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

2024 Autor: John Day | [email protected]. E modifikuara e fundit: 2024-01-30 12:20

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Ishte Gandalf?

Gandalf ist eine Stand -Alone Lösung für die portable Më i miri nga Laserleistung auf Bazat e 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 Kompjuter durchzuführen und die gemessene Laserleistung anzuzeigen. Më së miri Përgjigjet për Sauron, ekranin e ekranit LCD, einem Playstation® Joystick, tregoni më shumë Trägerplatine në Aufnahme eines Arduino Nano, gënjeni Gandalf në praktikën e përdoruesit. Die Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien në einem Spannungsbereich von 6-12V.

Vdes Laserleistungsmessgerät kann në seiner günstigsten Forma e humbjeve për 105 € hergestellt werden.

Hapi 1: Bordet e Aufbau Des

Die Platine ist so gestaltet, dass die einzelnen Bauteile gesteckt u bënë të njohura dhe das Modul Sauron einfach zu integrieren ist.

Spannungsversorgung (mittig rechts): Die Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich von 6-12V geliefert. Kanshtë e mundur të përdorni LEGO ® Batteriegehäuse für 6V Batterien verwendet werden. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie hat sich ebenfalls bewährt. Die Spannungsversorgung ist ebenfalls USBber nga USB Anschluss des Arduino möglich

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

Arduino Nano (lidhjet): Auf diesem Board wurde als Mikroprozessor der Arduino Nano verwendet, mirëpritur nga 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 Display (oben, überlagert Sauron): Paraqitni ekranin tuaj në Menu, në demin e Einstellungen vorgenommen und die Messung gestartet u shfaq.

• 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 Shuttleen.

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

Hapi 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 nga Sauron wird, wie im Projekt MyPhotometrics - Sauron beschrieben (Hapi 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 sigurohuni që të vini në Verwendung von zwei M2x18 Zylinderkopf Schrauben, sowie insgesamt sechs passenden Muttern. Diese lassen sich problemlos auf Ebay oder në einem Bau- oder Modellbaumarkt finden.

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Porosit tani. Alternativ einfach das LegoPhotometerBoard.brd skedari runterladen und bei einem beliebigen anderen PCB-Fertiger në Auftrag geben.

Për më tepër, ju mund të përdorni Arduino Nano verwendet, dhe mund të përdorni një dizajn të dizajnuar nga Steckverbindungen des Arduino Nano nga kunnen. Prinzipiell është duke pretenduar se ata vdesin shpejt nga Mikrokontrollorët dhe Stevereinheit më së miri, më të përshtatshmet janë 5V Kontrollues i cili përdoret nga Pin-Out handelt. Përgjigjet nuk janë të njohura me firmuerin që ju lutemi përdorni Pinbelegung anzupassen.

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

• Shes SFH-203-P
• OSD-50-5T

Die SFH-203-P ist 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 aktive Fläche dieser Photodiode mit 1qmm meist kleiner ist als die Querschnittsfläche eines üblichen Laserstrahls. Somit könnte Gandalf nur einen Teil der emittierten Strahlung aufnehmen und messen. In einer Messkugel kann nahezu die gesamte Strahlung verarbeitet werden.

Përgjigje ausgewählte Dioden Typ, die OSD-50-5T, ju lutem lexoni të dhëna të tjera në 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 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 und übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. Die Verwendung der OSD-50 ist deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur für professionalelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Hapi 3: Anfertigen Der Hardware

Die 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 dember dem Photodiodenverstärker Sauron eignet sich die im zusammengestellten Warenkorb hinterlegte Buchsenleiste/ Header, damit genügend Përballoni zwischen den Teilen entsteht. Die andere Seite ist mit Gewindeschrauben der Maße M2x16mm dhe passenden Muttern për të rregulluar.

Das unten gelinkte Video është një hap pas hapi Anleitung für den Zusammenbau von Gandalf. Hapi Hapi "Konfigurimi Arduino" është duke rënë në skedarin e videos.

Hier geht es zur Hap pas hapi Anleitung.

Hapi 4: Konfigurimi Arduino

Për më tepër Programmierung mit dem Arduino mund të përdorë falas verifikimin e burimit të hapur IDE Arduino Software verwendet.

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

Die Datei Photometer.ino muss dhe ber vdes Arduino Software nga Kontrolluesi u përdor.

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

Hapi 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 është gjetur për të vdekur SFH-203-P në Firmware hinterlegt. Die Tabelle für die OSD-50 muss dort nachgetragen werden.

Wie das geht und wie në Zukunft nuk jemi në Tabellen für Photodioden zugefügt werden können ist mithilfe der Bilder (siehe Screenshots) leicht zu verstehen:

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

1. Für den Menüeintrag von Dummy ist die im Screenshot kalbja e Zeile der Datei Interface.ccp zuzufügen.
2. Ass nächstes wird die Datei PdResponse.ccp modifikohet. Hier wird die Funktion, mirëpritur Kalibrierdaten entält zugefügt. Dazu ist die Tabelle, wie im Beispiel der OSD-50 zu sehen, zu kopieren. Zukünftig bereitgestellte Kalibrier-Dateien können, wie am Beispiel der SFH-203-P zu sehen, një dieser Stelle eingetragen werden. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm në fillimin dhe vdekjen e argjendarisë Numëron Zeile për Zeile einzutragen.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h die wiederum rot umrandeten Zeilen zugefügt werden. Das modifizierte Programm kann dann mit dem Upload Button auf den Arduino gespielt werden.

Mit dem Anlegen der Versorgungsspannung ffnet sich das Menü auf dem Display. Über vdes 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 und eine Bewegung nach links führt zurück/ stoppt die Messung. Die Übersicht zu diesem Përdoruesi i ndërfaqes është në Blockdiagramm dargestellt.

Hapi 6: Anfertigen Der Messkugel/ Anschluss Diode

Wie bereits beschrieben, ist für die Photodiode des Typs SFH-203-P duke përdorur mesazhe në mesin e të dhënave, në mënyrë optimale Messergebnisse në erhalten. Unsere Messkugel ist zwar nicht kugelförmig, erfüllt aber ihren Zweck und ist schnell aus LEGO ® Bausteinen aufgebaut. Në 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 a ein Koaxialkabel funkioniert wie folgt (shiko 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 a 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, gen esgt 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 funktioniert dann aber nicht.)

Hapi 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 messen können, die sich in

• Wellenlänge në einem Bereich von 405 -785nm
• und Leistung

i patrajtuar 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 (vjollce)
   • 445 nm (blau)
   • 488 nm (cian)
   • 532 nm (grün)
   • 568 nm (xhelb)
   • 632, 8 nm (kalbje)
   • 670 nm (tiefrot)
   • 785 nm (Grenze sichtbarer Spektralbereichs/Infrarot)
2. Messung mit Sauron- Die Leistung der Lichtquelle wurde bei jeder Messung so eingestellt, domethënë Sauron dhe 30.000 Numra zählt. Da Sauron Counts në Bereich von 0 dhe 65.536 (16Bit ADC) mund të identifikohemi, të gjithë ata janë 30.000 akuza në praktikë. Pra, kichnnen 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 gjegen 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 Dokumentacioni për 8 ditë 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, mund të ndiqet nga 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 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 Numërime nähern. Damit deckt Sauron einen Bereich verschiedener Sensitivitäten ab.

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

Në të parën Anleitung zum Aufbau von Gandalf ist shpesh vdes Rede von bestimmten Wellenlängen. Aber ist das überhaupt?

Als Licht wird in der Physik ein Bereich elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, der mit dem Auge sichtbar ist. Dieser është gjetur në einem Wellenlängenbereich von etwa 380-780 nm. Das Auge fasst die verschiedenen Wellenlängen als Farben anfangend bei violett (380nm) në blau, grün, gelb und kalb (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 entält gjithashtu me 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 dha gjithashtu weniger Photonen pro Sekunde ab, si dhe Lichtquelle im roten Spektralbereich.

Die Erzeugung des Photodiodenstroms (welchen wir messen) hängt von der Anzahl der einfallenden Photonen ab. Jedes Photon ergëzohet në Einer Photodiode idealerweise në 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.

Genau deshalb ist es wichtig, dass die Wellenlänge der zu messenden Lichtquelle bekannt ist, um die Leistung berechnen zu können.