Tervetuloa. Mittausteknikka. Mittaustekniikan perusteet. Mittaustekniikka. Mittaustekniikka

Transkriptio

1 Mittaustekniikan perusteet Mittausteknikka S Mittaustekniikan perusteet A S-08.9 Mittaustekniikan perusteet Y Pe 4:5-6:00 A-salissa Mittauksia käsittelevä tieteenhaara on metrologia. Metrologia sisältää kaikki mittauksiin liittyvät teoreettiset ja käytännölliset seikat, tekijät ja näkökohdat riippumatta mittausten epävarmuudesta ja tieteen tai tekniikan alasta. Tervetuloa Mittaustekniikka Mittaustekniikka Tekniikka ei ole eksakti tieteenala. Tekniikka on kokeellinen tieteenala, jonka tiedonsaanti on mittausten varassa. Mittausten suorittaminen on tekniikan alalla oleellinen tehtävä. Tietopohja Fysiikka, kemia, elektroniikka ja informaatioteoria Mittauslaitteet Mittanormaalit Anturit Mittauselektroniikka Mittausten analyysi Mallintaminen virheanalyysi

2 Luennoilla tutustutaan Mittayksikköjärjestelmään Mittausten keskeisiin termeihin Mittausten epävarmuus- ja luotettavuusnäkökohtiin Tavallisimpiin mittalaitteisiin Mittausten häiriöihin ja rajoituksiin Tärkeimpiin mittausmenetelmiin Tavoitteena on oppia edellämainituista asioista riittävästi eri alojen opintoja varten Materiaali:Luentokalvot, laboratoriotyökirja sekä Pekka Wallinin kirja Sähkömittaustekniikan perusteet. Luentojen aikataulu 24.9 Opintojaksoesittely, SI-Järjestelmä / osa I.0 SI-Järjestelmä / osa II, metrologiajärjestelmä 8.0 Perusmittalaitteet I 5.0 Perusmittalaitteet II 22.0 Perusmittalaitteet III 29.0 Mittausepävarmuus 5. Kohina 2. Häiriöt, signaali-kohinasuhteen parantaminen 9. Anturit Suorittaminen S Mittaustekniikan perusteet A Laboratoriotyöt hyväksytysti suoritettu. Tentti hyväksytysti suoritettu. Tentissä 5 kysymystä, jotka käsittelevät laboratoriotöitä ja luentoja. Näistä kaksi voi korvata luentokuulusteluilla. Luentokuulustelupisteet säilyvät seuraavaan syyskuuhun asti. Suorittaminen S-04.9 Mittaustekniikan perusteet Y Arvosana on tentin arvosana. Tentin voi korvata viikoittaisilla luentokuulusteluilla. Läpipääsyyn vaaditaan n. puolet pisteistä Laskuharjoitukset ja laboratoriotyöt täytyy olla hyväksytysti suoritettu.

3 Harjoitellaan käytännön mittaamista Tutustutaan mittausten teoriaan Oskilloskooppi 2 Yleismittari Taajuuslaskuri Spektrianalysaattori Anturit Häiriöt Kuituoptiset mittaukset Laboratoriotöissä Laboratoriotöiden aikataulu 23.9 Ilmoittautuminen laboratoriotöihin alkoi 24.9 Kirja tulee myyntiin tänään Myynti salin ulkopuolella luennon jälkeen 4.0 Laboratoriotyöt alkavat 8. Y-kurssin ilmoittautuminen alkaa 26. Laboratoriotyöt päättyvät 29. Y-kurssin laboratoriotyöt alkavat 3.2 Y-kurssin laboratoriotyöt päättyvät Assistentit Pääassistentit A-kurssi: Y-kurssi: Ville Ahtee Linda Enholm Jouni Envall Miika Heiliö Ossi Kimmelma Pauli Mika Kokkonen Koskenvuori Ossi Hahtela Jari Hovila Antti Lamminpää Mikko Lehtonen Thomas Lindvall Pekka Rantakari Tuomo Ritari Jesse Tuominen

4 Oppilaslaboratorio SI-Mittayksikköjärjestelmä Yksikköjärjestelmä = annettujen sääntöjen mukaan tietylle suurejärjestelmälle määritelty perus- ja johdannaisyksiköiden joukko Kansainvälinen SI-mittayksikköjärjestelmä = koherentti mittayksikköjärjestelmä, jonka Yleinen paino- ja mittakonferenssi on omaksunut ja jota se suosittelee käytettävän Metrijärjestelmä = mittayksikköjärjestelmä, joka perustuu metriin ja kilogrammaan. Tämän järjestelmän voidaan sanoa olevan nykyisin käytössä olevan SI-mittayksikköjärjestelmän alku Metrisopimus 875 Metrisopimus: SI yksikköjärjestelmän perusta Yksiköiden määritelmät: Yleinen paino- ja mittakonferenssi Toimeenpaneva elin: Kansainvälinen paino- ja mittakomitea (CIPM) Ohjaa BIPM:n toimintaa, päättää avainvertailuista Neuvoa-antavat komiteat (suurealueille, SI-yksiköille) Avainvertailujen ja tutkimuksen koordinointi Kansainvälinen mitta- ja painotoimisto (BIPM, Bureau International des Poids et Mesures) Tehtävät: eräiden yksiköiden realisointi (kilogramma), tutkimus, vertailut SI-yksiköiden määritelmät Metri (m) Metri on sellaisen matkan pituus, jonka valo kulkee tyhjiössä / sekunnissa. Kilogramma (kg) Kilogramma on yhtäsuuri kuin kansainvälisen kilogramman prototyypin massa (889). (BIPM-puhdistuksen jälkeen) Sekunti (s) Sekunti on kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 33-atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä (E=hf)

5 SI-järjestelmän perussuureet Ampeeri (A) Ampeeri on ajallisesti muuttumaton sähkövirta, joka kulkiessaan kahdessa suorassa samansuuntaisessa, äärettömän pitkässä johtimessa, jotka ovat metrin etäisyydellä toisistaan tyhjiössä, aikaansaa johtimien välillä Newtonin voiman johtimen metriä kohti. Kelvin (K) Kelvin on /273,6 veden kolmoispisteen lämpötilasta. SI-järjestelmän perussuureet Mooli (mol) Mooli on sellaisen systeemin ainemäärä, joka sisältää yhtä monta perusosasta kuin 0,02 kg:ssa C 2 :a on atomeja. Moolia käytettäessä perusosaset on yksilöitävä ja ne voivat olla atomeja, molekyylejä, ioneja, elektroneja, muita hiukkasia tai hiukkasten määriteltyjä ryhmiä. Kandela (cd) Kandela on sellaisen valonlähteen valovoima tiettyyn suuntaan, joka säteilee monokromaattista säteilyä Hz:n taajuudella ja jonka säteilyintensiteetti tähän suuntaan on /683 W/steradiaani. Johdannaisyksiköt, joilla erityisnimi SI-etuliitteet Suure Nimi Yksikkö Selitys Taajuus hertsi Hz Hz = s - Voima newton N N = kg m/s 2 Paine, jännitys pascal Pa Pa = N/m 2 Energia, työ joule J J = N m Teho watti W W = J/s Sähkövaraus coulombi C C = A s Jännite voltti V V = W/A Kapasitanssi faradi F F = A s/v Resistanssi ohmi Ω Ω = V/A Konduktanssi siemens S S = Ω - Magneettivuo weber Wb Wb = V s Magneettivuon tiheys tesla T T = Wb/m 2 Induktanssi henry H H = V s/a Valovirta luumen lm lm = cd sr Valaistusvoimakkuus luksi lx lx = lm/m 2 Aktiivisuus becquerel Bq Bq = s - Absorboitunut annos gray Gy Gy = J/Kg Nimi Tunnus Kerroin jotta Y 0 24 tsetta Z 0 2 eksa E 0 8 peta P 0 5 tera T 0 2 giga G 0 9 mega M 0 6 kilo k 0 3 hehto h 0 2 deka da 0 Nimi Tunnus Kerroin jokto y 0-24 tsepto z 0-2 atto a 0-8 femto f 0-5 piko p 0-2 nano n 0-9 mikro µ 0-6 milli m 0-3 sentti c 0-2 desi d 0 -

6 Realisoinnit: Sekunti (s) Sekunti on kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 33-atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä Voidaan realisoida määritelmänsä mukaan. Tarkin suure: Cesium -atomikello, epävarmuus ~0-3 Cesium fountain -atomikello, epävarmuus ~2 0-5 Käytetään mm. useiden muiden perussuureiden realisoinnissa. Atomikelloihin palataan taajuuslaskureiden yhteydessä Metri (m) Metri on sellaisen matkan pituus, jonka valo kulkee tyhjiössä / sekunnissa. Voidaan realisoida määritelmänsä mukaan. Valonnopeus on määritelty vakioksi realisointi:. Matkana, jonka sähkömagneettinen tasoaalto kulkee tyhjiössä ajassa t. 2. Taajuudella f olevan sähkömagneettisen tasoaallon tyhjiöaallonpituuden avulla. 3. CIPM:n (Comité Internationales des Poids et Mesures) suosituksen mukaisen sähkömagneettisen säteilyn tyhjiöaallonpituuden avulla. Menetelmiä 2 ja 3 käytetään pituusmetrologiassa. Metri (m) Metrin realisoinnissa käytettävän sähkömagneettisen säteilyn aallonpituus on valon (yleensä näkyvän) alueella (esim. 633 nm) Pituuden mittanormaalin ydin on taajuusstabiloitu laser, jonka taajuus ja näin myös tyhjiöaallonpituus tunnetaan tarkasti. Taajuusstabiloidun laserin taajuus täytyy määrittää Csatomikelloon verranollisesti. Varsinainen pituusmittaus tehdään interferometrisesti. Metri: Interferometri Pituus aallonpituudesta: interferometri c Mittaus ilmassa: λ = 633 nm nf Mekaanisten kappaleiden dimensioiden mittauksen epävarmuus m Esimerkki: Michelsonin interferometri Michelson LASER L2 L DET.

7 Interferenssi Päätemittainterferometri Interferometrin eri haaroista heijastuvien (monokromaattisten) aaltojen välinen vaihe riippuu peilien etäisyyserosta säteenjakajaan LASER MONITOR COVER l=λ/4 SPATIAL FILTER LAMP BEAM SPLITTER CCD CAMERA MOTOR MOVING CUBE CORNER BEAM SPLITTER MIRROR PIEZOS COMPENSATOR PLATE DETECTORS SCREEN MOTOR REFERENCE FLAT GAUGE BLOCK Kuvat: MIKES Päätemittainterferometri Viivamittainterferometri Toiminta: Etsitään valkoisen valon interferenssit (molemmissa pinnoissa) Luetaan näissä kohdissa juovalaskuri ja näytteistetään interferenssisignaali tietokoneelle Karkea pituusmittaus juovien lukumäärastä valkoisen valon interferenssien välillä Tarkka pituus interferenssisignaalien vaihe-erosta D3 D N a Reference flat surface ϕ D a N b Gauge block surface D b L=[rnd(N b +D b -N a -D a )+ϕ]λ/2 (N i, D i and ϕ in fringes) MIRROR GLASS PLATE LENS MIRROR CUBE CORNER BEAM- SPLITTER D D2 CUBE CORNER LINE SCALE LASER CC 2 FOCUS OF THE MICROSCOPE Kuva: MIKES Kuvat: MIKES

8 Metri: Taajuusstabiloitu laser Taajuustabiloitu laser = optinen kello Toissijainen taajuusnormaali Lukitaan stabiiliin spektriviivaan (metaani, jodi, rubidium) Epävarmuus tavallisesti n. ~ f σ y (2, τ ) = f SNR 0 τ f f 0 MHz 500 THz 9 = 2 0 Metri: Taajuusstabiloitu laser Stabiloituja lasereita tarvitaan myös: Tietoliikennetekniikassa Atomioptiikan ja fysiikan kokeissa Laser Absorption cell PI Jodistabiloitu 633 nm He-Ne laser f φ 3 f LOCK-IN AMPLIFIER Taajuus määritettävä Cs-atomikelloon Metri: Optinen taajuusmittaus Ongelma: optista taajuutta ~500 THz verrattava atomikelloon, jonka taajuus ~0 GHz Teknisesti vaikeaa: ~6 oktaavin taajuusväli Sähköinen toteutus mahdoton Menetelmät Vaihekoherentit taajuusketjut Useita vaihekoherentisti linkitettyjä kertoja -asteita Perinteinen menetelmä Optiset taajuuskammat Moodilukittu pulssilaser Kuva: A. Madej, International Comb Workshop, BIPM, March 3, Taajuuskampa Idea: pulssijono viivaspektri, jonka viivat ovat toistotaajuuden päässä toisistaan Koherentti kantoaalto viivaspektri syntyy kantoaallon ympärille (amplitudimodulaatio) Taajuuserojen mittaus: spektriviivojen väli saadaan toistotaajuudesta Spektriviivojen paikkaa 0-taajuuteen nähden ei tunneta Mutta: jos spektri on riittävän leveä, saadaan myös paikka selville. Kuva: D. J. Jones et al., Science 28, 635 (2000).

9 Taajuuskampa Taajuuskampa f = r f k = f n = f o = toistotaajuus k:nnen viivan taajuus n:nen viivan taajuus kamman paikka origoon nähden k- k k+ f k = f r k+f o n- n n+ f n = f r n+f o Power [db] nm 064 nm Taajuuskahdennetaan f k 2f k =f r 2k+2f o ja valitaan Wavelength [nm] n=2k f n = f r 2k+f o. Mitataan f n :n ja 2f k :n taajuusero, joka on f o = 2f k -f n Kamman kaikkien komponenttien taajuudet tunnetaan absoluuttisesti Kuva: D. J. Jones et al., Science 28, 635 (2000). Taajuuskampa Lopputulos: optisia taajuuksia voidaan mitata atomikellon tarkkuudella Toisaalta: optisten kellojen taajuus voidaan siirtää vaihekoherentisti radiotaajuuksille Optisilla kelloilla on periaatteessa f σ y (2, τ ) = atomikelloa parempi suorituskyky f SNR 0 On arvioitu, että ~0-8 epävarmuus olisi saavutettavissa τ Sekunnin määritelmä Kertaus: Metri Cs-atomikello Metrin määritelmä (c = m/s) Interferometri Taajuuskampa tai taajuusketju Taajuustabiloitu laser Ympäristömittaukset, ilman taitekerroin ym. Kuva: NIST ion group Pituus