Добрый день уважаемые!
Такой вопрос: нужно на листе бумаги нагреть до определённой температуры за короткое время несколько квадратных миллиметров площади листа.
Температурой пятна нужно управлять от случая к случаю .
Параметры следующие : температура пятна 40 - 100 градусов , с точностью +- 10 градусов . Время нагрева не более 100 мкс .

Пришла в голову мысль что для этих целей удачно подойдет лазерный светодиод более менее приличной мощности.
Далее мысль складывалась следующим путём : нахожу лазерный светодиод максимальной мощности в максимально компактном виде ( 1 Вт ?) , делаю к нему источник импульсного тока - опытным путём подбираю энергию вспышки для получения требуемой энергии на бумаге .

Воооот .
Подозреваю что я очень оптимистически настроен и многих вещей не понимаю , как-то :

1. как можно примерно прикинуть мощность излучения и его длину волны требуемую для нагрева определённой площади бумаги не чёрного цвета ? И как эту мощность завязать с отражающей способностью бумаги , чтобы хотя бы прикинуть минимальный максимум необходимый для получения требуемой температуры ?

2. Может тут и обычный светодиод подойдет, может как раз обычные светодиоды мощнее когерентных и их проще достать? ... расстояние между источником излучения и бумагой - миллиметры .

3. Насколько сложно получить работоспособную принципиальную схему источника питания обеспечивающую вышеописанные условия за время менее 100 мкс ?


Я мыслил примерно так : выбираем какой-то источник света - ставим его последовательно с полевым транзистором и гасящим резистором , в параллель всему этому конденсатор на несколько сотен мкФ и подключаем всё к источнику напряжения на допустим 5 вольт и несколько ампер. Микроконтроллером управляем полевиком - выставляя короткие импульсы обеспечивающие требуемый нагрев.


Прошу ваших мнений , советов , полезных ссылок , жжжжЁсткой критики и т.д. Свежих идей???

Габариты у всего устройства должны быть компактные, с пару пачек сигарет .

Как температуру будете оценивать ? Если лазер включать исходя из заранее проделанных измерений, идея имеет право на существование. Только без всяких конденсаторов - управляемый источник тока, иначе лазер сразу укокошите. Лаер надо выбирать сначала по длине волны, для ччего надо снять спектр поглощения нужной бумаги.

..если температура правильная - на бумаге будет проявляться определённый эффект, только нужно в температурные ворота попасть. Если перегреть - не успеешь эффект обнаружить. Потому было бы совсем хорошо теоретически рассчитать параметры прогрева чтобы с минимального числа попыток убедиться в работоспособности, как эталон тот же лист бумаги прогревается стандартным источником тепла с контролируемой температурой. Сам наблюдаемый эффект проявляется в течении миллисекунд при условии что температура не превышена.

Где можно почитать про управляемые источники тока для лазеров ? Чем они в этом плане отличаются от светодиодов ? Одно время делал вспышки из светодиодов (просто яркие мерцалки) там всё было как я выше описал -они не дохли.

To All:
Где можно посмотреть примерный расчёт сколько нужно энергии для прогрева белой бумаги до определённой температуры ? Если в учебники физики , то пожалуйста конкретнее в каком и какой справочник использовать к нему в довесок (номер формулы и т.д. ) ?

Нормальная идея, только бы неплохо для начала прикинуть энергию.
Хоть бы через удельную теплоёмкость на массу и на дельту температур со стороны бумаги (кажется шестой-седьмой класс) и с другой стороны время импульса на мощность. А для лазерного диода вполне может хватить токоограничения через резистор

Не понятно, почему Вы сразу за лазер взялись? Чем обычный нагревательный элемент (резистивный) Вас не устроил? По моему, указанные условия задачи вполне позволяют его использовать. По сути, ведь то же самое излучение, только инфракрасное. При необходимости, можно его направить, сфокусировать, экранировать...

Обычный нагревательный элемент очень инерционен, нужно нагреть локальную область и другие не трогать. К тому же нужно сделать это очень быстро, фокусировать ИК излучение от такого элемента придётся только зеркалом , что выйдет не так удобно для требуемых габаритов ИМХО.

Может вы приведёте пример какого-нибудь резистивного источника тепла под мои условия ? Я могу быть просто не в теме.

Я тут примерно прикинул : для нагрева на 50 градусов площади бумаги 3 мм на 3 мм примерно потребуется 1-3 Дж энергии , что за требуемое время в 100 мкс превращается в 10 кВт мощности только излучения . В пару пачек сигарет такое запихать трудно, тем более сделать такой источник на оптических диодах.

Может я ошибся в расчёте ?

Наверняка теплопроводность не учли. Такой энергией лазера с примерно сравнимой длительностью в пальце можно дыру пробить до крови (правда никак не 3 на 3 мм). Если действительно нужны энергии порядка 1 Дж, точно нужен твердотельный лазер с маленькой лампой, его стоимость может быть порядка 300 баксов или даже меньше.

Фотовспышки видели? Примерно такой размер и длительность.

..у фотовспышек ресурс недостаточный , нужен ресурс - десятки миллионов импульсов.

MLX90614 для обратной связи, конечно, не фонтан (1.024 мс период выходного шима), но для прекалибровки может быть полезен.

.... можно использовать печатующую головку от старого термопринтера или от кассовых аппаратов...там матрица резистивных нагревателей(правда там используется спец.бумага)..http://www.gaw.ru/html.cgi/txt/publ/other/tpg.htm

По сравнению с лазером - безусловно...

Попробуем прикинуть еще раз. Площадь, подвергаемая нагреву, округленно 10 кв.мм. Толщина листа бумаги - примерно 0,1 мм. Таким образом, объем нагреваемого вещества - порядка 1 куб.мм. Бумага обладает малой теплопроводностью и теплоемкостью (если речь идет об обычной, "средней" бумаге, конечно). Теплоотводом по периметру, на мой взгляд, в данных условиях можно пренебречь. А также, вряд ли возможно (и нужно) прогревать в глубину весь указанный объем полностью. Нагрев будет идти лишь в тонком приповерхностном слое. Надо полагать, на бумаге имеется какое-то покрытие(?). Грубо, задача сводится к оценке необходимой мощности для разогрева покрытия бумаги площадью 10 кв.мм (заданной толщины) на 50 градусов.
Чтобы дальше посчитать, нужно иметь толщину покрытия и теплоемкость его материала... Для примера, возьмем для покрытия толщину 0,01 мм (10%) и теплоемкость воды (4,2 Дж/г*К). Получим нагреваемый объем 0,1 куб.мм.= 0,1 миллиграмм. Для его нагрева на 50 гр. потребуется 21 мДж. За 100 мкс - это мощность порядка 200-250 Вт.
P.S. Проверьте, не ошибся ли в расчетах.

..очень похоже на правду, и правильно - на бумаге есть покрытие оно и реагирует соответствующим образом на определённую температуру. Дабы сократить подводимую мощность обдумываю либо обеспечить какой-то предварительный подогрев (поток горячего воздуха?) , либо раз в десять сократить площадь прогрева - тут я не очень уверен что смогу обнаружить эффект.




..спасибо большое - посмотрю , я уже и забыл про них.


..спасибо большое, действительно - будет очень полезно оперативно провести калибровку , хорошая штука.

Если можно использовать контактные методы нагрева, то оптические незачем и обсуждать. Явно будут неконкурентоспособны.

Если прикинуть... разогрев прижатой фольгой... можно. Только как при этом температура будет распределяться?
И как измерять? Или быстро зажимать между заранее нагретыми детальками.
Лучше бы ТС подробности изложил. Подробнее.

Если бы было что-нибудь навроде термопечатающей головки что могло обеспечить на высокой скорости физический контакт с передачей тепла - это было бы просто замечательно, объект обследования должен быстро двигаться относительно детектора на конвеерной ленте, так как это бумага - то слишком плотный контакт может вызвать проблемы на конвеере. План примерно такой - облучать\нагревать и сразу измерять ну или мгновением позже.
..подробности изложить не могу - боюсь найдут и лишат свободы.

Да, лазер, апертура - это всё классно, но оптика фокусирующая всё равно нужна.

..а до каких минимальных пределов можно сфокусировать лазерный луч видимого диапазона? ..каких размеров точку можно получить , если учитывать что доставабельные мощные лазерные диоды - это сборки и излучение у них представляет собой вытянутый эли

..з.ы.
расстояние от излучателя до мишени - не более 10 мм.

Из одного лазера - в несколько микрон. Форма исходного пятна роли не играет, если излучатель является единым резонатором. Только мне кажется, что при поставленных условиях дешевле будет маленький китайский лазерный кристалл + лампа вспышка, без внешних зеркал.

Попробуйте двигать (вращать) головку синхронно с конвеером, сразу упростятся временные требования.

...померить(при известном коэфф.излучения) поверх-ю температуру можно ИК-пирометром...да в принципе можно обойтись зеркальной собирающей оптикой и пироэлектрическим датчиком(в виде линейки)...

ужЕ

...если нагрев будет импульсным 100мксек....то быстродействия MLX90614 не хватит...

Если нагрев короткими импульсами, достаточно измерять температуру бумаги контактным термометром, а энегрию нагрева - рассчитывать.

А как это? Где берут такие кристаллы и как к ним приспосабливают лампу? Обычную?

Берут здесь, напрмер: http://www.szlaser.com/Products.asp?ClassID=10
Лампу нужно выбирать соразмерную кристаллу, ну и квантрон какой-никакой надо выточить. Зеркала - прямо на торцы кристалла.

Тогда вопрос: Вы знаете такой пирометр, чтобы он был на порядок быстрее?

Так всё-таки нужны зеркала? Тогда, наверное, не простые? "Переднее" зеркало должно быть с меньшим коэффициентом отражения, нет?
И кто такой квантрон? Простите за ламерство, но любопытно. Не затруднит ли Вас "краткий курс по изготовлению гиперболоида своими руками"?

...промышленного пирометра не знаю...но для аналогичных целей использовал пироэлектрическую линейку(когда обьект двигался)...в компании с параболическим зеркалом...регистрировали вторичное ИК-излучение...а нагрев обьекта был импульсами красного лазера...о конкретной температуре в точке разогрева тогда разговора не было...

Квантрон - это изделие, обеспечивающее передачу света от лампы на кристалл (т.е. нечто, хорошо отражающее внутренними поверхностями), побочными функциями является то, что он одновременно служит и корпусом, и обеспечивает тепловые режимы. Для теплопроводности можно заправить раствором чистого хромпика в дистиллированной воде, чтобы УФ излучение поглощалось - срок службы кристалла вырастет.

Зеркала для данного режима - простые, с одной стороны металл пылится толстый, с другой - тонкий. Думаю, что китайцы могут поставить уже в таком виде.

Спасибо, более-менее понятно.