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

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:15

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האם היה גנדלף?

Gandalf is one stand -alone Lösung for die mobile bestimmung von Laserleistung on Basis von 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 and die gemessene Laserleistung anzuzeigen. מבחר של Anschlusskontakten für Sauron, תצוגת LCD אחת, ג'ויסטיק פלייסטיישן®, ממשק משתמש של ממשק משתמש. Die Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien in einem Spannungsbereich von 6-12V.

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

שלב 1: Aufbau Des Boards

Die Platine ist so gestaltet, dass die einzelnen Bauteile gesteckt were können and das Modul Sauron einfach to integrieren ist.

Spannungsversorgung (mittig rechts): Die Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich von 6-12V geliefert. ניתן להשתמש ב LEGO ® סוללות עבור 6V סוללות שנוצרו. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie hat sich ebenfalls bewährt. Die Spannungsversorgung ist ebenfalls over the USB Anschluss des Arduino möglich

ג'ויסטיק (מיטג): Der Joystick צריך zur Bedienung des Menüs

ארדואינו ננו (קישורים): מועצת המנהלים תהיה כמיקרו -פרוזסור של ארדואינו ננו -מבצעים, ובוחרים את הפרופסור של המועצה

• MyPhotometrics - Sauron (oben): Der Photodiodenverstärker Sauron nimmt die Strahlungsleistung einer Lichtquelle mithilfe von Photodioden auf and digitalisiert die Daten.
• תצוגת TFT LCD (אוסף, überlagert Sauron): תצוגת תצוגה זו מציגה את מספר התצוגה וההגדרות.

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

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

שלב 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

לא ניתן יהיה להשתמש במגוון רחב של מאפיינים, ויהפוך לאתר אצל exp-tech.de.

Die Hardware von Sauron wird, wie im Projekt MyPhotometrics - Sauron beschrieben (שלב 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 הזמינו עכשיו. לחלופין פשוט das LegoPhotometerBoard.brd קובץ runterladen und bei einem beliebigen others PCB-Fertiger in Auftrag geben.

כך שאנו יכולים להשתמש במאפיינים של ארדואינו. 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 one abweichende Pinbelegung anzupassen.

Prinzipiell ist jegliche Art einer Photodiode mit dem System compatible. Wir empfehlen die Nutzung von Dioden der Typen

• SFH-203-P oder
• OSD-50-5T

Die SFH-203-P ist die costengünstige Lösung, die for einfache Anwendungen und Versuche ausreicht. Die Messungen sollten mithilfe einer angefertigten Messkugel aus LEGO ® - Bausteinen durchgeführt werden, damit die Messung zu verwertbaren Ergebnissen führt. זה לא אומר שזה יכול להיות פוטודיודה דיאטה פעילה עם 1 מ מ של כמה קליינרים. Somit könnte Gandalf nur einen Teil der emittierten Strahlung aufnehmen und messen. In einer 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. bei Ebay, AliExpress usw., zu finden. Eine kurze Recherche dazu lohnt sich. Die Diode eignet sich mit einer activen 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 ist deshalb and aufgrundgrund ihres hohen Preises nur for professionalelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

שלב 3: Anfertigen Der Hardware

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

סרטוני הווידאו האלה לא מורכבים צעד אחר צעד בהנחייתם של גנדלף. שלב הבא "תצורת ארדואינו" הוא תוצאה של הצהרת וידאו.

Hier geht es zur שלב אחר שלב Anleitung.

שלב 4: תצורה Arduino

תוכנת התוכנה עם ארדואינו יכולה להציע תוכנות קוד פתוח עם קוד פתוח.

Die Datei Photometer.zip beinhaltet die zum Betrieb von Gandalf mit dem Arduino Nano notwendige Firmware. תוכנת קושחה זו הופכת את תצורת התצורה ואת האפשרויות של Messdaten על תצוגת התצוגה באמצעות ג'ויסטיק.

Die Datei Photometer.ino צריך להיות יותר מתוכנת Arduino על הבקר.

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

שלב 5: ממשק Verwendung Der Kalibrierdaten Und Anwendung Benutzer

Als Ergebnis der Kalibriervorgänge stellen wir eine Tabelle bereit, mit der sich die von Gandalf gemessenen Counts einer Wellenlänge zuordnen lassen. Diese Tabelle ist für die SFH-203-P bereits in the firmware firmware. Die Tabelle für die OSD-50 muss dort nachgetragen werden.

כיצד ניתן לראות ולצפות בעתיד אף על פי תצלומי צילום יכולים להיות אפשריים לתמונות (צילומי מסך):

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. אם גם אתה יכול לשנות את התאריך PdResponse.ccp. Hier wird die Funktion, welche die Kalibrierdaten כולל zugefügt. Dazu ist die Tabelle, אילו דוגמאות של OSD-50 ניתן לראות ולצלם. Zukünftig bereitgestellte Kalibrier-Dateien können, wie am Beispiel der SFH-203-P zu sehen, dieser Stelle eingetragen werden. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm כדי להתחיל וללמוד את הספירות של Zeile für Zeile einzutragen.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h die wiederum rot umrandeten Zeilen zugefügt werden. ניתן לשנות את התוכנית באמצעות כפתור ההעלאה של ארדואינו.

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. שימו לב לנסיבות המתאימות ביותר של Menüpunkt and eine Bewegung nach links führt zurück/ stopt die Messung. ממשק המשתמש לממשק משתמש הוא בלוקדיאגרמה.

שלב 6: דיפרת Anfertigen Der Messkugel/ Anschluss

אם יש צורך בפוטודיודה של סוגים SFH-203-P empfohlen eine Messkugel zu verwenden, על מיטב Messergebnisse zu erhalten. אם אינך יכול לבקר במכשיר, לא ניתן יהיה למצוא אותו ולצפות על ידי LEGO ® Bausteinen aufgebaut. ב- 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 können ebenfalls so gekürzt werden, dass sie optimal to 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 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.)

שלב 7: Wissenswertes - Prozess Zur Kalibrierung

Die Tabellen, die wir zur Verfügung stellen, damit Gandalf gültige Messergebnisse liefern kann, להיות 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 ננומטר (ויולט)
   • 445 ננומטר (כחול)
   • 488 ננומטר (ציאן)
   • 532 ננומטר (גרון)
   • 568 ננומטר (ג'ל)
   • 632, 8 ננומטר (ריקבון)
   • 670 ננומטר (tiefrot)
   • 785 ננומטר (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 Counts im Bereich von 0 und 65.536 (16Bit ADC) יכול להרשות לעצמנו, הוא יכול לקבל את זה ב- 30.000 רוזנים לכל מעשה. אז זה יכול להיות Messedaten 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 Countes 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 שטחbaren 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.

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

בכתובת Anleitung zum Aufbau von Gandalf הוא לעתים קרובות die Rede von bestimmten Wellenlängen. האם אבר היה זה?

Als Light light 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 כולל גם 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, as eine Lichtquelle im roten Spektralbereich.

Die Erzeugung des Photodiodenstroms (welchen wir messen) hängt 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.

אם כן, זה חשוב יותר, כי Wellenlänge der zu messenden Lichtquelle ידוע כי הוא אמור להוביל את התערוכה לבקשות.