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

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:23

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Var Gandalf?

Gandalf er en frittstående løsning for bærbare bestillinger av laserleistung på grunnlag av 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 av de viktigste meldingene for en datamaskin som kan brukes til å løse lasere. Bestehend aus Anschlusskontakten für Sauron, enem LCD -skjerm, enem Playstation® Joystick, en enkelt Trägerplatine zur Aufnahme eines Arduino Nano, liefert Gandalf ein praktisk brukergrensesnitt. Die Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien in einem Spannungsbereich von 6-12V.

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

Trinn 1: Aufbau Des Boards

Die Platine er så gestaltet, fordi den eneste Bauteile gesteckt kunne bli en modell og en modul som er enkel å integrere.

Spannungsversorgung (mittig right): Die Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich von 6-12V geliefert. Det kan være en LEGO ® batteri for 6V batterier som ikke kan brukes. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie hat sich ebenfalls bewährt. Die Spannungsversorgung ist ebenfalls over the USB Anschluss des Arduino möglich

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

Arduino Nano (lenker): Auf diesem Board blir som Mikroprozessor der Arduino Nano verwendet, welcher as 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 -skjerm (oversettelse, oversikt): Denne visningen vil ikke vise noe mer enn det som kan sendes inn i meldingen.

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

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

Trinn 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Det er en enkel Bauteile-funksjon som kan brukes på exp-tech.de bestellt kan bli tilgjengelig (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 Bestill nå. Alternativt kan das LegoPhotometerBoard.brd-fil løpe og laste andre PCB-Fertiger i Auftrag geben.

Det er ikke nødvendig å opprette en Arduino Nano for å kunne kompensere for design og design av 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 active 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 aufgrundgrund ihres hohen Preises nur für professionalelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Trinn 3: Anfertigen Der Hardware

Die Platine wird mithilfe der Steckverbindungen bestückt. Die einzelnen Steckverbinder sollten lurchungen 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. Der neste trinn "Konfigurasjon Arduino" er en fordel for video erklärt.

Hier geht es zur Step-by-Step Anleitung.

Trinn 4: Konfigurasjon Arduino

For programmeringen med arduinoen kan vi få fri tilgjengelig åpen kildekode IDE Arduino -programvare ble gjort.

Die Datei Photometer.zip er en av de beste funksjonene for Gandalf med dem Arduino Nano notwendige Firmware. Denne fastvaren oppgraderer konfigurasjonen 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.

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

Trinn 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 tabellen er for SFH-203-P-tjenestene som er faste i fastvaren. Die Tabelle für die OSD-50 muss dort nachgetragen werden.

Hvem kan jeg 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 nestees wird die Datei PdResponse.ccp modifiziert. Her kan vi se at funksjonen, welche die Kalibrierdaten inneholder zugefügt. Dazu ist die Tabelle, som er eksempler på OSD-50 for å se og kopiere. Zukünftig bereitgestellte Kalibrier-Dateien kjønnen, wie am Beispiel der SFH-203-P zu sehen, an dieser Stelle eingetragen werden. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm for å begynne og døpe gravene Zeile für Zeile einzutragen.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h die wiederum rot umrandeten Zeilen zugefügt werden. Das modifizierte Program kann dann with the Upload Button on the 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. Bewegungen nach rechts bestätigen the Menüpunkt and eine Bewegung nach links führt zurück/ stoppt die Messung. Die Übersicht zu diesem Userinterface is im Blockdiagramm dargestellt.

Trinn 6: Anfertigen Der Messkugel/ Anschluss Diode

Hvem er berørt? Unnsere 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 funksjoniert 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 ikke bli så stor at det er optimalt og lett å lese
• Die Diode mithilfe von Lötzinn und Lötkolben befestigen. Der lange Pin (Anode) kan brukes med den 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.)

Trinn 7: Wissenswertes - Prozess Zur Kalibrierung

Die Tabellen, die wir zur Verfügung stellen, damit Gandalf gültige Messergebnisse liefern kann, word with 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 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 (fiolett)
   • 445 nm (blå)
   • 488 nm (cyan)
   • 532 nm (grün)
   • 568 nm (gelb)
   • 632, 8 nm (råte)
   • 670 nm (tiefrot)
   • 785 nm (Grenze sichtbarer Spektralbereichs/Infrarot)
2. Messung mit Sauron- Die Leistung der Lichtquelle blir hos jeder Messung so eingestellt, dass Sauron etwa 30.000 Counts zählt. Da Sauron Counts im Bereich von 0 und 65.536 (16Bit ADC) kan ikke erfares, erwies sich der angepeilte Wert von 30.000 Counts as praktisch. Så kan vi si 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 tilgjengeligbaren 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.

Trinn 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 inneholder også mehr Energie 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) hengt 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 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.

Det er viktigst å kjenne at det er lett å vite hva slags informasjon det er.