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

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen 4.0 International Lizenz. Eine für Menschen lesbare Zusammenfassung dieser Lizenz findet sich hier.

Var Gandalf?

Gandalf er en enkeltstående enhed til bærbar opbevaring af laserledninger på basis af MyPhotometrics - Sauron.

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

Mit der Erweiterung Gandalf er en af de største meddelelser, der kan forbindes til computere, og der kan bruges til laserudstyr. Bedste tilbud fra Anschlusskontakten for Sauron, ét LCD -display, en Playstation® Joystick, en enkelt betjeningsplatine til Aufnahme til en Arduino Nano, en praktisk Gandalf og praktisk brugerinterface. 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.

Trin 1: Aufbau Des Boards

Die Platine er så gestaltet, fordi den eneste Bauteile gesteckt kunne købes og das Modul Sauron enkelt kan integreres.

Spannungsversorgung (mittig right): Die Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich von 6-12V geliefert. LEGO ® batterier kan bruges til 6V batterier, der ikke kan bruges. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie hat sich ebenfalls bewährt. Die Spannungsversorgung ist ebenfalls über the USB Anschluss des Arduino möglich

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

Arduino Nano (links): Auf diesem Board bliver som Mikroprozessor der Arduino Nano verwendet, welcher som 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 -skærm (oben, überlagert Sauron): Das Display steller das Menü dar, in the Einstellungen vorgenommen and die Messung gestartet werden kann.

• Bohrungen: Die Maße der Bohrlöcher er så god, at den kan bruges til LEGO ® Bausteins, der er kompatibel, og som kan bruges til LEGO ®- Bausteinen anfertigen zu können und auch Sauron auf der Shuttle Platine zu befestigen.

(Henvisning: Da die Daten auf dem Display angezeigt werden werden, is it not notigig die Schritte 1-3 des Projekts MyPhotometrics - Sauron zu befolgen.)

Trin 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

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

Die Hardware von Sauron wird, wie im Projekt MyPhotometrics - Sauron beschrieben (Step 1-3), aufgebautaut. Die Befestigung von Sauron sollte nach Möglichkeit mit zwei Rundplatten 1x1 von LEGO ® erfolgen.

(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 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 mit dem Button Bestil nu mere. Alternativt kan filen LegoPhotometerBoard.brd køre og indlæse andre PCB-Fertiger i Auftraggeben.

Det er ikke længere nødvendigt at bruge Arduino Nano -specifikationer, der kan kompakte design og design af Arduino Nano nutzen zu können. Prinzipiell ist allerdings die Verwendung fast jedes Mikrocontrollers as Steuereinheit möglich, sofern es sich um 5V Controller with demselben Pin-Out handelt. Ansonsten ist es notwendig die Firmware on eine abweichende Pinbelegung anzupassen.

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

• SFH-203-P oder
• OSD-50-5T

Die SFH-203-P er die kostengünstige Lösung, die für einfache Anwendungen und Versuche ausreicht. Die Messungen sollten mithilfe einer angefertigten Messkugel aus LEGO ® - Bausteinen durchgeführt werden, damit die Messung zu verwertbaren Ergebnissen führt. Das liegt daran, dass die active Fläche dieser Photodiode with 1qmm meist kleiner ist as die Querschnittsfläche eines üblichen Laserstrahls. Somit könnte Gandalf nur einen Teil der emittierten Strahlung aufnehmen und messen. In ein Messkugel kann nahezu die gesamte Strahlung verarbeitet werden.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, die 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. hos Ebay, AliExpress usw., zu finden. Eine kurze Recherche dazu lohnt sich. Die Diode eignet sich mit einer aktiven Fläche von 50qmm für Messungen mit einer direkten 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. Die Verwendung der OSD-50 er deshalb and aufgrundgrundreshres hohen Preises nur für professionalelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Trin 3: Anfertigen Der Hardware

Die Platine wird mithilfe der Steckverbindungen bestückt. Die einzelnen Steckverbinder sollten durch Lötungen mit the 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 other Seite ist with Gewindeschrauben der Maße M2x16mm and passenden Muttern zu fixieren.

Das unten gelinkte Video is eine Step-by-Step Anleitung für den Zusammenbau von Gandalf. Det næste trin "Konfiguration Arduino" er en fejl i videoen.

Hier geht es zur Step-by-Step Anleitung.

Trin 4: Konfiguration Arduino

Für die Programierung with the Arduino kan der være fri tilgængelig Open Source IDE Arduino Software verwendet werden.

Die Datei Photometer.zip er en betingelse for, at der kan foretages en registrering af Gandalf med den arduino Nano notwendige firmware. Denne firmware kan konfigureres og das Auslesen der Messdaten auf dem Display mithilfe der Steuerung via Joystick.

Die Datei Photometer.ino mus über die Arduino Software auf the Controller gespielt werden.

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

Trin 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. Denne tabelle er for SFH-203-P-beretninger inden for firmware, der ikke er relevant. Die Tabelle für die OSD-50 muss dort nachgetragen werden.

Hvem kan vi se og se i fremtiden?

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

1. Für den Menüeintrag von Dummy ist die im Screenshot rot umrandete Zeile der Datei Interface.ccp zuzufügen.
2. Som næstees wird die Datei PdResponse.ccp modifiziert. Hier wird die Funktion, welche die Kalibrierdaten indeholder zugefügt. Dazu ist die Tabelle, som er eksempler på OSD-50, så vi kan kopiere dem. Zukünftig bereitgestellte Kalibrier-Dateien kan købes, som er eksempler på SFH-203-P til at sehen, en dieselmotor, der kan ændres. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm for begyndelsen og die jeweiligen Counts Zeile für Zeile einzutragen.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h die wiederum rot umrandeten Zeilen zugefügt werden. Das modifizierte Program kan danne overførselsknappen til den arkivspilte.

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. Vær opmærksom på, at menuerne ikke kan ændres til en anden henvisning, når der er links til en meddelelse/ stop. Die Übersicht zu diesem Userinterface is im Blockdiagramm dargestellt.

Trin 6: Anfertigen Der Messkugel/ Anschluss Diode

Der er en beskrivelse, der kan bruges til fotodiode af typerne SFH-203-P, der kan bruges til at sende en passende Messergebnisse til erhalten. Unsere Messkugel ist zwar nicht kugelförmig, erfüllt aber ihren Zweck und ist schnell aus LEGO ® Bausteinen aufgebaut. I 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 an ein Koaxialkabel funktioniert 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 kan kun bruges til at blive så stor, at det er optimalt og let at udføre
• 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.)

Trin 7: Wissenswertes - Process Zur Kalibrierung

Die Tabellen, die wir zur Verfügung stellen, damit Gandalf gültige Messergebnisse liefern kann, word mit umfangreichen Messreihen angefertigt. Gandalf skal dø 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 as 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 (violett)
   • 445 nm (blå)
   • 488 nm (cyan)
   • 532 nm (grøn)
   • 568 nm (gelb)
   • 632, 8 nm (råd)
   • 670 nm (tiefrot)
   • 785 nm (Grenze sichtbarer Spektralbereichs/Infrarot)
2. Messung mit Sauron- Die Leistung der Lichtquelle bliver hos jeder Messung so eingestellt, dass Sauron etwa 30.000 Counts zählt. Da Sauron tæller im Bereich von 0 og 65.536 (16Bit ADC) kan der ikke opstilles, hvad der kan angives af 30.000 tællinger som praktisk. Så kan vi se, at 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 kommerziell 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 word 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 beskikberbaren 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.

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

In unserer Anleitung zum Aufbau von Gandalf ist oft die Rede von bestimmten Wellenlängen. Men var det das überhaupt?

Als Licht wird in der Physik ein Bereich elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, der mit dem Auge sichtbar ist. Dieser befindet sich in einem Wellenlängenbereich von etwa 380-780 nm. Das Auge fasst die verschiedenen Wellenlängen as Farben anfangend bei violett (380nm) über blau, grün, gelb und 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 indeholder også mehr Energie als ein "rotes" Photon (desbekendt 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, as aine Lichtquelle im roten Spektralbereich.

Die Erzeugung des Photodiodenstroms (welchen wir messen) hængte von der Anzahl der einfallenden Photonen ab. Jedes Photon erzeugt in einer Photodiode idealerweise ein Elektron-Loch-Paar. In der Praxis gehen einige Elektron-Loch-Paare verloren. 100 Photonen erzeugen så 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 known ist, um die Leistung berechnen zu können.