktioita, kuten näytteen valmistus, pitoisuuden säätö ja detektio yksittäisen miniaturisoidun alustan päällä. Luminesenssissa valon emissio vahvistuu, ja monissa tapauksissa tapahtuu ns. Stokesin siirtymä. Stokesin siirtymässä valon emissiomaksimin aallonpituus siirtyy infrapuna-alueen suuntaan. Emission vahvistumisen kemiallisina aiheuttajina ovat kromoforit eli värin kantajat. Valon määrää ja aallonpituutta voidaan käyttää tunnistamaan analyytti tai analyytin määrä. Luminesenssin lisäksi voidaan käyttää taittoindeksiin perustuvia optisia aistimismenetelmiä.

Sähkömagneettiset pyörimisnopeusanturit auton pyörässä

Tässä kandidaatintyössä tarkastellaan millaisia sähkömagneettisia antureita käytetään mittaamaan autojen pyörien pyörimisnopeutta. Työn tavoitteena on selvittää miten magneettiset sensorielementit toimivat antureiden osana auton pyörien pyörimisnopeusantureissa. Työ rajataan kolmen sensorielementin tarkasteluun, mitkä ovat Hall-. GMR- ja AMR - sensorielementit. Sensoreiden tarkastelu tehdään kirjallisuustutkimuksella ja lopuksi esitellään yksi sovellus anturin suojauksen näkökulmasta patenttiesimerkin avulla. Tuloksiksi saatiin, että sähkömagneettisessa anturisysteemissä on aina roottori ja sitä lukeva tunnistinelementti. Roottorin pyörimisliikkeen aiheuttamaa magneettikentän muutosta sensorissa käytetään pyörimisnopeuden mittaamiseen. Sensorielementit poikkeavat toisistaan rakenteeltaan sekä toimintatavaltaan. Hall - sensorielementti on mittausherkkyydeltään pienin ja GMR - sensorielementti suurin. AMR - sensorielementti on yleisimmin käytetty. Yhteistä niille on se, että ne tarvitsevat esimagnetoinnin toimiakseen. Anturin suojaamiseen käytetään kotelointia. Koteloinnilla saadaan suojattua anturisysteemi mekaanisilta rasituksilta sekä kemiallisilta rasitteilta ja ulkoisilta sähkömagneettisilta häiriöiltä. Lisäksi hyvällä koteloinnin suunnittelulla voidaan säästää tilaa.

Collection de mémoires sur la locomotion aérienne sans ballons / publiée par le Vte de Ponton d'Amécourt

Comprend : La locomotion aérienne ; Extrait d'un mémoire sur le vol des oiseaux ; Note sur le vol des oiseaux et des insectes ; Leçon sur la navigation aérienne ; De la force motrice nécessaire pour soutenir en l'air des appareils plus denses que l'air ; Du travail nécessaire pour monter et pour avancer ; Du poids des moteurs légers ; De la force dépensée pour obtenir un point d'appui dans l'air calme au moyen de l'hélice ; Extraits de chroniques scientifiques ; Du peu d'efficacité des moyens applicables à la direction des aérostats ; Avantages de la suppression du ballon dans la locomotion aérienne ; Instruments proposés pour l'étude des questions aérostatiques ; L'aviation et le vol des oiseaux ; Étude sur les moteurs

Les pratiques pédagogiques exemplaires en sciences de l'information : 21 fiches annotées

Ce rapport constitue une version augmentée d’un premier rapport datant d’août 2005. Les 21 fiches annotées peuvent aussi être consultées individuellement (en format HTML) à partir du « Portail des ressources pédagogiques et disciplinaires en sciences de l'information » accessible à l’adresse : http://www.ebsi.umontreal.ca/clip/