MessTechnik_DieterSchuh_T1

Werbung
Wer misst, misst Mist?
Workshop Messtechnik
Wer, wann, was…
Schuh:
Ermer:
Einführung in die physikalische Messtechnik
praktische Tipps zum Strippenziehen
Päuschen
Furthmeier:
Utz:
Vakuumtechnik gestern-heute-morgen
Heisskaltes: Methoden der Temperaturmessung
Päuschen
Kubová:
Hense:
Messsysteme I: Das Magnetsystem in der Kanne
Messsysteme II: Das Oxford-Messsystem
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
physikalisches System (z.B. Halbleiter)
 Kenngrösse
U: µV…V
I: pA…mA
R: m…>T
physikalische Grösse (z.B. Druck, Temperatur)
 Sensor liefert Spannung, Strom, Widerstand
U: mV…V
I: µA…mA
R: Ω…kΩ
0…±10V
4…20mA
Messung einer elektrischen Grösse als Funktion
anderer Faktoren: Licht, Temperaturen, B-Feld, usw.
…wer misst misst Mist?
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Ohm‘sches Gesetz:
I
R = U/I
∂R = ∂U/∂I
U,I  Û,Î: Û=U0eieit (Wechselspannung)
U
Z = Û/Î
Kirchhoff I:
U1
∑Un = 0
U2
U4
U3
Kirchhoff II:
I1
I2
∑In = 0
I3
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Anwendung: Spannungsteiler
R1
Uein
R1
IL
Uein
I
R2
Uaus
Uaus = Uein·R2/(R1+R2)
R2
Uaus
RL
Uaus = Uein·R2/(R1+R2)
- IL·R1R2/(R1+R2)
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Anwendung: einfache(?) Spannungsmessung
VS
VM
Uideal
ideale Spannungsquelle
UMess
ideales Voltmeter
UMess = Uideal
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Anwendung: Ersatzschaltbild nach Thévenin
Spannungsquelle
Spannungsmessung
IL
Ibias
rser
VS
VM
rin
Uideal
Uaus = Uideal - IL·rser
Uein
UMess
UMess = Uein - Ibias·rQuelle
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Anwendung: Ersatzschaltbild nach Thévenin
Stromquelle
Strommessung
Iaus
Iin
Ipar
Iideal
rin
IM
rpar
Ibias
Uaus
Iaus = Iideal – Uaus/rpar
Ulast
IMess
IMess = Iin+Ibias
Ulast = (Iin+Ibias)·rin
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Anwendung: Widerstand als Strom-Spannungs-Wandler
(poor scientist‘s version)
Iaus
R
RL
RL«R !!!
z.B.: Magnetotransport:
R=1MΩ, RL≈Ω

R=1MΩ, RL≈100kΩ 
U
I
Iaus = U/R
R
RL
Uaus = R·I
RL»R !!!
Uaus
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Anwendung: Präzisionsmessung I
Wheatstone-Brücke
R1
R3
IM=0
I
IM =0
 Rx = R3·R2/R1
R2
Rx
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Anwendung: Präzisionsmessung II
I
Rk1
Rx
Rk2
RkN-1
RkN
Rk: Kontakt-,
Leitungswiderstände usw.
UMess
I‘
VM
UMess= (I-I‘)·Rx + ∑[(I-I‘)·Rkn]
= I·Rx + ∑[I·Rkn] für I‘=0
2-Punkt Messung
I
I‘
Rk1
R’k1
Rk2
RkN-1
Rx
R’k2
R’kN-1
RkN
R’kN
Rk R‘k: Kontakt-,
Leitungswiderstände usw.
UMess
VM
4-Punkt Messung
z.B.: Uxx bei van-der-Pauw
UMess= (I-I‘)·Rx + ∑(I‘·R‘kn)
= I·Rx für I‘=0
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Zwischen-Zusammenfassungs-Quiz
Shuntwiderstand
Offsetströme
Spannung bei I=const.
4-Punkt-Messung
niederohmiger Ausgang
Widerstand
Signalquellen
Messmethoden hochohmiger Eingang
Anpassung
Spannungsmessgeräte
Wheatstone
Spannung
meist Abbildung auf Spannungsmessung
Berücksichtigung der Kopplung zwischen
Quelle und Messgerät
Strom
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Zwischen-Zusammenfassung
 meist Abbildung auf Spannungsmessung
Spannung:
Strom:
Widerstand:

Shuntwiderstand
Spannung bei I=const.
 Spannungsmessgeräte
hochohmiger Eingang, Offset
 Signalquellen
niederohmiger Ausgang
bei Magnetotransport an Halbleitern nicht immer erfüllt!
 Kopplung zwischen Quelle und Messgerät
 Messmethoden
Wheatstone, 4-Punkt-Messung
z.B.: Vxx bei van-der-Pauw Messungen
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Störungen I: ‚magnetische‘ Umgebung
∂B
VS
VM
Ureal
Uind
UMess
UMess = Ureal + Uind
∂B
VS
∂B
∂B
Ureal
∂B
VM
Uind
UMess = Ureal + Uind
 verdrillte Leitungen (twisted pair)
UMess
Uind = 0
z.B.: Ethernet
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Störungen II: Rauschen
IL
Inoise
rser
VS
VM
rin
Uideal
UMess
U
+
t
U
=
U
t
t
Problem in der Zeit/Frequenzdomäne lösbar durch Filter
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Störungen II: einfache Filter gegen Rauschen
rs
Tiefpass
fg=1/(2πRC)
A
f

f

f
RL
rs
Hochpass
fg=1/(2πRC)
A
RL
f
rs
Bandpass
fm=1/(2πRC)
RL
A
f

f
 Ein- und Ausgangswiderstände von Quelle und Messgerät
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Problem: Extraktion eines Signals mit Us « Unoise aus dem Rauschen
Lösung: Der LockIn Verstärker 
Multipliziere(!) Eingangssignal Vin mit einem Referenzsignal Vref
gleicher Frequenz:
z.B.: Vin = A·cos(t) Vref = B·cos(t+)
U
U
Vin
U
Vref
t
t
=
?
t
Vout = A·cos(t) · B·cos(t+) = ½·A·B·cos() + ½·A·B·cos(2t+)
 Gleichspannung
 prop. zu A (bei B=const.)
 prop. zu cos() (Phase!)
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Der LockIn Verstärker II
VDC = ½·A·B·cos()
Rauschen steht in keiner festen Phasenbeziehung zum Nutzsignal
Setze Phase zwischen Nutz- und Referenzsignal 0
Halte Amplitude B des Referenzsignals konstant = 1
VDC = ½·A
A: Amplitude des (verrauschten) Messsignals
 LockIn: extrem frequenzselektiver Wechselspannungsverstärker
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Der LockIn Verstärker III
einfacher, analoger LockIn
 Eingangsverstärker (gain)
 Bandpass
 Mischer
 Tiefpass (time constant)
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Der LockIn Verstärker III
Vier-Quadranten (Vektor) LockIn, analog
 zwei PSD, Vergleich von Signal mit Referenz und Referenz+90°
 Amplitude und Phase unabhängig bestimmbar
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Der LockIn Verstärker III
Vier-Quadranten (Vektor) LockIn, digital
 PSD und folgender Tiefpass als DSP implementiert
 Amplitude und Phase werden berechnet
Workshop Messtechnik
Grundlagen der Messtechnik
Rückblick, Literatur, Ausblick, Ergänzung, Warnung…
 Konsequentes Anwenden von Ohm und Kirchhoff hilft oft weiter
 Signalquellen und Messgeräte haben nicht zu vernachlässigende
Aus- und Eingangswiderstände
 Manchmal helfen einfache Filter, manchmal auch nicht
 Der LockIn, dein Freund und Helfer im Labor
 Skript (Buch!) zum Elektronik-Praktikum
 Horowitz-Hill ‚The Art of Electronics‘
 Praktikumsheft dazu
 Low Level Measurements (Keithley)
…
 Es gibt noch viel mehr Stolperfallen…
Workshop Messtechnik
Herunterladen