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

2024 Tus sau: John Day | [email protected]. Kawg hloov kho: 2024-01-30 09:27

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Puas yog Gandalf?

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

Sauron ist ein hochauflösender 4-Kanal Photodiodenverstärker, der mithilfe von geeigneten Photodioden tuag Strahlungsleistung einer Lichtquelle erfassen kann.

Mit der Erweiterung Gandalf ist es möglich Messungen ohne eine Verbindung zum Computer durchzuführen und die gemessene Laserleistung anzu Mehr. Qhov zoo tshaj plaws Anschlusskontakten rau Sauron, einem LCD Zaub, einem Playstation® Joystick, sowie einer Trägerplatine zur Aufnahme eines Arduino Nano, liefert Gandalf ein praktisches Userinterface. Tuag Spannungsversorgung erfolgt mithilfe von Batterien in einem Spannungsbereich von 6-12V.

Dieses Laserleistungsmessgerät nyob rau hauv seiner günstigsten Form bereits für etwa 105 € hergestellt werden.

Kauj Ruam 1: Aufbau Des Boards

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

Spannungsversorgung (mittig rechts): Tuag Versorgungsspannung wird durch Batterien im Spannungsbereich von 6-12V geliefert. Tsis yog LEGO ® Batteriegehäuse rau 6V Batterien verwendet werden. Der Gebrauch einer 9V-Blockbatterie lub kaus mom sich ebenfalls bewährt. Tuag Spannungsversorgung ist ebenfalls über den USB Anschluss des Arduino möglich

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

Arduino Nano (txuas): 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.
• TFT LCD Zaub (oben, überlagert Sauron): Das Display stellt das Menü dar, hauv dem Einstellungen vorgenommen und die Messung gestartet werden kann.

• Bohrungen: Die Maße der Bohrlöcher sind yog li 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 be

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

Kauj Ruam 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

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

Die Hardware von Sauron wird, wie im Projekt MyPhotometrics - Sauron beschrieben (Kauj Ruam 1-3), aufgebaut. Tuag 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. Tuag 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 hauv einem Bau- oder Modellbaumarkt finden.

Unter OSH Park ist die Bestellung der Platine mit dem Button Order now möglich. Alternativ einfach das LegoPhotometerBoard.brd cov ntaub ntawv runterladen und bei einem beliebigen anderen PCB-Fertiger hauv Auftrag geben.

Es sollte nach Möglichkeit ein Arduino Nano verwendet werden, um das kompakte Tsim beizubehalten und die Steckverbindungen des Arduino Nano nutzen zu können. Prinzipiell ist allerdings tuag Verwendung ceev jedes Mikrocontrollers als Steuereinheit möglich, sofern es sich um 5V Controller mit demselben Pin-Out handelt. Ansonsten ist es notwendig die Firmware auf eine abweichende Pinbelegung anzupassen.

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

• SFH-203-P oder
• OSD-50-5T

Tuag SFH-203-P ist die kostengünstige Lösung, tuag rau 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. Nyob rau hauv einer Messkugel kann nahezu die gesamte Strahlung verarbeitet werden.

Der zweite ausgewählte Dioden Typ, tuag 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 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. Tuag Verwendung der OSD-50 ist deshalb und aufgrund ihres hohen Preises nur für professionelle/ semiprofessionelle Laboreinsätze zu empfehlen.

Kauj Ruam 3: Anfertigen Der Hardware

Die Platine wird mithilfe der Steckverbindungen bestückt. Tuag 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 To taub zwischen den Teilen entsteht. Tuag andere Seite ist mit Gewindeschrauben der Maße M2x16mm thiab passenden Muttern zu fixieren.

Das unten gelinkte Video isine eine Step-by-Step Anleitung für den Zusammenbau von Gandalf. Der nächste Kauj Ruam "Konfiguration Arduino" ist ebenfalls im Video erklärt.

Hier geht es zur Step-by-Step Anleitung.

Kauj Ruam 4: Kev teeb tsa Arduino

Rau qhov kev tuag Programmierung mit dem Arduino tuaj yeem tuag frei verfügbare Open Source IDE Arduino Software verwendet werden.

Tuag 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 ntawm Joystick.

Tuag Datei Photometer.ino muss dieber die Arduino Software auf den Controller gespielt werden.

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

Kauj Ruam 5: Verwendung Der Kalibrierdaten Und Anwendung Benutzerinterface

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

Wie das geht und wie hauv Zukunft noch weitere 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 rot umrandete Zeile der Datei Interface.ccp zuzufügen.
2. Als nächstes wird tuag Datei PdResponse.ccp hloov kho. Hier wird tuag 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, wie am Beispiel der SFH-203-P zu sehen, tus tuag Stelle eingetragen werden. Wichtig ist bei der Wellenlänge 785 nm zu beginnen und die jeweiligen Suav Zeile für Zeile einzutragen.
3. Zuletzt müssen dem Header PdResponse.h tuag 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 öffnet sich das Menü auf dem Display. Diesber dieses Menü erfolgt die Einstellung von Gandalf, sowie das Starten der Messung.

Tuag einzelnen Punkte können mithilfe des Joysticks ausgewählt werden. Bewegungen nach rechts bestätigen den Menüpunkt und eine Bewegung nach txuas führt zurück/ stoppt tuag Messung. Tuag Übersicht zu diesem Userinterface ist im Blockdiagramm dargestellt.

Kauj Ruam 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 optimale Messergebnisse zu erhalten. Unsere Messkugel ist zwar nicht kugelförmig, erfüllt aber ihren Zweck thiab ist schnell aus LEGO ® Bausteinen aufgebaut. Hauv ihrem abnehmbaren Deckel findet die Photodiode platz. Durch einen seitlichen Eingang der Messkugel wird tuag einstrahlende Lichtleistung gemessen.

Tuag Anfertigung der Messkugel wird im Instructable vorgestellt. Tuag Anbringung der Photodiode 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 ntom Innenleiter trennen und die Ummantelung des Innenleiters entfernen
• Einen Teil der Außenleiter Fasern verdrillen, den Rest kürzen
• Tuag Innen- und Außenleiter dürfen sich nicht berühren. Um einen Kurzschluss vorzubeugen, kann der verdrillte Außenleiter hauv soweit gekürzt werden, dass ein Berühren nicht möglich ist.
• Tuag Anschlüsse der Diode können ebenfalls yog li gekürzt werden, dass sie pom qhov zoo tshaj plaws tuag Leiter anzubringen ist
• Tuag Diode mithilfe von Lötzinn thiab 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, tuag 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.)

Kauj Ruam 7: Wissenswertes - Prozess Zur Kalibrierung

Tuag Tabellen, tuag wir zur Verfügung stellen, damit Gandalf gültige Messergebnisse liefern kann, wurden mit umfangreichen Messreihen angefertigt. Gandalf soll die Leistung von Lasern messen können, tuag sich in

• Wellenlänge hauv einem Bereich von 405 -785nm
• thiab 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 (liab)
   • 445 nm (blau)
   • 488 nm (xiav)
   • 532 nm (tus nqi)
   • 568 nm (tus nqi)
   • 632,8nm (rot)
   • 670 nm (lub teeb liab)
   • 785 nm (Grenze sichtbarer Spektralbereichs/Infrarot)
2. Messung mit Sauron- Tuag Leistung der Lichtquelle wurde bei jeder Messung li eingestellt, dass Sauron etwa 30.000 Suav zählt. Da Sauron Suav im Bereich von 0 und 65.536 (16Bit ADC) erfassen kann, erwies sich der angepeilte Wert von 30.000 suav als praktisch. Yog li können sich tuag Messdaten um diesen Bereich bewegen, ohne tuag Photodiode hauv 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. Tuag Einstellung der Lichtquelle blieb unverändert. Es folgte eine Dokumentation für jede der 8 Laserdioden mit den ermittelten Suav von von Sauron und der zugehörigen ermittelten Leistung des Leistungsmessgeräts.
4. Annähern des Messverhaltens mittels Polynom - Tus tuag erhaltenen Messdaten wurden Polynome angepasst. Tuag 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 sawv ntsug.

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 nAb
• 80n ua
• 320n ua
• 1280 Nws
• 5120 Nws

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 Suav nähern. Damit deckt Sauron einen Bereich verschiedener Sensitivitäten ab.

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

Nyob rau hauv unserer Anleitung zum Aufbau von Gandalf ist oft tuag Rede von bestimmten Wellenlängen. Aber puas yog überhaupt?

Als Licht txawv nyob rau hauv der Physik ein Bereich elektromagnetischer Strahlung bezeichnet, der mit dem Auge sichtbar ist. Dieser befindet sich hauv 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 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 tseem mehr Energie als ein "rotes" Photon (deswegen bekommt txiv neej auch nur von UV-, kuj ultravioletter, Strahlung mit sehr kurzen Wellenlängen Sonnenbrand). Tuag Leistung einer Lichtquelle gibt an, wieviele Photonen diese Lichtquelle pro Sekunde aussendet. Eine Lichtquelle mit 1W Leistung im violetten Spektralbereich gibt kuj weniger Photonen pro Sekunde ab, als eine Lichtquelle im roten Spektralbereich.

Tuag 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. Hauv der Praxis gehen einige Elektron-Loch-Paare verloren. 100 Photonen erzeugen li 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 tuag Leistung berechnen zu können.