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

2024 Mwandishi: John Day | [email protected]. Mwisho uliobadilishwa: 2024-01-30 12:52

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Ilikuwa ist Gandalf?

Gandalf ist eine Stand-Alone Lüsung für die portable Bestimmung von Laserleistung auf 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 und die gemessene Laserleistung anzuzeigen. Bestehend a Anschlusskontakten für Sauron, einem LCD Display, einem Playstation ® Joystick, piga picha Trägerplatine zur Aufnahme eines Arduino Nano, liefert Gandalf ein praktisches Userinterface. Kufa Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien katika einem Spannungsbereich von 6-12V.

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

Hatua ya 1: Bodi za Aufbau Des

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. Es kann beispielsweise ein LEGO ® Batteriegehäuse für 6V Batterien verwendet werden. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie hat sich ebenfalls bewährt. Die Spannungsversorgung ist ebenfalls über den USB Anschluss des Arduino möglich

Joystick (mittig): Jarida la Joy Joystick di Bedienung des Menüs

Arduino Nano (viungo): 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.
• Onyesho la LCD la TFT (oben, überlagert Sauron): Das Display stellt das Menü dar, in dem Einstellungen vorgenommen and die Messung gestartet werden kann.

• Bohrungen: Die Maße der Bohrlöcher sind so gewählt, dass diese mit denen eines LEGO ® Bausteins kompatibel sind, um ein Gehäuse aus LEGO ®- Bausteinen anfertigen zu können und 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.)

Hatua ya 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

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

Die Hardware von Sauron wie, wie im Projekt MyPhotometrics - Sauron beschrieben (Hatua ya 1-3), aufgebaut. 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 empirhlen 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.

Bustani ya OSH ni Bestellung der Platine mit dem Button Order sasa möglich. Njia mbadala ya LegoPhotometerBoard.brd file runterladen und bei einem beliebigen anderen PCB-Fertiger in Auftrag geben.

Es sollte nach Möglichkeit ein Arduino Nano verwendet werden, um das kompakte Design beizubehalten und die Steckverbindungen des Arduino Nano nutzen zu können. Prinzipiell ist allergings die Verwendung fast jedes Mikrocontrollers als Steuereinheit möglich, sofern es sich um 5V Mdhibiti wa demselben Pin-Out handelt. Ansonsten is notwendwendig die Firmware aine ewe abweichende Pinbelegung anzupassen.

Prinzipiell ist jegliche Art einer Photodiode mit dem Messsystem kompatibel. Wir empfehlen kufa Nutzung von Dioden der Typen

• SFH-203-P harufu
• OSD-50-5T

Die SFH-203-P ist die kostengünstige Lösung, kufa kwa sababu ya Anwendungen und Versuche ausreicht. Die Messungen sollten mithilfe einer angefertigten Messkugel aus LEGO ® - Bausteinen durchgeführt werden, damit die Messung zu verwertbaren Ergebnissen führt. Kwa sababu hii, 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 mashirika ya Kujitolea. Katika einer Messkugel kann na juu kufa gesamte Strahlung verarbeitet werden.

Kwa sababu ya 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. Kufa kwa Diode kunaweza kutekelezwa kwa kutumia Fläche za 50qmm kwa njia ya Messungen mit einer direkten Einstrahlung der Quelle, auch ohne Messkugel. Allerdings is die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt und übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. Die Verwendung der OSD-50 ist deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur für professionelle / semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Hatua ya 3: Anfertigen Der Hardware

Kufa 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 Kusimamia zwischen den Teilen entsteht. Kufa na kujadili ni moja kwa moja Gewindeschrauben der Maße M2x16mm na passive Muttern zu fixieren.

Das unten gelinkte Video ist eine Hatua kwa hatua Anleitung für den Zusammenbau von Gandalf. Katika hatua "Konfiguration Arduino" ist ebenfalls im Video erklärt.

Hier geht es zur Hatua kwa hatua Anleitung.

Hatua ya 4: Usanidi Arduino

Kutoa Programu ya Programu ya Mitaani ya Arduino inaweza kuwa chanzo cha Open Source IDE Arduino Software verwendet werden.

Die Datei Photometer.zip beinhaltet die zum Betrieb von Gandalf mit dem Arduino Nano notwendige Firmware. Diese Firmware erlaubt die Konfiguration and das Auslesen der Messdaten auf dem Display mithilfe der Steuerung kupitia Joystick.

Die Datei Photometer.ino ni programu ya Arduino Programu ya Mdhibiti gespielt werden.

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

Hatua ya 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. Diese Tabelle ist für die SFH-203-P bereits in der Firmware vifaa vya ujenzi. Kufa Tabelle kwa kufa OSD-50 muss dort nachgetragen werden.

Tutakua na habari katika Zukunft noch weitere Tabellen kwa Photodioden zugefügt werden können ist mithilfe der picha (siehe Screenshots) leicht zu verstehen:

Zur Veranschaulichung legen wir die Photodiode "Dummy" im Programu ya.

1. Für den Menüeintrag von Dummy ist die im Screenshot rot umrandete Zeile der Datei Interface.ccp zuzufügen.
2. Als nächstes wird die Datei PdResponse.ccp modifiziert. Hier wird die Funktion, welche die Kalibrierdaten enthält zugefügt. Dazu ist die Tabelle, wie im Beispiel der OSD-50 zu sehen, zu kopieren. Zukünftig bereitgestellte Kalibrier-Dateien können, ni Beispiel der SFH-203-P zu sehen, dizeli Stelle eingetragen werden. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm zu beginnen und die jeweiligen Counts Zeile für Zeile einzutragen.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h kufa wiederum kuoza umrandeten Zeilen zugefügt werden. Das modifizierte Programm kann dann mit dem Upload Button auf den Arduino gespielt werden.

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

Die einzelnen Punkte können mithilfe des Joysticks ausgewählt werden. Bewegungen nach rechts bestätigen den Menüpunkt and eine Bewegung nach viungo führt zurück / stoppt die Messung. Die Übersicht zu diesem Userinterface ist im Blockdiagramm dargestellt.

Hatua ya 6: Anfertigen Der Messkugel / Anschluss Diode

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

Die Anfertigung der Messkugel wird im Inayoweza kufundishwa vorgestellt. Kufa Anbringung der Photodiode kwa Koaxialkabel funktioniert wie folgt (siehe auch Picha):

• 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 katika soweit gekürzt werden, dass ein Berühren nicht möglich ist.
• Die Anschlüsse der Diode können ebenfalls so gekürzt werden, dass sie optimal an die Leiter anzubringen ist
• Kufa kwa 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 (Picha).

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

Hatua ya 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 wamechanganyikiwa, kufa sich in

• Wellenlänge katika 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 (zambarau)
   • 445 nm (blau)
   • 488 nm (cyan)
   • 532 nm (gruni)
   • 568 nm (gelb)
   • 632, 8 nm (kuoza)
   • 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 Hesabu zählt. Hesabu za Da Sauron im Bereich von 0 und 65.536 (16Bit ADC) erfassen kann, erwies sich der angepeilte Wert von 30.000 Hesabu als praktisch. Kwa hivyo 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 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 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 kusimama.

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 Hesabu nähern. Damit deckt Sauron einen Bereich anayetumia akili Sensitivitäten ab.

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

Katika unserer Anleitung zum Aufbau von Gandalf hafi mara nyingi Rede von bestimmten Wellenlängen. Aber alikuwa ist das überhaupt?

Als Licht wird in der Physik ein Bereich elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, der mit dem Auge sichtbar ist. Dieser befindet sich katika einem Wellenlängenbereich von etwa 380-780 nm. Das Auge fasst die verschiedenen Wellenlängen als Farben anfangend bei violett (380nm) über blau, grün, gelb und rot (780nm) auf.

Die Energie eines Photons ilichapishwa kwa njia hii:

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 pia mehr Energie als ein "kura" Photon (deswegen bekommt man auch nur von UV-, pia ultravioletter, Strahlung mit sehr kurzen Wellenlängen Sonnenbrand). Mtaalam wa vifaa vya Lichtquelle gibt an, wieviele Photonen diese Lichtquelle pro Sekunde aussendet. Eine Lichtquelle mit 1W Leistung im violetten Spektralbereich gibt pia realger Photonen Pro Sekunde ab, als eine Lichtquelle im roten Spektralbereich.

Kufa Erzeugung des Photodiodenstroms (welchen wir messen) jina la jina Anzahl der einfallenden Photonen ab. Jedes Photon erzeugt katika einer Photodiode idealerweise ein Elektron-Loch-Paar. Katika der Praxis gehen einige Elektron-Loch-Paare verloren. 100 Photonen erzeugen hivyo bspw. 60 Elektroniki-Loch-Paare. Eine sinnvolle Zuordnung dizeli 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.