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

2024 Outeur: John Day | [email protected]. Laas verander: 2024-01-30 07:26

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Was Gandalf?

Gandalf is 'n alleenstaande selfoon vir die draagbare laserbesparing op basis van MyPhotometrics - Sauron.

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

Mit der Erweiterung Gandalf is een van die belangrikste boodskappe wat verband hou met die aflaai van 'n rekenaar en die lasergestuurde lasbronne. Beste uitstappies vir Sauron, 'n LCD -skerm, 'n Playstation® -joystick, 'n enkele Trägerplatine vir Aufnahme eines Arduino Nano, 'n lieflike Gandalf en praktiese gebruikersinterface. Die Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien in einem Spannungsbereich von 6-12V.

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

Stap 1: Aufbau Des Boards

Die Platine is so gestaltet, omdat die enigste Bauteile gesteckt kan word en dit vir die module eenvoudig kan integreer.

Spannungsversorgung (mittig rechts): Die Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich von 6-12V geliefert. Dit kan 'n LEGO ® -battery vir 6V -batterye gebruik word. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie hoedanig ebenfalls bewährt. Die spannungsversorging is 'n eiesoortige USB -aansluiting vir arduino -toestelle

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

Arduino Nano (skakels): Die raad word as Mikroprozessor van die Arduino Nano verwante, welcher as Hauptprozessor vir die Umrechnungsprozesse bedien

• MyPhotometrics - Sauron (oben): Der Photodiodenverstärker Sauron nimmt die Strahlungsleistung einer Lichtquelle mithilfe von Photodioden auf digitalized data.
• TFT LCD -skerm (voor, oor -skerm): Dit bied 'n uitstekende weergawe van die e -posse en die boodskap wat ons kan stuur.

• Bohrungen: Die Maße der Bohrlöcher kan so gewig word, want dit kan ook met LEGO ® Bausteins versoenbaar wees, en dit kan ook gebruik word by LEGO ®- Bausteinen anfertigen zu können and auch Sauron auf die Shuttle Platine zu befestigen.

Stap 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Slegs 'n enkele funksie kan gebruik word by exp-tech.de ('Thumb Joystick en Adafruit Display').

Die hardeware van Sauron is 'n verwante projek vir MyPhotometrics - Sauron -beskrywing (stap 1-3). Die Befestigung von Sauron moet na Möglichkeit mit zwei Rundplatten 1x1 van LEGO ® erfolgen.

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

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

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine met die knoppie Bestel nou meer. Alternatiewelik kan die lêer van die LegoPhotometerBoard.brd-lêer gelaai word en by ander gelowige ander PCB-Fertiger in Auftrag geben word.

Ons kan nie eers 'n enkele Arduino -ontwerp gebruik nie, maar ook 'n kompakte ontwerp wat ontwerp kan word vir die bou van nuwe arduino's. Prinzipiell ist allerdings die Verwendung fast jedes Mikrocontrollers as Steuereinheit möglich, sofern es esich um 5V Controller with demselben Pin-Out handelt. Ansonsten is notwendig die Firmware on eine abweichende Pinbelegung anzupassen.

Prinzipiell is jegliche Art einer Photodiode with the Messsystem compatible. Wir empfehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• SFH-203-P of
• OSD-50-5T

Die SFH-203-P is die kostengünstige Lösung, die für einfache Anwendungen en Versuche ausreicht. Die Messungen sollten mithilfe einer angefertigten Messkugel aus LEGO ® - Bausteinen durchgeführt werden, damit die Messung zu verwertbaren Ergebnissen führt. Dit is ook 'n aktiewe fotodiode met 'n maksimum grootte van 1 mm wat ons ook in die laserstraal kan gebruik. Dit is moontlik dat Gandalf nul een Teil der emittierten Strahlung aufnehmen und messen. In 'n enkele boodskap kan die gesamte Strahlung verarbeitet word.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, die OSD-50-5T, seichnet 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. Die Diode besit een van die aktiewe vlakke van 50qmm vir boodskappe met een direkte instelling van die Quelle, auch ohne Messkugel. Allerdings ist die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt and übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. Die OSW-50-funksie kan op en af gehaal word as 'n beroep vir 'n professionele/ semiprofessionele laboreinsätze zu empfehlen.

Stap 3: Anfertigen Der Hardware

Die Platine wird mithilfe der Steckverbindungen bestückt. Die eenzelnen Steckverbinder moet deur middel van kontak met die woord gebruik word (z. B. met solch einem Lötkolben en 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 ander bladsye kan met 'n groot grootte M2x16mm en deurlopende modelle vir herstel gebruik word.

Die video is 'n stap-vir-stap-instruksie vir die werk van Gandalf. Die volgende stap "Konfigurasie Arduino" is 'n groot neiging tot verklaring van video.

Hier is 'n stap-vir-stap instruksie.

Stap 4: Konfigurasie Arduino

Vir die programmering met die Arduino kan die vrye beskikbare Open Source IDE -arduino -sagteware gebruik word.

Die Datei Photometer.zip kan die firmware van die Gandalf met die Nuwe notwoorde Firmware gebruik. Hierdie Firmware word deur die Konfigurasie en die Auslesen der Messdaten op die skerm van Steuerung via Joystick vertoon.

Die Datei Photometer.ino moet meer as die Arduino sagteware op die beheerder gespeel word.

(Voorbeeld: Photometer.ino benötigt die restlichen Header- en Arduino Files, die in ons ordnerlike sin kan gebruik word.

Stap 5: Verwendung Der Kalibrierdaten Und Anwendung Benutzerinterface

As Ergebnis der Kalibriervorgänge stellen wir eine Tabelle bereit, mit der sich die von Gandalf gemessenen Counts einer Wellenlänge zuordnen lassen. Hierdie tabel kan vir die SFH-203-P gebruik word in die Firmware-toepassing. Die Tabelle für die OSD-50 moet dort nachgetragen worden.

Wie kan in die toekoms nog meer tabelle vir fotodiodeë gebruik om foto's (sien skermkiekies) te sien:

Ons kan die fotodiode "Dummy" in die program stuur.

1. Vir die menüeintrag van Dummy word die skermkiekie van 'n ommekeer van Zeile der Datei Interface.ccp gegenereer.
2. As volgendees wird die Datei PdResponse.ccp gewysig. Hier is die funksie, welche die kalibrierdaten bevat zugefügt. Dit is 'n voorbeeld van die OSD-50 vir die kopiëring. Zukünftig bereitgestellte Kalibrier-Dateien kan gekoop word, soos 'n voorbeeld van SFH-203-P om dit te sien. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm vir die begin en die jeweilige grawe Zeile für Zeile einzutragen.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h die wiederum rot umrandeten Zeilen zugefügt werden. Die modifiserende program kan met die oplaai -knoppie op die Arduino gespeel word.

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. Bewegings na die regte posisies vir die Menüpunkt en die Beweging van skakels vir die gebruik van die boodskap. Die Übersicht zu diesem gebruikersinterface is 'n blokdiagram.

Stap 6: Anfertigen Der Messkugel/ Anschluss Diode

Wie kan die fotodiode van die tipe SFH-203-P empfohlen eine Messkugel zu verwenden, vir optimale Messergebnisse zu erhalten. U kan nie net 'n kugelförmig kry nie, maar ook 'n erfenis van LEGO ® Bausteinen aufgebaut. In ihrem abnehmbaren Deckel vind 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 an ein Koaxialkabel functioniert as 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- en Außenleiter dürfen sich nicht berühren. Om 'n enkele Kurzschluss vorzubeugen, kan die verdrillte Außenleiter in soweit gekürzt word, dat ein Berühren nicht möglich ist.
• Die Anschlüsse der Diode kan ebenfalls so gekürzt word, dat dit optimaal is en die lezer 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 mit Akku-Anschlusskabeln anstelle der SMA-Buchsen ausgestattet sein, genügt 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 functioniert dann aber nicht.)

Stap 7: Wissenswertes - Prozess Zur Kalibrierung

Die Tabellen, die wir zur Verfügung stellen, kan 'n gegewe boodskap van Messenger -boodskappe meebring. Gandalf moet die Leistung von Lasern boodskappe doen, wat ook die geval is

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

unterscheiden. Dit is 'n basiese uitgangspunt dat die boodskappe met verskillende lasers as in die vorm van 'n boodskap in verskillende gevalle kan verander word. Ons kan hier 'n tipiese grootte van die lasern in 'n spektakelbereik verwant maak. Der Kalibrierungsprozess verlief wie folgt:

1. Bestuur van die fotodiode met vier verskillende lasern der Wellenlängen

   • 405 nm (viooltjie)
   • 445 nm (blou)
   • 488 nm (siaan)
   • 532 nm (groot)
   • 568 nm (gelb)
   • 632, 8 nm (verrotting)
   • 670 nm (tiefrot)
   • 785 nm (Grenze sichtbarer Spektralbereichs/Infrarot)
2. Messung mit Sauron- Die Leistung der Lichtquelle word by jeder Messung so eingestellt, dass Sauron andwa 30.000 Counts zählt. Da Sauron Counts im Bereich von 0 und 65.536 (16Bit ADC) erfassen kann, erwies sich der angepeilte Wert von 30.000 Counts as praktisch. So kan die Messdaten um diesen Bereich bewegen, óf die Photodiode in die Sättigungsbereich oder nicht messbaren Bereich zu führen.
3. Messung mit hochwertigem Leistungsmessgerät - Nachts kan die boodskap vir 'n enkele keer vir ons 'n groot aantal kommersiële boodskappe ontvang word. Dit handel oor die 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 - 'n Uitgebreide boodskap van polynome angepasst. Die ermittelte Polynome erlauben die Interpolation der Kalibrierdaten auf nicht gemessene Wellenlängen. Hiermit kan ons ook by Wellenlängen sinnvoll messen, by denen kein Referenzlasersystem zur Verfügung stand.

5. Wiederholung für verschiedene Messbereiche - Damit ein breiter Bereich von Leistungen für die verschiedene Wellenlängen abgedeckt werden kann, sollte jede Messreihe for the differiedenen availablebaren 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.

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

In ons gebruiker Anleitung zum Aufbau von Gandalf is oft die Rede von bestimmten Wellenlängen. Maar is dit eintlik die geval?

As lig in die Physik ein Bereich elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, der mit dem Auge sichtbar ist. Dieser befindet sich in einem Wellenlängenbereich von etwa 380-780 nm. Dit is 'n baie vinnige manier om die kleure te verwerk as 'n aanslag by viooltjie (380 nm).

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.

Een "blaues" Photon bevat ook meer energie as een "rotes" Photon (ook bekend as UV-, ook ultraviolet, 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, as eine Lichtquelle im roten Spektralbereich.

Die Erzeugung des Photodiodenstroms (welchen wir messen) het lengte van die Anzahl der einfallenden Photonen ab. Jedes Photon erzeugt in one Photodiode idealerweise ein 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.

Dit is veral belangrik dat die Wellenlänge der zu messenden Lichtquelle bekend is, en dat die leistung bereken kan word.