Mittaustekniikan perusteet Luennointi ja tiedotus S-108.1010 Mittaustekniikan perusteet A S-108.1020 Mittaustekniikan perusteet Y Pe 14:15-16:00 A-salissa Tervetuloa Doc. Petri Kärhä Mittaustekniikan laboratorio Huone I433 Petri.karha@tkk.fi (451) 2289 http://metrology.tkk.fi/courses/s-108.1010/ http://metrology.tkk.fi/courses/s-108.1020/ Ilmoitustaulu (toisessa kerroksessa, kerros riippareista ylöspäin) Sähköposti, ilmoittaudu topilla!! Suorittaminen S-108.1010 Mittaustekniikan perusteet A Laboratoriotyöt (8 kpl) hyväksytysti suoritettu. Tentti määrää arvosanan. Tentissä 5 kysymystä, joista 3 käsittelee laboratoriotöitä ja 2 luentoja. Luentoja käsittelevät kaksi tehtävää voi korvata luentokuulusteluilla. Luentokuulustelupisteet säilyvät seuraavaan syyskuuhun asti. Suorittaminen S-108.1020 Mittaustekniikan perusteet Y Arvosana on tentin arvosana. Tentin voi korvata kokonaan viikoittaisilla luentokuulusteluilla. Läpipääsyyn vaaditaan n. puolet pisteistä Laskuharjoitukset ja laboratoriotyöt (3 kpl) täytyy olla hyväksytysti suoritettu.
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 15.9 Opintojaksoesittely, SI-Järjestelmä / osa I 22.9 SI-Järjestelmä / osa II, metrologiajärjestelmä 29.9 Perusmittalaitteet I: Oskilloskooppi 6.10 Perusmittalaitteet II: Spektrianalysaattorit 13.10 Perusmittalaitteet III: Yleismittarit ja taajuuslaskurit 20.10 Perusmittalaitteet IV: Kellot ja signaalilähteet 27.10 Ei luentoa 3.11 Mittausepävarmuus 10.11 Kohina 17.11 Häiriöt, signaali-kohinasuhteen parantaminen 24.11 Anturit 2.12 Varalla Harjoitellaan käytännön mittaamista Tutustutaan mittausten teoriaan Oskilloskooppi 2 Yleismittari Taajuuslaskuri Spektrianalysaattori Anturit Häiriöt Kuituoptiset mittaukset Laboratoriotöissä Laboratoriotöiden aikataulu 20.9 Ilmoittautuminen laboratoriotöihin alkaa 22.9 Kirja tulee myyntiin 22.9 Myynti salin ulkopuolella luennon jälkeen 2.10 Laboratoriotyöt alkavat viikolla 40 ja jatkuvat viikolle 48 28.11 Y-kurssin laboratoriotyöt tehdään viikoilla 49 50 Mahdollisista muutoksista ilmoitetaan sähköpostilla
Pääassistentit Oppilaslaboratorio A-kurssi: Y-kurssi: Maija Ojanen Huone I443 Maija.ojanen@tkk.fi (451) 2281 Jari Hovila Huone I427 Jari.hovila@tkk.fi (451) 2336 Mittaustekniikka Mittaustekniikka 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. Tekniikka ei ole eksakti tieteenala. Tekniikka on kokeellinen tieteenala, jonka tiedonsaanti on mittausten varassa. Mittausten suorittaminen on tekniikan alalla oleellinen tehtävä.
Mittaustekniikka SI-Mittayksikköjärjestelmä Tietopohja Fysiikka, kemia, elektroniikka ja informaatioteoria Mittauslaitteet Mittanormaalit Anturit Mittauselektroniikka 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 Mittausten analyysi Mallintaminen virheanalyysi Metrijärjestelmä = mittayksikköjärjestelmä, joka perustuu metriin ja kilogrammaan. Tämän järjestelmän voidaan sanoa olevan nykyisin käytössä olevan SI-mittayksikköjärjestelmän alku Metrisopimus 1875 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 1/299792458 sekunnissa. Kilogramma (kg) Kilogramma on yhtäsuuri kuin kansainvälisen kilogramman prototyypin massa (1889). (BIPM-puhdistuksen jälkeen) Sekunti (s) Sekunti on 9192631770 kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 133-atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä (E=hf)
SI-järjestelmän perussuureet Ampeeri (A) Ampeeri on ajallisesti muuttumaton sähkövirta, joka kulkiessaan kahdessa suorassa samansuuntaisessa, äärettömän pitkässä johtimessa, jotka ovat 1 metrin etäisyydellä toisistaan tyhjiössä, aikaansaa johtimien välillä 2 10-7 Newtonin voiman johtimen metriä kohti. Kelvin (K) Kelvin on 1/273,16 veden kolmoispisteen lämpötilasta. SI-järjestelmän perussuureet Mooli (mol) Mooli on sellaisen systeemin ainemäärä, joka sisältää yhtä monta perusosasta kuin 0,012 kg:ssa C 12 :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 540 10 12 Hz:n taajuudella ja jonka säteilyintensiteetti tähän suuntaan on 1/683 W/steradiaani. Johdannaisyksiköt, joilla erityisnimi SI-etuliitteet Suure Nimi Yksikkö Selitys Taajuus hertsi Hz Hz = s -1 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 -1 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 -1 Absorboitunut annos gray Gy Gy = J/Kg Nimi Tunnus Kerroin jotta Y 10 24 tsetta Z 10 21 eksa E 10 18 peta P 10 15 tera T 10 12 giga G 10 9 mega M 10 6 kilo k 10 3 hehto h 10 2 deka da 10 1 Nimi Tunnus Kerroin jokto y 10-24 tsepto z 10-21 atto a 10-18 femto f 10-15 piko p 10-12 nano n 10-9 mikro µ 10-6 milli m 10-3 sentti c 10-2 desi d 10-1
Realisoinnit: Sekunti (s) Sekunti on 9192631770 kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 133-atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä Voidaan realisoida määritelmänsä mukaan. Tarkin suure: Cesium -atomikello, epävarmuus ~10-13 Cesium fountain -atomikello, epävarmuus ~2 10-15 Käytetään mm. useiden muiden perussuureiden realisoinnissa. Atomikelloihin palataan taajuuslaskureiden yhteydessä Metri (m) Metri on sellaisen matkan pituus, jonka valo kulkee tyhjiössä 1/299792458 sekunnissa. Voidaan realisoida määritelmänsä mukaan. Valonnopeus on määritelty vakioksi realisointi: 1. 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 = n 1.000256 @ 633 nm nf Mekaanisten kappaleiden dimensioiden mittauksen epävarmuus ~10-7 @1 m Esimerkki: Michelsonin interferometri Albert A. Michelson (Nobel 1907) LASER L2 L 1 DET.
Interferenssi Päätemittainterferometri Interferometrin eri haaroista heijastuvien (monokromaattisten) aaltojen välinen vaihe riippuu peilien etäisyyserosta säteenjakajaan LASER MONITOR 2 3 4 1 COVER l=λ/4 SPATIAL FILTER LAMP BEAM SPLITTER CCD CAMERA MOTOR MOVING CUBE CORNER BEAM SPLITTER MIRROR PIEZOS COMPENSATOR PLATE DETECTORS 4 1 2 3 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 D1 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 D1 D2 CUBE CORNER LINE SCALE LASER CC 2 FOCUS OF THE MICROSCOPE Kuva: MIKES Kuvat: MIKES
Metri: Taajuusstabiloitu laser Taajuustabiloitu laser = optinen kello Toissijainen taajuusnormaali Lukitaan stabiiliin spektriviivaan (metaani, jodi, rubidium) Epävarmuus tavallisesti n. ~10-11 -10-12 f 1 σ y (2, τ ) = f SNR 0 1 τ f f 0 MHz 500 THz 1 9 = 2 10 Metri: Taajuusstabiloitu laser Stabiloituja lasereita tarvitaan myös: Tietoliikennetekniikassa Atomioptiikan ja fysiikan kokeissa Laser Absorption cell PI Jodistabiloitu 633 nm He-Ne laser 1 f φ 3 f LOCK-IN AMPLIFIER Taajuus määritettävä Cs-atomikelloon Metri: Optinen taajuusmittaus Ongelma: optista taajuutta ~500 THz verrattava atomikelloon, jonka taajuus ~10 GHz Teknisesti vaikeaa: ~16 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 13, 2003. Taajuuskampa Idea: pulssijono aikatasossa viivaspektri, jonka viivat ovat toistotaajuuden päässä toisistaan Cs-atomikelloon synkronoidulla taajuudella katkotaan laserin valoa Optiselle alueelle muodostuu viivaspektri, jossa viivojen väli on verrannollinen Cs-kellon taajuuteen f n Optinen taajuus = n frep +δ Cs-kelloon verrannollinen taajuus Taajuuspoikkeama Kuva: D. J. Jones et al., Science 28, 635 (2000).
Sitä roinan määrää Taajuuskampa Taajuuskampa Lopputulos: optisia taajuuksia voidaan mitata atomikellon tarkkuudella Toisaalta: optisten kellojen taajuus voidaan siirtää vaihekoherentisti radiotaajuuksille Optisilla kelloilla on periaatteessa atomikelloa parempi suorituskyky On arvioitu, että ~10-18 epävarmuus olisi saavutettavissa Kuva: D. J. Jones et al., Science 28, 635 (2000). Kuva: NIST ion group www.boulder.nist.gov/timefreq/ion/freqstd/hg.htm Kertaus: Metri Kelvin Sekunnin määritelmä Cs-atomikello Metrin määritelmä (c = 299792458 m/s) Interferometri Pituus Taajuuskampa tai taajuusketju Taajuustabiloitu laser Ympäristömittaukset, ilman taitekerroin ym. Kelvin on 1/273,16 veden kolmoispisteen lämpötilasta. Termodynaaminen lämpötila on vaikeasti mitattavissa käytännön mittauksia varten on sovittu ITS-90 lämpötila-asteikosta Asteikko on määritelty lämpötilan 0,65 K yläpuolella Lämpötilan 961,78 C alapuolella asteikko määritellään kiintopisteiden ja interpolointi-instrumenttien avulla Kiintopisteet: puhtaiden aineiden faasitransitiolämpötiloja Interpolointi-instrumentit: kaasulämpömittari ja platinavastuslämpömittari Lämpötilan 961,78 C yläpuolella asteikko määritellään Planckin säteilylain avulla
Kelvin