Méréstechnika

Tárgy adatai

• Tárgyfelelős: Dr. Halbritter András, egyetemi tanár
• Oktatók: Dr. Halbritter András egyetemi tanár, Dr. Csonka Szabolcs egyetemi docens
• 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

2018/2019 őszi félév

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

1. Bevezetés, alapfogalmak (Halbritter András)
2. Egyenáramú mérőműszerek (Halbritter András)
3. Adatgyűjtő kártyák, oszcilloszkópok (Halbritter András)
4. Tippek és trükkök a mérést zavaró tényezők kiküszöbölésére (Halbritter András)
5. Nagyfrekvenciás méréstechnika (Halbritter András)
6. Spektrumanalízis (Halbritter András)
7. Spektrumanalízis (folytatás) (Halbritter András)
8. Lock-in erősítő, fáziszárt hurok, PID szabályozás
9. Zajjelenségek (Halbritter András)
10. Metrológia (Csonka Szabolcs)
11. Metrológia (folytatás), alapvető szenzorok (Csonka Szabolcs)
12. Alapvető szenzorok (folytatás) (Csonka Szabolcs)

Az előadások fóliái (2018 ősz)

Az előadások fóliáit célszerű az előadásokra kinyomtatva elhozni, azokra jegyzetelni. A fóliák letöltéséhez jelszó az előadótól kapható.

• Alapfogalmak, egyenáramú mérőműszerek, műszerspecifikációk, valós idejű mérések oszcilloszkóppal,külső zavaró jelek elnyomása, jelterjedés koaxiális vezetékben
• Spektrumanalízis, lock in errősítő, fáziszárt hurok, PID szabályozás, a zaj fogalma
• Metrológia, SI rendszer, idő, távolság, feszültség, áram, hőmérséklet és tömeg precíziós mérése
• Szenzorok: mágnesestér-érzékelők, távolság- és pozícióérzékelők, hőmérsékletszenzorok, fényérzékelők, gyorsulásmérők

Vizsgatematika (2018 ősz)

A vizsgán mindenki egy tételt húz az alábbi tételek közül, melyet részletesen kell ismertetni. Ezen kívül számos más tétellel kapcsolatban felteszünk gyorsan megválaszolható kérdéseket. A felkészülésnél kérjük, hogy mindenki elsősorban az anyag megértésére helyezze hangsúlyt, és mindenki gondolja végig, hogy az egyes témaköröknek mik a legfontosabb üzenetei. Azon hallgatók, akik az előadások legalább 70%-át végighallgatták a vizsgára hozhatnak magukkal egy A4-es lap méretű (kétoldalas) saját kézírással készített "puskát", mely felhasználható a készüléshez. (A vizsga közben, pl. a villámkérdéseknél ez a segédanyag már nem használható!) Az újrafelhasználás elkerülése végett a vizsga után beszedjük a segédanyagot.

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 módusú jelek elnyomása.
4. Analóg és digitális oszcilloszkóp, alapvető beállítások, mintavételezési módszerek. Mérések oszcilloszkóppal, rms feszültség fogalma. Szinkronizálás, függvénygenerátor burst üzemmódja. Aliasing.
5. Külső zavaró jelek elnyomása: elektrosztatikus csatolás, földelés, induktív csatolás, csavart érpár, nagyfrekvenciás jelek zavaró hatása, termofeszültségek, offset-kompenzáció. Szórt kapacitásból adódó időállandó. Guarding.
6. Hullámterjedés koaxiális kábelben, távíró egyenletek. A hullámimpedancia fogalma. Illesztés a kábelvégi lezáráshoz, az „50 Ohm-os” impedancia szerepe.
7. Fourier-sorok, Fourier-transzformáció. Véges időtartományra vett Fourier-integrál. Diszkrét Fourier-transzformáció (DFT).
8. Ablakfüggvények: spektrális szivárgás, frekvenciafelbontás, amplitúdópontosság, téglalap, hanning és flattop ablak.
9. Az FFT alapelve. Spektrumanalizátorok típusai: FFT spektrumanalizátor, swept-tuned spektrumanalizátor, hibrid spektrumanalizátor.
10. A lock in erősítő alapelve, és legfontosabb alkalmazásai. Magasabb harmonikus generálás. Fáziszárt hurok (PLL).
11. PID szabályozás fontos felhasználása: hőmérsékletszabályozás és atomi szintű távolságszabályozás (STM). Atomerőmikroszkóp kvarcszenzorral.
12. 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.
13. Termikus zaj számolása, áramerősítő minimális bemeneti zaja. Keresztkorrelációs méréstechnika.
14. Elektronok független transzmissziója: Poisson-zaj; elektrontöltés meghatározása zajmérésből. Ekvivalens zaj sávszélesség. Ellenállásfluktuációk, 1/f típusú zaj. Aliasing jelensége a zajmérésnél, antialiasing szűrő.
15. Mértékegységek nemzetközi rendszere (SI), alap mértékegységek régi és új (tervezett) definíciói.
16. Másodperc standard, atomórák. Feszültségmérés visszavezetése időmérésre: Josephson-effektus. Árammérés visszavezetése feszültségmérésre: kvantált Hall-effektus. Árámmérés visszavezetése időmérésre: elektronpumpa. Tömegmérés: Watt-mérleg és Avogadro projekt.
17. Mágnesestér-érzékelők: induktív érzékelők, magnetorezisztív szenzorok, GMR szenzor és spin-szelep, Hall-szonda, SQUID.
18. Távolság- és pozícióérzékelők: induktív adó, kapacitív elmozdulásérzékelők, lézeres és ultrahangos távolságérzékelők, LIDAR rendszer.
19. Hőmérsékletszenzorok. Elsődleges és másodlagos hőmérők. Termopárok, ellenálláshőmérők, termisztorok. Fényérzékelők: Fotodiódák, CCD érzékelők, CMOS active pixel szenzor, bolométerek. Gyorsulásmérők: MEMS gyorsulásmérők és giroszkópok, piezoelektromos gyorsulásmérők.

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

SYLLABUS IN ENGLISH

• Voltage and current sources, dissipative and switching mode power supplies. Voltage and current meters. Measurement of resistance, four probe resistance measurement.
• Instrumentation amplifier, voltage amplifier, current amplifier and comparator circuits. A/D and D/A converters, data acquisition cards. Normal and common mode rejection ratio.
• Analog and digital oscilloscopes, sampling modes, triggering, waveform measurements, aliasing. Function generators. *Suppression of disturbing signals: electrostatic and inductive coupling, grounding and guarding, twisted pairs, thermo electric power and offset compensation, stray capacitance.
• Surprising experiments in high frequency circuits: wave propagation in coaxial lines, telegraph equations, reflections at the cable termination.
• Fourier analysis considering finite temporal window. The role of various window functions: spectral leakage, frequency resolution, amplitude accuracy. The role of finite sampling, sampling theorem. Discrete Fourier transform, and its implementation by the fast Fourier transform algorithm. Spectrum analyzers: FFT, swept tuned and hybrid devices.
• Phase sensitive measurements: lock-in amplifiers, phase locked loops.
• The application of PID control from temperature controllers to scanning probe microscopes.
• Electronic noise phenomena. The spectral density of noise, and its relation to the current-current correlation functiond the Fourier transform of the signal. Thermal noise, the thermal noise limit of current amplifier circuits. Cross correlation noise measurement.
• Fundamental measurement units (SI) and their definitions. Measurement standards: atomic clocks, voltage to frequency conversion by the Josephson effect, current to voltage conversion by the quantized Hall effect, current to frequency conversion by electron pump, measurement of mass by Watt balance and by the Avogadro project. Measurement of temperature by the speed of soumd and the thermal noise.
• Modern sensors. Magnetic field sensors: inductive, magnetoresitive, spin valve, and Hall sensors, SQUID magnetometers. Distance and position sensors: linear differential transformers, capacitive tansducers, LASER and ultrasound based measurement of distance, LIDAR systems. Temperature sensors: thermocouples, resistance thermometers, thermistors. Light sensors: photo diodes, CCD sensors, CMOS active pixel sensors, bolometers. Measurement of acceleration: MEMS accelerometers and gyroscopes, piezoelectric accelerometers.