Méréstechnika

Tárgy adatai

• Tárgyfelelős: Dr. Halbritter András, egyetemi docens
• Oktatók: Dr. Csonka Szabolcs egyetemi docens, Dr. Halbritter András egyetemi docens és Dr. Simon Ferenc egyetemi tanár
• Kód: BMETE11AF30
• Követelmény: 2/0/0/V/2
• Besorolás: fizika BSC képzés kötelező tárgya
• Nyelv: magyar
• Félévközi számonkérések: -
• A félév végi osztályzat kialakítása szóbeli vizsga alapján történik.
• Konzultációk: egyéni egyeztetés alapján

2014/2015 őszi félév

• Az előadások időpontja és helye: csütörtök 12:15-14:00, F. épület III. lépcsőház 2.emelet 13.
• A tervezett időbeosztás:

1. szeptember 11. Alapfogalmak, egyenáramú mérőműszerek (Halbritter András)
2. szeptember 18. Egyenáramú mérőműszerek (folytatás), valós idejű mérések oszcilloszkóppal (Halbritter András)
3. szeptember 25. Spektrumanalízis I. (Halbritter András)
4. október 2. Spektrumanalízis II. (Halbritter András)
5. október 9. A zaj fogalma, termikus zaj, Poisson-zaj (Halbritter András)
6. október 16. Metrológia (Csonka Szabolcs)
7. október 30. Spektrumanalizátorok típusai, lock in erősítő, fáziszárt hurok, PID szabályozás (Halbritter András)
8. november 6. Metrológia (folytatás), alapvető szenzorok (Csonka Szabolcs)
9. november 13. Mérési hibák és zajok kiküszöbölése: földelés, árnyékolás, speciális áramkörök (Csonka Szabolcs)
10. november 20. Nagyfrekvenciás és mikrohullámú méréstechnika I. (Simon Ferenc)
11. november 27. Nagyfrekvenciás és mikrohullámú méréstechnika II. (Simon Ferenc)
12. december 4. Nagyfrekvenciás és mikrohullámú méréstechnika III. (Simon Ferenc)
13. december 11. Laborlátogatás

Az előadások fóliái

(jelszó az előadóktól kérhető)

• Alapfogalmak, egyenáramú mérőműszerek, valós idejű mérések oszcilloszkóppal (1-2. óra)
• Spektrumanalzis, a zaj fogalma, lock in errősítő, fáziszárt hurok, PID szabályozás (3-5., 7. óra)
• Metrológia, SI rendszer, idő, távolság, feszültség, áram, hőmérséklet és tömeg precíziós mérése (6., 8. óra)
• Szenzorok I: mágnesestér-érzékelők, távolság- és pozícióérzékelők (8-9. óra)
• Szenzorok II: hőmérsékletszenzorok, fényérzékelők, gyorsulásmérők (9-10. óra)
• Meglepő kísérletek nagyfrekvencián, hullámterjedés koaxiális kábelben, hullámimpedancia, nagyfrekvenciás eszközök és méréstechnikák (11-13. óra)

Vizsgatematika

SZERKESZTÉS ALATT!!

1. Feszültség- és áramforrások, feszültség- és árammérők. Kis egyenfeszültség előállítása a hálózati feszültségből, kapcsoló üzemű tápegység. Négypont ellenállásmérés.
2. Műveleti erősítő. Feszültségerősítő és áramerősítő, illetve komparátor alapkapcsolások. A/D és D/A átalakítók.
3. Adatgyűjtő kártyák legfontosabb jellemzői. Közös és normál módusú jelek elnyomása.
4. Analóg és digitális oszcilloszkóp, alapvető beállítások, mintavételezési módszerek. Mérések oszcilloszkóppal, rms feszültség fogalma. Szinkronizálás, függvénygenerátor burst üzemmódja. Aliasing.
5. Fourier-sorok, Fourier-transzformáció. Véges időtartományra vett Fourier-integrál. Diszkrét Fourier-transzformáció (DFT). Az FFT alapelve.
6. Ablakfüggvények: spektrális szivárgás, frekvenciafelbontás, amplitúdópontosság, téglalap, hanning és flattop ablak. Fourier-transzformáció speciális alkalmazásai: impulzus NMR, FT optikai spektroszkópia.
7. A zaj kísérleti definíciója. A zaj spektrális sűrűsége, az áram-áram korrelációs függvény és az áramfluktuációk Fourier transzformáltja, illetve ezen mennyiségek közötti kapcsolat. Spektrális sűrűség számolása DFT alapján. A zajteljesítmény fogalma.
8. Termikus zaj számolása, áramerősítő minimális bemeneti zaja. Keresztkorrelációs méréstechnika.
9. Poisson zaj számolása, elektrontöltés mérése. Szűrés konvolúcióval, ekvivalens zaj sávszélesség fogalma.
10. Spektrumanalizátorok típusai: FFT spektrumanalizátor, swept-tuned spektrumanalizátor, hibrid spektrumanalizátor. Heterodin rádió.
11. A lock in erősítő alapelve, és legfontosabb alkalmazásai. Magasabb harmonikus generálás. Fáziszárt hurok (PLL).
12. PID szabályozás fontos felhasználása: hőmérsékletszabályozás és atomi szintű távolságszabályozás (STM). Atomerőmikroszkóp kvarcszenzorral. Rezonátorok jósági tényezőjének a fogalma.
13. Mértékegységek nemzetközi rendszere (SI), alap mértékegységek régi és új definíciói.
14. Másodperc standard, atomórák. Feszültségmérés visszavezetése időmérésre: Josephson-effektus. Árammérés visszavezetése feszültségmérésre: kvantált Hall-effektus. Árámmérés visszavezetése időmérésre: elektronpumpa. Tömegmérés: Watt-mérleg és Avogadro projekt.
15. Mágnesestér-érzékelők: induktív érzékelők, magnetorezisztív szenzorok, GMR szenzor és spin-szelep, Hall-szonda, SQUID.
16. Távolság- és pozícióérzékelők: induktív adó, kapacitív elmozdulásérzékelők, lézeres és ultrahangos távolságérzékelők, LIDAR rendszer.
17. Hőmérsékletszenzorok. Elsődleges és másodlagos hőmérők. Termopárok, ellenálláshőmérők, termisztorok. Fényérzékelők: Fotodiódák, CCD érzékelők, CMOS active pixel szenzor, bolométerek. Gyorsulásmérők: MEMS gyorsulásmérők és giroszkópok, piezoelektromos gyorsulásmérők.
18. Meglepő kísérletek nagyfrekvencián. Hullámterjedés koaxiális kábelben. A hullámimpedancia fogalma. Az „50 Ohm-os” impedancia szerepe és története
19. Nagyfrekvenciás eszközök (források, detektorok, vezetékek, illesztések, csatolók, hybrid tee, izolátor, cirkulátor, mixer). Érdekességek: RFID, SAW, Mikrohullámú háttérsugárzás, SETI, stb.

IRODALOM

• Keithley Low Level Measurements handbook
• Varga Dezső és Bagoly Zsolt (ELTE TTK): Elektronika és méréstechnika
• James A. Blackburn: Modern Instrumentation for Scientists and Engineers
• Fredric J. Harris: On the use of Windows for Harmonic Analysis with the Discrete Fourier Transform Proceedings of the IEEE 66 p51–83 (1978)
• Heinzel, G.; Rüdiger, A.; Schilling, R. (2002). Spectrum and spectral density estimation by the Discrete Fourier transform (DFT), including a comprehensive list of window functions and some new flat-top windows