• Kenntnisse in Physik, Mathematik und Elektrotechnik

• Unterlagen zur Lehrveranstaltung werden passwortgeschützt auf der Lernplattform StudOn bereitgestellt. Das Passwort wird in der ersten Vorlesung bekannt gegeben.

• Informationen zur Prüfung erhalten Sie unter der zugeordneten UnivIS-Modulbeschreibung (siehe Link unten)

  • Die Lehrveranstaltungen Grundlagen der Messtechnik [GMT] im Wintersemester und Fundamentals of Metrology [FoM] im Sommersemester sind inhaltlich identisch. Beide Lehrveranstaltungen werden bilingual (Vorlesungsunterlagen: englisch-deutsch, Vortragssprache: deutsch) gehalten.

• Die Prüfungen über Grundlagen der Messtechnik [GMT] (Prüfungnr. 45101) und Fundamentals of Metrology [FoM] (Prüfungnr. 47701) sind inhaltlich identisch. Die Aufgabenstellung der Prüfung über GMT ist nur in Deutsch, während die Aufgabenstellung der Prüfung über FoM bilingual (englisch-deutsch) ist.

• Prüfungstermine, eine allgemeine Regel der Prüfungstagvergabe und Termine der Klausureinsicht finden Sie auf StudOn: Prüfungstermine und Termine der Klausureinsicht

• Ansprechpartner für organisatorische Fragen: M.Sc. Zhongyuan Sun

• Wesen des Messens: SI-Einheitensystem • Definitionen der SI Einheiten (cd, K, kg, m, s, A, mol) • Messung • Extensive und intensive Größen • Messen, Prüfen und Lehren • objektives und subjektives Prüfen • Grundvoraussetzungen für das Messen • Weitergabe und Rückführung der Einheiten • Gebrauch und korrekte Angabe der Einheiten • Messwert, wahrer Wert, ausgegebener Wert • Messabweichung

• Messprinzipien und Messmethoden: Messprinzip, Messmethode und Messverfahren • Ausschlagmessmethode, Differenzmessmethode, Substitutionsmessmethode und Nullabgleichsmethode (Kompensationsmethode) • direkte und indirekte Messmethoden • analoge und digitale Messmethoden • absolute und inkrementelle Messmethoden • Auflösung und Empfindlichkeit • Kennlinie und Kennlinienarten

• Statistik – Auswertung von Messreihen: Berechnung eines Messergebnisses anhand von Messreihen • Grundbegriffe der deskriptiven Statistik • Darstellung und Interpretation von Messwertverteilungen (Histogramme) • Häufigkeit (absolute, relative, kumulierte, relative kumulierte) • Berechnung und Interpretation grundlegender Parameter: Lage (Mittelwert, Median, Modus), Streuung (Spannweite, Varianz, Standardabweichung), Form (Schiefe, Kurtosis bzw. Exzess) • Stochastik und Verteilungen (Rechteck-, U- und Normalverteilung) • statistische Tests und statistische Schätzverfahren • Korrelation und Regression

• Messabweichungen und Messunsicherheit: Messwert, Wahrer Wert, vereinbarter Wert, erfasster Wert, ausgegebener Wert • Einflüsse auf die Messung (Ishikawa-Diagramm) • Messabweichung (systematische, zufällige) • Korrektion bekannter systematischer Messabsweichungen • Kalibrierung, Verifizierung, Eichung • Messpräzision und Messgenauigkeit • Wiederholbedingungen/-präzision, Vergleichsbedingungen/-präzision, Erweiterte Vergleichsbedingungen/-präzision • Messunsicherheit • korrekte Angabe eines Messergebnisses • Übersicht über Standardverfahren des GUM (Messunsicherheit)
  

Messgrößen des SI Einheitensystems

• Messen elektrischer Größen und digitale Messtechnik: Messung von Strom und Spannung (strom- und spannungsrichtige Messung), Bereichsanpassung • Wheatstonesche Brückenschaltung (Viertel-, Halb- und Vollbrücke, Differenzverfahren und Nullabgleichverfahren) • Charakteristische Werte sinusförmiger Wechselgrößen (Wechselspannungsbrücke) • Operationsverstärker (Invertierender Verstärker, Nichtinvertierender Verstärker, Impedanzwandler) • Digitalisierungskette (Filter, Abtast-Halte-Glied, Analog-Digital-Wandlung) • Abweichungen bei der Analog-Digital-Wandlung

• Messen optischer Größen: Licht und Eigenschaften des Lichtes • Fotodetektoren (Fotowiderstände, Fotodioden) • Empfindlichkeitsspektrum des Auges • Radiometrie und Photometrie • Lichtstärke (cd, candela) • Strahlungsgesetze

• Messen von Temperaturen: Temperatur, SI-Einheit, Definition • Wärmeübertragung (Wärmeleitung, Konvektion, Wärmestrahlung) • Fixpunkte (Tripelpunkte, Erstarrungspunkte), Fixpunktzellen, internationale Temperaturskala (ITS-90) • Berührungsthermometer • Metall-Widerstandsthermometer, Messschaltungen für Widerstandsthermometer • Thermoelemente, Messschaltungen für Thermoelemente • Messabweichungen von Berührungsthermometern • Strahlungsgesetze, Pyrometer (siehe Optische Größen) • Messabweichungen von Pyrometern

• Zeit und Frequenz: Zeitmessung • Atomuhr • Globales Positionssystem • Darstellung der Zeit • Verbreitung der Zeitskala UTC • Frequenz- und Phasenwinkelmessung

• Längenmesstechnik: Meterdefinition • Abbesches Komparatorprinzip, Abweichungen 1.- und 2.-Ordnung • Längenmessung mit Linearencodern, Bewegungsrichtung, Ausgangssignale, Differenzsignale • Absolutkodierung (V-Scannen und Gray Code) • Interferometer, Michelson-Interferometer, Grundlagen der Interferenz, Homodynprinzip, Heterodynprinzip, Interferenz am Homodyninterferometer, destruktive und konstruktive Interferenz, Einfluss Luftbrechzahl

• Winkel und Neigung: ebener Winkel, Winkeleinheiten • Maßverkörperungen • Winkelmessgeräte • Neigungsmessung • optische Winkelmessgeräte • Messabweichungen • räumlicher Winkel, Raumwinkel

• Kraft und Masse: Definition SI-Einheit Kilogramm, Massenormale, Prinzip der Masseableitung • Definition Masse, Kraft und Drehmoment • Messprinzipien von Waagen • Balkenwaage, Federwaage, Unter- und oberschalige Waagen, Ecklastabhängigkeit, DMS-Waage, EMK-Waage, Massekomparatoren • Einflussgrößen bei Massebestimmung • Kraftmessung, Kraftmessung mit DMS, magnetoelastische und piezoelektrische Kraftmessung
  

Teilgebiete der industriellen Messtechnik

• Prozessmesstechnik (Druck und Durchfluss): Definition des Druckes • Druckarten (Absolutdruck, Überdruck, Differenzdruck) • Druckwaage (Kolbenmanometer), U-Rohrmanometer, Rohrfedermanometer, Plattenfedermanometer • Drucksensoren (mit DMS, piezoresistiv, kapazitiv, piezoelektrisch) • Durchflussmessung (Volumenstrom und Massestrom, Strömung von Fluiden) • volumetrische Verfahren, Wirkdruckverfahren, Schwebekörper-Durchflussmessung, magnetisch-induktive Durchflussmessung, Ultraschall-Durchflussmessung • Massedurchflussmessung (Coriolis, Thermisch)

• Fertigungsmesstechnik: Teilaufgaben der Fertigungsmesstechnik, Ziele der Fertigungsmesstechnik • Gestaltparameter von Werkstücken (Mikro- und Makrogestalt), Gestaltabweichungsarten, Messen, Prüfen, Überwachen • Gegenüberstellung klassische Messtechnik und Koordinatenmesstechnik, Standardgeometrieelemente • Bauarten und Grundstruktur von Koordinatenmessgeräten • Vorgehensweise bei Messen mit einem Koordinatenmessgerät

• Mikro und Nanomesstechnik: Anforderungen der Mikrosystemtechnik an die Messtechnik • Sensoren und Tastsysteme für Mikrosystemtechnik (taktile Sensoren, opto-taktiler Fasertaster, Fokussensor, Chromatischer Weißlichtsensor) • Rasterkraftmikroskop (Aufbau, Arbeitsweisen), Rastertunnelmikroskop • Nanokoordinatenmessung: 3-D Realisierung des abbeschen Komparatorprinzips • Maßnahmen zur Reduktion der Einflüsse

• DIN e.V. (Hrsg.): Internationales Wörterbuch der Metrologie – Grundlegende und allgemeine Begriffe und zugeordnete Benennungen (VIM) ISO/IEC-Leitfaden 99:2007. Beuth Verlag GmbH, 3. Auflage 2010

• Hoffmann, Jörg: Handbuch der Messtechnik. 4. Auflage, Carl Hanser Verlag München, 2012 – ISBN 978-3-446-42736-5

• Lerch, Reinhard: Elektrische Messtechnik. 6. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2012 – ISBN 978-3-642-22608-3

• Richter, Werner: Elektrische Meßtechnik. 3. Auflage, Verlag Technik Berlin, 1994 - ISBN 3-341-01106-4

• Kohlrausch, Friedrich: Praktische Physik : zum Gebrauch für Unterricht, Forschung und Technik. Band 1-3, 24. Auflage, Teubner Verlag, 1996 – ISBN 3-519-23001-1, 3-519-23002-X, 3-519-23000-3

• Ernst, Alfons: Digitale Längen- und Winkelmesstechnik. 4. Auflage, Verlag Moderne Industrie, 2001 – ISBN 3-478-93264-5

• Pfeifer, Tilo: Fertigungsmeßtechnik. R. Oldenbourg Verlag München Wien, 1998 – ISBN 3-486-24219-9

• Keferstein, Claus P.: Fertigungsmesstechnik. 7. Auflage, Vieweg+Teubner Verlag, 2011 – ISBN 978-3-8348-0692-5

• Warnecke, H.-J.; Dutschke, W.: Fertigungsmeßtechnik. Springer-Verlag Berlin Heidelberg New York Tokyo, 1984 – ISBN 3-540-11784-9
  

Internetlinks für weitere Information zum Thema Messtechnik

• Video des VDI: Messtechnik - Unsichtbare Präszision überall

• Multisensor-Koordinatenmesstechnik

• E-Learning Kurs AUKOM Stufe 1

Title:

Fundamentals of Metrology

Prerequisites

• Knowledge of physics, mathematics and statistics

• Lecture notes will be available for download on the learning platform StudOn (www.studon.uni-erlangen.de). The password will be disclosed in the first lecture.

Contents

Basic principles

• Essence of measuring: SI unit system • Definitions of SI units (cd, K, kg, m, s, A, mol) • What is measuring? • Extensive and intensive quantities • Measuring, testing and gauging • Objective and subjective testing • Basic requirements for measuring • Transmission and use of the units • Correct use and notation of units • Measured value, true value, output value • Measurement deviations

• Principles and methods of measurement: Principles, methods and procedures of measurement • Deflection, differential, substitution and compensation measurement methods • Direct and indirect measurement methods • Analog and digital measurement methods • Absolute and incremental measurement methods • Resolution and sensitivity • Curve and kinds of curves

• Statistics – Evaluation of measurements series: Calculation of a measurement result based on measurement series • Basic terms of descriptive statistics • Presentation and interpretation of measured value distributions (histograms) • Frequency (absolute, relative, cumulative, relative cumulative) • Calculation and interpretation of basic parameters: location (mean, median, mode), dispersion (range, variance, standard deviation), shape (skewness and excess kurtosis) • Stochastics and distributions (rectangle, U and normal distribution) • statistical tests and statistical estimation methods • Correlation and regression

• Measurement errors and measurement uncertainty: Measured value, true value, conventional quantity value, detected value, output value • Influences on the measurement (Ishikawa diagram) • Measurement error (systematic, random) • Correction of known systematic measurement errors • Calibration, verification, legal verification • Measurement precision and accuracy • Repeatability conditions and precision , Comparison conditions and precision, extended comparison conditions and precision • Measurement uncertainty • Correct specification of a measurement result • Overview of standard method of the GUM (measurement uncertainty)
  

Mesurands of the SI system of units

• Measurement of electrical quantities: Measurement of current and voltage (current and voltage correct measurement), range adjustment • Wheatstone bridge circuit (quarter, half and full bridge, differential method and null balancing procedures) • Characteristic values of sinusoidal alternating quantities (alternating voltage bridge) • Operational Amplifier (Inverting amplifier, non-inverting amplifier, impedance converter) • Digitising chain (filters, sample-and-hold device, analog-digital conversion) • Variations in the analog-to-digital conversion

• Measurement of optical quantities: Light and properties of light • Photo detectors (photo resistors, photo diodes) • Sensitivity range of the eye • Radiometry and photometry • Luminous intensity (cd, candela) • Radiation laws

• Measurement of temperatures: Temperature, SI unit, definition • Heat transfer (conduction, convection, radiation) • Fixpoints (triple points, freezing points), fixpoint cells, International Temperature Scale (ITS-90) • Contact thermometers • Metal resistance thermometer, measurement circuits for resistance thermometers • Thermocouples, measurement circuits for thermocouples • Measurement errors of contact thermometers • Radiation laws, pyrometers (see optical quantities) • Measurement errors of pyrometers

• Time and Frequency: Time measurement • Atomic clock • Global Positioning System • Representation of time • Propagation of UTC • Frequency and phase angle measurement

• Length: Meter definition • Abbe comparator principle, errors 1st and 2nd order • Length measurement with linear encoders, motion direction, output signals, differential signals • Absolute coding (V-Scan and Gray code) • Interferometer, Michelson interferometer, basics of interference, homodyne principle, heterodyne principle, interference on homodyne interferometer, destructive and constructive interference, influence of air refractive index

• Angle and slope: plane angle, angle unit • material measures • angle measuring devices • slope measurement • optical angle measuring devices • measurement deviations • spatial angle, solid angle

• Mass and force: Definition of SI unit kilogram, mass standards, principle of mass dissemination • Definition of mass, force and torque • Measurement principles of weighing • Beam balance, spring balance, hanging and top pan balances, corner load sensitivity, DMS balance, EMC balance, mass comparators • Influences for mass determination • Force measurement, force measurement with DMS, Magneto-elastic and piezoelectric force measurement
  

Branches of industrial metrology

• Process Measurement Technology: Definition of pressure • Pressure types (absolute pressure, overpressure, differential pressure) • Pressure balance (piston manometer), U-tube manometer, bourdon pressure gauge, diaphragm pressure gauge • Pressure sensors (with DMS, piezoresistive, capacitive, piezoelectric) • Flow measurement (volume flow and mass flow, flow of fluids) • volumetric method, differential pressure method, sinker flow meter, magnetoinductive flowmeter, ultrasonic flow measurement • Mass flow rate measurement (Coriolis, thermal)

• Manufacturing Metrology: Subtasks of manufacturing metrology, objectives of manufacturing metrology • Form parameters of workpieces (micro-and macro-shape), structural error types, measuring, checking, monitoring • Comparison of classical measuring and coordinate measuring, standard geometrical features • Designs and basic structure of coordinate measuring machines • Procedure for measuring with a coordinate measuring machine

• Micro and Nanometrology: Demands of the microsystem technology on metrology • Sensors and probing systems of microsystem technology (tactile sensors, opto-tactile fiber probe, focus sensor, chromatic white light sensor) • Atomic force microscope (structure, working methods), scanning tunneling microscope • Nano coordinate measuring: 3-D realization of the Abbe comparator principle • Measures to reduce influences

UE: Fundamentals of Metrology - Grundlagen der Messtechnik - Übung

Dozentinnen/Dozenten: Prof. Dr.-Ing. habil. Tino Hausotte, M. Sc. Zhongyuan Sun, Dipl.-Phys. Matthias Fleßner, Dipl.-Ing. Andreas Gröschl, Dr.-Ing. Alexander Schuler, Dipl.-Ing. Wito Hartmann, Akad. Rat, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Martin Timmermann
Zeit und Ort: Mi 12:15 - 13:45, HH; Bemerkung zu Zeit und Ort: Vorlesung statt Übung: 1. bis 2. Vorlesungswoche; weitere Verschiebungen werden in der Vorlesung und auf StudOn bekanntgegeben.