Laser Kids
ENG

. : Как дома измерить мощность лазерной указки : .

Способов немало:

  1. Фотодиод (сюда же фотоэлементы и солнечные батареи)
      Подходит для:
      • измерения малых мощностей (от 1 мкВт до 100 мВт)
      • измерения в видимом спектре, ближнем ультрафиолете и ближнем инфракрасном (примерно 300-1200 нм) (бывает и шире, но обычному человеку такие не достать)
      плюсы:
      • можно измерить мощность дешевой китайской лазерной указки, дохлого светодиода и т. п.
      • высокое быстродействие - на практике покажет мощность сразу - можно не ждать
      • датчик легко делается из распространенных в продаже фотодиодов
      минусы:
      • показания (в милливольтах или миллиамперах) при одной и той же мощности сильно зависят от длины волны (цвета луча), температуры самого фотодиода, а для многих фотодиодов еще и от точки попадания луча и угла попадания, а значит - требует постоянной калибровки
      • для калибровки нужен эталонный источник света (лазер), а лучше набор лазеров всех цветов, которые собираетесь измерять.
      • капризен в калибровке - без четкого знания, что делаешь, легко откалиброваться так, что прибор будет врать на 1 - 2 порядка.
  2. Фотосопротивление - если без экзотики то все сказанное про фотодиод относится и сюда, схема включения, правда, другая.
  3. Термосопротивление (болометр)
      Подходит для:
      • измерения вразумительных мощностей (от 10 мВт до 1 Вт)
      • измерения в почти любом спектре (главное, чтобы хорошо поглощалось поверхностью)
      плюсы:
      • показания слабо зависят от длины волны,
      • калибровка возможна по эталонному источнику тепла (например по наклеенному резистору известного номинала, по которому пропускается известный ток)
      минусы:
      • показания сильно зависят от температуры самого термосопротивления
      • низкое быстродействие - надо ждать прогрева лучом
      • нелинейная характеристика затрудняет калибровку и пересчет результатов
      • встречающиеся в продаже термосопротивления обычно плохо подходят для изготовления датчика, самодельный (проволочный) болометр делать - геморрой.
  4. Термоэлектрический (Термопарный или Пельтьешный) калориметр.
      Подходит для:
      • измерения вразумительных мощностей (от 50 мВт до 1 Вт)
      • измерения в почти любом спектре (главное, чтобы хорошо поглощалось поверхностью)
      плюсы:
      • показания слабо зависят от длины волны,
      • калибровка возможна по эталонному источнику тепла (например по наклеенному резистору известного номинала, по которому пропускается известный ток)
      • практически линейная характеристика.
      • показания слабо зависят от температуры самого датчика, (зависят только от разности температур)
      минусы:
      • низкое быстродействие - надо ждать прогрева лучом.
      • измерена может быть только мощность дающая существенный нагрев (при некотором опыте и аккуратных измерениях
      • удается довольно точно измерить прогрев и от 1 мВт, но обычно надо 50 мВт и более)

Есть и другие способы, например пироэлектрический прибор, но обычно такие измерители надо просто покупать, если только не работаете где-нибудь на лазерной или полупроводниковой фирме.
Сам я дома пользуюсь самодельным Пельтьешным калориметром, который и опишу как делать.

 

Делаем термоэлектрический калориметр.

Большинство измерителей мощности, которыми пользуются профессиональные лазерщики построены как раз по принципу термоэлектрического калориметра. Раньше такой прибор собрать дома было почти невозможно (с ума сойдешь пару сотен термопар сварить, установить, сделать электрическую разводку и обеспечить тепловой контакт при этом. Да и на выходе было - единицы милливольт на Ватт. Нужен был очень хороший усилитель. Сейчас в продаже в магазинах радиодеталей появились пельтье-модули, которые как раз и представляют собой такую сборку термопар, да еще и не металлических а полупроводниковых. Сделать термоэлектрический калориметр теперь проще простого.

 

I. Ресурсы

В качестве исходников нам потребуются:

  1. модуль Пельтье - используется для охлаждения процессоров в ноутбуках, продается в Чип-и-Дип'е, Промэлектронике и куче онлайновых магазинов радиокомпонентов, стоит 100-300 руб.
    Выглядит так:
    pel
  2. радиатор на отводимую мощность 5-10 Вт.
    Выглядит так:
    rad
    Данный экземпляр куплен на рынке за 3 руб. Прежним владельцем, похоже содран с процессора видюхи или чипсетного чипа на материнке.
  3. несколько чип-резисторов суммарным сопротивлением ~500-1000 ом, и на суммарную мощность несколько сот милливатт. Продаются опять же в Чип-и-Дип'е, Промэлектронике и куче онлайновых магазинов. У продвинутых радиолюбителей - просто есть. Стоят копейки.
  4. мультиметр, способный измерять милливольты (лучше цифровой - они обычно с высокоомным входом)
    Выглядит так:
    multimeter
    Достается с чердака, из гаража и прочих закромов Родины. В крайнем случае - покупается в ближайшем универмаге. Стоит рублей сто.
  5. клей (лучше теплопроводящий) - хинт: намешать в эпоксидку бронзовой или алюминиевой пудры или графитового порошка. Можно купить еще какой-нибудь "термосил", но он непрочно склеивает, боится ударов и имеет свойство через пару лет рассыхаться и рассыпаться. Да, кстати, если собираетесь измерять только доли ватта - насчет теплопроводности клея можно не заморачиваться. Все клеи в тонких слоях имеют достаточную для этого теплопроводность.
  6. карандаш.
  7. кусочек фольгированного текстолита
  8. кусочек пенопласта
  9. провода

Вот собственно и все что нужно:
res

 

II. Сборка

  1. Замешиваем клей, клеим Пельтье на радиатор. Резисторы клеим сразу же, чтобы не делать два замеса. Получается примерно вот что:
    dev01
    Кусочки текстолита под контактные выводы калибратора можно тоже наклеить сразу (сорри, ну не было под рукой клемм, поэтому использовал текстолитовые площадки).
    Ждем пока клей застынет.
  2. Берем в руки паяльник, кусок луженого медного провода, припой, олово, флюс и т.п. Паяем резисторы между собой последовательно, а затем от крайних делаем выводы на текстолитовые контактные площадки.
    dev02
    (При внимательном просмотре рисунка можно заметить, что два крайних резистора закорочены. Сорри. Я думал, что беру 100-омные резисторы, а они оказались килоомниками - "102"=1к - никак не могу привыкнуть к этой маркировке)
  3. Берем кусочек пенопласта и вырезаем из него теплоизолирующую крышку. Крышку наклеиваем поверх резисторов. Теперь они смогут отдавать тепло только на через поверхность Пельтье модуля, к которой приклеены.
    dev03
    Ждем пока клей застынет.
  4. Черним рабочую поверхность.
    Варианты чернения:
      Народные:
      • покрасить качественной тушью (отражает ~10%)
      • закоптить на свечке (отражает ~10%)
      • закрасить чертежным карандашом (отражает ~20%).
      Мажорные:
      • натереть ваткой, смоченной раствором азотнокислого серебра, а затем натереть ваткой с раствором сульфида натрия. (отражает ~5%)
      • натереть ваткой, смоченной раствором хлористого палладия (есть такая жидкость для обработки печатных плат), затем обработать газовой горелкой (восстанавливающей зоной пламени) (отражает меньше 1%)
      Средние:
      • перенести тонер от лазерного принтера по способу как для травления плат (тогда лучше это делать первым этапом сборки, а то будет жутко неудобно)
    Для примера я выбрал карандаш. Способ простой, надежный, дает не лучшие но стабильные результаты:
    dev04
  5. Thats'all folks. Осталось подключить выводы Пельтье модуля к мультиметру, выводы от резисторов (калибратора) к источнику питания известного напряжения и провести калибровку.

 

III. Калибровка

  1. Схема калибровки:

    Источник питания проще всего использовать от компьютера. Он выдает с хорошей точностью напряжения 5 вольт (между красным проводом и черным) и 12 вольт (между желтым проводом и черным)
    Подпаяйте два провода достаточной длины (и достаточного сечения, чтобы их сопротивлением можно было пренебречь) к тестолитовым контактным площадкам калибратора (куда выведены провода от резисторов)
    Подключите провода к 5 вольтам блока питания. Полярность не важна (резистор все-таки). Сам блок питания пока не включайте. Подключите выводы от Пельтье к мультиметру. Про полярность пока не заморачивайтесь. Включите мультиметр на предел измерения 200 mV. Ждите пока температура (показания в милливольтах) устоится.
    tun04
    Запишите значение "нуля"
  2. Включите источник питания. Ждите пока показания устоятся. Если показания в милливольтах вместо того чтобы расти начинают падать, здесь самое время поменять полярность подключения пельтье к мультиметру, и повторить начиная с предыдущего пункта. Если не напрягает смотреть на знак "минус" и пересчитывать с отрицательными числами - можно все оставить как есть.
    tun02
    Для моего прибора подводимая мощность тут W=U*U/R=5v * 5V /2000 = 12.5 мВт.
    "Цена деления" k=W/(показания - значене нуля)=12.5/(2.5-0.4)=6 мВт/мВ.
  3. Выключите источник питания. Ждите пока показания устоятся. Заодно отключите провода калибратора от выводов 5v источника питания и подключите их к выводам 12 v.
    Запишите новое значение "нуля"
    tun03
    На фотографии хорошо видно домашнее животное. Оно считает себя фотогеничным, любит фотографироваться и пытается оставить след в истории - залезть в кадр.
  4. Включите источник питания. Ждите пока показания устоятся.
    tun05
    Снова сосчитаем калибровочный коэффициент.
    подводимая мощность W=U*U/R=12v * 12V /2000 = 72 мВт.
    (R=2000 Ом - это сопротивление вашего калибратора)
    калибровочный коэффициент k=W/(показания - значене нуля)=72/(12.2-0.5)=6.15 мВт/мВ.
    Практически совпадает с тем что было - хороший признак, значит нет ошибки и характеристика линейна как минимум до 72 мВт.
  5. Если есть другие напряжения питания калибровку можно продлить до больших мощностей. (Осторожней с этим - могут отпаяться и отклеиться резисторы калибратора, может подгореть пенопластовая теплоизолирующая крышка.) По опыту - характеристика получившегося датчика линейна примерно до 2-3 Вт. Дальше начинается завал. Если хотите мерить большие мощности, то нужно брать более крупный модуль пельтье, большой радиатор, использовать более мощные резисторы для калибратора, то есть - принцип тот же, но все крупнее.
    Калибровочный коэффициент найден, датчиком теперь можно пользоваться для измерений. Да, вот еще что. Если хочется больших точностей, можно при калибровке поставить точек 5 и провести калибровочную прямую методом наименьших квадратов (учат на лабораторках в 11 классе и на 1м курсе).
    Например от компьютерного источника кроме 5 и 12 вольт можно взять 24 вольта (между желтым и голубым проводами) 17 вольт (голубой-красный).

 

IV. Измерения

  1. На всякий случай убедитесь, что калибратор выключен.
    Включите мультиметр (на предел измерения 200 mV). Ждите пока показания устоятся.
    tun01
    Как обычно запишите значение "нуля"
  2. Светите лазерной указкой на рабочую (зачерненную) поверхность Пельтье. Ждите пока показания устоятся. В случае с указками показания сначала растут до максимума, потом медленно снижаются - просаживаются батарейки указки. При этом желательно как-нибудь указку закрепить (штатив, тиски, изолента), а еще желательно на пятно не смотреть - наловитесь "зайчиков". Для указки с сетевым питанием запишите устоявшиеся показания, для указки с батарейным питанием - показания в максимуме.
    tun07
  3. Пересчитайте показания:
    мощность указки w=k*(показания - значене нуля)=6мВт/мВ * (10.7-0.0) = 64 мВт.
    k - калибровочный коэффициент, найденный при калибровке.

 

V. Комментарии

Примитивно. Зато доступно и эффективно.
Продвинутые в электронике могут заменить мультиметр на небольшую платку с АЦП-чипом и микроконтроллером (PIC или Atmel), организовать вывод данных и управление по USB, написать программку для автокалибровки и анализа ошибок и... и... продавать по 1000 USD как профессиональный прибор. Основной вклад в погрешность дает дрейф нуля. На фотографиях виден дрейф в 0.5мВ, что в пересчете на милливатты дает 3 мВт. То есть указку мощностью в 5 мВт обмерять с помощью такого датчика - слишком грубо. Дрейф нуля идет в основном за счет сквозняков. При измерениях "закройте все окна" и двери, старайтесь не слишком шевелить атмосферу. Если застабилизировать показания не удается - измерьте амплитуду дрейфа нуля (разность между максимальными и минимальными показаниями) и отнесите в погрешность измерения.

Еще имеет свойство "плыть" калибровка самого мультиметра. В особенности если он дешевый. Тут спасает повторение калибровки датчика (раздел III). Перекалибровываться надо при смене батарейки в мультиметре, смене погодных условий, ну и просто время от времени.

Если измерения проводятся не по "сокращенной версии" а по честному - с калибровкой, установлением нуля и с двойным тройным повтором для усреднения результата, то измеренная этим датчиком мощность лазера будет отличаться от измеренной профессиональным прибором не больше чем на 10%-15%. Кстати если есть профессиональный прибор, то можно измерить еще и поправку на не 100%-ный коэффициент поглощения черненой поверхностью. Хотя при хорошем чернении эта поправка невелика и ей можно пренебречь не напрягая себя попусту.

Если жаба не душит - можно на один подходящих размеров радиатор поставить два пельтье модуля (проще - одинаковых) и включить в балансную схему. Один элемент будет измерителем, другой - компенсатором. Сильно поможет в борьбе со сквозняками.

Показания прибора в первом приближении не зависят от точки попадания. Измеренное напряжение равно сумме термо-э.д.с. всех включнееых последовательно пельтье-столбиков в пельтье модуле. Термо-э.д.с. каждого из столбиков равна произведению его удельной термо-э.д.с. ei на разность температур на нем. А разность температур ("холодного" и "горячего" спаев)- произведению теплового сопротивления столбика Rti на тепловой поток через него Wi:

Столбики в Пельтье модуле делаются автоматом из одного и того же материала (пары n-кремний и p-кремний) значит они с высокой точностью одинаковы. После вынесения за скобки ei и Rti получается что измеряемое напряжение прямо пропорционально полному тепловому потоку, как бы он ни был распределен по столбикам.

Для чернения НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ пользОВАТЬСЯ фломастерами, маркерами, чернилами от авторучек и вообще любыми красками кроме туши и сажи. На самом деле краски часто только выглядят черными и запросто могут оказаться вовсе не такими черными именно для той линии спектра, где излучает Ваш лазер. Измерения рекомендуется проводить сидя или лежа, предварительно успокоившись и удалив на безопасное расстояние режущие и колющие предметы. Когда мощность любимого трехсотмилливаттного лазера из дивиди-драйва оказывается всего 120 мВт бывает трудно удержаться от неадекватных действий.