Lämpövuoanturin mittauselektroniikan suunnittelu ja toteutus

Energian kulutuksen vähentäminen ja sen tutkiminen on kasvavan kiinnostuksen kohteena. Syntyneen lämmön mittaaminen on yksi tapa mitata energian siirtymistä. Lämpötilan mittaaminen on yleistä, vaikka usein on merkittävämpää selvittää missä ja miten lämpöenergia on siirtynyt. Tästä syystä tarvitaan lämpövuoantureita, jotka reagoivat suoraan lämpövuohon eli lämpöenergian siirtymiseen. Tässä tutkimuksessa suunnitellaan ja toteutetaan lämpövuoanturin mittauselektroniikka vaativaan käyttöympäristöön. Työssä käytettävän gradienttilämpövuoanturin tuottama jännitesignaali on mikrovolttiluokkaa ja ympäristön aiheuttama kohina voi olla huomattavasti suurempi. Tämän takia anturin tuottamaa signaalia on vahvistettava, jotta sitä voidaan mitata luotettavasti. Tutkimuksessa keskitytään vahvistimen suunnitteluun, mutta suunnittelussa on otettava huomioon koko järjestelmä. Anturin sähköiset ominaisuudet ja ympäristö asettavat rajoitteita vahvistimelle. Tavoitteena on selvittää miten voidaan mitata mikrovolttien jännitesignaalia mahdollisimman suurella taajuuskaistalla vaativassa käyttöympäristössä. Työn tuloksena syntyi mittalaite, jota voidaan käyttää vaativassa ympäristössä lämpövuon mittaamiseen. Suunnitteluparametrien mukainen vahvistus ja päästökaista sekä offset-jännitteen ryömintä saavutettiin suunnitellulla mittalaitteella, mutta offsetjännite ja kohina olivat hieman suunniteltua suuremmat. Mittalaitteella ja lämpövuoanturilla havaittiin selvästi lämpövuon muutoksia keinotekoisilla herätteillä.

Development of Measurement Systems in Scientific Research: Case Study

In recent years, technological advancements in microelectronics and sensor technologies have revolutionized the field of electrical engineering. New manufacturing techniques have enabled a higher level of integration that has combined sensors and electronics into compact and inexpensive systems. Previously, the challenge in measurements was to understand the operation of the electronics and sensors, but this has now changed. Nowadays, the challenge in measurement instrumentation lies in mastering the whole system, not just the electronics. To address this issue, this doctoral dissertation studies whether it would be beneficial to consider a measurement system as a whole from the physical phenomena to the digital recording device, where each piece of the measurement system affects the system performance, rather than as a system consisting of small independent parts such as a sensor or an amplifier that could be designed separately. The objective of this doctoral dissertation is to describe in depth the development of the measurement system taking into account the challenges caused by the electrical and mechanical requirements and the measurement environment. The work is done as an empirical case study in two example applications that are both intended for scientific studies. The cases are a light sensitive biological sensor used in imaging and a gas electron multiplier detector for particle physics. The study showed that in these two cases there were a number of different parts of the measurement system that interacted with each other. Without considering these interactions, the reliability of the measurement may be compromised, which may lead to wrong conclusions about the measurement. For this reason it is beneficial to conceptualize the measurement system as a whole from the physical phenomena to the digital recording device where each piece of the measurement system affects the system performance. The results work as examples of how a measurement system can be successfully constructed to support a study of sensors and electronics.

Optical and photoelectric properties of dry bacteriorhodopsin sensors

In this thesis, bacteriorhodopsin (BR) photosensor’s optical and electrical properties were studied. The BR sensor consisted of a dry film with BR in polyvinyl alcohol and covered with transparent conductors. In the experiments the BR photocycle was started with two lasers. The characteristics of the BR sensor were measured in two ways. The first approach was theoretical and it required knowing the laser parameters. The second way required assembling a measurement setup for the optical response measurements. However, no measurable results were obtained due to low laser power. The photoelectric response was measured in the experiments with two laser systems and the amplifier was tested. In the experiment with a Cavitar laser, the photoelectric response was obtained. In the experiment with FemtoFiber Pro laser, the photoelectric response was not measured. The expected amplitude of the response was obtained. The experimental data was analyzed and possible solutions for reducing the interference were given.

D-luokan audiovahvistimen särö ja kohina

Tämän kandidaatintyön aiheena on D-luokan audiovahvistimen särö ja kohina. Tarkoituksena on selvittää vahvistinluokan merkittävin särö- ja kohinamekanismi, sekä arvioida, voidaanko häiriöitä vähentää lähdön suodattimella. Tutkimusmenetelminä on kirjallisuus ja simulointi. Aineistona on käytetty IEEE:ssä julkaistuja tieteelisiä artikkeleita, eri valmistajien laatimia ohjeita, sekä aihetta käsitteleviä kirjoja. Keskeisimmät tulokset olivat, että merkittävin särömekanismi on transistoreiden suoja-ajan aiheuttama vääristymä, sekä että merkittävin kohina syntyy modulaatiossa käytetystä kantoaallosta. Kantoaallon näkyvyyteen kuormassa voidaan vaikuttaa ulostulon alipäästösuodattimella. Suoja-ajan aiheuttama harmoninen kokonaissärö asettuu musiikin kaistanleveydelle, joten sitä ei voida poistaa suodattamalla.

Case: Kitaravahvistimen AB-luokan tehovahvistimen päivittäminen D-luokkaan

D-luokan vahvistimien etu perinteisiin A- tai AB-luokan vahvistimiin nähden on niitten korkea hyötysuhde ja pieni koko. Lisäksi ne ovat edullisia ja niihin voidaan asentaa pienemmät jäähdytyslevyt kuin perinteisiin vahvistimiin korkean hyötysuhteen ansiosta. Tässä tutkimuksessa asennetaan Peavey Solo –kitaravahvistimen pääteasteena toimivan AB-luokan päätevahvistimen tilalle tehokkaampi ja uudempaa vahvistinluokkaa edustava D-luokan vahvistin. Tutkimuksessa selvitetään, miten D-luokan vahvistimella toteutettu kytkentä toimii verrattuna alkuperäiseen kytkentään tutkimalla kitaravahvistimelle tyypillisiä sähköisiä ominaisuuksia. Työ toteutetaan mittauksin. Koska työssä olevissa kytkennöissä on jännitteisiä osia, on siinä perehdyttävä sähköturvallisuuteen. D-luokan vahvistin asettaa tietyt sähkötekniset kestävyysvaatimukset kytkennän teholähteelle ja kaiutinelementille, jolloin työssä paneudutaan myös niiden valintaan. D-luokan vahvistimeen päivitetyn kytkennän tuottamat äänenpainetasot olivat valtaosassa mittauksia suuremmat kuin alkuperäisellä kytkennällä. Äänenpainetasojen mittaustilanteissa myös kuormalle syötetyt tehot olivat suuremmat päivitetyllä kytkennällä verrattuna alkuperäiseen. Suurin päivitetyn kytkennän kuorman teho 72,72 W saavutettiin, kun kaiutinelementin yli oli 24,12 V:n jännitteen tehollisarvo ja kuorman teho oli noin 36 kertaa suurempi kuin alkuperäisellä kytkennällä. D-luokan vahvistimen mitatut harmonisen särön arvot ovat huomattavasti pienempiä kuin alkuperäisellä vahvistimella. Muokkaamattoman vahvistimen mitatusta sähköisestä taajuusvasteeesta nähdään, että alkuperäinen vahvistin korostaa tiettyjä taajuuksia, kun D-luokan vahvistimen taajuusvaste on sen sijaan likimain tasainen. Akustinen taajuusvaste ei ole niin tasainen D-luokan vahvistimeen päivitetyllä kytkennällä kuin alkuperäisellä kytkennällä ja sillä on myös kapeampi taajuusalue. Jos päivitetyn kytkennän sointia haluttaisiin parantaa, pitäisi tutkia lisää akustiseen taajuusvasteeseen vaikuttavia asioita.