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

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:05

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เป็นแกนดัล์ฟหรือไม่?

Gandalf ist eine Stand-Alone Lösung für die portable Bestimmung von Laserleistung auf Basis von MyPhotometrics - เซารอน

เซารอน 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. ข้อมูลทั่วไป Bestehend aus Anschlusskontakten สำหรับ Sauron, einem LCD Display, einem Playstation® Joystick, sowie einer Trägerplatine zur Aufnahme eines Arduino Nano, liefert Gandalf ein praktisches Userinterface Die Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien ใน einem Spannungsbereich ฟอน 6-12V.

Dieses Laserleistungsmessgerät kann ใน seiner günstigsten แบบฟอร์ม bereits für etwa 105€ hergestellt werden

ขั้นตอนที่ 1: Aufbau Des Boards

Die Platine ist so gestaltet, dass die einzelnen Bauteile gesteckt werden können und das Modul เซารอน einfach zu integrieren ist

Spannungsversorgung (mittig rechts): Die Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich ฟอน 6-12V geliefert คลิกเพื่อดูข้อมูลเพิ่มเติม LEGO ® Batteriegehäuse für 6V Batterien verwendet werden. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie หมวก sich ebenfalls bewährt. ตาย Spannungsversorgung ist ebenfalls über den USB Anschluss des Arduino möglich

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

Arduino Nano (ลิงค์): 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 และ digitalisiert die Daten
• จอแสดงผล TFT LCD (oben, überlagert Sauron): Das Display stellt das Menü dar, in dem Einstellungen vorgenommen und 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 Shuttlei.

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

ขั้นตอนที่ 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

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

Die Hardware von Sauron wird, wie im Projekt MyPhotometrics - Sauron beschrieben (ขั้นตอนที่ 1-3), aufgebaut. Die Befestigung von Sauron sollte nach Möglichkeit mit zwei Rundplatten 1x1 จาก 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 ฟอน zwei M2x18 Zylinderkopf Schrauben, sowie insgesamt sechs passenden Muttern. Diese lassen sich problemlos auf Ebay oder in einem Bau- oder Modellbaumarkt finden. การแก้ปัญหา

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button สั่งซื้อตอนนี้ möglich ทางเลือกอื่น LegoPhotometerBoard.brd file runterladen und bei einem beliebigen anderen PCB-Fertiger ใน Auftrag geben

เริ่มต้นจาก Möglichkeit ein Arduino Nano ทำงานเต็มประสิทธิภาพ ออกแบบด้วยหน้าจอและตาย Prinzipiell ist allerdings die Verwendung fast jedes Mikrocontrollers als Steuereinheit möglich, sofern es sich um 5V Controller mit demselben แฮนเดิลพินเอาต์ Ansonsten ist es notwendig die Firmware auf eine abweichende Pinbelegung anzupassen. แก้ไขปัญหา

Prinzipiell ist jegliche Art einer โฟโตไดโอด mit dem Messsystem kompatibel Wir empfehlen ตาย Nutzung von Dioden der Typen

• SFH-203-P หรืออื่นๆ
• OSD-50-5T

Die SFH-203-P ist die kostengünstige Lösung, die für einfache Anwendungen และ Versuche ausreicht. Die Messungen sollten mithilfe einer angefertigten Messkugel หรือ 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 และ messen. ใน einer Messkugel kann nahezu ตาย gesamte Strahlung verarbeitet werden

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, ตาย 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. ใน 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, โอเน่ Messkugel Allerdings ist die Diode bereits bei Leistungen unter 1mW übersättigt และ übersteuert aus diesem Grund bei der Messung konventioneller Laserpointer. ตายแล้ว der OSD-50 ist deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur für careerelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

ขั้นตอนที่ 3: Anfertigen Der Hardware

Die Platine wird mithilfe der Steckverbindugen bestückt. Die einzelnen Steckverbinder sollten durch Lötungen mit den Kontakten verbunden werden (z. B. mit solch einem Lötkolben und Lötdraht).

สำหรับ Anbringen และ Anschließen der Pins des Displays über dem Photodiodenverstärker Sauron eignet sich die im zusammengestellten Warenkorb hinterlegte Buchsenleiste/ Header, damit genügend Abstand zwisentstetchen h Teilen. Die andere Seite ist mit Gewindeschrauben der Maße M2x16mm และ passenden Muttern zu fixieren.

Das unten gelinkte วิดีโอ ist eine Step-by-Step Anleitung für den Zusammenbau von Gandalf. Der nächste Step "Configuration Arduino" เป็น ebenfalls im Video erklärt.

Hier geht es zur ทีละขั้นตอน Anleitung

ขั้นตอนที่ 4: การกำหนดค่า Arduino

Für die Programmierung mit dem Arduino kann die frei verfügbare ซอฟต์แวร์โอเพ่นซอร์ส IDE Arduino ทั่วโลก

Die Datei Photometer.zip beinhaltet die zum Betrieb von Gandalf mit dem Arduino นาโนเฟิร์มแวร์ Diese Firmware erlaubt die การกำหนดค่าและการใช้งาน Auslesen der Messdaten auf dem แสดง mithilfe der Steuerung ผ่านจอยสติ๊ก

Die Datei Photometer.ino muss über die Arduino Software auf den Controller เป็นตัวควบคุม

(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.)

ขั้นตอนที่ 5: Verwendung Der Kalibrierdaten Und Anwendung Benutzerinterface

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

Wie das geht und wie in Zukunft noch weitere Tabellen für Photodioden zugefügt werden können ist mithilfe der รูปภาพ (ภาพหน้าจอของ siehe) leicht zu verstehen:

Zur Veranschaulichung กับ wir die โฟโตไดโอด "Dummy" im Programm an.

1. Für den Menüeintrag von Dummy ist die im Screenshot เน่า umrandete Zeile der Datei Interface.ccp zuzufügen
2. Als nächstes wird die Datei PdResponse.ccp modifiziert. Hier wird die Funktion, welche ตาย Kalibrierdaten enthält zugefügt Dazu ist ตาย 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, an dieser Stelle eingetragen werden. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm zu beginnen und die jeweiligen Counts Zeile für Zeile einzutragen. มากกว่านั้น
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h ตาย wiederum rot umrandeten Zeilen zugefügt werden Das modifizierte Programm kann dann mit dem Upload Button สำหรับ Arduino gespielt werden

Mit dem Anlegen der Versorgungsspannung öffnet sich das เมนู auf dem Display. Über dieses Menu erfolgt ตาย Einstellung von Gandalf, sowie das Starten der Messung

ตาย einzelnen Punkte können mithilfe des Joysticks ausgewählt werden Bewegungen nach rechts bestätigen den Menüpunkt และ eine Bewegung nach links สำหรับ zurück/ stoppt die Messung ตาย Übersicht zu diesem Userinterface ist im Blockdiagramm dargestellt.

ขั้นตอนที่ 6: Anfertigen Der Messkugel/ Anschluss Diode

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

Die Anfertigung der Messkugel wird im vorgestellt ที่สอนได้ Die Anbringung der Photodiode an ein Koaxialkabel funktioniert wie folgt (siehe auch Foto):

• น้ำตก vorhanden, ein Stück Schrumpfschlauch auf das Kabel schieben, um die Lötstelle später zu ummanteln
• Ummantelung des Koaxialkabels entfernen, beispielsweise mit einem คัตเตอร์เมสเซอร์
• Außenleiter vom Innenleiter trennen und die Ummantelung des Innenleiters entfernen
• Einen Teil der Außenleiter Fasern verdrillen, den Rest เคอร์เซน
• Die Innen- และ Außenleiter dürfen sich nicht berühren อืม einen Kurzschluss vorzubeugen, kann der verdrillte Außenleiter ใน soweit gekürzt werden, dass ein Berühren nicht möglich ist
• Die Anschlüsse der Diode können ebenfalls so gekürzt werden, dass sie ดีที่สุดและตาย Leiter anzubringen ist
• Die Diode mithilfe von Lötzinn และ Lötkolben befestigen. Der lange Pin (แอโนด) wird dabei mit dem Außenleiter verbunden, der kurze (Kathode) mit dem Innenleiter
• Zum Schluss den Schrumpfschlauch über ตาย 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 (ภาพถ่าย).

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

ขั้นตอนที่ 7: Wissenswertes - Prozess Zur Kalibrierung

Die Tabellan, ตาย wir zur Verfügung stellen, damit Gandalf gültige Messergebnisse liefern kann, wurden mit umfangreichen Messreihen angefertigt แกนดัล์ฟ โซลล์ ตาย Leistung von Lasern messen können, die sich in

• Wellenlänge ใน einem Bereich ฟอน 405 -785nm
• อุนด์ เลสตุง

อุนเทอร์ไชเดน Aus diesem Grund war es notwendig die Messreihen mit verschiedenen Lasern als Lichtquellen und in verschiedenen Messbereichen durchzuführen. เยอรมนี Wir haben hierbei Wellenlängen ฟอน typischerweise erhältlichen Lasern im sichtbaren Spektralbereich verwendet. Der Kalibrierungsprozess verlief wie folgt:

1. Bestrahlung der Photodiode mit acht verschiedenen Lasern เดอ Wellenlängen

   • 405 นาโนเมตร (สีม่วง)
   • 445 นาโนเมตร (บลู)
   • 488 นาโนเมตร (สีฟ้า)
   • 532 นาโนเมตร (กรัน)
   • 568 นาโนเมตร (เจล)
   • 632, 8 นาโนเมตร (เน่า)
   • 670 นาโนเมตร (ไทฟรอท)
   • 785 นาโนเมตร (Grenze sichtbarer Spektralbereichs/Infrarot)
2. Messung mit Sauron- Die Leistung der Lichtquelle wurde bei jeder Messung so eingestellt, dass Sauron etwa 30.000 นับจำนวน Da Sauron Counts im Bereich ฟอน 0 und 65.536 (16Bit ADC) erfassen kann, erwies sich der anngepeilte Wert von 30,000 Counts als praktisch. ดังนั้น können sich die Messdaten umdiesen 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 อืม ตาย Leistung zu ermitteln Es handelte sich hierbei um das Messgerät Field Master der Firma Coherent Die Einstellung der Lichtquelle blieb unverändert. เอกสารประกอบสำหรับ 8 Laserdioden mit den ermittelten Counts von Sauron und der zugehörigen ermittelten Leistung des Leistungsmessgeräts.
4. Annähern des Messverhaltens ถุงมือ Polynom - An die erhaltenen Messdaten wurden Polynome angepasst. Die ermittelte Polynome erlauben die Interpolation der Kalibrierdaten auf nicht gemessene Wellenlängen. แม่พิมพ์ 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 verfügbaren Messreihe

• 20 นาที
• 80 nA
• 320 nA
• 1280 nA
• 5120 นา

วีเดอร์โฮลท์ เวอร์เดน Hiermit verringern wir den Einfluss von Nicht-Linearitäten beim Umschalten der verschiedenen Verstärkungsbereiche. Dabei sollte sich jede Messung möglichst den angestrebten 30,000 Counts นาน Damit deckt เซารอน einen Bereich verschiedener Sensitivitäten ab.

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

ใน Unserer Anleitung zum Aufbau von Gandalf ist oft die Rede von bestimmten Wellenlängen Aber เคยเป็น ist das überhaupt?

Als Licht wird ใน der Physik ein Bereich elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, der mit dem Auge sichtbar ist. Dieser befindet sich ใน einem Wellenlängenbereich von etwa 380-780 นาโนเมตร Das Auge fasst die verschiedenen Wellenlängen และ 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 enthält ยัง 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 ออสเซนเดต์ Eine Lichtquelle mit 1W Leistung im violetten Spektralbereich gibt และ weniger Photonen pro Sekunde ab, als eine Lichtquelle im roten Spektralbereich

Die Erzeugung des Photodiodenstroms (welchen wir messen) hängt von der Anzahl der einfallenden โฟตอน ab. Jedes Photon erzeugt ใน einer Photodiode ในอุดมคติ ein Elektron-Loch-Paar ใน der Praxis gehen einige Elektron-Loch-Paare verloren 100 Photonen erzeugen ดังนั้น bspw. 60 อิเลคโทรเนน-ล็อค-แพร์ Eine sinnvolle Zuordnung dieser Anzahl von Elektronen-Loch-Paaren zu einer Lichtleistung erfordert daher ตาย Kenntnis der Wellenlänge der einfallenden Photonen

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