Introduzione al corso

L'insegnamento fornisce una valida conoscenza sui fondamenti della misurazione (inquadramento storico e istituzionale, Sistema Internazionale di unità di misura, regole operative) e sugli strumenti specifici di analisi utilizzati nelle misure (stima ed espressione dell’incertezza di misura, corrispondente analisi statistica, regressione dei dati sperimentali, elaborazione del segnale di misura, elementi di affidabilità). Saranno spiegati i principi e le modalità di funzionamento dei sistemi di acquisizione dati (DAQ) e della strumentazione digitale di misura. Si offrirà agli studenti una descrizione con un certo dettaglio del funzionamento e delle prestazioni di strumenti di misura quali voltmetri numerici, oscilloscopi digitali, e analizzatori di spettro. Nel corso delle attività di laboratorio si insegnerà inoltre ad utilizzare le schede DAQ e il software LabVIEW per la realizzazione di strumenti virtuali (VI, software) utili per le misure automatizzate e la rappresentazione dei risultati.

E' previsto che lo studente impari la terminologia delle misure e l'analisi dell'incertezza di misura in termini statistici. Lo studente acquisirà la conoscenza del funzionamento dei principali strumenti di misura (voltmetri, schede DAQ, oscilloscopi, analizzatori di spettro) e sarà in grado di progettare ed effettuare misure con la moderna strumentazione digitale di misura. Le capacità di analisi e stima dell'incertezza di misura e le competenze di progettazione per l'impiego della strumentazione di misura saranno valutate attraverso domande ed esercizi presenti nel compito d'esame. Risultati di apprendimento attesi al termine del corso e dopo il superamento dell’esame, con riferimento ai Descrittori di Dublino (DdD):

• Conoscenza e comprensione (DdD 1) - Lo studente conosce le definizioni del Sistema Internazionale di unità di misura e il significato delle diverse grandezze fisiche. Ha acquisito le metodologie di analisi e stima dell’incertezza di misura nelle misure dirette e indirette. Viene introdotto ai concetti di base di affidabilità di componenti e sistemi. Conosce le strutture e i principi di funzionamento dei principali strumenti per misure elettroniche (voltmetri numerici, schede di acquisizione, oscilloscopi, analizzatori di spettro).
• Capacità di applicare conoscenza e comprensione (DdD 2) - Anche grazie alle esercitazioni su problemi di misura, lo studente acquisisce la capacità di applicare i metodi, le tecniche, e le tecnologie apprese a casi reali semplici. In particolare, è in grado di analizzare il funzionamento di un sistema di misura, di analizzare le prestazioni metrologiche (anche in maniera comparativa) tra strumentazione diversa, è capace di progettare e/o effettuare misure elettriche ed elettroniche mediante la strumentazione studiata.
• Autonomia di giudizio (DdD 3) - Lo studente è in grado di scegliere la corretta strumentazione di misura per una data applicazione. Lo studente sa individuare le corrette metodologie di analisi dei dati per una loro efficace rappresentazione in forma grafica.
• Capacità di apprendimento (DdD 5) - Lo studente ha acquisito un bagaglio di concetti e strumenti sufficientemente generali da consentirgli di affrontare studi successivi nel campo dell’analisi avanzata dei dati di misura. Ha le competenze di base per approfondire gli studi sulla strumentazione elettronica di misura e per approcciare nuovi strumenti e metodi di misurazione. Sarà in grado di approfondire anche autonomamente le conoscenze acquisite nel campo delle misure, con la capacità di leggere e comprendere articoli di carattere scientifico e tecnico e manuali applicativi sempre inerenti alla strumentazione di misura. E' inoltre in grado di utilizzare le conoscenze e competenze apprese per affrontare in maniera strutturata problemi via via più complessi.

La misura e le principali caratteristiche metrologiche. Accuratezza, incertezza, risoluzione, sensibilità, ripetibilità, riferibilità, etc. Il sistema internazionale di unità (SI), regole e simboli del SI, vari tipi di campioni. Definizioni e operazioni su unità logaritmiche (dB, dBm, dBc, Np). Blocchi essenziali di un sistema di misura. Caratteristiche dei segnali (continui e discreti in ampiezza e tempo, periodici, aperiodici) e parametri di interesse (valor medio, efficace, di picco). Elementi di statistica e incertezza di misura. Significato di valor medio, varianza, varianza del valor medio e numero di gradi di libertà. La miglior stima del risultato di misura e dell'incertezza statistica stimata attraverso la dispersione dei risultati (Cat. A) o con altri metodi (Cat. B).  Stima dell’incertezza in misure dirette. Propagazione dell'errore e calcolo dell'incertezza in misure indirette. Indipendenza e correlazione statistiche. Compatibilità fra misure e medie pesate. Elementi di affidabilità.

La rappresentazione dei risultati sperimentali. Diagrammi cartesiani e polari. Scale lineari e logaritmiche. Interpolazione e regressione dei dati sperimentali.

Strumentazione digitale. Campionamento e conversione analogico/digitale (A/D). Voltmetri digitali e multimetri: errore di quantizzazione, risoluzione, numero di bit e numero di cifre in un convertitore A/D. Bit equivalenti. Esempi di voltmetri differenziali (approssimazioni successive, flash e pipeline). Principio di integrazione e voltmetro integratore a doppia rampa.

Sistemi di acquisizione dati. Schede di acquisizione. Linguaggio di programmazione LabVIEW e strumenti virtuali (VI). Protocolli di comunicazione tra strumenti (RS232, IEEE488 e USB). Durante le esercitazioni di laboratorio saranno approcciati i fondamenti di programmazione del linguaggio LabVIEW e quanto appreso sarà direttamente verificato mediante la preparazione di esperimenti di misura basati su schede di acquisizione dati. Si sperimenteranno in concreto le problematiche connesse con il condizionamento e l’elaborazione del segnale di misura.

Strumentazione di base per misure. Oscilloscopio digitale: campionamento in tempo reale e in tempo equivalente; modalità di trigger avanzato; misure automatiche. Esempi di misure con l'oscilloscopio (ampiezza, fase, frequenza, tempo di salita, etc.).

Attività di laboratorio
Le attività di laboratorio sono di tipo sperimentale con l'obiettivo di familiarizzare gli studenti con i i programmi SW di acquisizione dei segnali e grandezze dal mondo analogico esterno. Il laboratorio ha lo scopo di avviare l’istruzione dello studente nell’uso della moderna strumentazione digitale di misura. In particolare, saranno accennati e messi in pratica i fondamenti di programmazione del linguaggio LabVIEW: quanto appreso sarà direttamente verificato mediante la preparazione di esperimenti di misura, su componenti e circuiti elettronici, svolti mediante schede di acquisizione dati. Si sperimenteranno in concreto le problematiche connesse con il condizionamento e l’elaborazione del segnale di misura. Gli studenti avranno la possibilità di cimentarsi anche nell’uso della strumentazione di misura (voltmetri numerici, generatori di funzioni, oscilloscopi digitali, e analizzatori di spettro) per la caratterizzazione dei segnali elettrici e elettronici. Ciascuno studente potrà svolgere 8 ore di laboratorio suddivise in 2 esercitazioni (di 4 ore ciascuna). Il calendario delle esercitazioni di laboratorio saranno indicati dal docente durante lo svolgimento del corso.

Non sono richieste conoscenze specifiche al di là delle conoscenze di base di Matematica e Informatica.

La valutazione dello studente è effettuata in base all'esito della prova d'esame 
L'esame di Misure consta di due parti da svolgere individualmente 

1. Un breve test a risposta multipla (circa 7-14 minuti di durata) con 5-10 domande a risposta multipla: 5 domande se è una prova in itinere o avete svolto proficuamente (voto >18/30) la prova in itinere e dovete svolgere solo la seconda parte, 10 domande se state svolgendo il compito intero.
2. Un esame scritto (circa 1-2 ore di durata) è costituito da 2-4 esercizi da svolgere su foglio: 2 esercizi se state svolgendo una prova in itinere o avete svolto proficuamente (voto >=18/30) la prova in itinere e dovete svolgere solo la seconda parte, 4 esercizi se state svolgendo il compito intero.

Il punteggio nel test a risposta multipla non costituisce impedimento allo svolgimento dell'esame scritto farà solo parte della valutazione totale (non saranno pubblicati alcuni test a risposta multipla ma saranno fatti esempi in classe). La prova d’esame totale consiste in una verifica scritta, di durata circa 1.5-2 ore e da svolgersi il giorno dell'appello, seguita eventualmente da una breve interrogazione orale. Nel compito, come certamente nel pre-compito, possono essere presenti anche quesiti teorici. L’ordine logico e la chiarezza espositiva nel rispondere alle domande e nella soluzione dei problemi costituiscono elemento di valutazione. L’esame scritto, così come strutturato, consente di verificare i risultati di apprendimento attesi, anche già indicati secondo i Descrittori di Dublino