MyPhotometrics - Gandalf: Leistungsmessgerät Zur Messung Von Lasern Im Sichtbaren Bereich Auf Basis Von "Sauron": 8 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

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Je li to bio Gandalf?

Gandalf je samostalan Lösung za prijenosne Bestimmung von Laserleistung na temelju MyPhotometrics - Sauron.

Sauron ist ein hochauflösender 4-Kanal Photodiodenverstärker, der mithilfe von geeigneten Photodioden die Strahlungsleistung einer Lichtquelle erfassen kann.

Mit der Erweiterung Gandalf ist es möglich Messungen ohne eine Verbindung zum Computer durchzuführen und die gemessene Laserleistung anzuzeigen. Dodatni i korisnički odgovori za Sauron, LCD ekran, Playstation® Joystick, sve na Trägerplatine i Aufnahme na Arduino Nano, korisnički interfejs Gandalf i prakticno korisničko sučelje. Die Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien in einem Spannungsbereich von 6-12V.

Dieses Laserleistungsmessgerät kann in seiner günstigsten Form bereits for etwa 105 € hergestellt werden.

Korak 1: Aufbau Des Boards

Die Platine ist so gestaltet, dass die einzelnen Bauteile gesteckt werden können und das Modul Sauron einfach zu integrieren ist.

Spannungsversorgung (mittig rechts): Die Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich von 6-12V geliefert. Ovo je najbolja moguća LEGO ® baterija za 6V baterije. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie hat sich ebenfalls bewährt. Ovaj raspoloživi ispis pada na USB Anschluss des Arduino möglich

Joystick (mittig): Der Joystick dient zur Bedienung des Menüs

Arduino Nano (veze): Auf diesem Board wurde als Mikroprozessor der Arduino Nano verwendet, welcher als Hauptprozessor für die Umrechnungsprozesse dient

• MyPhotometrics - Sauron (oben): Der Photodiodenverstärker Sauron nimmt die Strahlungsleistung einer Lichtquelle mithilfe von Photodioden auf und digitalisiert die Daten.
• TFT LCD ekran (dostupan, sauronski): Das Display stellt das Menü dar, in dem Einstellungen vorgenommen und die Messung gestartet werden kann.

• Bohrungen: Die Maße der Bohrlöcher sind so gewählt, dass diese mit denen eines LEGO ® Bausteins compatibel sind, um ein Gehäuse aus LEGO ®- Bausteinen anfertigen zu können and auch Sauron auf der Shuttle Platine zu befestigen.

(Hinweis: Da die Daten auf dem Display angezeigt werden, ist es nur notwendig die Schritte 1-3 des Projekts MyPhotometrics - Sauron zu befolgen.)

Korak 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Zunächst werden einige Bauteile benötigt, die unter bei exp-tech.de bestellt werden können (Thumb Joystick und Adapruit Display).

Sa hardverskim hardverom, sa projektom MyPhotometrics - Sauron beschrieben (Korak 1-3), ažuriranje. Učinite to najbolje sauronskim sollte -om na Möglichkeit -u sa zwei Rundplattenom 1x1 od LEGO® erfolgen -a.

(Hinweis: Die Platine von Sauron hält auf der Gandalf-Platine auch aufgrund der Lötung. Die Lötstelle wird jedoch ohne die zusätzliche Befestigung mehr beansprucht.)

Zur Befestigung des Displays emfehlen wir die Verwendung von zwei M2x18 Zylinderkopf Schrauben, sowie insgesamt sechs passenden Muttern. Diese lassen sich problemlos auf Ebay oder in einem Bauoder Modellbaumarkt finden.

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Naručite sada möglich. Alternativna einfach das LegoPhotometerBoard.brd datoteka za pokretanje i provjeru vjerodostojnosti i drugih PCB-Fertigera u Auftrag geben.

Ovo je najnoviji Möglichkeit ein Arduino Nano koji je ažuriran verzijom, u kompaktnom obliku Dizajn je prilagođen Steckverbindungen des Arduino Nano jezgri. Prinzipiell je istinit i pouzdan sa brzim jednistvenim mikrokontrolerima i steuereinheitom, koji su opremljeni 5V kontrolerom sa ručnim Pin-Out ručnim upravljanjem. Ansonsten ist es notwendig die Firmware auf eine abweichende Pinbelegung anzupassen.

Prinzipiell je jegliche Art einer Photodiode mit dem Messsystem kompatibel. Wir emphehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• SFH-203-P oder
• OSD-50-5T

SFH-203-P je kostangünstige Lösung, koji je namijenjen anwendungen i Versuche ausreicht. Messungen sollten mithilfe einer angefertigten Messkugel aus LEGO ® - Bausteinen durchgeführt werden, damit die Messung zu verwertbaren Ergebnissen führt. Das liegt daran, dass die aktive Fläche dieser Photodiode mit 1qmm meist kleiner ist als die Querschnittsfläche eines üblichen Laserstrahls. Somit könnte Gandalf nur einen Teil der emittierten Strahlung aufnehmen und messen. U einer Messkugel kann nahezu die gesamte Strahlung verarbeitet werden.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, OSD-50-5T, zeichnet sich nicht nur durch ihre exzellente Empfindlichkeit aus, sondern leider auch durch einen sehr hohen Preis. Es sind häufig Angebote, z. B. bei Ebay, AliExpress usw., zu finden. Eine kurze Recherche dazu lohnt sich. Dioda je uključena sa aktivnom površinom od 50 qmm za Messungen sa mojom direkcijom Einstrahlung der Quelle, auch ohne Messkugel. Allerdings ist die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt and übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. OS Verzija za OSD-50 je deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur für professional/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Korak 3: Anfertigen Der Hardware

Die Platine wird mithilfe der Steckverbindungen bestückt. Die einzelnen Steckverbinder sollten durch Lötungen mit den Kontakten verbunden werden (z. B. mit solch einem Lötkolben und Lötdraht).

Für das Anbringen und Anschließen der Pins des Displays über dem Photodiodenverstärker Sauron eignet sich die im zusammengestellten Warenkorb hinterlegte Buchsenleiste/ Header, damit genügend Abstand zwischen den Teilen entsteht. Die andere Seite ist mit Gewindeschrauben der Maße M2x16mm und passnden Muttern zu fixieren.

Das unten gelinkte Video is eine Step-by-Step Anleitung für den Zusammenbau von Gandalf. Naredni korak "Konfiguracija Arduino" sadrži video zapise.

Ovo je korak-po-korak Anleitung.

Korak 4: Konfiguracija Arduino

Za programiranje sa Arduino -a možete besplatno koristiti otvoreni izvorni IDE Arduino softver koji je ažuriran.

Datoteka Photometer.zip je dostupna sa Betrieb von Gandalf sa Arduino Nano nevažećim firmverom. Ovu firmver je potrebno konfigurirati i provjeriti da li je poruka prikazana na upravljačkoj ploči putem upravljačke palice.

Datumi Photometer.ino možete pronaći na Arduino softveru za kontrolu kontrolera.

(Hinweis: Photometer.ino benötigt die restlichen Header- and Arduino Files, die in dem Ordner hinterlegt sind, weshalb Photometer.ino nicht alleine verschoben/ abgespeichert werden sollte.)

Korak 5: Verwendung Der Kalibrierdaten Und Anwendung Benutzerinterface

Als Ergebnis der Kalibriervorgänge stellen wir eine Tabelle bereit, mit der sich die von Gandalf gemessenen Counts einer Wellenlänge zuordnen lassen. Tablica je za SFH-203-P i nalazi se u pozadini firmvera. Tablica za OSD-50 mora biti iscrpljena.

Wie das geht und wie in Zukunft noch weitere Tabellen for Photodioden zugefügt werden können ist mithilfe der Bilder (siehe Screenshots) leicht zu verstehen:

Zur Veranschaulichung legen wir die Photodiode "Dummy" im Program.

1. Da biste prikazali Dummy, na Screenshot -u je iscrpljen umreženi Zeile der Datei Interface.ccp zuzufügen.
2. Ako ne promijenite datum, promijenite PdResponse.ccp. Njena funkcija je funkcionalna, ali je kalibrirana kao entuzijazam. Dazu ist die Tabelle, wie im Beispiel der OSD-50 zu sehen, zu kopieren. Zukünftig bereitgestellte Kalibrier-Dateien können, wie am Beispiel der SFH-203-P zu sehen, die Stelle eingetragen werden. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm za početak i nakit od grofova Grofove Zeile za einzutragen Zeile.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h die wiederum rot umrandeten Zeilen zugefügt werden. Das modifizierte Programm cannn and mit dem Upload Button auf Arduino gespielt werden.

Mit dem Anlegen der Versorgungsspannung öffnet sich das Menü auf dem Display. Über dieses Menü erfolgt die Einstellung von Gandalf, sowie das Starten der Messung.

Die einzelnen Punkte können mithilfe des Joysticks ausgewählt werden. Trebate provjeriti najbolje podatke o Menüpunkt -u i eine Bewegung linkove za zurück/ stoppt Messung. Ovo korisničko sučelje je postavljeno na Blockdiagramm dargestellt.

Korak 6: Anfertigen Der Messkugel/ Anschluss dioda

Wie bereits beschrieben, es es für die Photodiode des Typs SFH-203-P empfohlen eine Messkugel zu verwenden, um optimale Messergebnisse zu erhalten. Unsere Messkugel je zwar nicht kugelförmig, erfüllt aber ihren Zweck i ist schnell u LEGO ® Bausteinen aufgebaut. In ihrem abnehmbaren Deckel findet die Photodiode platz. Durch einen seitlichen Eingang der Messkugel wird die einstrahlende Lichtleistung gemessen.

Die Anfertigung der Messkugel wird im Instructable vorgestellt. Die Anbringung der Photodiode and ein Koaxialkabel functiontioniert wie folgt (siehe auch Foto):

• Falls vorhanden, ein Stück Schrumpfschlauch auf das Kabel schieben, um die Lötstelle später zu ummanteln
• Ummantelung des Koaxialkabels entfernen, beispielsweise mit einem Cuttermesser
• Außenleiter vom Innenleiter trennen und die Ummantelung des Innenleiters entfernen
• Einen Teil der Außenleiter Fasern verdrillen, den Rest kürzen
• Die Innen- und Außenleiter dürfen sich nicht berühren. Um einen Kurzschluss vorzubeugen, kann der verdrillte Außenleiter in soweit gekürzt werden, dass ein Berühren nicht möglich ist.
• Die Anschlüsse der Diode können ebenfalls so gekürzt werden, dass sie optimal and die Leiter anzubringen ist
• Die Diode mithilfe von Lötzinn und Lötkolben befestigen. Der lange Pin (Anode) wird dabei mit dem Außenleiter verbunden, der kurze (Kathode) mit dem Innenleiter.
• Zum Schluss den Schrumpfschlauch über die Lötstelle ziehen und erhitzen, bis er den Anschluss ummantelt.

Sollte Sauron s Akku-Anschlusskabeln Anstelle der SMA-Buchsen ausgestattet sein, gen es, die Diode richtig herum im Anschluss zu platzieren (Foto).

(Hinweis: Der Anschluss der Diode erfolgt unbedingt wie beschrieben. Beim Verpolen der Diode geht zwar nichts kaputt, Gandalf funkcioneer dann aber nicht.)

Korak 7: Wissenswertes - Prozess Zur Kalibrierung

Die Tabellen, die wir zur Verfügung stellen, damit Gandalf gültige Messergebnisse liefern kann, wurden mit umfangreichen Messreihen angefertigt. Gandalf soll die Leistung von Lasern messen können, die sich in

• Wellenlänge in einem Bereich von 405 -785nm
• und Leistung

unterscheiden. Aus diesem Grund war es notwendig die Messreihen mit verschiedenen Lasern als Lichtquellen und in verschiedenen Messbereichen durchzuführen. Wir haben hierbei Wellenlängen von typischerweise erhältlichen Lasern im sichtbaren Spektralbereich verwendet. Der Kalibrierungsprozess verlief wie folgt:

1. Bestrahlung der Photodiode mit acht verschiedenen Lasern der Wellenlängen

   • 405 nm (ljubičasta)
   • 445 nm (plavo)
   • 488 nm (cijan)
   • 532 nm (grün)
   • 568 nm (gelb)
   • 632, 8 nm (trulež)
   • 670 nm (tiefrot)
   • 785 nm (Grenze sichtbarer Spektralbereichs/Infrarot)
2. Messung mit Sauron- Die Leistung der Lichtquelle wurde bei jeder Messung so eingestellt, dass Sauron etwa 30.000 Counts zählt. Da Sauron broji im Bereich od 0 do 65.536 (16Bit ADC) erfassen kann, erwies sich der angepeilte Wert von 30.000 Couns als praktisch. Dakle, können sich die Messdaten um diesen Bereich bewegen, ohne die Photodiode in den Sättigungsbereich oder nicht messbaren Bereich zu führen.
3. Messung mit hochwertigem Leistungsmessgerät - Nach jeder Messung wurde Sauron gegen ein sehr hochwertiges komerziell erhältliches Messgerät ausgetauscht, um die Leistung zu ermitteln. Es handelte sich hierbei um das Messgerät Field Master der Firma Coherent. Die Einstellung der Lichtquelle blieb unverändert. Es folgte eine Dokumentation für jede der 8 Laserdioden mit den ermittelten Counts von Sauron und der zugehörigen ermittelten Leistung des Leistungsmessgeräts.
4. Annähern des Messverhaltens mittels Polynom - An die erhaltenen Messdaten wurden Polynome angepasst. Die ermittelte Polynome erlauben die Interpolation der Kalibrierdaten auf nicht gemessene Wellenlängen. Hiermit können wir auch bei Wellenlängen sinnvoll messen, bei denen kein Referenzlasersystem zur Verfügung stand.

5. Wiederholung für verschiedene Messbereiche - Damit ein breiter Bereich von Leistungen für die verschiedenen Wellenlängen abgedeckt werden kann, sollte jede Messreihe für die verschiedenen verfügbaren Messbereiche

• 20 nA
• 80 nA
• 320 nA
• 1280 nA
• 5120 nA

wiederholt werden. Hiermit verringern wir den Einfluss von Nicht-Linearitäten beim Umschalten der verschiedenen Verstärkungsbereiche. Dabei sollte sich jede Messung möglichst den angestrebten 30.000 Counts nähern. Damit deckt Sauron einen Bereich verschiedener Sensitivitäten ab.

Korak 8: Wissenswertes - Wieso Geht Es Bei Der Leistungsmessung Um Wellenlängen?

U unserer Anleitung zum Aufbau von Gandalf je često umrlo Rede von bestimmten Wellenlängen. Aber was ist das überhaupt?

Sve što je potrebno u Physics ein Bereich elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, der mit dem Auge sichtbar ist. Dieser befindet sich in einem Wellenlängenbereich von etwa 380-780 nm. Das Auge je najbrži premaz Wellenlängen -a ili Farben anfangend bei violett (380nm) u boji blau, grün, gelb i rot (780nm) auf.

Die Energie eines Photons berechnet sich über:

E = h*f

mit h = Planck'sches Wirkungsquantum (h = 6, 62606896*10^−34 Js.); und f = Frequenz der Strahlung

f = c/λ

mit c = Lichtgeschwindigkeit (c = 299.792.458 m/s); und λ = Wellenlänge der Strahlung.

Ein "blaues" Photon enthält also merher Energy als ein "rotes" Photon (deswegen bekommt man auch nur von UV-, also ultravioletter, Strahlung mit sehr kurzen Wellenlängen Sonnenbrand). Die Leistung einer Lichtquelle gibt an, wieviele Photonen diese Lichtquelle pro Sekunde aussendet. Eine Lichtquelle mit 1W Leistung im violetten Spektralbereich gibt also weniger Photonen pro Sekunde ab, als eine Lichtquelle im roten Spektralbereich.

Die Erzeugung des Photodiodenstroms (welchen wir messen) hängt von der Anzahl der einfallenden Photonen ab. Jedes Photon nalazi se u Photodiode idealerweise u Elektron-Loch-Paar. In der Praxis gehen einige Elektron-Loch-Paare verloren. 100 Photonen erzeugen so bspw. 60 Elektronen-Loch-Paare. Eine sinnvolle Zuordnung dieser Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren zu einer Lichtleistung erfordert daher die Kenntnis der Wellenlänge der einfallenden Photonen.

Genau deshalb ist es wichtig, dass die Wellenlänge der zu messenden Lichtquelle bekannt ist, um die Leistung berechnen zu können.