Mittaustekniikan perusteet Luennot ja tiedotus S-108.1010 Mittaustekniikan perusteet A S-108.1020 Mittaustekniikan perusteet Y Pe 14:15-15:45 E111-salissa Tervetuloa Luennot TkT Maija Ojanen-Saloranta MIKES-VTT maija.ojanen-saloranta@vtt.fi 050 5441 991 Laboratoriotyöt ja tiedotus DI Hans Baumgartner Mittaustekniikan tutkimusryhmä Huone I441 Hans.Baumgartner@aalto.fi Suorittaminen S-108.1010 Mittaustekniikan perusteet A Laboratoriotyöt (8 kpl) hyväksytysti suoritettu. Tentti määrää arvosanan. Tentti on kaksiosainen: yhteensä 5 kysymystä, joista 3 käsittelee laboratoriotöitä (töistäpääsykuulustelu) ja 2 luentoja. Luento-osuuden voi korvata luentokuulusteluilla. Luentokuulustelupisteet säilyvät seuraavaan syyskuuhun asti. Kaksi heikoiten mennyttä (tai poissaoltua) luentokuulustelua jätetään huomioimatta. Suorittaminen S-108.1020 Mittaustekniikan perusteet Y Arvosana on tentin arvosana. Tentin voi korvata kokonaan viikoittaisilla luentokuulusteluilla. Kaksi heikoiten mennyttä (tai poissaoltua) luentokuulustelua jätetään huomioimatta. 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 (Unigrafia). Päivämäärä Luentojen aikataulu Luennon sisältö 2.10. Opintojakson ja käsitteen mittaustekniikka esittely. Mittayksikköjärjestelmän fysikaaliset perusteet osa I 9.10. Perusmittalaitteet osa I - Oskilloskooppi 16.10. Metrologia, Vierailevana luennoitsijana Antti Manninen (MIKES) Mittayksikköjärjestelmän fysikaaliset perusteet osa II Sähkösuureet Mittayksikköjärjestelmän fysikaaliset perusteet osa III Lämpötila ja massa 23.10. Perusmittalaitteet osa II - Spektrianalysaattorit 30.10. Peusmittalaitteet osa III - Yleismittarit ja taajuuslaskurit 6.11. Perusmittalaitteet osa IV - Kellot ja signaalilähteet 13.11. Mittausepävarmuus 20.11. Kohina 27.11. Häiriöt ja signaali-kohinasuhteen parantaminen 4.12. Anturit 11.12. Tentti Harjoitellaan käytännön mittaamista Tutustutaan mittausten teoriaan Oskilloskooppi Yleismittari Taajuuslaskuri Spektrianalysaattori Anturit Häiriöt Kuituoptiset mittaukset Laboratoriotöissä Laboratoriotöiden aikataulu Sovitaan ensimmäisellä luennolla. Laboratoriotyökirja A. Pietiläinen et al, Mittaustekniikan perusteiden laboratoriotyöt myynnissä Unigrafian kautta.
Oppilaslaboratorio 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. Ruokalaa vastapäätä. Tekniikka on kokeellinen tieteenala, jonka tiedonsaanti on mittausten varassa. Mittaustekniikan osa-alueita SI-Mittayksikköjärjestelmä Metrologia Mittanormaalit Jäljitettävyys Laatujärjestelmät Lakisääteinen metrologia SI Mittalaitteet Anturit Mittauselektroniikka Ohjelmistot Spesifikaatiot 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 Epävarmuusanalyysi Metrijärjestelmä = mittayksikköjärjestelmä, joka perustuu metriin ja kilogrammaan. Tämän järjestelmän voidaan sanoa olevan nykyisin käytössä olevan SI-mittayksikköjärjestelmän alku
Metrisopimus 1875 Alueelliset metrologiaorganisaatiot 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 (CC; 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 Avainvertailut Jäljitettävyys
MIKES-Metrologia, VTT SI-perusyksiköt Toteuttaa SI-järjestelmän mittayksiköt Suomessa Metrologian tutkimus, mittausmenetelmien kehitys teollisuuden tarpeisiin Kansainvälinen yhteistyö Kalibrointi-, koulutus- ja asiantuntijapalvelut SI-yksiköiden määritelmät Sekunti (s) Sekunti on 9192631770 kertaa sellaisen säteilyn jakson aika, joka vastaa cesium 133-atomin siirtymää perustilan ylihienorakenteen kahden energiatason välillä (E=hf) 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) 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. [Avogadron vakio N A = (6,0221415 ± 0,0000010) 10 23 mol 1 ]. 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 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 = V/A Konduktanssi siemens S S = -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 SI-etuliitteet Realisoinnit: Sekunti (s) 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 10-6 milli m 10-3 sentti c 10-2 desi d 10-1 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 ~210-15 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: nf n 1.000256 @ 633 nm Mekaanisten kappaleiden dimensioiden mittauksen epävarmuus ~10-7 @1 m Esimerkki: Michelsonin interferometri L2 Interferenssi Interferometrin eri haaroista heijastuvien (monokromaattisten) aaltojen välinen vaihe riippuu peilien etäisyyserosta säteenjakajaan. Peilin liikkuma matka saadaan laskemalla minimit ja maksimit. l=/4 Albert A. Michelson (Nobel 1907) LASER L 1 DET.
Viivamittainterferometri Päätemittainterferometri MIRROR GLASS PLATE CUBE CORNER CC 2 LASER MONITOR 2 3 4 1 LENS BEAM- SPLITTER LINE SCALE SPATIAL FILTER COVER LAMP BEAM SPLITTER CCD CAMERA MIRROR D1 D2 CUBE CORNER LASER FOCUS OF THE MICROSCOPE MOTOR MOVING CUBE CORNER BEAM SPLITTER MIRROR PIEZOS COMPENSATOR PLATE DETECTORS 4 1 2 3 SCREEN MOTOR Kuvat: MIKES REFERENCE FLAT GAUGE BLOCK Kuvat: MIKES Päätemittainterferometri 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 D a N b Gauge block surface D b L=[rnd(N b +D b -N a -D a )+] (N i, D i and in fringes) Kuva: 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 y (2, ) f 0 SNR 1 Jodistabiloitu 633 nm He-Ne laser f f 0 1 f MHz 500 THz 1 9 Laser Absorption cell 3 f 210 LOCK-IN AMPLIFIER PI
Metri: Taajuusstabiloitu laser Stabiloituja lasereita tarvitaan myös: Tietoliikennetekniikassa Atomioptiikan ja fysiikan kokeissa 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 n f rep Sitä roinan määrää Taajuuskampa Optinen taajuus Cs-kelloon verrannollinen taajuus Taajuuspoikkeama Kuva: D. J. Jones et al., Science 28, 635 (2000). 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 atomikelloa parempi suorituskyky ~10-18 epävarmuus saavutettu ytterbiumkellolla NIST:ssa (USA) Kuva: NIST ion group www.boulder.nist.gov/timefreq/ion/freqstd/hg.htm Sekunnin määritelmä Kertaus: Metri Cs-atomikello Metrin määritelmä (c = 299792458 m/s) Interferometri Pituus Taajuuskampa tai taajuusketju Taajuustabiloitu laser Ympäristömittaukset, ilman taitekerroin ym.