calibcant/theory.tex: Cleanup after de-appendicizing
authorW. Trevor King <wking@tremily.us>
Fri, 3 May 2013 20:42:40 +0000 (16:42 -0400)
committerW. Trevor King <wking@tremily.us>
Fri, 3 May 2013 20:47:29 +0000 (16:47 -0400)
I added a new command \abs{} for absolute values, which uses \lvert
and \rvert.  This works better than |...|, because the lines stretch
to enclose their argument.  The nomencl package also refuses to add
entries containing the pipe symbol to the nomenclature.

src/apparatus/cantilever-calib.tex
src/calibcant/overview.tex
src/calibcant/procedure.tex
src/calibcant/theory.tex
src/cantilever-calib/contour_integration.tex
src/cantilever-calib/integrals.tex
src/local_cmmds.tex
src/pyafm/stack.tex

index a8d33b0273e6b2e8302f267cec56226af277f6c8..d0a01e1b55af833027ebce12fabbd058af2e8502 100644 (file)
@@ -2,8 +2,9 @@
 \label{sec:cantilever-calib:intro}
 
 In order to measure forces accurately with an AFM, it is important to
-measure the cantilever spring constant.  The force exerted on the
-cantilever can then be deduced from it's deflection via Hooke's law
+measure the cantilever spring constant $\kappa$\index{$\kappa$}.  The
+force exerted on the cantilever can then be deduced from it's
+deflection via Hooke's law\index{Hooke's law}
 \begin{equation}
   F=-\kappa x \;.  \label{eq:hooke}
 \end{equation}
@@ -34,37 +35,42 @@ of the cantilever position $\avg{x^2}$ in order to estimate $\kappa$.
     \avg{A} \equiv \iLimT{A} \;.
   \end{equation}}
 
-To find $\avg{x^2}$, the raw photodiode voltages $V_p(t)$ are
-converted to distances $x(t)$ using the photodiode sensitivity
-$\sigma_p$ (the slope of the voltage vs.~distance curve of data taken
-while the tip is in contact with the surface) via
+To find $\avg{x^2}$, the raw photodiode voltages
+$V_p(t)$\index{$V_p(t)$} are converted to distances $x(t)$ using the
+photodiode sensitivity $\sigma_p$\index{$\sigma_p$} (the slope of the
+voltage vs.~distance curve of data taken while the tip is in contact
+with the surface) via
 \begin{equation}
   x(t) = \frac{V_p(t)}{\sigma_p} \;. \label{eq:x-from-Vp}
 \end{equation}
 By keeping $V_p$ and $\sigma_p$ separate in our calculation of
 $\kappa$, we can gauge the relative importance errors in each
-parameter and calculate the uncertainty in our estimated $\kappa$.
+parameter and calculate the uncertainty in our estimated $\kappa$
+(\cref{sec:calibcant:discussion:errors}).
 
 In order to filter out noise in the measured value of $\avg{V_p^2}$ we
 fit the measured cantilever deflection to the expected theoretical
-power spectral density ($\PSD_f$) of a damped harmonic oscillator
-exposed to thermal noise
-\nomenclature[PSD]{$\PSD_f$}{Power spectral density in
-  frequency space
-  \begin{equation}
-    \PSD_f(g, f) \equiv \normLimT 2 \magSq{ \Fourf{g(t)}(f) }
-  \end{equation}}
-\nomenclature{$f$}{Frequency (hertz)}
+power spectral density ($\PSD_f$\index{PSD@\PSD!in frequency space})
+of a damped harmonic oscillator exposed to thermal noise
 \begin{equation}
   \PSD_f(V_p, f) = \frac{G_{1f}}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2} \;.
 \end{equation}
-In terms of the fit parameters $G_{1f}$, $f_0$, and $\beta_f$,
-the expectation value for $V_p$ is given by
+In terms of the fit parameters $G_{1f}$\index{$G_{1f}$},
+$f_0$\index{$f_0$}, and $\beta_f$\index{$\beta_f$}, the expectation
+value for $V_p$ is given by
 \begin{equation}
   \avg{V_p(t)^2} = \frac{\pi G_{1f}}{2\beta_f f_0^2} \;.
   \label{eq:Vp-from-freq-fit}
 \end{equation}
 
+\nomenclature[PSDf]{$\PSD_f$}{Power spectral density in
+  frequency space
+  \begin{equation}
+    \PSD_f(g, f) \equiv \normLimT 2 \magSq{ \Fourf{g(t)}(f) }
+  \end{equation}}
+\nomenclature{$f$}{Frequency (hertz)}
+\nomenclature{$f_0$}{Resonant frequency (hertz)}
+
 Combining \cref{eq:equipart_k,eq:x-from-Vp,eq:Vp-from-freq-fit}, we
 have
 \begin{align}
@@ -73,10 +79,11 @@ have
   \label{eq:kappa}
 \end{align}
 A calibration run consists of bumping the surface with the cantilever
-tip to measure $\sigma_p$, measuring the buffer temperature $T$ with a
-thermocouple, and measuring thermal vibration when the tip is far from
-the surface to extract the fit parameters $G_{1f}$, $f_0$, and
-$\beta_f$.
+tip to measure $\sigma_p$ (\cref{sec:calibcant:bump}), measuring the
+buffer temperature $T$ with a thermocouple
+(\cref{sec:calibcant:temperature}), and measuring thermal vibration
+when the tip is far from the surface to extract the fit parameters
+$G_{1f}$, $f_0$, and $\beta_f$ (\cref{sec:calibcant:vibration}).
 
 For a complete derivation of the procedure presented in this section,
 see \cref{sec:calibcant:theory}.  The rest of \cref{sec:calibcant}
index 07c56423fe55a1f06c69760a75df6c7c95eeac29..b297d77bcdc89215123868412d8180f1e93c35f3 100644 (file)
@@ -15,7 +15,7 @@ reproduce here for easy reference:
     = \frac{2 \beta_f f_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1f}} \;.
 \end{align}
 where $\sigma_p$ is the photodiode sensitivity, $k_B$ is Boltzmann's
-constant, $T$ is the absolute temperature.  The remaining
+constant, and $T$ is the absolute temperature.  The remaining
 parameters---$G_{1f}$, $f_0$, and $\beta_f$---come from fitting the
 thermal vibration of the cantilever when it is far from the surface.
 
index aa8512aef660b3e8b3f5d17add394ddadd3535c2..32ce4fa6a881d79ef0d30191ccdab75d3927d6e1 100644 (file)
@@ -1,5 +1,11 @@
 \section{Calibcant}
 \label{sec:calibcant:procedure}
+
 \subsection{Photodiode calibration}
+\label{sec:calibcant:bump}
+
 \subsection{Temperature measurements}
+\label{sec:calibcant:temperature}
+
 \subsection{Thermal vibration}
+\label{sec:calibcant:vibration}
index b8ae2d69766eedc4d44662e36713ae522fb7294e..2b0f394f2c3482bbf84509b29e1127c5ba03989b 100644 (file)
@@ -1,68 +1,40 @@
 \section{Theory}
 \label{sec:calibcant:theory}
-% TODO: deprecated in favor of sec:cantilever-calib:intro
-
-Rather than computing the variance of $x(t)$ directly, we attempt to
-filter out noise by fitting the power spectral density (\PSD)%
-\nomenclature[PSDa]{$\PSD$}{Power spectral density in angular
-  frequency space}\index{PSD@\PSD}\nomenclature{$\omega$}{Angular
-  frequency (radians per second)} of $x(t)$ to the theoretically
-predicted \PSD\ for a damped harmonic oscillator (\cref{eq:model-psd})
-\begin{align}
-  \ddt{x} + \beta\dt{x} + \omega_0^2 x &= \frac{F_\text{thermal}}{m} \\
-  \PSD(x, \omega) &= \frac{G_1}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2} \;,
-\end{align}
-\index{Damped harmonic oscillator}
-where $G_1\equiv G_0/m^2$, $\omega_0$, and $\beta$ are used as the
-fitting parameters (see \cref{eq:model-psd}).%
-\index{$\beta$}\index{$\gamma$} The variance of $x(t)$ is then given
-by \cref{eq:DHO-var}
-\begin{equation}
-  \avg{x(t)^2} = \frac{\pi G_1}{2\beta\omega_0^2} \;,
-\end{equation}
-which we can plug into the equipartition theorem
-(\cref{eq:equipart}) yielding
-\begin{align}
-  \kappa = \frac{2 \beta \omega_0^2 k_BT}{\pi G_1} \;.
-\end{align}
 
-From \cref{eq:GO}, we find the expected value of $G_1$ to be
+Our cantilever can be approximated as a damped harmonic
+oscillator\index{damped harmonic oscillator}
 \begin{equation}
-  G_1 \equiv G_0/m^2 = \frac{2}{\pi m} k_BT \beta \;.  \label{eq:Gone}
-\end{equation}
-
-
-\section{Theoretical power spectral density for a damped harmonic oscillator}
-\label{sec:setup}
-
-Our cantilever can be approximated as a damped harmonic oscillator
-\begin{equation}
-  m\ddt{x} + \gamma \dt{x} + \kappa x = F(t) \;, \label{eq:DHO}
+  m\ddt{x} + \gamma \dt{x} + \kappa x = F(t) \;,
+  \label{eq:DHO}
   % DHO for Damped Harmonic Oscillator
 \end{equation}
-where $x$ is the displacement from equilibrium,
- $m$ is the effective mass,
- $\gamma$ is the effective drag coefficient,
- $\kappa$ is the spring constant, and
- $F(t)$ is the external driving force.
+where $x$ is the displacement from equilibrium\index{$x$},
+ $m$ is the effective mass\index{$m$},
+ $\gamma$ is the effective drag coefficient\index{$\gamma$},
+ $\kappa$ is the spring constant\index{$\kappa$}, and
+ $F(t)$ is the external driving force\index{$F(t)$}.
 During the non-contact phase of calibration,
  $F(t)$ comes from random thermal noise.
+
 \nomenclature{$\beta$}{Damped harmonic oscillator drag-acceleration
-  coefficient $\beta \equiv \gamma/m$}\index{$\beta$}%
+  coefficient $\beta \equiv \gamma/m$}
 \nomenclature{$\gamma$}{Damped harmonic oscillator drag coefficient
-  $F_\text{drag} = \gamma\dt{x}$}\index{$\gamma$}%
-\index{damped harmonic oscillator}%
+  $F_\text{drag} = \gamma\dt{x}$}
 \nomenclature{$\dt{s}$}{First derivative of the time-series $s(t)$
-  with respect to time.  $\dt{s} = \deriv{t}{s}$}%
+  with respect to time.  $\dt{s} = \deriv{t}{s}$}
 \nomenclature{$\ddt{s}$}{Second derivative of the time-series $s(t)$
-  with respect to time.  $\ddt{s} = \nderiv{2}{t}{s}$}%
+  with respect to time.  $\ddt{s} = \nderiv{2}{t}{s}$}
 
-In the following analysis, we use the unitary, angular frequency Fourier transform normalization
+In the following analysis, we use the unitary, angular frequency
+Fourier transform normalization
 \begin{equation}
   \Four{x(t)} \equiv \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \iInfInf{t}{x(t) e^{-i \omega t}}\;.
 \end{equation}
 \nomenclature{\Four{s(t)}}{Fourier transform of the time-series
-  $s(t)$.  $s(f) = \Four{s(t)}$}\index{Fourier transform}
+  $s(t)$.
+  $s(f) = \Four{s(t)}
+   \equiv \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \iInfInf{t}{s(t) e^{-i \omega t}}$
+  }\index{Fourier transform}
 
 We also use the following theorems (proved elsewhere):
 \begin{align}
@@ -81,9 +53,10 @@ We also use the following theorems (proved elsewhere):
 %\begin{equation}
 %  x*y \equiv \iInfInf{\tau}{x(t-\tau)y(\tau)}.
 %\end{equation}
-As a corollary to Parseval's theorem, we note that the one sided power spectral density per unit time (\PSD) defined by
+As a corollary to Parseval's theorem, we note that the one sided power
+spectral density per unit time (\PSD) defined by
 \begin{align}
-  \PSD(x, \omega) &\equiv \normLimT 2 \left| x(\omega) \right|^2
+  \PSD(x, \omega) &\equiv \normLimT 2 \abs{x(\omega)}^2
      &\text{\citep{PSD}} \label{eq:psd-def}
 \end{align}
 \index{PSD@\PSD}
@@ -95,6 +68,15 @@ relates to the variance by
      = \iOInf{\omega}{\PSD(x,\omega)} \;, \label{eq:parseval-var}
 \end{align}
 where $t_T$ is the total time over which data has been aquired.
+%
+\nomenclature[PSDo]{$\PSD$}{Power spectral density in angular
+  frequency space
+  \begin{equation}
+    \PSD(g, w) \equiv \normLimT 2 \magSq{ \Four{g(t)}(\omega) }
+  \end{equation}}
+\nomenclature{$\omega$}{Angular frequency (radians per second)}
+\nomenclature{$\abs{z}$}{Absolute value (or magnitude) of $z$.  For
+  complex $z$, $\abs{z}\equiv\sqrt{z\conj{z}}$.}
 
 We also use the Wiener-Khinchin theorem,
 which relates the two sided power spectral density $S_{xx}(\omega)$
@@ -112,144 +94,23 @@ where $r_{xx}(t)$ is defined in terms of the expectation value
 and $\conj{x}$ represents the complex conjugate of $x$.
 \nomenclature{$\conj{z}$}{Complex conjugate of $z$}
 
-
-\subsection{Fitting deflection voltage directly}
-
-In order to keep our errors in measuring $\sigma_p$ seperate from
-other errors in measuring $\avg{x(t)^2}$, we can fit the voltage
-spectrum before converting to distance.
-\begin{align}
-  \ddt{V_p}/\sigma_p + \beta\dt{V_p}/\sigma_p + \omega_0^2 V_p/\sigma_p
-                 &= F_\text{thermal} \\
-  \ddt{V_p} + \beta\dt{V_p} + \omega_0^2 V_p
-                 &= \sigma_p\frac{F_\text{thermal}}{m} \\
-  \ddt{V_p} + \beta\dt{V_p} + \omega_0^2 V_p
-                 &= \frac{F_\text{thermal}}{m_p} \\
-  \PSD(V_p, \omega) &= \frac{G_{1p}}
-                         {  (\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2 } \\
-  \avg{V_p(t)^2} &= \frac{\pi G_{1p}}{2\beta\omega_0^2}
-                  = \frac{\pi \sigma_p^2 G_{1}}{2\beta\omega_0^2}
-                  = \sigma_p^2 \avg{x(t)^2} \;,
-\end{align}
-where $m_p\equiv m/\sigma_p$, $G_{1p}\equiv G_0/m_p^2=\sigma_p^2 G_1$.
-Plugging into the equipartition theorem yeilds
-\begin{align}
-  \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
-    = \frac{2 \beta\omega_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1p}} \;.
-\end{align}
-
-From \cref{eq:Gone}, we find the expected value of $G_{1p}$ to be
-\begin{equation}
-  G_{1p} \equiv \sigma_p^2 G_1 = \frac{2}{\pi m} \sigma_p^2 k_BT \beta \;.
-    \label{eq:Gone-p}
-\end{equation}
-
-
-\subsection{Fitting deflection voltage in frequency space}
-
-Note: the math in this section depends on some definitions from
-section \cref{sec:setup}.
-
-As yet another alternative, you could fit in frequency
-$f\equiv\omega/2\pi$ instead of angular frequency $\omega$.  But we
-must be careful with normalization.  Comparing the angular frequency
-and normal frequency unitary Fourier transforms
-\begin{align}
-  \Four{x(t)}(\omega)
-    &\equiv \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \iInfInf{t}{x(t) e^{-i \omega t}} \\
-  \Fourf{x(t)}(f) &\equiv \iInfInf{t}{x(t) e^{-2\pi i f t}}
-     = \iInfInf{t}{x(t) e^{-i \omega t}}
-     = \sqrt{2\pi}\cdot\Four{x(t)}(\omega=2\pi f) \;,
-\end{align}
-from which we can translate the \PSD
-\begin{align}
-  \PSD(x, \omega) &\equiv \normLimT 2 \magSq{ \Four{x(t)}(\omega) } \\
-  \begin{split}
-  \PSD_f(x, f) &\equiv \normLimT 2 \magSq{ \Fourf{x(t)}(f) }
-    = 2\pi \cdot \normLimT 2 \magSq{ \Four{x(t)}(\omega=2\pi f) } \\
-    &= 2\pi \PSD(x, \omega=2\pi f) \;.
-  \end{split}
-\end{align}
-\nomenclature{$t$}{Time (seconds)}
-\index{PSD@\PSD!in frequency space}
-The variance of the function $x(t)$ is then given by plugging into
-\cref{eq:parseval-var} (our corollary to Parseval's theorem)
-\begin{align}
-  \avg{x(t)^2} &= \iOInf{\omega}{\PSD(x,\omega)}
-     = \iOInf{f}{\frac{1}{2\pi}\PSD_f(x,f)2\pi\cdot}
-     = \iOInf{f}{\PSD_f(x,f)} \;.
-\end{align}
-Therefore
-\begin{align}
-  \begin{split}
-  \PSD_f(V_p, f) &= 2\pi\PSD(V_p,\omega)
-     = \frac{2\pi G_{1p}}{(4\pi f_0^2-4\pi^2f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2}
-     = \frac{2\pi G_{1p}}{16\pi^4(f_0^2-f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2} \\
-     &= \frac{G_{1p}/8\pi^3}{(f_0^2-f^2)^2 + \frac{\beta^2 f^2}{4\pi^2}}
-     = \frac{G_{1f}}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}
-  \end{split} \\
-  \avg{V_p(t)^2} &= \frac{\pi G_{1f}}{2\beta_f f_0^2} \;.
-%    = \frac{\pi G_{1p} / (2\pi)^3}{2\beta/(2\pi) \omega_0^2/(2\pi)^2}
-%    = \frac{\pi G_{1p}}{2\beta\omega_0^2} = \avg{V_p(t)^2} % check!
-\end{align}
-where $f_0\equiv\omega_0/2\pi$, $\beta_f\equiv\beta/2\pi$, and
-$G_{1f}\equiv G_{1p}/8\pi^3$.  Finally
-\begin{align}
-  \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
-    = \frac{2 \beta_f f_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1f}} \;.
-\end{align}
-
-From \cref{eq:Gone}, we expect $G_{1f}$ to be
-\begin{equation}
-  G_{1f} = \frac{G_{1p}}{8\pi^3}
-    = \frac{\sigma_p^2 G_1}{8\pi^3}
-    = \frac{\frac{2}{\pi m} \sigma_p^2 k_BT \beta}{8\pi^3}
-    = \frac{\sigma_p^2 k_BT \beta}{4\pi^4 m} \;.
-    \label{eq:Gone-f}
-\end{equation}
-
-
-% TODO: re-integrate the following
-
-% \begin{split}
-% \PSD_f(V_p, f) =
-% 2\pi\PSD(V_p,\omega)
-%     = \frac{2\pi G_{1p}}{(4\pi f_0^2-4\pi^2f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2}
-%     = \frac{2\pi G_{1p}}{16\pi^4(f_0^2-f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2} \\
-%     &= \frac{G_{1p}/8\pi^3}{(f_0^2-f^2)^2 + \frac{\beta^2 f^2}{4\pi^2}}
-%  \end{split} \\
-
-%    = \frac{\pi G_{1p} / (2\pi)^3}{2\beta/(2\pi) \omega_0^2/(2\pi)^2}
-%    = \frac{\pi G_{1p}}{2\beta\omega_0^2} = \avg{V_p(t)^2} % check!
-
-%where $f_0\equiv\omega_0/2\pi$, $\beta_f\equiv\beta/2\pi$, and
-%$G_{1f}\equiv G_{1p}/8\pi^3$.  Finally
-
-%From \cref{eq:Gone}, we expect $G_{1f}$ to be
-%\begin{equation}
-%  G_{1f} = \frac{G_{1p}}{8\pi^3}
-%    = \frac{\sigma_p^2 G_1}{8\pi^3}
-%    = \frac{\frac{2}{\pi m} \sigma_p^2 k_BT \beta}{8\pi^3}
-%    = \frac{\sigma_p^2 k_BT \beta}{4\pi^4 m} \;.
-%    \label{eq:Gone-f}
-% \end{equation}
-
 \subsection{Highly damped case}
+\label{sec:calibcant:ODHO}
 
-For highly damped systems, the inertial term becomes insignificant
- ($m \rightarrow 0$).
-This model is commonly used for optically trapped beads\citep{TODO}.
-Because it is simpler and solutions are more easily available%
-\citep{grossman05,TODO},
-it will server to outline the general approach before we dive into the
-general case.
+For highly damped systems, the inertial term in \cref{eq:DHO} becomes
+insignificant ($m \rightarrow 0$).  This model is commonly used for
+optically trapped beads\citep{TODO}.  Because it is simpler and
+solutions are more easily available\citep{grossman05,TODO}, it will
+serve to outline the general approach before we dive into the general
+case.
 
 Fourier transforming \cref{eq:DHO} with $m=0$ and applying
 \cref{eq:four-deriv} we have
 % ODHO stands for very Over Damped Harmonic oscillator
 \begin{align}
   (i \gamma \omega + \kappa) x(\omega) &= F(\omega) \label{eq:ODHO-freq} \\
-  |x(\omega)|^2 &= \frac{|F(\omega)|^2}{\kappa^2 + \gamma^2 \omega^2} \;.
+  \abs{x(\omega)}^2 &= \frac{\abs{F(\omega)}^2}
+                            {\kappa^2 + \gamma^2 \omega^2} \;.
                                                \label{eq:ODHO-xmag}
 \end{align}
 \index{Damped harmonic oscillator!extremely overdamped}
@@ -263,20 +124,21 @@ We compute the \PSD\ by plugging \cref{eq:ODHO-xmag} into
 \index{PSD@\PSD}
 
 Because thermal noise is white (not autocorrelated + Wiener-Khinchin
-Theorem), we can denote the one sided thermal power spectral density
-per unit time by
+Theorem), we can write the one sided thermal power spectral density
+per unit time as
 \begin{equation}
   \PSD(F, \omega) = G_0
      = \normLimT 2 \magSq{F(\omega)} \;. \label{eq:GOdef} % label O != zero
 \end{equation}
 
-Plugging \cref{eq:GOdef} into \cref{eq:ODHO-psd} we have
+Plugging \cref{eq:GOdef} into \cref{eq:ODHO-psd-F} we have
 \begin{equation}
   \PSD(x, \omega) = \frac{G_0}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
+  \label{eq:ODHO-psd-GO}
 \end{equation}
 This is the formula we would use to fit our measured \PSD, but let us
 go a bit farther to find the expected \PSD\ and thermal noise given
-$m$, $\gamma$ and $\kappa$.
+$\gamma$ and $\kappa$.
 
 Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit
 time yields
@@ -285,8 +147,9 @@ time yields
      = \iOInf{\omega}{\frac{G_0}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2}}
      = \frac{G_0}{\gamma}\iOInf{z}{\frac{1}{\kappa^2 + z^2}}
      = \frac{G_0 \pi}{2 \gamma \kappa} \;,
+  \label{eq:ODHO-psd-int}
 \end{align}
-where the integral is solved in \cref{sec:integrals}.
+where the integral is solved in \cref{sec:integrals:highly-damped}.
 
 Plugging into our corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}), 
 \begin{equation}
@@ -296,12 +159,13 @@ Plugging into our corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}),
 Plugging \cref{eq:ODHO-var} into \cref{eq:equipart} we have
 \begin{align}
   \kappa \frac{G_0 \pi}{2 \gamma \kappa} &= k_BT \\
-  G_0 &= \frac{2 \gamma k_BT}{\pi} \;.
+  G_0 &= \frac{2 \gamma k_BT}{\pi} \;.  \label{eq:ODHO-GO}
 \end{align}
 
-So we expect $x(t)$ to have a power spectral density per unit time given by
+Combining \cref{eq:ODHO-psd-GO,eq:ODHO-GO}, we expect $x(t)$ to have a
+power spectral density per unit time given by
 \begin{equation}
-  \PSD(x, \omega) = \frac{2}{\pi} 
+  \PSD(x, \omega) = \frac{2}{\pi}
                        \cdot
                     \frac{\gamma k_BT}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
   \label{eq:ODHO-psd}
@@ -309,42 +173,52 @@ So we expect $x(t)$ to have a power spectral density per unit time given by
 \index{PSD@\PSD}
 
 \subsection{General form}
+\label{sec:calibcant:SHO}
 
 The procedure here is exactly the same as the previous section.  The
 integral normalizing $G_0$, however, becomes a little more
 complicated.
 
-Fourier transforming \cref{eq:DHO} and applying \cref{eq:four-deriv} we have
+Fourier transforming \cref{eq:DHO} and applying \cref{eq:four-deriv}
+we have
 \begin{align}
   (-m\omega^2 + i \gamma \omega + \kappa) x(\omega) &= F(\omega)
                                               \label{eq:DHO-freq} \\
   (\omega_0^2-\omega^2 + i \beta \omega) x(\omega) &= \frac{F(\omega)}{m} \\
-  |x(\omega)|^2 &= \frac{|F(\omega)|^2/m^2}
+  \abs{x(\omega)}^2 &= \frac{\abs{F(\omega)}^2/m^2}
                         {(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2} \;,
                                               \label{eq:DHO-xmag}
 \end{align}
-where $\omega_0 \equiv \sqrt{\kappa/m}$ is the resonant angular
-frequency and $\beta \equiv \gamma / m$ is the drag-aceleration
-coefficient.
-\index{Damped harmonic oscillator}\index{beta}\index{gamma}
-\nomenclature{$\omega_0$}{Resonant angular frequency (radians per second)}
-\index{$\omega_0$}
-
-We compute the \PSD\ by plugging \cref{eq:DHO-xmag} into \cref{eq:psd-def}
+where $\omega_0 \equiv \sqrt{\kappa/m}$\index{$\omega_0$} is the
+resonant angular frequency and $\beta \equiv \gamma / m$ is the
+drag-acceleration coefficient.\index{Damped harmonic
+  oscillator}\index{$\gamma$}\index{$\kappa$}\index{$\beta$}
+
+\nomenclature{$\omega_0$}{Resonant angular frequency (radians per
+  second)}
+
+We compute the \PSD\ by plugging \cref{eq:DHO-xmag} into
+\cref{eq:psd-def}
 \begin{equation}
   \PSD(x, \omega)
-        = \normLimT \frac{2 |F(\omega)|^2/m^2}
+        = \normLimT \frac{2 \abs{F(\omega)}^2/m^2}
                          {(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2} \;.
                                                \label{eq:DHO-psd-F}
 \end{equation}
 \index{PSD@\PSD}
 
 Plugging \cref{eq:GOdef} into \cref{eq:DHO-psd-F} we have
-\begin{equation}
-  \PSD(x, \omega) = \frac{G_0/m^2}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 +\beta^2\omega^2}\;.
-     \label{eq:model-psd}
-\end{equation}
-Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit time yields
+\begin{align}
+  \PSD(x, \omega) &= \frac{G_0/m^2}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 +\beta^2\omega^2}\;,
+       \label{eq:model-psd} \\
+     &= \frac{G_1}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 +\beta^2\omega^2} \;,
+       \label{eq:model-psd-Gone}
+\end{align}
+where $G_1\equiv G_0/m^2$ consolidates the unknown fitting parameters
+without loss of generality.
+
+Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit
+time yields
 \begin{align}
   \iOInf{\omega}{\PSD(x, \omega)}
      &= \frac{G_0}{2m^2}
@@ -352,22 +226,27 @@ Integrating over positive $\omega$ to find the total power per unit time yields
       = \frac{G_0}{2m^2} \cdot \frac{\pi}{\beta\omega_0^2}
       = \frac{G_0 \pi}{2m^2\beta\omega_0^2}
       = \frac{G_0 \pi}{2m^2\beta \frac{\kappa}{m}} \\
-     &= \frac{G_0 \pi}{2m \beta \kappa} \;.
+     &= \frac{G_0 \pi}{2m \beta \kappa} \;,
+  \label{eq:DHO-psd-int}
 \end{align}
-The integration is detailed in \cref{sec:integrals}.
+where the integration is solved in \cref{sec:integrals:general}.
 By the corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}), we have
-\begin{equation}
-  \avg{x(t)^2} = \frac{G_0 \pi}{2m^2\beta\omega_0^2} \;.  \label{eq:DHO-var}
-\end{equation}
+\begin{align}
+  \avg{x(t)^2}
+    &= \frac{G_0 \pi}{2m^2\beta\omega_0^2} \;,  \label{eq:DHO-var} \\
+    &= \frac{G_1 \pi}{\beta\omega_0^2} \;,  \label{eq:DHO-var-Gone}
+\end{align}
 
 Plugging \cref{eq:DHO-var} into the equipartition theorem
 (\cref{eq:equipart}) we have
 \begin{align}
-  \kappa \frac{G_0 \pi}{2m \beta \kappa} &= k_BT \\
-  G_0 &= \frac{2}{\pi} k_BT m \beta \;.  \label{eq:GO}
+  \kappa \frac{G_0 \pi}{2m \beta \kappa} &= k_BT \, \\
+  G_0 &= \frac{2}{\pi} k_BT m \beta \;,  \label{eq:GO} \\
+  G_1 &\equiv \frac{G_0}{m^2} = \frac{2}{\pi m} k_BT \beta \;.  \label{eq:Gone}
 \end{align}
 
-So we expect $x(t)$ to have a power spectral density per unit time given by
+Combining \cref{eq:model-psd,eq:GO}, we expect $x(t)$ to have a power
+spectral density per unit time given by
 \begin{equation}
   \PSD(x, \omega) = \frac{2 k_BT \beta}
                    { \pi m \p[{(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2}] }\;.
@@ -375,16 +254,149 @@ So we expect $x(t)$ to have a power spectral density per unit time given by
 \end{equation}
 \index{PSD@\PSD}
 
-As expected, the general form \cref{eq:DHO-psd} reduces to the
-extremely overdamped form \cref{eq:ODHO-psd}.  Plugging in for
-$\beta\equiv\gamma/m$ and $\omega_0\equiv\sqrt{\kappa/m}$,
+As expected, we can recover the extremely overdamped form
+\cref{eq:ODHO-psd} from the general form \cref{eq:DHO-psd}.  Plugging
+in for $\beta\equiv\gamma/m$ and $\omega_0\equiv\sqrt{\kappa/m}$,
 \begin{align}
   \lim_{m\rightarrow 0} \PSD(x, \omega)
     &= \lim_{m\rightarrow 0} \frac{2 k_BT \gamma}
-       { \pi m^2 \p[{(\kappa/m-\omega^2)^2 + \gamma^2/m^2\omega^2}] }
+       { \pi m^2 \p[{\p({\frac{\kappa}{m}-\omega^2})^2 + \frac{\gamma^2}{m^2}\omega^2}] }
      = \lim_{m\rightarrow 0} \frac{2 k_BT \gamma}
        { \pi \p[{(\kappa-m\omega^2)^2 + \gamma^2\omega^2}] } \\
     &= \frac{2}{\pi}
                \cdot
        \frac{\gamma k_BT}{\kappa^2 + \gamma^2\omega^2} \;.
 \end{align}
+
+\subsection{Fitting deflection voltage directly}
+\label{sec:calibcant:voltage}
+
+In order to keep our errors in measuring $\sigma_p$ separate from
+other errors in measuring $\avg{x(t)^2}$, we can fit the voltage
+spectrum before converting to distance.  Plugging \cref{eq:x-from-Vp}
+into \cref{eq:DHO},
+\begin{align}
+  \frac{\ddt{V_p}}{\sigma_p} + \beta\frac{\dt{V_p}}{\sigma_p}
+    + \omega_0^2 \frac{V_p}{\sigma_p}
+                 &= F(t) \\
+  \ddt{V_p} + \beta\dt{V_p} + \omega_0^2 V_p
+                 &= \sigma_p\frac{F(t)}{m} \\
+  \ddt{V_p} + \beta\dt{V_p} + \omega_0^2 V_p
+                 &= \frac{F(t)}{m_p} \;,
+\end{align}
+where $m_p\equiv m/\sigma_p$.  This has the same form as
+\cref{eq:DHO}, which can be rearranged to:
+\begin{align}
+  \ddt{x} + \frac{\gamma}{m} \dt{x} + \frac{\kappa}{m} x &= \frac{F(t)}{m} \\
+  \ddt{x} + \beta \dt{x} + \omega_0^2 x &= \frac{F(t)}{m} \;,
+\end{align}
+so the \PSD\ of $V_p(t)$ will be the same as the \PSD\ of $x(t)$,
+after the replacements $x\rightarrow V_p(t)$ and $m\rightarrow m_p$.
+Making these replacements in \cref{eq:model-psd-Gone,eq:DHO-var-Gone},
+we have
+\begin{align}
+  \PSD(V_p, \omega) &= \frac{G_{1p}}
+                         { (\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2 } \\
+  \avg{V_p(t)^2} &= \frac{\pi G_{1p}}{2\beta\omega_0^2}
+                  = \frac{\pi \sigma_p^2 G_{1}}{2\beta\omega_0^2}
+                  = \sigma_p^2 \avg{x(t)^2} \;,
+\end{align}
+where $G_{1p}\equiv G_0/m_p^2=\sigma_p^2 G_1$.
+Plugging into the equipartition theorem yeilds
+\begin{align}
+  \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
+    = \frac{2 \beta\omega_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1p}} \;.
+\end{align}
+
+From \cref{eq:Gone}, we find the expected value of $G_{1p}$ to be
+\begin{equation}
+  G_{1p} \equiv \sigma_p^2 G_1 = \frac{2}{\pi m} \sigma_p^2 k_BT \beta \;.
+    \label{eq:Gone-p}
+\end{equation}
+
+\subsection{Fitting deflection voltage in frequency space}
+\label{sec:calibcant:frequency}
+
+As another alternative, you could fit in frequency
+$f\equiv\omega/2\pi$ instead of angular frequency $\omega$.  The
+analysis will be the same, but we must be careful with normalization.
+Comparing the angular frequency and normal frequency unitary Fourier
+transforms
+\begin{align}
+  \Four{x(t)}(\omega)
+    &\equiv \frac{1}{\sqrt{2\pi}} \iInfInf{t}{x(t) e^{-i \omega t}} \\
+  \Fourf{x(t)}(f) &\equiv \iInfInf{t}{x(t) e^{-2\pi i f t}}
+     = \iInfInf{t}{x(t) e^{-i \omega t}}
+     = \sqrt{2\pi}\cdot\Four{x(t)}(\omega=2\pi f) \;,
+\end{align}
+from which we can translate the \PSD
+\begin{align}
+  \PSD(x, \omega) &\equiv \normLimT 2 \magSq{ \Four{x(t)}(\omega) } \\
+  \begin{split}
+  \PSD_f(x, f) &\equiv \normLimT 2 \magSq{ \Fourf{x(t)}(f) }
+    = 2\pi \cdot \normLimT 2 \magSq{ \Four{x(t)}(\omega=2\pi f) } \\
+    &= 2\pi \PSD(x, \omega=2\pi f) \;.
+  \end{split}
+\end{align}
+\nomenclature{$t$}{Time (seconds)}
+\index{PSD@\PSD!in frequency space}
+The variance of the function $x(t)$ is then given by plugging into
+\cref{eq:parseval-var} (our corollary to Parseval's theorem)
+\begin{align}
+  \avg{x(t)^2} &= \iOInf{\omega}{\PSD(x,\omega)}
+     = \iOInf{f}{\frac{1}{2\pi}\PSD_f(x,f)2\pi\cdot}
+     = \iOInf{f}{\PSD_f(x,f)} \;.
+\end{align}
+Therefore
+\begin{align}
+  \begin{split}
+  \PSD_f(V_p, f) &= 2\pi\PSD(V_p,\omega)
+     = \frac{2\pi G_{1p}}{(4\pi f_0^2-4\pi^2f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2}
+     = \frac{2\pi G_{1p}}{16\pi^4(f_0^2-f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2} \\
+     &= \frac{G_{1p}/8\pi^3}{(f_0^2-f^2)^2 + \frac{\beta^2 f^2}{4\pi^2}}
+     = \frac{G_{1f}}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}
+  \end{split} \\
+  \avg{V_p(t)^2} &= \frac{\pi G_{1f}}{2\beta_f f_0^2} \;.
+%    = \frac{\pi G_{1p} / (2\pi)^3}{2\beta/(2\pi) \omega_0^2/(2\pi)^2}
+%    = \frac{\pi G_{1p}}{2\beta\omega_0^2} = \avg{V_p(t)^2} % check!
+\end{align}
+where $f_0\equiv\omega_0/2\pi$, $\beta_f\equiv\beta/2\pi$, and
+$G_{1f}\equiv G_{1p}/8\pi^3$.  Finally
+\begin{align}
+  \kappa &= \frac{\sigma_p^2 k_BT}{\avg{V_p(t)^2}}
+    = \frac{2 \beta_f f_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_{1f}} \;.
+\end{align}
+
+From \cref{eq:Gone-p}, we expect $G_{1f}$ to be
+\begin{equation}
+  G_{1f} = \frac{G_{1p}}{8\pi^3}
+    = \frac{\frac{2}{\pi m} \sigma_p^2 k_BT \beta}{8\pi^3}
+    = \frac{\sigma_p^2 k_BT \beta}{4\pi^4 m} \;.
+    \label{eq:Gone-f}
+\end{equation}
+
+
+% TODO: re-integrate the following
+
+% \begin{split}
+% \PSD_f(V_p, f) =
+% 2\pi\PSD(V_p,\omega)
+%     = \frac{2\pi G_{1p}}{(4\pi f_0^2-4\pi^2f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2}
+%     = \frac{2\pi G_{1p}}{16\pi^4(f_0^2-f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2} \\
+%     &= \frac{G_{1p}/8\pi^3}{(f_0^2-f^2)^2 + \frac{\beta^2 f^2}{4\pi^2}}
+%  \end{split} \\
+
+%    = \frac{\pi G_{1p} / (2\pi)^3}{2\beta/(2\pi) \omega_0^2/(2\pi)^2}
+%    = \frac{\pi G_{1p}}{2\beta\omega_0^2} = \avg{V_p(t)^2} % check!
+
+%where $f_0\equiv\omega_0/2\pi$, $\beta_f\equiv\beta/2\pi$, and
+%$G_{1f}\equiv G_{1p}/8\pi^3$.  Finally
+
+%From \cref{eq:Gone}, we expect $G_{1f}$ to be
+%\begin{equation}
+%  G_{1f} = \frac{G_{1p}}{8\pi^3}
+%    = \frac{\sigma_p^2 G_1}{8\pi^3}
+%    = \frac{\frac{2}{\pi m} \sigma_p^2 k_BT \beta}{8\pi^3}
+%    = \frac{\sigma_p^2 k_BT \beta}{4\pi^4 m} \;.
+%    \label{eq:Gone-f}
+% \end{equation}
index 6bae7e674ef6e975352338133bf323de619aaece..8865abdb85518dd034acf505a72e7b74e5373604 100644 (file)
@@ -14,14 +14,14 @@ along the contour \C\ shown in \cref{fig:UHP-contour}.
 \end{figure}
 
 A sufficient condition on the function $f(z)$ to be integrated, is
-that $\lim_{|z|\rightarrow\infty}|f(z)|$ falls off at least as fast as
-$\frac{1}{z^2}$.
-When this is the case, the integral around the outer semicircle of \C\ is 0,
-so the $\iC{f(z)} = \iInfInf{z}{f(z)}$.
+that $\lim_{\abs{z}\rightarrow\infty}\abs{f(z)}$ falls off at least as
+fast as $\frac{1}{z^2}$.  When this is the case, the integral around
+the outer semicircle of \C\ is 0, so the
+$\iC{f(z)}=\iInfInf{z}{f(z)}$.
 
 We can evaluate the integral using the residue theorem\index{residue theorem},
 \begin{equation}
-  \iC{f(x)} = \sum_{z_p \in \text{poles in \C}} 2\pi i \Res{z_p}{f(z)} \;,
+  \iC{f(x)} = \sum_{z_p \in \{\text{poles in \C}\}} 2\pi i \Res{z_p}{f(z)} \;,
                                         \label{eq:res-thm}
 \end{equation}
 where for simple poles (single roots)
index afac3bcb0567436c2ec78cedc29248a542110900..25114c8dd8bd579e0897795a71cf618fda636a10 100644 (file)
@@ -1,23 +1,32 @@
 \section{Integrals}
 \label{sec:integrals}
 
+In the following sections I work out derivations for integrals that
+are important in \cref{sec:calibcant:theory}.
+
 \subsection{Highly damped integral}
+\label{sec:integrals:highly-damped}
 
 \begin{equation}
-  I = \iOInf{z}{\frac{1}{k^2 + z^2}}
-    = \frac{1}{2} \iInfInf{z}{\frac{1}{k^2 + z^2}}
-    = \frac{1}{2k} \iInfInf{u}{\frac{1}{u^2+1}} \;,
-\end{equation}
-where $u \equiv z/k$ and $du = dz/k$.
-There are simple poles at $u = \pm i$.
-\begin{equation}
-  I = \frac{1}{2k} \cdot 2 \pi i \Res{i}{f(u)}
-    = \frac{1}{2k} \cdot \frac{2 \pi i}{i+i}
-    = \frac{\pi}{2 k} \;.
+  I = \iOInf{z}{\frac{1}{a^2 + z^2}}
+    = \frac{1}{2} \iInfInf{z}{\frac{1}{a^2 + z^2}}
+    = \frac{1}{2} \iInfInf{u}{\frac{1}{a^2 + (au)^2} \cdot a}
+    = \frac{1}{2a} \iInfInf{u}{\frac{1}{u^2+1}} \;,
 \end{equation}
-
+where $u \equiv z/a$ and $du = dz/a$.  The integrand
+$f(u)\equiv(u^2+1)^{-1}$ has simple poles at $u_p = \pm i$.  Using
+\cref{eq:res-simple},
+\begin{align}
+  I &= \frac{1}{2a} \cdot 2 \pi i \ResX{u}{i}{f(u)}
+    = \frac{1}{2a} \cdot 2 \pi i \limX{u}{i} (u-i) \frac{1}{u^2+1}
+    = \frac{1}{2a} \cdot 2 \pi i \limX{u}{i} \frac{1}{u+i} \\
+    &= \frac{1}{2a} \cdot \frac{2 \pi i}{i+i}
+    = \frac{\pi}{2 a} \;.
+\end{align}
+This result is used in \cref{eq:ODHO-psd-int}.
 
 \subsection{General case integral}
+\label{sec:integrals:general}
 
 We will show that, for any $(a,b > 0) \in \Reals$,%
 \nomenclature[aR]{\Reals}{Real numbers}
@@ -25,8 +34,8 @@ We will show that, for any $(a,b > 0) \in \Reals$,%
   I = \iInfInf{z}{\frac{1}{(a^2-z^2)^2 + b^2 z^2}} = \frac{\pi}{b a^2} \;.
 \end{equation}
 
-First we note that $|f(z)| \rightarrow 0$ like $|z^{-4}|$ for $|z| \gg 1$,
-and that $f(z)$ is even, so
+First we note that $\abs{f(z)} \rightarrow 0$ like $\abs{z^{-4}}$ for
+$\abs{z} \gg 1$, and that $f(z)$ is even, so
 \begin{equation}
   I = \iC{\frac{1}{(a^2-z^2)^2 + b^2 z^2}} \;,
 \end{equation}
@@ -143,3 +152,5 @@ Applying \cref{eq:res-thm,eq:res-general} we have
      = \frac{\pi}{b a^2} \;, \label{eq:gen_int_crit}
 \end{align}
 which matches \cref{eq:gen-int-noncrit}.
+
+This result is used in \cref{eq:DHO-psd-int}.
index 36131c3a64c6efc6a1363840d87793930a125fb4..df5d698a06e306ff565fbc3daca3f9a0c96bfff6 100644 (file)
 \newcommand{\Imags}{\ensuremath{\mathds{I}}}
 \newcommand{\Real}{\ensuremath{\operatorname{Re}}}
 \newcommand{\Imag}{\ensuremath{\operatorname{Im}}}
-\newcommand{\Res}[2]{\operatorname{Res}\left({z=#1},{#2}\right)}
-\newcommand{\limZ}[1]{\lim_{z \rightarrow {#1}}}
+\newcommand{\ResX}[3]{\operatorname{Res}\left({{#1}={#2}},{#3}\right)}
+\newcommand{\Res}[2]{\ResX{z}{#1}{#2}}
+\newcommand{\limX}[2]{\lim_{{#1} \rightarrow {#2}}}
+\newcommand{\limZ}[1]{\limX{z}{#1}}
 \newcommand{\limZp}{\limZ{z_p}}
 \newcommand{\CPV}{\ensuremath{\mathds{P}}}
 
@@ -83,6 +85,7 @@
 \newcommand{\kf}{\ensuremath{k(\fs)}}
 \newcommand{\kfs}[1]{\ensuremath{k_{#1}(\fs)}}
 %\newcommand{\avg}[1]{\ensuremath{\left\langle {#1} \right\rangle}}
+\newcommand{\abs}[1]{\ensuremath{\lvert {#1} \rvert}}
 \newcommand{\logp}[1]{\ensuremath{\log\!\!\left( {#1} \right)}}
 % \! is a negative thin space to get the paren closer to the log
 %\renewcommand{\r}{\ensuremath{r_f}}
index 42954224535b6d93c5003cd3c81e2e31ad8d4b72..dbca9074b86423ac027c864aac1c09032f846b07 100644 (file)
@@ -198,7 +198,7 @@ The fitted $d_\text{kink}$ is accepted unless:
 
 \begin{itemize}
   \item the fitted slope ratio
-    $|\sigma_{p,\text{c}}/\sigma_{p,\text{nc}}|$ is less than a
+    $\abs{\sigma_{p,\text{c}}/\sigma_{p,\text{nc}}}$ is less than a
     minimum threshold (which defaults to 10), or
   \item the fitted kink position $z_\text{kink}$ is within an excluded
     $z_\text{window}$ of the boundaries ($z_\text{window}$ defaults to