Помощь - Поиск - Пользователи - Календарь
Полная версия этой страницы: Освещенность лазера
Форум разработчиков электроники ELECTRONIX.ru > Аналоговая и цифровая техника, прикладная электроника > Метрология, датчики, измерительная техника > Оптика и оптоэлектроника
kostr89
Здарвствуйте уважаемые!У меня возник такой вопрос,который я не могу решить самостоятельно!
Есть красный лазер 5мВт с длиной волны 680нм,луч которого проходит сквозь воду и попадает на фотодиод.Данным способом хочу измерять мутность воды.В характеристиках фотодиода написано,что чувствительность 9нА/люкс.Вопрос звучит так:Какую освещенность в люксах будет давать данный лазер на расстоянии 10см,если считать что диаметр луча 3мм?Какой фототок будет давать фотодиод,если не учитывать воду?заранее спасибо!
kostr89
Цитата(EUrry @ Sep 15 2011, 08:37) *

это понятно.но поскольку у меня курсовой проект,я должен посчитать формулой сколько люкс дает лазер.Пробовал считать по формуле светового потока Ф,а потом делить на площадь точки S,но получается какая то бешенная цифра порядка 200000 люкс.Подскажите какую формулу нужно применить чтобы рассчитать?
Tanya
Цитата(kostr89 @ Sep 15 2011, 06:58) *
Здарвствуйте уважаемые!У меня возник такой вопрос,который я не могу решить самостоятельно!
Есть красный лазер 5мВт с длиной волны 680нм,луч которого проходит сквозь воду и попадает на фотодиод.Данным способом хочу измерять мутность воды.В характеристиках фотодиода написано,что чувствительность 9нА/люкс.Вопрос звучит так:Какую освещенность в люксах будет давать данный лазер на расстоянии 10см,если считать что диаметр луча 3мм?Какой фототок будет давать фотодиод,если не учитывать воду?заранее спасибо!

Обычно измеряют мощность лазера. Для этого существуют специальные измерители. А потом можно посчитать число испускаемых фотонов в секунду. Электроны, в которые фотодиод превращает фотоны обусловлены внутренним фотоэффектом. Один фотон будет продуцировать меньше одного электрона. Можно предполагать, что для специальных фотометрических фотодиодов это отношение будет почти хорошей константой. Что до освещенности, то тут сложно - Вы ведь не знаете распределение мощности по сечению луча. Также чувствительность фотодиода в люксах есть некоторое усреднение по длинам волн видимого света. Да и не нужно это Вам.
А нужно Вам отношение рассеянной (или прошедшей) энергии к испускаемой. Лучше, конечно, измерять обе величины одним датчиком, но это потребует некоторых оптических ухищрений. Если испускаемая мощность более или менее стабильная, то для не очень мутной среды точнее будут измерения рассеянного света. Подозреваю, что фотодиода маловато будет... ФЭУ на порядки чувствительнее - там фотоэлектроны размножаются. Примерно в миллион раз. Конечно, лазер достаточно мощный для получения хорошего сигнала на фотодиоде при прямом попадании, но если поглощение (рассеяние) маленькое (около процента), измерить его с хорошей точностью таким способом будет практически очень трудно. Лучше всего поставить два детектора - один для прошедшего, а другой - для рассеянного света. Второй лучше с оптикой, которая будет фокусировать некоторую часть луча на детектор. Лучше всего, конечно, - интегрирующая сфера.
Тема перенесена. Т.
kostr89
Цитата(Tanya @ Sep 15 2011, 09:54) *
Обычно измеряют мощность лазера. Для этого существуют специальные измерители. А потом можно посчитать число испускаемых фотонов в секунду. Электроны, в которые фотодиод превращает фотоны обусловлены внутренним фотоэффектом. Один фотон будет продуцировать меньше одного электрона. Можно предполагать, что для специальных фотометрических фотодиодов это отношение будет почти хорошей константой. Что до освещенности, то тут сложно - Вы ведь не знаете распределение мощности по сечению луча. Также чувствительность фотодиода в люксах есть некоторое усреднение по длинам волн видимого света. Да и не нужно это Вам.
А нужно Вам отношение рассеянной (или прошедшей) энергии к испускаемой. Лучше, конечно, измерять обе величины одним датчиком, но это потребует некоторых оптических ухищрений. Если испускаемая мощность более или менее стабильная, то для не очень мутной среды точнее будут измерения рассеянного света. Подозреваю, что фотодиода маловато будет... ФЭУ на порядки чувствительнее - там фотоэлектроны размножаются. Примерно в миллион раз. Конечно, лазер достаточно мощный для получения хорошего сигнала на фотодиоде при прямом попадании, но если поглощение (рассеяние) маленькое (около процента), измерить его с хорошей точностью таким способом будет практически очень трудно. Лучше всего поставить два детектора - один для прошедшего, а другой - для рассеянного света. Второй лучше с оптикой, которая будет фокусировать некоторую часть луча на детектор. Лучше всего, конечно, - интегрирующая сфера.
Тема перенесена. Т.

спасибо за ответ!ФЭУ конечно хорошо,но у меня устройство должно быть портативным и питаться от 12В,а ФЭУ требует высокого стабильного напряжения.
Про рассеянный свет (нефелометрический метод) я знаю,но в конструкции проще измерять прошедший свет.
В лазерах пишут его мощность,например 10мВт,это мощность потребления или мощность излучения?
Tanya
Цитата(kostr89 @ Sep 15 2011, 16:03) *
спасибо за ответ!ФЭУ конечно хорошо,но у меня устройство должно быть портативным и питаться от 12В,а ФЭУ требует высокого стабильного напряжения.
Про рассеянный свет (нефелометрический метод) я знаю,но в конструкции проще измерять прошедший свет.
В лазерах пишут его мощность,например 10мВт,это мощность потребления или мощность излучения?

Есть такие готовые модули - там все внутри и источник высокого напряжения, и усилители разные. В т.ч. счетчик фотонов... Размер -(примерно) спичечный коробочек - большая морковка.
Hamamatsu photomultiplier modules - поищите в гугле. Купить (иногда удивительно дешево) можно на e-bay.
Мощность на выходе. Естественно.
Holly
Цитата(kostr89 @ Sep 15 2011, 06:58) *
Здарвствуйте уважаемые!У меня возник такой вопрос,который я не могу решить самостоятельно!
Есть красный лазер 5мВт с длиной волны 680нм,луч которого проходит сквозь воду и попадает на фотодиод.Данным способом хочу измерять мутность воды.В характеристиках фотодиода написано,что чувствительность 9нА/люкс.Вопрос звучит так:Какую освещенность в люксах будет давать данный лазер на расстоянии 10см,если считать что диаметр луча 3мм?Какой фототок будет давать фотодиод,если не учитывать воду?заранее спасибо!

1 люкс создает ту же освещенность, что и 1,464 mW мощности, падающей на 1 квадратный метр. Отсюда, при учете мощности лазера и из Вашей геометрии получается, что освещенность, создаваемая лазерным пучком на площадке диаметром в 3 мм, равна 740 тысячам люксов. Это означает, что фотоприемник (при условии, что его диаметр не меньше 3 мм) при данной освещенности будет выдавать 6,66 мА, если вода абсолютно прозрачна. Конечно, если вода мутная, то уровень сигнала будет ниже ровно на величину коэффициента поглощения ("мутности", в Вашем случае). На длинах в 10 см даже в очень мутной воде коэффициент поглощения не будет превышать 100-1000. Это означает, что даже в худшем случае уровень сигнала будет порядка десятков микроамперов. Измерение таких уровней освещенности не требует никаких ФЭУ, никаких сверчувствительных приемников от Хамамацу, малошумящих усилителей и всего прочего, что Вам тут начали рекомендовать.
Tanya
Цитата(Holly @ Sep 16 2011, 23:52) *
Измерение таких уровней освещенности не требует никаких ФЭУ, никаких сверчувствительных приемников от Хамамацу, малошумящих усилителей и всего прочего, что Вам тут начали рекомендовать.

Вот и расскажите, как можно измерить мутность воды. Не грязи, а чистой воды. По пропусканию. Прибор ведь, наверное, должен показывать качество воды. Питьевой, например. Измерение мутности в реке Хуанхэ малоинтересно.
DS
Еще просьба не забывать, что обычно фотодиод допускает попадание не более 1 мВт оптической мощности, после чего проявляется сильная нелинейность, а при 10 мВт можно его и испортить. Если постарться, можно с помощью фотодиода измерить поглощение порядка 10-3 в жидкости, дальше интерференция помешает. Может автору достаточно ?
SSerge
Цитата(Holly @ Sep 17 2011, 02:52) *
1 люкс создает ту же освещенность, что и 1,464 mW мощности, падающей на 1 квадратный метр.

Для излучения с длиной волны 555нм.
А для других длин волн та же самая мощность даёт другое значение в люксах, для 680нм это будет только 0.017лк.
Все эти люксы и люмены от лукавого, ибо в их определении присутствует спектральная чувствительность человеческого глаза и при пересчёте в нормальные физические единицы это нужно учитывать.
По этой-же причине сказать что чувствительность фотодиода сколько-то там на люкс или даже на ватт, но без указания для какого излучения это всё равно что не сказать ничего.
Нужно знать для какого именно излучения эта величина и знать спектральную чувствительность фотодиода, тогда можно будет пересчитать её для другой длины волны.
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
Tanya
Цитата(DS @ Sep 17 2011, 14:02) *
Если постарться, можно с помощью фотодиода измерить поглощение порядка 10-3 в жидкости, дальше интерференция помешает. Может автору достаточно ?

Это с модуляцией, вторым лучом, одним детектором и прокачкой раствора? А если пылинка сядет на окошко.. Практически невозможно.
И поглощение от рассеяния невозможно отличить - капелька красителя... ложка дегтя...
Правда при детектировании сбоку нужно иметь уверенность в отсутствии люминисценции. Но для красного лазера вероятность большая. Можно и фильтровать растворчик для контроля. Не измерять же время жизни.
ValeriyM
Цитата(DS @ Sep 17 2011, 14:02) *
а при 10 мВт можно его и испортить.
DS, а кто Вам такое сказал?
Лично разговаривал на эту тему с разработчиком лазеров и фотоприемников из Минского института информационных технологий. И получил ответ - ничего страшного, кристал входит в насыщение и все.
Holly
Цитата(Tanya @ Sep 17 2011, 07:59) *
Вот и расскажите, как можно измерить мутность воды. Не грязи, а чистой воды. По пропусканию. Прибор ведь, наверное, должен показывать качество воды. Питьевой, например. Измерение мутности в реке Хуанхэ малоинтересно.

С удовольствием.
Для задачи измерения малых коэффициентов поглощения надо воспользоваться стандартным дифференциальным подходом, используемым, опять же, в дифференциальных спектрометрах. Для этого надо взять две идентичных стеклянных ячейку, хорошо (стабильно) оптически сопряженных и с лазерочком, и с фотоприемниками. При измерении в одну ячейку заливается вода обмеряемого образца, а в другую - достаточно чистая дистиллированная вода. Обязательна предварительная калибровка с обеими ячейками, заполненными дистиллированной водой.
Как устроен дифференциальный (или двухканальный) спектрометр - можно прочитать в массе литературы, доступной в сети. В заключение можно отметить, что, поскольку автора вопроса интересует лишь одна длина волны, то ему нужен всего лишьдифференциальный фотометр, а не спектрометр, что сильно упрощает задачу. В него можно и модуляцию завести, тогда можно будет измерять очень низкие концентрации загрязнений.
Tanya
Цитата(Holly @ Sep 17 2011, 20:20) *
С удовольствием.
Для задачи измерения малых коэффициентов поглощения надо воспользоваться стандартным дифференциальным подходом, используемым, опять же, в дифференциальных спектрометрах. Для этого надо взять две идентичных стеклянных ячейку, хорошо (стабильно) оптически сопряженных и с лазерочком, и с фотоприемниками. При измерении в одну ячейку заливается вода обмеряемого образца, а в другую - достаточно чистая дистиллированная вода. Обязательна предварительная калибровка с обеими ячейками, заполненными дистиллированной водой.
Как устроен дифференциальный (или двухканальный) спектрометр - можно прочитать в массе литературы, доступной в сети. В заключение можно отметить, что, поскольку автора вопроса интересует лишь одна длина волны, то ему нужен всего лишьдифференциальный фотометр, а не спектрометр, что сильно упрощает задачу. В него можно и модуляцию завести, тогда можно будет измерять очень низкие концентрации загрязнений.

Ячейки идентичные, все углы, размеры стабильные, поверхности идеально чистые. Исследуемая вода - дистиллированная с исключительно механическими примесями. Без химических. Калибровка не только предварительная, но и последующая. А сколько синхронно вращающихся зеркал? Да еще без вибраций... Старый добрый спектрофотометр... с призмой и /или решеткой... Вот найти такой на свалке и сделать из него переносной прибор. На батарейках точно не получится... Даже призмы и решетки помогут избавиться от люминисценции... Только... знаете, какое минимальное поглощение и с какой точностью можно было измерить даже на каком-нибудь приличном... Perkin-Elmer'е? Видели спектрофотометр видимого диапазона? Там шкала обычно в оптической плотности... До 2-3...
MaxPIC
Цитата(DS @ Sep 17 2011, 14:02) *
Еще просьба не забывать, что обычно фотодиод допускает попадание не более 1 мВт оптической мощности, после чего проявляется сильная нелинейность, а при 10 мВт можно его и испортить. Если постарться, можно с помощью фотодиода измерить поглощение порядка 10-3 в жидкости, дальше интерференция помешает. Может автору достаточно ?


Цитата(ValeriyM @ Sep 17 2011, 19:01) *
DS, а кто Вам такое сказал?
Лично разговаривал на эту тему с разработчиком лазеров и фотоприемников из Минского института информационных технологий. И получил ответ - ничего страшного, кристал входит в насыщение и все.


Правы оба. Я лично снимал зависимость фототока от мощности входного излучения на красном лазере. В фотодиодном режиме для ФД-24К и S1227 фотодиодов. До 10 мВт характеристики были линейны. Однако стоит отметить, что важна не столько оптическая мощность, а плотность оптической мощности на единицу площади поверхности фотодиода. Если хорошо сфокусировать 10 мВт, то можно и насыщение преодолеть и даже фотоприёмник повредить, а если сильно не фокусировать, а иметь пятно, порядка нескольких миллиметров в диаметре, то даже нелинейность будет практически незаметна.
А по вопросу измерения мутности, то автору не помешало бы указать рабочий диапазон измеряемых "мутностей", точность измерения и желаемую чувствительность средства измерения. Тогда можно и по существу совет дать.
Holly
Цитата(Tanya @ Sep 18 2011, 07:29) *
Ячейки идентичные, все углы, размеры стабильные, поверхности идеально чистые. Исследуемая вода - дистиллированная с исключительно механическими примесями. Без химических. Калибровка не только предварительная, но и последующая. А сколько синхронно вращающихся зеркал? Да еще без вибраций... Старый добрый спектрофотометр... с призмой и /или решеткой... Вот найти такой на свалке и сделать из него переносной прибор. На батарейках точно не получится... Даже призмы и решетки помогут избавиться от люминисценции... Только... знаете, какое минимальное поглощение и с какой точностью можно было измерить даже на каком-нибудь приличном... Perkin-Elmer'е? Видели спектрофотометр видимого диапазона? Там шкала обычно в оптической плотности... До 2-3...

не только о видел, но и много лет пользовал.
На то он и двухлучевой способ (дифференциальный), чтобы вытаскивать малые коэффициенты. Ясен пень, что для достижения супер-параметров надо и модуляцию заводить, и оптические фильтры ставить, и с шумами бороться и тд. Но фотометр на одну длину волны сделать на батарейках можно, я абсолютно уверен.
Tanya
Цитата(Holly @ Sep 18 2011, 17:42) *
не только о видел, но и много лет пользовал.
На то он и двухлучевой способ
. Но фотометр на одну длину волны сделать на батарейках можно, я абсолютно уверен.

Если пользовали, то как же Вы предлагаете ТС это сделать в качестве курсового проекта? Чугунную (видела даже бронзовую в старом японском...) станину с вращающимися секторными зеркалами с моторами и черным кюветным отделением для двух кювет в 10 или больше см.... Ладно, забудем про оптический клин.
Получится ли портативный прибор на батарейках? Беретесь сделать? Абсолютно уверенно?
Если работали, то видели шум и дрейф 100% линии? Хотите доли процента поглощения (рассеяния) детектировать? Можно и отрицательное поглощение получить...
А как собираетесь рассеяние от поглощения отделять?
DS
Цитата(Tanya @ Sep 17 2011, 14:42) *
Это с модуляцией, вторым лучом, одним детектором и прокачкой раствора? А если пылинка сядет на окошко.. Практически невозможно.
И поглощение от рассеяния невозможно отличить - капелька красителя... ложка дегтя...
Правда при детектировании сбоку нужно иметь уверенность в отсутствии люминисценции. Но для красного лазера вероятность большая. Можно и фильтровать растворчик для контроля. Не измерять же время жизни.


Без прокачки. При прокачке будет болтаться за счет завихрений. Поглощение от рассеяния, конечно, не отличить никак. Если нужно измерять что-то типа водопроводной воды, окошки не от что пылинкой, песком зарастут, тут ни о какой точности речь не идет. Я писал про лабораторный эксперимент.
Если нужно измерять не поглощение, а именно мутность - наличие взвешенных частиц, надо однозначно это делать сбоку, используя прошедший сигнал как опорный, чтобы скомпенсировать помутнение окошек. И, наверное, лазер здесь - не самое оптимальное решение. Лучше светодиод взять, не будет интерференции и каких-то случайных эффектов, связанных с поглощением.
Holly
Цитата(Tanya @ Sep 18 2011, 18:17) *
Если пользовали, то как же Вы предлагаете ТС это сделать в качестве курсового проекта? Чугунную (видела даже бронзовую в старом японском...) станину с вращающимися секторными зеркалами с моторами и черным кюветным отделением для двух кювет в 10 или больше см.... Ладно, забудем про оптический клин.
Получится ли портативный прибор на батарейках? Беретесь сделать? Абсолютно уверенно?
Если работали, то видели шум и дрейф 100% линии? Хотите доли процента поглощения (рассеяния) детектировать? Можно и отрицательное поглощение получить...
А как собираетесь рассеяние от поглощения отделять?

1) в качестве курсового проекта я ХОРОШИй фотометр не предлагал делать. Хотя в качестве диплома - вполне адекватно.
2) зачем изобретать велосипеды?
http://www.geotechenv.com/pdf/water_qualit...photometers.pdf
это лишь один пример портативного "водяного" фотометра на батарейках, который имеет не один, а даже несколько лазерочков и определяет не просто коэффициент пропускания, а примеси десятков типов.
Взялся ли бы я сделать такое? Взялся бы руководить таким проектом, да, но самому его делать своими руками - слишком скучно.
3) чтобы рассеяние от поглощения отделять, нужна калибровка с использованием дистиллированной воды высокой степени очистки (очищенной, в том числе от всяких наночастиц), о которой я и упоминал.
Ну, а шумы и дрейфы - это все тот же вопрос о качестве системы и, соответственно, ее стоимости. Больше денег - меньше дрйфы, меньше денег - больше дрейфы....
DS
А Вы уверены, что этот прибор измеряет поглощение, а не люминесценцию ? Учитывая длинный список реактивов в pdfке.
Holly
Цитата(DS @ Sep 18 2011, 20:32) *
А Вы уверены, что этот прибор измеряет поглощение, а не люминесценцию ? Учитывая длинный список реактивов в pdfке.

как работает приборчик, относительно подробно описано в его инструкции на том же сайте. Формально Вы правы - он измеряет И (выделено мною) люминесценцию. А с другой стороны, он может делать измерения И (опять выделяю) на длине волны диода. Сами авторы прибора упорно называют его фотометром и указывают, что он измеряет ТОЛЬКО absorbance и transmittance, и ни разу не упоминают слово luminescence. Причины тому, наверное, исторические - основные потребители (химики) называют эту простенькую технику измерения (с использованием оптических фильтров) колориметрией.
DS
В пдфке указано, что он может измерять 4% поглощение с отклонением в 0.5%. Никаких чудес.
Holly
Цитата(DS @ Sep 18 2011, 21:04) *
В пдфке указано, что он может измерять 4% поглощение с отклонением в 0.5%. Никаких чудес.

это означает, что в данном приборчике дифференциальный способ не используется, а тупо меряется
мощность одного луча, что достаточно для обыденной практики определения качества питьевой воды,
как видно из литературы. Но для тонкой аналитики такое, конечно, не пойдет.
Tanya
Цитата(Holly @ Sep 18 2011, 21:01) *
как работает приборчик, относительно подробно описано в его инструкции на том же сайте. Формально Вы правы - он измеряет И (выделено мною) люминесценцию. А с другой стороны, он может делать измерения И (опять выделяю) на длине волны диода. Сами авторы прибора упорно называют его фотометром и указывают, что он измеряет ТОЛЬКО absorbance и transmittance, и ни разу не упоминают слово luminescence. Причины тому, наверное, исторические - основные потребители (химики) называют эту простенькую технику измерения (с использованием оптических фильтров) колориметрией.

А каковы причины того, что Вы считаете, что химики все путают? Химики все правильно называют и никого не называют земляным червяком, кроме земляных червяков.
Это Вы недопоняли. Все там правильно. Указаны реактивы (индикаторы) в пакетиках для определения концентрации различных веществ.
Измеряется оптическая плотность воды (водного р-ра) с добавленным индикатором. Из прилагаемого пакетика. Это стандартный классический способ, известный любому химику. Даже студенту. И это именно колориметрия, - измерение трансмиссии и абсорбции а не какой-то там люминесценции, что и написано. Упорно так.
Там вот, например, определяют pH. Как Вы представляете себе измерение люминисценции pH'а? Или люминесценции жесткости в пересчете на углекислый кальций?
kostr89
спасибо всем за ответы!у меня еще пару вопросов.как известно интенсивность прошедшего света убывает по экспоненте проходя сквозь мутную среду.мне нужно чтобы прибор посчитал коэффициент поглощения, то есть мне нужно знать:
-интенсивность входящего пучка лазера
-интенсивность выходящего пучка
-расстояние которое проходит лазер в жидкой среде
отсюда можно найти коэффициент поглощения. я правильно рассуждаю?
можно ли вместо ИНТЕНСИВНОСТИ, в данной формуле использовать значения ОСВЕЩЕННОСТИ?
и еще как потом из этого коэффициента поглощения выразить стандартизованное значение мутности NTU?
p.s.:речь идет про красный лазер.
Tanya
Цитата(kostr89 @ Sep 20 2011, 16:20) *
спасибо всем за ответы!у меня еще пару вопросов.как известно интенсивность прошедшего света убывает по экспоненте проходя сквозь мутную среду.мне нужно чтобы прибор посчитал коэффициент поглощения, то есть мне нужно знать:
-интенсивность входящего пучка лазера
-интенсивность выходящего пучка
-расстояние которое проходит лазер в жидкой среде
отсюда можно найти коэффициент поглощения. я правильно рассуждаю?
можно ли вместо ИНТЕНСИВНОСТИ, в данной формуле использовать значения ОСВЕЩЕННОСТИ?
и еще как потом из этого коэффициента поглощения выразить стандартизованное значение мутности NTU?

Если Вы собираетесь это измерять именно так (это будет работать только при значительном ослаблении - процентов на 10), то Вы должны иметь две одинаковые (в смысле длины пути) оптические кюветы. Это не очень дешевые штучки...
В одной должна быть очень чистая обезгаженная вода, в другой - измеряемая. Сначала нужно будет обе наполнить очень чистой водой и провести калибровку кювет. Кюветы должны крепиться очень стабильно параллельно. И все вместе сдвигаться, чтобы луч проходил то через одну, то через другую. Энергия (число квантов) прошедшая через эталонную нужно сравнивать со светом, прошедшим через измерительную (с учетом начальной калибровки кювет). Длину кювет можно измерить разными способами, но Вам точность измерения длины не очень важна.
Освещенность (чего?) тут ни к селу...
Если вода чистая (с малым рассеянием) проще и лучше измерять рассеяние вбок. Тут достаточно простой трубочки с окошками. Нужно только не допускать попадания луча на стенку.
Стандартное значение мутности нужно получать с помощью эталона.
Holly
Цитата(kostr89 @ Sep 20 2011, 16:20) *
спасибо всем за ответы!у меня еще пару вопросов.

http://www.ecoinstrument.com.ua/index.php?...o&Itemid=81
читайте, тут есть все ответы на Ваши вопросы.
Для просмотра полной версии этой страницы, пожалуйста, пройдите по ссылке.
Invision Power Board © 2001-2024 Invision Power Services, Inc.