calibcant/theory.tex: Rework general derivations to remove G_1 (G_1p -> G_1)
authorW. Trevor King <wking@tremily.us>
Wed, 8 May 2013 15:08:59 +0000 (11:08 -0400)
committerW. Trevor King <wking@tremily.us>
Wed, 8 May 2013 15:08:59 +0000 (11:08 -0400)
Values for the G constants are more easily calculated from the
equipartition theorem than through chaining G definitions.  I removed
G_1 entirely, and renamed G_1p -> G_1.

I also check my results against publishes sources.  It would have been
helpful if I had discovered burnham03 earlier :p.  They have a general
PSD formula, white and 1/f noise terms, and interference-based piezo
calibration.  Institutionalizing knowledge like this (vs. relying on
vast literature searches) is a good reason to consolidate work around
a small numer of open source tools.  Sigh.

src/calibcant/procedure.tex
src/calibcant/theory.tex

index 90aa66afbc4df0b6df91a97b1aa21dc1de2b2440..840db0abcfa65bb5e12da587ee959e911005a578 100644 (file)
@@ -143,12 +143,12 @@ vibrations are configurable (with \hFconfig,
       panel shows the $\PSD_f(V_p,f)$ with a fit following
       \cref{eq:psd-Vp-offset}.  The constant offset $P_{0f}$, drawn as
       the horizontal line in the third panel, accounts for white noise
-      in the measurement circuit.  The vertical line marks the peak
-      frequency $f_\text{max}$ (\cref{eq:peak-frequency}).  Only data
-      in the blue region was used when computing the best fit.  This
-      is the first vibration from the 2013-02-07T08-20-46 calibration,
-      yielding a fitted variance
-      $\avg{V_p(t)^2}=96.90\pm0.99\U{mV$^2$}$.
+      in the measurement circuit\citep{burnham03}.  The vertical line
+      marks the peak frequency $f_\text{max}$
+      (\cref{eq:peak-frequency}).  Only data in the blue region was
+      used when computing the best fit.  This is the first vibration
+      from the 2013-02-07T08-20-46 calibration, yielding a fitted
+      variance $\avg{V_p(t)^2}=96.90\pm0.99\U{mV$^2$}$.
       \label{fig:calibcant:vibration}}
   \end{center}
 \end{figure}
@@ -177,7 +177,7 @@ attribute this to background white noise in the measurement circuit,
 and not due to cantilever oscillation.  To avoid artificially
 inflating the estimated $\avg{V_p(t)^2}$, I created an alternative
 model for $\PSD_f(V_p,f)$ that adds a frequency-independent offset
-$P_{0f}$.
+$P_{0f}$\citep{burnham03}.
 
 \begin{equation}
   \PSD_f(V_p, f) = \frac{G_{1f}}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2} + P_{0f} \;.
index 6f6f73e255306b9109fe879ec4d371bd37ef932f..abc801413dbfbcbaaea251182f1e5eebc2ef0678 100644 (file)
@@ -15,7 +15,7 @@ where $x$ is the displacement from equilibrium\index{$x$},
  $F(t)$ 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 $\beta \equiv \gamma/m$}
 \nomenclature{$\gamma$}{Damped harmonic oscillator drag coefficient
@@ -101,8 +101,8 @@ 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{bechhoefer02}.  Because it is simpler
 and solutions are more easily
-available\citep{bechhoefer02,grossman05}, it will serve to outline the
-general approach before we dive into the general case.
+available\citep{bechhoefer02,burnham03,grossman05}, 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
@@ -127,9 +127,12 @@ Because thermal noise is white (not autocorrelated + Wiener-Khinchin
 Theorem), we can write the one sided thermal power spectral density
 per unit time as
 \begin{equation}
-  \PSD(F, \omega) = G_0
+  G_0 \equiv \PSD(F, \omega)
      = \normLimT 2 \magSq{F(\omega)} \;. \label{eq:GOdef} % label O != zero
 \end{equation}
+%
+\nomenclature{$G_0$}{The power spectrum of the thermal noise in
+  angular frequency space (\cref{eq:GOdef}).}
 
 Plugging \cref{eq:GOdef} into \cref{eq:ODHO-psd-F} we have
 \begin{equation}
@@ -146,24 +149,35 @@ time yields
   \iOInf{\omega}{\PSD(x, \omega)}
      = \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} \;,
+     = \frac{\pi G_0}{2 \gamma \kappa} \;,
   \label{eq:ODHO-psd-int}
 \end{align}
-where the integral is solved in \cref{sec:integrals:highly-damped}.
+where we made the simplifying replacement $z\equiv\gamma\omega$, so
+$\dd \omega = \dd z/\gamma$.  The integral is solved in
+\cref{sec:integrals:highly-damped}.
 
 Plugging into our corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}), 
 \begin{equation}
-  \avg{x(t)^2} = \frac{G_0 \pi}{2 \gamma \kappa} \;. \label{eq:ODHO-var}
+  \avg{x(t)^2} = \frac{\pi G_0}{2 \gamma \kappa} \;. \label{eq:ODHO-var}
 \end{equation}
 
 Plugging \cref{eq:ODHO-var} into \cref{eq:equipart} we have
 \begin{align}
-  \kappa \frac{G_0 \pi}{2 \gamma \kappa} &= k_BT \\
+  \kappa \frac{\pi G_0}{2 \gamma \kappa} &= k_BT \\
   G_0 &= \frac{2 \gamma k_BT}{\pi} \;.  \label{eq:ODHO-GO}
 \end{align}
 
 Combining \cref{eq:ODHO-psd-GO,eq:ODHO-GO}, we expect $x(t)$ to have a
-power spectral density per unit time given by
+power spectral density per unit time given by\footnote{%
+  \cref{eq:ODHO-psd} is Eq.~(A12) from \citet{bechhoefer02} (who's
+  $\tau_0\equiv\gamma/\kappa$), except that they're missing a factor
+  of $1/\pi$.
+  \cref{eq:ODHO-psd} is also Eq.~(8) from \citet{burnham03}, where
+  their damping coefficient $b$ is equivalent to our $\gamma$, their
+  frequency $\nu$ is equivalent to our $f=\omega/2\pi$, and their roll
+  off frequency $\nu_R\equiv k/2\pi b$ is equivalent to our
+  $\kappa/2\pi\gamma$.
+}
 \begin{equation}
   \PSD(x, \omega) = \frac{2}{\pi}
                        \cdot
@@ -208,41 +222,50 @@ We compute the \PSD\ by plugging \cref{eq:DHO-xmag} into
 \index{PSD@\PSD}
 
 Plugging \cref{eq:GOdef} into \cref{eq:DHO-psd-F} we have
-\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.
+\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}
+\begin{equation}
   \iOInf{\omega}{\PSD(x, \omega)}
-     &= \frac{G_0}{2m^2}
-      \iInfInf{\omega}{\frac{1}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2}}
-      = \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}{2m^2}
+       \iInfInf{\omega}{\frac{1}{(\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2}}
+     = \frac{G_0}{2m^2} \cdot \frac{\pi}{\beta\omega_0^2}
+     = \frac{\pi G_0}{2m^2 \beta \omega_0^2}
   \label{eq:DHO-psd-int}
-\end{align}
-where the integration is solved in \cref{sec:integrals:general}.
+\end{equation}
+where the integration is solved in \cref{sec:integrals:general}\footnote{
+  Comparing \cref{eq:ODHO-psd-int,eq:DHO-psd-int}, we see
+  \begin{equation}
+    \frac{\pi G_0}{2m^2 \beta \omega_0^2}
+      = \frac{\pi G_0}{2m^2 \frac{\gamma}{m} \frac{k}{m}}
+      = \frac{\pi G_0}{2 \gamma \kappa} \;.
+  \end{equation}
+  This is not a coincidence.  Both spectra satisfy the equipartion
+  theorem, so
+  \begin{equation}
+    \iOInf{\omega}{\PSD(x, \omega)} = \avg{x(t)^2} = \frac{k_BT}{\kappa} \;,
+  \end{equation}
+  which is the same for both cases.
+}.
 By the corollary to Parseval's theorem (\cref{eq:parseval-var}), we have
-\begin{align}
+\begin{equation}
   \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}
+    = \frac{\pi G_0}{2m^2 \beta \omega_0^2} \;.  \label{eq:DHO-var}
+\end{equation}
 
 Plugging \cref{eq:DHO-var} into the equipartition theorem
-(\cref{eq:equipart}) we have
+(\cref{eq:equipart}) we can reproduce \cref{eq:ODHO-GO}.
 \begin{align}
-  \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}
+  \kappa \frac{\pi G_0}{2m^2 \beta \omega_0^2} &= k_BT \, \\
+  G_0 &= \frac{2m^2 \beta \omega_0^2 k_BT}{\pi \kappa}
+    = \frac{2m^2 \beta \frac{\kappa}{m} k_BT}{\pi \kappa}
+    = \frac{2m \beta k_BT}{\pi}
+    = \frac{2m \frac{\gamma}{m} k_BT}{\pi}
+    = \frac{2 \gamma k_BT}{\pi} \;.  \label{eq:GO}
 \end{align}
 
 Combining \cref{eq:model-psd,eq:GO}, we expect $x(t)$ to have a power
@@ -258,10 +281,10 @@ 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}
+  \limX{m}{0} \PSD(x, \omega)
+    &= \limX{m}{0} \frac{2 k_BT \gamma}
        { \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}
+     = \limX{m}{0} \frac{2 k_BT \gamma}
        { \pi \p[{(\kappa-m\omega^2)^2 + \gamma^2\omega^2}] } \\
     &= \frac{2}{\pi}
                \cdot
@@ -280,38 +303,56 @@ into \cref{eq:DHO},
     + \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} \\
+                 &= \sigma_p\frac{F(t)}{m}  \label{eq:DHO-ddt-Vp} \\
   \ddt{V_p} + \beta\dt{V_p} + \omega_0^2 V_p
-                 &= \frac{F(t)}{m_p} \;,
+                 &= \frac{F_p(t)}{m} \;,
 \end{align}
-where $m_p\equiv m/\sigma_p$.  This has the same form as
+where $F_p(t)\equiv \sigma_p F(t)$.  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
+after the replacements $x\rightarrow V_p(t)$, $F\rightarrow F_p$, and
+(because of \cref{eq:GOdef}) $G_0\rightarrow\sigma_p^2G_0$.  Making
+these replacements in \cref{eq:model-psd,eq:DHO-var}, we have
 \begin{align}
-  \PSD(V_p, \omega) &= \frac{G_{1p}}
+  \PSD(V_p, \omega) &= \frac{\sigma_p^2 G_0/m^2}
                          { (\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} \;,
+  \avg{V_p(t)^2} &= \frac{\pi \sigma_p^2 G_0}{2 m^2 \beta \omega_0^2}
+                  = \sigma_p^2 \avg{x(t)^2} \;.
+\end{align}
+The scaling parameters cannot be independently fit though, so lets
+condense the power spectrum of the right hand side of
+\cref{eq:DHO-ddt-Vp} into a single
+\begin{equation}
+  G_1 \equiv \frac{\sigma_p^2 G_0}{m^2} \;.  \label{eq:Gone-def}
+\end{equation}
+This gives
+\begin{align}
+  \PSD(V_p, \omega)
+    &= \frac{G_1}{ (\omega_0^2-\omega^2)^2 + \beta^2\omega^2 }
+    \label{eq:psd-Vp-Gone} \\
+  \avg{V_p(t)^2} &= \frac{\pi G_1}{2 \beta \omega_0^2}
+                  = \sigma_p^2 \avg{x(t)^2} \;.
+    \label{eq:avg-Vp-Gone}
 \end{align}
-where $G_{1p}\equiv G_0/m_p^2=\sigma_p^2 G_1$.
+%
+\nomenclature{$G_1$}{The scaled power spectrum of the thermal noise in
+  angular frequency space (\cref{eq:Gone-def}).}
+
 Plugging into the equipartition theorem (\cref{eq:equipart_k}) yields
 \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}} \;.
+    = \frac{2 \beta \omega_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi G_1} \;.
 \end{align}
-
-From \cref{eq:Gone}, we find the expected value of $G_{1p}$ to be
+Shifting this around, we can find the expected value of $G_1$.
 \begin{equation}
-  G_{1p} \equiv \sigma_p^2 G_1 = \frac{2}{\pi m} \sigma_p^2 k_BT \beta \;.
-    \label{eq:Gone-p}
+  G_1 = \frac{2 \beta \omega_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi \kappa}
+    = \frac{2 \beta \frac{\kappa}{m} \sigma_p^2 k_BT}{\pi \kappa}
+    = \frac{2 \beta \sigma_p^2 k_BT}{\pi m}
+    \label{eq:Gone}
 \end{equation}
 
 \subsection{Fitting deflection voltage in frequency space}
@@ -347,35 +388,75 @@ The variance of the function $x(t)$ is then given by plugging into
      = \iOInf{f}{\frac{1}{2\pi}\PSD_f(x,f)2\pi\cdot}
      = \iOInf{f}{\PSD_f(x,f)} \;.
 \end{align}
-We can now extract \cref{eq:psd-Vp,eq:Vp-from-freq-fit}.
+We can now extract \cref{eq:psd-Vp,eq:Vp-from-freq-fit} from
+\cref{eq:psd-Vp-Gone,eq:avg-Vp-Gone}.
 \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}}
+  \PSD_f(V_p, f) &= 2\pi\PSD(V_p, \omega)
+     = \frac{2\pi G_1}{(4\pi^2f_0^2-4\pi^2f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2}
+     = \frac{2\pi G_1}{16\pi^4(f_0^2-f^2)^2 + \beta^2 4\pi^2f^2} \\
+     &= \frac{G_1/8\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!
+  \avg{V_p(t)^2}
+    &= \frac{\pi \frac{G_1}{(2\pi)^3}}
+      {2 \frac{\beta}{2\pi} \p({\frac{\omega_0}{2\pi}})^2}
+    = \frac{\pi G_{1f}}{2 \beta_f f_0^2} \;.
 \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, we can generate
-\cref{eq:kappa}.
+$G_{1f}\equiv G_1/8\pi^3$.  Finally, we can generate
+\cref{eq:kappa} from \cref{eq:equipart_k,eq:x-from-Vp}.
 \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
+Shifting this around, we can find the expected value of $G_{1f}$.
 \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} \;.
+  G_1 = \frac{2 \beta_f f_0^2 \sigma_p^2 k_BT}{\pi \kappa}
+    = \frac{2 \beta_f \frac{\kappa}{4\pi^2 m} \sigma_p^2 k_BT}{\pi \kappa}
+    = \frac{\beta_f \sigma_p^2 k_BT}{2\pi^3 m}
     \label{eq:Gone-f}
 \end{equation}
 
+Plugging \cref{eq:Gone-f} into \cref{eq:psd-Vp}, we have
+\begin{equation}
+  \PSD_f(V_p, f) = \frac{\sigma_p^2 k_BT \beta_f}{2\pi^3 m} \cdot
+                    \frac{1}{(f_0^2-f^2)^2 + \beta_f^2 f^2}
+\end{equation}
+From which we can recover \citet{burnham03}'s Eq.~(6).
+\begin{align}
+  \PSD_f(x, f) &= \frac{\PSD_f(V_p, f)}{\sigma_p^2}
+    = \frac{k_BT \colA{\beta_f}}{2\pi^3 m} \cdot
+      \frac{1}{(f_0^2-f^2)^2 + \colA{\beta_f^2} f^2} \\
+    &= \frac{k_BT \colAB{f_0}}{2\pi^3 m \colA{Q}} \cdot
+      \frac{1}{\colB{(f_0^2}-f^2)^2 + \frac{\colAB{f_0^2}f^2}{\colA{Q^2}}}
+    = \frac{k_BT}{2\pi^3 m Q \colAB{f_0^3}} \cdot
+      \frac{1}{(\colB{1}-\frac{f^2}{\colB{f_0^2}})^2 +
+        \frac{f^2}{\colB{f_0^2}Q^2}} \\
+    &= \frac{k_BT}{\colB{2\pi^3} m Q \colAB{\p({\frac{\omega_0}{2\pi}})^3}}
+      \cdot
+      \frac{1}{(1-\frac{f^2}{f_0^2})^2 + \frac{f^2}{f_0^2Q^2}}
+    = \frac{\colB{4}k_BT}{m Q \colB{\omega_0}\colAB{\omega_0^2}} \cdot
+      \frac{1}{(1-\frac{f^2}{f_0^2})^2 + \frac{f^2}{f_0^2Q^2}} \\
+    &= \frac{4k_BT}{\colB{m} Q \omega_0\frac{\colA{\kappa}}{\colAB{m}}} \cdot
+      \frac{1}{(1-\frac{f^2}{f_0^2})^2 + \frac{f^2}{f_0^2Q^2}}
+    = \frac{4 k_BT}{\omega_0 Q \kappa}
+      \frac{1}{(1-\frac{f^2}{f_0^2})^2 + \frac{f^2}{f_0^2Q^2}} \;,
+  \label{eq:psd-f-x}
+\end{align}
+where $Q$ is the quality factor\citep{burnham03}
+\begin{equation}
+  Q \equiv \frac{\sqrt{\kappa m}}{\gamma}
+    = \sqrt{\frac{\kappa}{m}}\frac{m}{\gamma}
+    = \frac{\omega_0}{\beta}
+    = \frac{2\pi f_0}{2\pi\beta_f}
+    = \frac{f_0}{\beta_f} \;.
+  \label{eq:Q}
+\end{equation}
+%
+\nomenclature{$Q$}{Quality factor of a damped harmonic oscillator.
+  $Q\equiv \frac{\sqrt{\kappa m}}{\gamma}$ (\cref{eq:Q}).}
 
 % TODO: re-integrate the following