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Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Elettronica lineare e digitale: didattica ed applicazioni

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[1] Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utentethunderbolt128 » 13 lug 2016, 19:21

Avrei intenzione di costruire un misuratore di potenza ottica per diodi laser, sia per controllarne un eventuale usura, sia per poter avere un idea della potenza ottica in uscita in relazione alla potenza elettrica assorbita, ho trovato principalmente due vie di realizzazione:
1) Utilizzare come trasduttore un fotodiodo.
2) Utilizzare come trasduttore una cella di Peltier (con bersaglio dipinto di colore nero per assorbire completamente la luce sia visibile che non visibile) con effetto seedback.

La soluzione che sfrutta il fotodiodo non è quasi per niente documentata sul web a livello hobbystico, la soluzione con cella di Peltier ha invece dalla sua parte svariate realizzazioni. A riguardo di quest'ultima, purtroppo, non capisco quale relazione lega la potenza ottica sprigionata dal laser al conseguente aumento di temperatura e quindi la relativa tensione letta ai capi della cella. Vedo solo sperimentatori che, con un laser di una potenza nota, tarano il loro misuratore finché non leggono sul display la potenza nota del loro laser calibratore, anche se mi chiedo se questa procedura sia sufficiente a garantire una buona precisione con letture di potenze maggiori o minori.

Ahimè non cerco una risposta precisa, poiché io stesso sono indeciso su quale via intraprendere. La soluzione con il fotodiodo è per me infattibile ora come ora, non ho proprio la minima idea della relazione presente tra potenza ottica e lettura ai capi del fotodiodo, oltre a non sapere le specifiche del diodo da scegliere. La soluzione con la cella di Peltier sembra essere relativamente semplice sebbene ci sia sempre questo scoglio da superare.

Se qualcuno ha più conoscenze di me potrebbe spiegarmi pregi e difetti dei due metodi ed i relativi principi di funzionamento sarò lieto di ascoltare i suoi consigli :-)
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[2] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto UtenteCandy » 13 lug 2016, 19:51

Argomento interessante, piu' per curiosita' mia che altro. Sono somaro in materia. Immagino che la via della cella di Peltier abbia una dinamica di risposta parecchio lenta. Ha senso percorrere una strada simile?
Quale sarebbe lo scopo dell'applicazione?
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[3] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utentethunderbolt128 » 13 lug 2016, 20:27

L'idea è partita da quando mi diletto in piccole incisioni su balsa (a scopo modellistico) con la cnc di un mio amico che a tempo perso mi lascia a disposizione (ha piccolo modulo laser montato al posto dell'elettromandrino). Siccome "l'appetito vien mangiando", la semplice voglia di incidere su pezzi di legno si è trasformata in una passione per l'ottica e i laser in particolare. Una realizzazione simile, oltre ad essere utile per effettuare comparazioni tra vari moduli laser, misurare la potenza ottica in relazione alla potenza elettrica assorbita e controllare eventuali perdite di potenza dovute a usure e danneggiamenti, potrebbe essere senz'altro un esperienza utile per approfondire le mie piccole e modeste conoscenze elettroniche basilari :cool:
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[4] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utenteboiler » 13 lug 2016, 20:28

Ci sono tre tecnologie comunemente impiegate industrialmente:
- fotodiodo
- sensore piroelettrico
- sensore termico

Il fotodiodo è molto veloce, riesce a rilevare intensità molto basse (pW) ma ha una sensibilità dipendente dalla lunghezza d'onda.
Il sensore termico è piú lento, ma ha una risposta piatta rispetto alla lunghezza d'onda e sopporta potenze molto elevate.
Il sensore piroelettrico si usa per sorgenti pulsate (per esempio femtosecond-lasers).

Il calcolo per il fotodiodo che ti spaventa è in realtà facile:
http://advancedphotonix.com/wp-content/ ... C154SM.pdf
Tu conosci la lunghezza d'onda del tuo laser. Dal grafico ricavi l'efficienza del diodo (quante A per W incidente), due calcoli e sei a posto (occhio che vale per questo specifico fotodiodo, ognuna ha la sua curva, dipendente dal drogaggio e da eventuali filtri).

Il sistema termico può avere tempi di risposta abbastanza brevi (1-3 secondi), ma va fatto su un sensore molto piccolo, non certo su una cella peltier!
Inoltre è difficile avere un rivestimento che abbia una risposta veramente piatta (se lo si fa-da-se).

Visto che la vedo dura fare una taratura casereccia, opterei piuttosto per il fotodiodo.

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[5] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utentethunderbolt128 » 13 lug 2016, 20:35

Foto Utenteboiler, la tua risposta è per me una manna dal cielo ;-)
Mi scuso per la mia ignoranza, non capisco per cosa stia la "A" nel grafico della relazione A/W. Da quello che ho capito ogni lunghezza d'onda è più o meno sensibile al nostro fotodiodo, quindi questa è una sorta di tabella di correzione giusto?
Inoltre, cosa leggo ai capi del fotodiodo? Una tensione che cresce linearmente in base alla potenza ottica rilevata? :-|
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[6] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utenteboiler » 13 lug 2016, 20:51

A sta per ampere.
Per esempio: a 850 nm (infrarosso) ogni watt incidente genera 500 mA di corrente.

Sì, potresti leggere la tensione ai capi del diodo, ma è un metodo pessimo.
Il metodo giusto è tenere il diodo in cortocircuito con un op-amp e convertire la corrente che lo attraversa in una tensione. Il circuito si chiama amplificatore a transimpedenza.

Probabilmente avrai una dinamica molto alta, ti conviene quindi prevedere diversi livelli di amplificazione o (meglio) usare un amplificatore logaritmico (LOG114 o ADL5304, quest'ultimo è un piccolo mostro!).

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[7] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utenteboiler » 13 lug 2016, 20:55

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[8] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utentethunderbolt128 » 13 lug 2016, 21:02

boiler ha scritto: Probabilmente avrai una dinamica molto alta, ti conviene quindi prevedere diversi livelli di amplificazione o (meglio) usare un amplificatore logaritmico (LOG114 o ADL5304, quest'ultimo è un piccolo mostro!).
Boiler

Con dinamica e livelli di amplificazione intendi l'ampia variazione del grafico A/W in base alla lunghezza d'onda in gioco? Quali vantaggi porta l'uso di un amplificatore logaritmico?

Infine: Ammettiamo ad esempio di voler misurare fino a 1W di potenza ottica, in base a quali specifiche scelgo il diodo da utilizzare?

EDIT: Ho visto il pdf che hai postato, l'ho scaricato sul PC per stamparlo e leggerlo con calma, a prima vista cozza a pennello con quello che cercavo. Sono molte pagine, cercherò di leggerlo con calma e non appena sorge qualche dubbio mi permetto di appellarmi a voi ;-)
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[9] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utenteboiler » 13 lug 2016, 21:47

thunderbolt128 ha scritto:Con dinamica e livelli di amplificazione intendi l'ampia variazione del grafico A/W in base alla lunghezza d'onda in gioco?

No, intendo che se vuoi misurare la luce ambientale, poi un LED e poi un laser passi dai uW ai W. Sono 6 ordini di grandezza.

Quali vantaggi porta l'uso di un amplificatore logaritmico?

Quali vantaggi hai quando rappresenti un grafico con scala logaritmica?

Infine: Ammettiamo ad esempio di voler misurare fino a 1W di potenza ottica, in base a quali specifiche scelgo il diodo da utilizzare?

Guarda che la corrente che ti aspetti di avere sia sotto a quella massima di corto del diodo. E occhio alle dimensioni. Se la superficie attiva è piú piccola della sezione del fascio devi fare un paio di calcoli.

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[10] Re: Misuratore di potenza ottica, idee costruttive

Messaggioda Foto Utentethunderbolt128 » 13 lug 2016, 22:13

boiler ha scritto:Quali vantaggi hai quando rappresenti un grafico con scala logaritmica?
Boiler

Poter rappresentare in un grafico un intervallo di variazione molto ampio? :-)

boiler ha scritto:Guarda che la corrente che ti aspetti di avere sia sotto a quella massima di corto del diodo. E occhio alle dimensioni. Se la superficie attiva è piú piccola della sezione del fascio devi fare un paio di calcoli.
Boiler

Prenderò un diodo con una superficie ampia, il fascio del laser sarà collimato quindi dovrebbe essere inferiore rispetto alla superficie del diodo, niente calcoli in teoria :-)
Davo un occhiata ad esempio a codesto diodo:
http://www.mouser.com/ds/2/313/QP10-6_T ... 586544.pdf
Peak DC Current = 10mA. Quindi a 0,4 A/W posso misurare potenze ottiche fino a 25mW ?
Mi sembra molto poco per un diodo simile.. :?
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