Introduction: Myphotometrics - Sauron: Photodiodenverstärker Zur Messung Von Strahlungsintensität (Education-Version)

Picture of Myphotometrics - Sauron: Photodiodenverstärker Zur Messung Von Strahlungsintensität (Education-Version)


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

Highlights:

  • Eingangsstrombereich 20 nA - 5120 nA
  • Auflösung 10 - 20 Bit
  • Integrationszeit 1 - 1024 ms

Anwendungen:

  • Qualitätskontroller
  • Komponententests
  • Lebensdauertests
  • Photometer
  • Powermeter
  • ...

Die Messung von Strahlungsintensitäten erfolgt über Photodioden, die einfallendes Licht in einen messbaren Strom umwandeln. Sauron ist für die Messung geringer Intensitäten und damit für die Messung kleiner Ströme mit einer unteren Grenze im Bereich einiger nA ausgelegt. Die Aufbereitung und Umwandlung der analogen Messsignale in digitale Werte erfolgt innerhalb des eingesetzten Bausteins. Die Bereitstellung dieser digitalisierten Werte erfolgt über eine I2C-Schnittstelle. Eine Auslesung und Weiterverarbeitung der so bereitgestellten Werte kann bspw. mit einem Mikrocontroller wie z.B. einem Arduino, erfolgen. Mithilfe der grafischen Entwicklungsumgebung LabVIEW™ ist es möglich die Daten des Arduino zu dokumentieren und die Messungen des Photostroms zu beobachten.

In diesem Instructable zeigen wir die Herstellung der Hardware, die Anbindung an einen geeigneten Mikrocontroller. Wir liefern eine funktionsfähige Firmware für einen (fast) beliebigen Arduino (Pinbelegung beachten) und ein Beispiel-LabVIEW™-Programm als Nutzeroberfläche. Hiermit steht dem Einsatz von Sauron im Labor nichts mehr im Weg.

Let's begin...

Step 1: Aufbau Des Boards (PCB)

Picture of Aufbau Des Boards (PCB)
  • AS89010

    (Mitte):

Der AS89010 der Firma asm Sensors Germany bietet eine integrierte Schaltungslösung, um Ströme im Bereich von 20 nA bis 5120 nA mit einer Empfindlichkeit von 20 fA/LSB (1) zu digitalisieren. Über vier Messeingänge (1-4) , mit jeweils unabhängigen, jedoch nur gemeinsam konfigurierbaren, A/D-Wandlern, ist es möglich Messwerte aufzunehmen. Die Messungen lassen sich entweder synchronisiert, das heißt die Messung beginnt zu festgelegten Zeitpunkten, oder kontinuierlich durchführen.

(1) Als LSB wird die Einheit für die digitalen Ausgangswerte des Analog-Digital-Wandlers bezeichnet und beschreibt die kleinste mögliche Differenz zwischen zwei digitalen Werten.

  • Spannungsregler (rechts LDO):

Der Spannungsregler gewährleistet eine stabile Versorgungsspannung, die zur Realisierung von Messschaltungen grundlegend ist. Obwohl der MCDC04 über eine interne hochpräzise Referenzquelle verfügt, ist es sinnvoll eine Versorgung mit geringem Rauschen zu wählen. Wir empfehlen daher einen Low-Noise-LDO als Spannungsregler zur Versorgung des MCDC04.

  • DIP-Schalter (links):

Mithilfe des DIP-Schalters lässt sich die I2C-Slave Adresse des MCDC04 einstellen. Die Kommunikation zur Konfiguration und Datenauslese erfolgt über diese Adresse.

  • Anschlüsse 1-4 (oben):

An den Anschlüssen können SMA-Buchsen angebracht werden, um eine erleichterte Befestigung der Photodioden vornehmen zu können.

(Hinweis: Zur Reduzierung der Anschaffungskosten, können die Photodioden auch direkt angelötet werden. Diese Maßnahme erhöht möglicherweise, aufgrund des direkten Kontakts zur Diode, auch die Signalstabilität)

  • Terminals 1-6 (unten von rechts nach links):
  1. V+
  2. V- (GND)
  3. SYN
  4. RDY
  5. SCL
  6. SDA

(Hinweis: Wie diese Anschlüsse zu benutzen sind wird später in dieser Anleitung erklärt.)

  • Ferritperlen (LR1 und LR2)

Die Ferritperlen dienen zum Abschirmen oder Entkoppeln von Hochfrequenzen und finden somit Verwendung als Hochfrequenzdrosseln. Störstrahlungen sind damit leicht zu eliminieren.

  • Widerstände und Kondensatoren

Die übrigen Bauteile sind nach den Anwendungshinweisen der zu den beschriebenen Bauteilen zugehörigen Datenblätter angeordnet und ausgewählt.

  • Bohrungen

Die Maße der Bohrlöcher sind so gewählt, dass diese mit denen eines LEGO ® Bausteins kompatibel sind, um ein Gehäuse aus LEGO ® anfertigen zu können.

Step 2: Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Picture of Benötigte Bauteile, Platine Und Zubehör

Zunächst werden einige Bauteile benötigt, die unter diesem Link Bauteile Sauron mouser.com
mit der Zugangs ID 739adfe0f8 direkt für eine Bestellung zusammengestellt sind. Der Warenkorb enthält die exakten Bauteilmengen, die für Sauron notwendig sind. Wir empfehlen jedoch die Stückzahl einiger Komponenten zu erhöhen. Dies gilt besonders bei Teilen, die bei der Verarbeitung schnell verloren gehen können (Widerstände, Kondensatoren).

(Hinweis: Der aufgeführte LDO Spannungs-Regulator kann vorzugsweise durch den für dieses Projekt geeigneteren LT1761 ersetzt werden, welcher allerdings nicht auf mouser.com verfügbar ist. LT1761 farnell.com)

(Hinweis: Es ist möglich den Anschluss der Photodiode simpler und günstiger zu gestalten. Akku-Anschlusskabel aus dem RC-Modellbau sind eine praktische Variante. Die Anbringung der Photodiode erfolgt mittels Steckverbindung. Die Signalqualität verringert sich möglicherweise.

Bei Verwendung der SMA Buchsen, sollte die Diode mittels eines Koaxialkabels verbunden werden)

Der AS89010 der Firma asm Sensors Germany kann bei Ineltek GmbH erworben werden. Der Verkaufspreis (Stand 2017) liegt bei 7,00 € Netto je Einheit.

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

  • SFH-203-P oder
  • OSD-50,

da Kalibrierfiles für diese Diodentypen dem Projekt in Zukunft hinzugefügt werden, um die Anzeige der Leistung der Lichtquelle zu ermöglichen. Ohne Kalibrierung ist es ausschließlich möglich die ADC-Werte jedes einzelnen Messeingangs auszulesen und daraus den Photostrom der Diode zu errechnen.

Unter OSHPARK ist die Bestellung der Platine mit dem Button Order now möglich.

Mit Download wird das Boardfile dazu heruntergeladen, damit auf OSHSTENCILS auch das passende Stencil gefertigt werden kann.

Für die Messdatenaufnahme kann ein fast beliebiger Arduino verwendet werden. Die Anpassung der jeweiligen Pinbelegung für die I2C-Schnittstelle in der Firmware ist dem Nutzer überlassen. Bei der Erstellung dieses Projekts wurde ein Arduino Due ausgewählt.

Step 3: Anfertigen Der Hardware

Picture of Anfertigen Der Hardware

Zum Anfertigen der Platine sollte zuerst mithilfe des Stencils Lötpaste auf die vorgesehenen Pads aufgetragen werden. Wie im Video zu sehen, erfolgt das Rakeln der Paste einmalig. Dabei Wenn es nicht beim erstem Mal klappt, ist die Paste abzutragen und die Platine zu reinigen. Als Lötpaste empfehlen wir eine bleifreie Variante, z.B. SMD Solderpaste von Chipquik, zu verwenden, da ansonsten das Einatmen des entstehenden Rauchs beim Erhitzen gesundheitsschädlich wirken kann. Danach sind die einzelnen Bauteile an den richtigen Stellen zu platzieren. Dabei sollte bei den kleinen Bauteilen begonnen werden, um das Bestücken einfacher zu gestalten. Mit etwas Übung ist dann auch der MCDC04 präzise zu platzieren. Zuletzt muss die bestückte Platine erhitzt werden, damit die Lötpaste die Bauteile an die Platine binden kann.Kleine Ungenauigkeiten in der Platzierung der Bauteile sind akzeptabel, beim Aufschmelzen der Lötpaste "zieht" die Oberflächenspannung des Lötzinns die Bauteile in der Regel auf die richtige Position.

Die Lötung erfolgt idealerweise mit einem professionellen Lötofen z.B. einem Dampfphasen Lötofen. Da die Anschaffung eines solchen Geräts sehr teuer ist empfiehlt sich beispielsweise eine kostengünstigere Lösung in Form eines Reflow-Kits, das von PCB Pool angeboten wird.

Ansonsten bietet sich die improvisierte Variante der Erhitzung der Platine mit der Verwendung einer einfachen Herdplatte, z.B. einer Camping Herdplatte, an. Der Vorgang sollte dabei beobachtet werden. Nach einem kurzen "Aufrauchen" der Lötstellen, ist der Lötvorgang abgeschlossen.

Wie dies in einzelnen Schritten aussieht, wird im Video vorgestellt.

(HINWEIS: Das Erhitzen der Platine mit der Kochplatte funktioniert NUR im NICHT vorgeheiztem Zustand und NICHT mit Induktionsherd.)

Überschüssige Lötpaste führt bei Bauteilen wie dem MCDC04 mit einem
Beinchenabstand von 0.635 mm schnell zu Kurzschlüssen nach dem Löten. Normalerweise lässt sich durch kurzes Erhitzen mit einem Lötkolben mit Hohlkehle der überschüssigen Zinn entfernen.

Falls ein 3D-Drucker zur Verfügung steht: Das beiliegende .STL File ist ein kleines Gehäuse (47 mm breit).

Beim Anschluss der Photodiode ist es besonders wichtig das Bauteil richtig herum zu platzieren. Die Anode (langer PIN) muss sich an GND befinden, um die Diode funktionsgemäß zu betreiben (Foto).

Sollte die Diode mit einem Koaxialkabel verbunden werden, ist wie folgt vorzugehen:

Die Anbringung der Photodiode an ein Koaxialkabel funktioniert wie folgt (siehe auch Foto):

  1. Falls vorhanden, ein Stück Schrumpfschlauch auf das Kabel schieben, um die Lötstelle später zu ummanteln
  2. Ummantelung des Koaxialkabels entfernen, beispielsweise mit einem CuttermesserAußenleiter vom Innenleiter trennen und die Ummantelung des Innenleiters entfernen
  3. Einen Teil der Außenleiter Fasern verdrillen, den Rest kürzen
  4. 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 an die Leiter anzubringen ist
  5. Die Diode mithilfe von Lötzinn und Lötkolben befestigen. Der lange Pin (Anode) wird dabei mit dem Außenleiter verbunden, der kurze (Kathode) mit dem Innenleiter.
  6. Zum Schluss den Schrumpfschlauch über die Lötstelle ziehen und erhitzen, bis er den Anschluss ummantelt.

(HINWEIS: Der Anschluss der Diode erfolgt unbedingt wie beschrieben. Das liegt daran, dass die Photodiode in Sperrrichtung betrieben wird)

Step 4: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration LabVIEW

Picture of Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration LabVIEW

Für die grafische Darstellung der Messergebnisse lässt sich die Entwicklungsumgebung LabVIEW™ verwenden. LabVIEW™ ist für Studenten und Schüler kostengünstig zu erwerben. > siehe hier

Für die Kommunikation mit dem Arduino ist das Modul LabVIEW Interface for Arduino über den JKI VI Package Manager zu installieren. Falls dieser noch nicht installiert ist, ist der Package Manager hier zum Download erhältlich.

Achte darauf, dass der NI VISA Treiber installiert ist. Dies ist der Treiber, der für die Kommunikation mit dem Arduino zuständig ist.

Hinweis: Für den Gebrauch eines Arduino Due ist es zusätzlich notwendig das Modul zu modifizieren, da es mit dem Arduino Due ansonsten aufgrund einer Treibereigenschaft, die die Sendefunktionen beeinflusst, inkompatibel ist. Dafür müssen folgende Dateien im Installationsverzeichnis von LabVIEW ersetzt werden:

  • Init.vi unter: „..\National Instruments\LabVIEW [VERSION]\vi.lib\LabVIEW Interface for Arduino“
  • Board Type.ctl unter: „..\LabVIEW Interface for Arduino\Type Defs“

(Die Dateien sind in dem .zip Ordner für die Version V14 von LabVIEW™ vorhanden.)

Die Datei ArduinoDUE_MCDC04_MessungV2 beinhaltet das mit LabVIEW™ entwickelte virtuelle Instrument Sauron VI. Die VI stellt die Basisfunktionalitäten für die Kommunikation und Konfiguration von Sauron zur Verfügung.

Step 5: Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration Arduino

Picture of Kommunikation Zwischen Arduino Und LabVIEW - Konfiguration Arduino

Für die Programmierung mit dem Arduino kann die frei verfügbare Open Source IDE Arduino Software verwendet werden.

Es ist wichtig, dass für die Kommunikation mit dem Arduino der Native Port(USB) verwendet wird. Aus diesem Grund ist die PIN Belegung zwischen Arduino und Sauron wie in der Tabelle vermerkt vorzunehmen.

(Hinweis: Die Pinbelegung kann bei Verwendung eines anderen Mikrocontrollers variieren. Manche Arduino (z.B. der Arduino Nano) verfügen lediglich über eine I2C-Schnittstelle mit festgelegten Pins.)

Speziell für den Arduino Due:

Damit man den Arduino Due mit der Arduino IDE nutzen kann, sollte man zuerst das nötige Modul über den Board Manager installieren (Screenshot).

Für die Kommunikation mit LabVIEW™ stellt National Instruments eine Firmware für den Arduino zur Verfügung. Diese befindet sich im Installationsverzeichnis von LabVIEW™ unter „..\National Instruments\-LabVIEW [VERSION]\vi.lib\LabVIEW Interface for Arduino\Firmware“

Die Datei Arduino_FW.zip beinhaltet die zum Betrieb von Sauron an einem Arduino Due notwendige Firmware. Diese Firmware erlaubt die Konfiguration und das Auslesen der Messdaten mit der ebenfalls bereitgestellten LabVIEW™-VI. Dazu muss "LIFA_Base" aus dem Firmware Ordner durch den gleichnamigen
Ordner aus der .zip Datei ersetzt werden, um die Firmware anzupassen.

Step 6: Funktion Sauron VI

Picture of Funktion Sauron VI

Die Sauron VI dient zur Einstellung der Parameter für die Messung und stellt die Messergebnisse dar.

  • Arduino Resource IN: beinhaltet die nötigen Verbindungsinformationen, wie COMPort, Arduino Typ und Baudrate.
  • Arduino Resource OUT: leitet die Informationen auf darauf folgende VI weiter.
  • Resolution: Einstellung Auflösung, erfolgt intern über Modifikation der Integrationszeit
  • Range: Einstellung Messbereich
  • Ready: dient als Steuerleitung und signalisiert eine abgeschlossene Integration des MCDC04.
  • Iterations: legt die Anzahl der Messungen fest.
  • X: RMS-Value: Ausgabe (X = Kanalnummer)
    • Counts (Iterations < 1) (ADC-Werte)
    • Effektivwert (Iterations > 1)
  • X: DC-Value: Ausgabe (X = Kanalnummer)
    • Counts (Iterations < 1) (ADC-Werte)
    • Arithmetische Mittelwert (Iterations > 1)
  • Divider: stellt einen Teiler von 1, 2, 4 , 8 oder 16 für die Teilung der Counts ein.(Wir nutzen das auch nicht :-))
  • I2C-Address: muss mit der Hardwareadresse von Sauron übereinstimmen. Dies ist die mithilfe des DIP Schalters zugewiesene Slave Adresse.
  • Error IN und Error OUT: sind für die Fehlerbehandlung zu verwenden.

Step 7: Anwendung Benutzerinterface

Picture of Anwendung Benutzerinterface

Nach dem Laden der Sauron VI lassen sich hier über das Benutzerinterface die Betriebsparameter einstellen.

  • Ein/Aus Messkanal: schaltet den jeweiligen Messkanal ein oder aus
  • Analoganzeige/Power: zeigt die auf die jeweilige Photodiode einfallende Leistung in W (Voraussetzung: Die Empfindlichkeit der Photodiode ist bekannt und in der Sauron VI mittels eines Kalibrierfiles hinterlegt. Für die Photodiodentypen SFH-203-P und OSD-50 liefern wir zeitnah entsprechende Dateien.)
  • ERROR: zeigt einen Verbindungsfehler an
  • Live-Mode: Startet den kontinuierlichen Messvorgang
  • Wavelength: Die Wellenlänge der Lichtquelle muss bekannt sein und eingetragen werden
  • Reference Current: Auswahl des Referenzstroms (Messbereich)
  • CSV File Diode: Jeder Messkanal benötigt ein eigenes File, welches die Kalibrierung der jeweiligen Diode beinhaltet. Die Files sind für die zwei verschiedenen Diodentypen in der Firmware des Systems verarbeitet und werden dieser Anleitung nachträglich zugefügt.
  • Measurement GO!: startet die Messung

(Hinweis: Diese Nutzeroberfläche ist nur ein Beispiel, wie Sauron angewendet werden kann. Es können auch andere Nutzerinterfaces angepasst werden, um Sauron je nach Bedürfnis zu verwenden.)

Comments

ThomasK19 (author)2016-06-14

Ein Ring, sie zu knechten xD