Існує кілька видів вимірювачів оптичної потужності. Найпоширеніші є вирімювачі що базуються на фотодіоді. Їх недолік є мала детектуюча площа (приблизно 10 мм2), мала максимальна вимірювана потужність (приблизно 10 мВт) і обмеженість по довжинах хвиль. Аби обійти ці недоліки, існують вимірювачі на основі елемента Пельтьє. Вони можуть вимірювати потужність до кількох Ватт, мають площу детектування у кілька квадратних сантиметрів, а робочий діапазон довжин хвиль залежить від покриття датчика. Від нудьги я був зробив такий вимірювач. Наразі я не знаю навіщо він мені, але нехай буде.
Прилад складається з двох частин: датчика і вимірювального пристрою.
Датчик-- елемент Пельтьє розміром 40х40 мм2 приклеєний до радіатора. Радіатор служить термореференсом. Чим більший радіатор, тим більша його термоінерція, тим стабільніші будуть вимірювання. Я використав маленький радіатор, бо я роблю proof of concept, а не фінальний прилад (для цього потрібні чіткі вимоги), а також тому що на Thorlabs я бачив датчики теж з малими радіаторами. Пельтьє приклеєний до радіатора термопровідним клеєм. Зверху на елемент Пельтьє приклеєні 5 SMD резисторів формату 2512 і опором 100 Ом. Резистори встановлені для калібровки датчика. Опір і формат вибирається виходячи з максимальної потужності калібровки. Краще встановлювати кілька резисторів (не один-єдиний), а максимальну їх потужність/формат підбирати зі запасом.
Далі відкрита сторона датчика була покрита сажею від свічки. Це не найкраще покриття в світі (обсипається, забруднюється і неможливо чистити, точні характеристики невідомі), але це найкраще що можна отримати в домашніх умовах. На малюнку знизу показано коефіціент відбивання різних саж. Різні туші, графітові олівці і тд дають 5-20% відбивання і мають невідомі (для мене) спектральні характеристики.
На резистори зверху наклеїв два шари клейкої пінопласторої стрічки для термоізоляції. Вреші прикрив весь той сором чорною кришечкою. Датчик з'єднаний з вимірювальною коробочно гнучким кабелем з "авіа" роз'ємом на кінці. Виглядає пристойно.
Вимірювальний пристрій базується на ардуїно нано. Я намагався спростити прилад до максимуму і не нашкодити точності. З інтерфейсу присутній лише екран і одна кнопка, що змінює масштаб часу (1с або 10 с). На екрані відображається усереднена потужність за 1 або 10 секунд у міліВатах, калібровочний коефіцієнт (синім кольором), значення ЦАПу автокалібрування (потрібен лишу для настройки, не використовується під час вимірювань) і масштаб часу. Знизу малюється графік потучності. Як на мене, такий графік є дуже зручним, бо дозволяє побачити чи застабілізувались вимірювання чи ще ні. Коли я працював з Newport вимірювачем потужності під час аспірантури, то мені цього не вистачало. Окрім того, графік автоматично масштабується 200мВт або 2Вт.
Вимірювання робляться з частотою 200 Гц і розширенням АЦП 16 біт. Така велика частота вибірки була вибрана аби профільтрувати від наводки 50 Гц, але як виявилось цього не потрібно, тому значення просто усереднюються (10 раз для кожної точки графіка і 200 раз для показу (зверху екрану) у режимі 1 секунда). FIR фільтр (НЧ) що задумувався спочатку теж виявився зайвим. АЦП використовується зовнішнє ADS1115. Контакти Пельтьє елементу напряму ідуть до диференційного входу АЦП. Це АЦП має вбудований референс і програмний підсилювач. Я його використовую у режимі підсилення 16. Це означає, щовимірювальна напруга лежить в діапазоні від -0.256 В до 0.256 В, що просто ідеально для цієї задачі.
Фіча цього приладу -- автокалібрування. Ззаду вимірювального приладу є утоплена кнопочка. При її натисканні починаєтсья калібрування приладу. Вона триває 10 хв, тому кнопка і є утопленою, аби уникнути випадкового натискання. Я робив калібровку датчика у кілька різних способів (мультиметром, блокож живлення, комбіновано), але всі результати узгоджуються. Коефіціент перетворення потужність/напруга є 10.59 Ватт/Вольт.
Трохи детальніше про калібровку. Для автокалібровки, у приладі я змонтував наступну схему:
Операційний підсилювач відкриває/закриває транзистор на колекторі якого стоїть калібровочний резистор. Струм через резистор міряється шунтом і підсилювачем INA181 (в нього є вбудовані резистори підібрані на підсилення 100 В/В). Вихід підсилювача іде на операційник. На інший вхід операційника іде R2R ЦАП що керується мікрокотроллером. Струм при кожному значенні АЦП вимірюється точним амперметром і зашивається в пам'ять мікроконтроллера. 24В отримубться від DC/DC перетворювача MT3608.
Калібровка відбуваєтсья наступним чином: вмикаєтсья потрібне значення струму, почекали якийсь час, виміряли значення напруги на Пельтьє елементі, ввімкнули інше значення і так по колу. В кінці вимкнули ЦАП. Крива зміни значень АЦП в часі при ручному калібруванні показана на малюнку знизу зліва. Кожен поріг відповідає новому значенні АЦП. Порізані куски показані на малюнку знизу справа.
Кожна крива фітувалась за формулою L-Cexp(-t/tau), де L це рівень порогу, С це неважлива константа і tau це характеристична часова константа. Усереднена tau зростання є 12.7 s, а спаду 12.42 s, що по суті є однією і тою ж величиною. Ця костанта потрібна аби встановити затримку у процедурі автокалібрування від моменту включення струму до вимірювання. Далі я округлю її до 12 секунд, бо так простіше. Ця константа не впливає на оптичні вимірювання, а притамання системі Пельтьє-резистор. По суті це час за який резистор нагрівається і система врівноважується. Якщо зачекати 12х5=60 секунд, то матимемо ехр(-5)=0,0067 систематичну похибку. Тобто ми на 0.67% будемо недоходити до справжнього значення.
Окрім цього:
- Я не віднімаю зсув 0, а лишаю для більшого контролю це на експериментатора.
- Прилад передає дані на комп'ютер зі швидкістю 115200 і частотою вибраною на приладі (1Гц або 0.1Гц).
- Всередині є кнопка для налаштування/діагностики, що вручну змінює значенна ЦАП.
- Прилад живиться від блока живлення 12В. Номінальне споживання 50 мА. Пікове споживання 200 мА (при калібровці).
Хоч я і робив цей прилад повільно, але він мене дечого навчив, було цікаво. Навіть якщо я його ніколи не використаю, час витрачено не дарма.