Partikelgeschwindigkeit messen

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Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Do 03 Sep, 2015 1:45 pm

Hallo, ich muss folgendes Problem lösen:
Die Geschwindigkeit von Strahlmittelpartikeln soll ca. 100 mm nach dem Austritt aus einer Sandstrahldüse gemessen werden. Die erwartete Geschwindigkeit liegt grob zwischen 10 und 100 m/s. Die Partikel sind kugelförmig und haben einen Durchmesser zwischen 400 und 600 µm. Es soll, wenn möglich, auch der Geschwindigkeitsunterschied zwischen den kleinsten und größten Partikeln erfasst werden. In einem ersten Versuch wurde mit dem Speedlight SB-900 geblitzt. Ein Blitz mit einem Foto-Blitzgerät hat aber keine gleichmäßige Lichtstärke. Die Helligkeit wurde mit einer schnellen Fotodiode wie folgt gemessen.
Bild
Das führt zu unscharfen Spuren, deren Beginn und Ende nicht eindeutig zu bestimmen sind.
Bild
Jetzt möchte ich den Versuch mit einem Laser“Blitz“ wiederholen. Rotes Laserlicht wäre angenehm, weil gut sichtbar. IR wäre aber wohl auch möglich.
Ich suche also eine rote oder infrarote Laserquelle die sich mit einem Rechtecksignal gut in Ihrer Dauer steuern lässt. Die kürzeste benötigte Pulsdauer wird 50 µs nicht unterschreiten müssen. CW sollte auch möglich sein. Das Laserlicht sollte möglichst dem Modulationssignal folgen, also ein Rechteck sein. Die Leistung sollte so ausgelegt sein, dass ein Kamerachip die Reflektionen der Strahlmittelpartikel aufzeichnen kann, ohne gleich dauerhaft Schaden zu nehmen.
Die Geschwindigkeit würde ich dann aus der Länge der gemessenen Spuren errechnen. Z.B. Blitzzeit 125µs = 1/8000 sek. Spurlänge 10mm x 8000=80000mm/s oder 80m/s.
Das Projekt ist zeitlich begrenzt und muss möglichst innerhalb einer Woche beendet sein. Wer kann helfen?

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von afrob » Do 03 Sep, 2015 2:47 pm

Hast du eine Abschätzung, wieviel Licht du brauchst? Das hängt von der Fläche ab, die du mit dem Laser Ausleuchten möchtest, der Empfindlichkeit der Kamera und der Reflektivität der Partikel.
-Dann kann man eher was zum benötigten Laser sagen.

Grüße,
Robin

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von JETS » Do 03 Sep, 2015 2:56 pm

Versuche auch für die Kamera möglichst ein Tele Objektiv zu verwenden damit die Teilchen scharf abgebildet werden, dann siehst du auch den Beginn und das Ende besser. ( Glasperlen reflektieren hervorragend )

Benutze zum test auch mal einen xenonblitz mit möglichst kurzer Röhre und schicke diesen in Flugrichtung von hinten den Teilchen hinterher.
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...wäre unsere Phantasie realistisch, dann wäre unsere Realität phantastisch.

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Do 03 Sep, 2015 3:02 pm

Hallo Robin.
Keine Ahnung. Ich werde mich da wohl vorsichtig rantasten müssen.
Geplant ist eine Aufweitung des Strahls auf ca. 10 cm Durchmesser in der Messebene, also auf Höhe der Düsenöffnung, damit ich genügend viele Partikel erwische.
Die Partikel bestehen aus weißer Keramik. Gibt es keine Laser deren Leistung ich mit der Höhe des angelegten Modulationspulses steuern kann?
Hier ist noch ein Bild vom Aufbau.
Bild
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Do 03 Sep, 2015 3:08 pm

Hallo Jets,
die Focusebene liegt in der Düsenmitte.
Die Unschärfe ist Bewegungsunschärfe. Da dürfte auch kein Tele helfen.
Es sind Keramikkugeln, aber die reflektieren auch gut.
Ich kann ja mal einen Aufbau machen und den Blitz hinterherschicken, auch wenn ich nicht glaube, dass das was bringt.
l.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Do 03 Sep, 2015 3:45 pm

Hi Frank,

mein erster Treiber für Laserdioden mit 50mA bis 1A Maximalstrom bestand aus einem LM317 als Stromkonstanter, den ich mit einem MOSFET mit PWM bzw. Pulsen mit variabler Länge von einem Arduino aus geschaltet habe.

Die kürzesten Pulse hatten dabei etwa 4 µs, die Pulslänge in µs-Schritten beliebig erweiterbar bis CW, die Pulsform auf dem Oszi sah relativ gut rechteckig aus.

Später habe ich den Strom mit Parallelschalten von mehreren LM317 oder LM338 bis zu 9A erhöht ... heute baue ich die Treiber mit OP-Amps und MOSFET's mit bis zu einigen Hundert Ampere Puls-Strom :wink:

Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Do 03 Sep, 2015 4:13 pm

Hallo Viktor,
Ich kann mich jetzt aber nicht erst in Arduino einarbeiten und dann anfangen einen Lasertreiber auf Lochraster aufzubauen. Kannst du mir Artikel empfehlen, die ich fertig kaufen kann? Diodenlaser mit Treiber gibt’s es doch schon. Dann müsste ich mich nur noch um den Triggerimpuls kümmern oder? Vielleicht hast du da auch was im Angebot, was du nicht mehr brauchst, aber für mich noch seinen Zweck erfüllt?
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von afrob » Do 03 Sep, 2015 4:20 pm

Angenommen dein Blitz hat eine Blitzenergie von 100Ws(el) die in 0,001s abgegeben werden, dann bräuchtest du für die selbe Helligkeit CW eine Xenonlampe mit 100000W(el).
Laser sind vielleicht ein bisschen effizienter als Xenon-Blitzlampen, aber nicht um Größenordnungen.

Grüße,
Robin

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Do 03 Sep, 2015 5:09 pm

Hi Frank,

ich könnte dir einen LM-Treiber mit regelbarem Strom und einen Arduino als Pulscontroller auf Lochraster zusammenlöten und noch diese Woche zur Post bringen.

Etwas aufwändiger wäre die Strahlformung, wenn du einen parallelen Volumenstrahl und keine Laserlinie haben willst.

Ich hätte noch 1W in 445nm da, worauf die Kameras sehr empfindlich reagieren, so daß hier ein paar zehn bis Hundert Milliwatt reichen könnten.

Habe aber nicht viel Zeit, mich um Linsen o.ä. für die Strahlformung zu kümmern ...

*** EDIT***:
Zur erforderlichen Helligkeit - hier hatte ich ein Bild von 6x 445nm-Dioden aufgenommen, diejeweils mit etwa 100-200mW leuchten:
http://laserfreak.net/forum/download/fi ... &mode=view

Die Luft im Keller ist relativ sauber, trotzdem sind die paar Staubpartikel im Strahl bis Oben zum Strahlaustritt gut zu sehen ... so daß ich davon ausgehe, daß deine gut reflektierenden/streuenden Keramik-Partikel schon mit wenigen zig Milliwatt gut zu sehen sein sollten ...

Viktor
Zuletzt geändert von VDX am Do 03 Sep, 2015 5:25 pm, insgesamt 2-mal geändert.
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Do 03 Sep, 2015 5:22 pm

Hallo Robin,
Ich versuche mal, soweit es mir möglich ist, ein paar Fakten zu liefern.
Laut einem Foto-Forum hat der SB900 eine Blitzleistung von 64 Ws.
Das Bild ist allerdings mit der Einstellung M1/64 belichtet worden, was auch immer das bedeutet. Da wird vermutlich nur ein Teil der maximalen Blitzleistung frei.

Hallo Viktor,
das klingt interessant.
Kannst du mir was zu den Kosten für deine Bemühungen und Teile ein solches Projekt sagen?
Oder Bezugsquellen für Linsen nennen?
Gern auch in persönlicher Nachricht.
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Do 03 Sep, 2015 5:50 pm

Hi Frank,

... hab' dir eine PN geschickt ...

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von afrob » Do 03 Sep, 2015 5:57 pm

Linse24 hat geschrieben:Das Bild ist allerdings mit der Einstellung M1/64 belichtet worden, was auch immer das bedeutet.
:) NIcht dein Ernst, oder? Also im "M"anuellen Programm bei "1/64" Sekunden Verschlusszeit. Stell doch die Verschlusszeit
von deinem Fotoapparat einfach auf 1/8000 Sekunde ein - dann hast du ein knackscharfes Bild, weil der Sensor nur aktiv
ist wenn der Blitz volle Pulle leuchtet.

Grüße,
Robin

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Do 03 Sep, 2015 6:12 pm

... dann hat er aber nicht mehr die 'Flugzeit' der Partikel im Bild, sondern nur einen Schnappschuß mit lauter gleich scharfen Teilen :?

Er will ja eine deutlich längere Belichtungszeit als Blitzzeit haben ...

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Dr. Burne » Do 03 Sep, 2015 8:27 pm

Hallo,

habe mal auch Highspeedfotographie gemacht, das hat auch gut im Bereich von Luftgewehren geklappt.

Die Belichtungszeit der Kamera ist völlig egal, ich habe damals Bulb gehabt mit Fernauslöser, gedrückt und losgelassen, wenn der Blitz gezündet hat.
M1/64 heißt er hat den Blitz auf 1,5% der Maximalleistung gezündet und alle anderen Lichtquellen im Vergleich dazu extrem niedrig, Optimal ist der Blitz als einzigste Lichtquelle,
dann kann er auch 2 Sekunden Belichtungszeit verwenden.

Bei 1/8000 s fallen beide Veraschlusslamellen mit ca. 1/200s und einem Abstand von 1/4000s und belichten nach und nach nur einen 2,5% Streifen des Bildes,
das Ergebnis dabei wärer völlig unbrauchbar, deshalb können viele kameras mit integriertem Blitz nur maximal 1/200s mit Blitz als minimale Belichtungszeit.

Da gibt es aber den Vorteil von großen teuren Blitzen, dass sie bis zu 40 mal in den 1/200s blitzen und somit jeden Streifen des Bildes gleich belichten.
Wenn man also in dem Fall von 1/400s 2 Blitze im Abstand von 1/400 hat könnte man eventuell mit einer 2. Kamera die gleichzeiting durchgängig belichtet alle Partikel 2 mal oder öfter fotografieren und so die Bewegungsgeschwindigkeit messen.

Bei meinem Blitz kann ich auch manuell eine Blitzfolge von x Blitzen mit einer einstellbaren Frequenz abfeuern lassen und dabei nur die Kamera aufnehmen lassen solange der Blitz feuert, was auch bei mehr Umgebungslich funktionieren sollte.


Wichtig ist für seine Messung, dass der Lichtblitz immer eine konstante Länge hat, wo eine Laserdiode wohl deutlich bessere Genauigkeit wie ein Blitzgerät hat.

Messe einfach mal, inwieweit dein Blitz konstante Blitzzeiten hat und inwieweit die Kurve rechteckig ist, vermutlich für eine genaue Messung aber nicht gut genug.

Als Laserdiode würde ich eine 808nm Diode nehmen und in der Kamera den IR Filter entfernen.
Eine Kompaktkamera ergibt weniger Tiefenunschärfe hat aber mehr Rauschen bei hoherm ISO Wert.
Inwieweit die Tiefenunschärfe die Messung beeinflusst müsste man auch noch herausfinden.

Das wichtigste um möglichst kurze Blitzzeiten zu erreichen ist, dass man möglichst wenig wenig Blitzleistung verwendet.
Der Lichtbogen wird ja gezündet und dann elektrisch unterbrochen, um weniger Blitzleistung zu erreichen.

Ich habe einige Bilder von Diabolos mit ca. 170m/s, mit Canon Speedlite 580II bei 1/128 Blitzleistung, vor Jahren gemacht.
Die ISO Werte moderner Kameras sind ja unglaublich mit bis zu 128000 im Vergleich zu den ISO 400 die ich damals verwendet habe.

Der Bereich der Spur des Diabolos ist in etwa 50-60% so lang wie das Projektil selbst.
Also ca. 3-4mm bei 170m/s Geschwindigkeit ergibt ca. 0,02ms Belichtungslänge.

Bilder von einem Projektil, wo man kaum Bewegungsunschärfe hat, das klappt aber nur in einem völlig dunklen Raum, also müsstest du den Messbereich komplett einkapseln.
IMG_8259a.jpg
IMG_8412a.jpg
IMG_8365a.jpg
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Bild So sind Chinakisten halt!

Wellenlängensammlung 405 445 457,9 465,8 472,7 476,5 488 496,5 501,7 514,5 520 528,7 532 543,4 632,8 640 658 780

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Do 03 Sep, 2015 8:57 pm

... ich habe Frank eine 445nm-Diode mit 1W oder 2W angeboten, hätte aber auch noch einige 9W@975nm-Dioden mit 0.1mm-Faser dran, die einfacher homogen zu kollimieren sind, aber mit 9A wäre der Treiber dann etwas kräftiger/teurer :?

Ich schätze mal, daß das mit der blauen Laserdiode bei 0.5 - 1W und parallelen Strahl auf etwa 20mm kollimiert schon mehr als genug sein sollte -- wenn nicht, ginge das mit der 9W@975nm-Diode auch :freak:

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Dr. Burne » Do 03 Sep, 2015 9:10 pm

Nachtrag den man evtl. oben reineditieren könnte

Bei 1/8000 s fallen beide Veraschlusslamellen mit ca. 1/200s und einem Abstand von 1/4000s und belichten nach und nach nur einen 2,5% Streifen des Bildes,
das Ergebnis dabei wärer völlig unbrauchbar, deshalb können viele kameras mit integriertem Blitz nur maximal 1/200s mit Blitz als minimale Belichtungszeit.
Man hätte im Bild halt oben 2,5% die Aufnahme von t=0, in der Mite von T=2,5ms und unten 2,45% von t=0,5ms.


Da gibt es aber den Vorteil von großen teuren Blitzen, dass sie bis zu 40 mal in den 1/200s blitzen und somit jeden Streifen des Bildes gleich belichten und so der Effekt erscheint als ob man mit 1/8000s belichtet, schnell bewegende Objekte sind aber schräg verzerrt, weil unten halt später aufgenommen wird als oben.


Noch ein paar Ideen zum Laser.

Also ich würde es einfach mit dem Teleobjektiv so lassen und mind. 2 mal mit Laserdiode belichten, damit du dann statt Spurlänge den Spurabstand als Messpunkt hättest.

Ich würde mal in etwa schätzen, dass ein Fotoblitz ca. 100-200uJ in 50us abgibt, also kommt 2-4W Laserdiode recht gut hin von der Energie zum belichten.

Der Vorteil einer Laserdiode wäre z.B., dass du von oben einen schmalen Streifen belichten kannst und dort genau deinen Fokus des Objektiv hinlegst,
damit du keine Partikel im Unschärfebereich fotografierst.
Da du auch die Energie im Gegensatz zu einem Fortoblitz viel besser konzentrierst kannst du durchaus kürzere Laserpulse nehmen und dafür einen Stroboskopeffekt machen.
Damit hätest du viel schärfere Partikel wo du den Abstand zwischen den Blitzen misst
und auf Grund dass die Partikel alle im Schärfebereich der Kamera liegen kannst du viel besser ihre tatsächliche Größe abschätzen mit Helligkeit und Größe als Anhaltspunkt für ihre Größe.

Wenn dein Laserblitz funktioniert, hätte ich auch Interesse daran für Highspeedfotografie.
Bild So sind Chinakisten halt!

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Do 03 Sep, 2015 9:35 pm

... hmmm ... wenn Interesse an einem kräftigen 'Laserblitz' besteht, könnte ich das evtl. mal mit verschiedenen Wellenlängen und Belichtungszeiten (bzw. Pulszeiten) und Energiedichten ausprobieren :freak:

Ich habe z.Zt. da: 405nm (200mW), 445nm (1W, 2W, 3.5W), 652nm (20W), 808nm (1W, 25W), 975nm (5W, 9W, 25W) und 1070nm (50W, 85W) ...

... und hab' die 1µs-Treiber (bzw. 40MHz AOM für die IR-Laser) dafür auch entweder da oder könnte sie relativ kurzfristig zusammenbauen.

Das würde ich aber nur machen, wenn abzusehen ist, daß damit was zu verdienen wäre ... für Umsonst habe ich schon genug gemacht :?

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Do 03 Sep, 2015 10:22 pm

Sorry an alle, die hier so schön mithelfen:
Ich war ein paar Stunden unterwegs und bin jetzt wieder am Start.
Zuerst möchte ich mal auf den Aufbau eingehen, damit das geklärt ist. Das ganze findet in einer Sandstrahlkabine statt, welche sich komplett abdunkeln lässt. Licht = Null.
Die Kamera wurde mit Fernauslöser Langzeitbelichtet also „Bulb“.
Während der Langzeitbelichtung friert der Blitz die Bewegung ein.

@Viktor: auf deine PN komme ich etwas später noch zurück.

@Robin: Dr.Burne hat hier den Nagel ziemlich gut auf den Kopf getroffen.

@Dr.Burne: Super Denkanstöße!!! Exakt: Alle Xenonblitze haben die schlechte Charakteristik, nämlich die, im ersten Oszilloskop-Bild gezeigte. Die machen alle kein Rechteck. Und Rechteck ist Pflicht, weil nur die steilen Flanken eines Rechteckes die Kontur am Anfang und am Ende der Bewegung scharf abbilden. Nur dann kann man die Strichlänge messen.
Bild
Dies ist auch ein Foto des Blitzes und es sieht ein bisschen wie ein Rechteck aus, aber nur weil die Fotodiode in die Sättigung geht und die obere Spitze des Signalverlaufes abschneidet.

In der Kamera den IR Filter entfernen? Das macht mir Angst! Dafür war sie zu teuer (D4) aber ich google mal wo der sitzt und denke dann nochmal drüber nach…
Highspeed: Ich habe auch mal sowas fotografiert:
Bild
Aber: die Bewegungsunschärfe ist in meinem jetzigen Fall sogar gewünscht.
Laserlicht scheint das Allheilmittel für Ultra-Highspeed-Fotografie zu sein. Am besten weißes einstellbar von Picosekunden bis CW… das gäb richtig gute Fotos ohne jegliche Bewegungsunschärfe (träum)
IR macht die Sache ein bisschen komplizierter, was das Einstellen betrifft. Und dann will ich ja nach dem Messen der Partikelgeschwindigkeit noch meine Kamera und auch meine Augen benutzen können.
Nochmal zum Aufbau:
Der Durchmesser der Strahldüse ist mit 24mm bekannt. Wenn ich davon ausgehe, dass die Kamera nur unwesentlich verzerrt und ich in Photoshop ein quadratisches Raster über das Bild lege, dann über die Pulszeit des Lasers die Strichlänge auf schöne 24 mm bringen kann, (maximale Strichlängen halten die Fehler klein, solange die Striche nicht miteinander verschmelzen).
Cool wäre also ein gepulster, in der Intensität einstellbarer Laser mit einer Pulsdauer von z.B. 50 µs, die man gemütlich hochdreht bis die Striche lang genug sind, aber noch nicht ein einander fließen.
Das war jetzt viel Text. Ich hoffe aber es ist jetzt klar geworden.
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Dr. Burne » Do 03 Sep, 2015 10:23 pm

Hi,

ich denke mit 1-2W sollte man gut hinkommen, wenn es nicht am IR Filter der Kamera hängenbleibt.

Im Prinzip sollte eine Messung mit. z.B. 1us Pulsen und 2-5us Pause besser sein zum Messen, da man hier das Partikel verfolgen kann und von den Zentren am Anfang und Ende der Spur messen könnte.

Was auch interessant wäre inwieweit man eine normale LED mit Treiber kurz pulsen kann, es gibt ja 12W Single Emitter oder >100W Arrays.
Photodiode und Oszilloskop hätte ich zum messen, die 12W Emiter die mir da aus den Taschenlampen bekannt sind haben ja in etwa elektrische Specs wie eine 4W Blaue Laserdiode.

Also Pulszeit einstellen mit Poti sollte kein Thema sein, da gibt es ja allerhand IC´s die einem eine schönes Rechtecksignal machen, beim Strom müsste es auch in gewissen Bereich gehen oder man benutzt einen drehbaren Polarisationsfilter zum einstellen (habe noch 2-3 hier rumliegen).


Mit Laser kann man ja sehr gut die nötige Energiedichte für 1us Pulse schön in den Fokusbereich der Kamera bringen, während der Blitz bei ca. 20-30us am Limit ist
und seine Energie in einen dicken Kegel verballert und seine unscharfen Flanken produziert.

Ein Treiber für ne blaue Laserdiode oder LED wäre schon interessant für mich, der Pulse unter 5us produziert.

Im Prinzip könnte man sogar mit dem nötigen Kapital RGB Diodenblitz bauen,
da Breitstreifenemitter kein Ausschlusskriterium wäre, wenn man mit Achromaten für die Belichtungsanpassung arbeitet.
Bild So sind Chinakisten halt!

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Do 03 Sep, 2015 10:44 pm

... OK, ich mess morgen oder am WE mal die Stromkurve an einer 445nm- und einer 975nm-Laserdiode - Puls-Treiber mit einstellbarem Strom und Controller mit entsprechender zeitlicher Auflösung habe ich da - mit den kleinen Arduinos (Pro-Clone) erreiche ich normal 4µs als kürzeste Puls-Zeit, mit einem Due dürfte das um einiges kürzer sein ... mit einem BeagleBone-Lasertreiber kann ich laut Dokumentation (noch nicht probiert) Laserpulse bis 20MHz, also etwa 50ns Auflösung, ausgeben.

Hätte auch noch einen N2-TAE-Pulslaser da, der UV-Pulse (337nm) mit etwa 200-300ps ausgibt ... das dürfte die Kamera aber am ehesten schrotten, da die Energiedichte extrem hoch wäre :freak:

Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Hatschi » Fr 04 Sep, 2015 6:28 am

Halli Hallo

Wie währe es wenn du dir statt der D4 für diesen Zweck eine mit elektronischem Schutter nimmst?

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Fr 04 Sep, 2015 9:15 am

@Viktor: Ich habe dir eine PN geschickt.
Interessant wäre es, statt des Stromes einmal das emittierte Licht mit einer schnellen Fotodiode z.B. SFH 203 in Hellschaltung zu messen, dabei darauf zu achten, dass die Diode nicht in die Sättigung fährt. Wie sieht da die Signalform aus?
Mach mir doch mal bitte ein Angebot für den kompletten Aufbau eines roten (sichtbaren) Lasers mit einer simplen Aufweitung bis maximal 2 Watt. Ich brauche eine Taste, welche einen einzelnen Puls mit einstellbarer Dauer auslöst. Wo bekomme ich eine passende Schutzbrille?

@ Hatschi: Ich möchte lieber den Weg mit dem steuerbaren Laserpuls gehen.
L.G.
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Fr 04 Sep, 2015 11:01 am

Hi Frank,

Rot habe ich keine in der Leistung da, nur Blau ... und soviel ich weiß, sind die Kamera-Chips im Bereich Blau viel empfindlicher als in Rot.

Ein Taster für den Puls und Poti für die Pulslänge ist kein Problem - oder auch vom Rechner aus einstellen und auslösen ...

Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Fr 04 Sep, 2015 11:08 am

@Viktor: Ok, dann biete mir das Ganze doch bitte mal in blau an.
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Sa 05 Sep, 2015 7:50 pm

... habe heute einen der ersten Prototypen-Treiber mit relativ langsamen MOSFETs (IRF3205) und noch langsamerem OP (LM358N) reaktiviert und probiert zu messen, was als Spannungsabfall an der Laserdiode und als 'Lichtleistung' an einem Fototransistor aus einem alten Gabel-Optokoppler rauskommt.

Hier mit 1µs Puls (in echt etwa 5µs puls am Arduino-Ausgangspin) und 100µs Pause:
1. Spannungsabfall an der Diode:
Spannungsabfall an Laserdiode - 1-100µs.jpg

2. ... und das 'sieht' der Fototransistor invertiert:
Optokoppler-Transistor.jpg


Und hier mit 50µs Puls und 200µs Pause:
Spannungsabfall an Laserdiode - 50-200µs.jpg

Ich weiß nicht genau, ob die 'Ein-/Aus-Schwinger' von der Schaltung/Laserdiode oder von der Messung kommen - ich habe bei der LD und auch am Fototransistor keine Filter oder Kondensatoren verwendet :freak:

Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Sa 05 Sep, 2015 9:07 pm

@Viktor: Ich habe heute in meiner Krabbelkiste dieses schöne Kästchen wiedergefunden:
Bild
Es stammt noch aus der Zeit meiner Tropfenfotografie und funktioniert wohl so ähnlich wie ein Arduino.
Damit lassen sich auf einen analogen oder digitalen Triggerimpuls verzögert einzelne Pulse im Bereich zwischen 1,0 µs und 65.535,0 µs ausgeben. Außerdem lassen sich mehrere Bursts mit mehreren Pulsen (bis zu 255 je Burst) oder eine endlose Folge von Pulsen einstellen.
Die Verzögerungszeit nach dem Triggerimpuls ist in weiten Bereichen zwischen 400.000.000,0 µs und 10,0 µs einstellbar.
Hier ein Puls mit einer Länge von 1µs. Die Signalform sieht schon mal gut aus. Das gibt Hoffnung.
Bild
@Dr.Burne: Die Sache mit den mehreren Pulsen in Folge lässt sich dank des wiedergefundenen Kästchens jetzt wohl auch machen.

Ich warte jetzt erst mal meinen Besucher mit den Lasern ab, dann sehen wir weiter.
Ich werde berichten.
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Sa 05 Sep, 2015 9:23 pm

@ Viktor:
Die Pulse sehen brauchbar aus. Wie schnell war der Fototransistor?
Ich habe für die Messung eine schnelle Fotodiode SFH203 (Rise/fall-Time=5ns) in Hellschaltung verwendet.
Bild
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Sa 05 Sep, 2015 10:48 pm

... der Fototransistor war mal der Sensor einer Gabellichtschranke aus einem Kopierer von etwa 1970 ... hab' keine Daten o.ä. von dem :?

Das Durchschalten geht schon ziemlich gut - er 'löst' den Puls mit weniger als 5µs auf, was in etwa den erwarteten Pulszeiten entspricht.

Die lange 'Ladekurve' in der Puls-Pause liegt wohl am 5.6K-Widerstand, mit dem ich den an die 12V der Diodenversorgung gehängt habe - ich habe hier einfach den Spannungsabfall am Transistor gegen Masse gemessen. Wenn ich einen kleineren Widerstand nehme und den an 5V anschließe, sollte die Kurve eher dem Lichtverlauf folgen ... mache ich nachher evtl. noch ...

Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » So 06 Sep, 2015 12:56 am

... hab' den Vorwiderstand am Fototransistor auf 1k reduziert und ihn an den 12V gelassen - das Signal wird sauberer, die 'Ladekurve' bleibt aber so ... ich denke, das Teil ist schnell im Durchschalten, beim Sperren braucht er aber einfach zu lange.

Die Ein-/Ausschwinger bei den Flanken dürften die Regelschwingung des langsamen OP's sein - der LM358 ist nur bis 1MHz spezifiziert, so da er bei 100kHz schon am 'Wegbrechen' ist ... normal habe ich da CA3240 oder LT1215 drin - die sind deutlich schneller (4.5MHz und 23 MHz), so daß das Ein-/Ausschwingen viel weniger bzw. überhaupt nicht zu sehen ist ...

Muß mir wohl doch wieder ein paar von den schnelleren OP's sowie die fehlenden Teile für noch ein paar Hochstrom-Laserdiodentreiber bestellen, weil meine 'Bastelreserven' so langsam komplett aufgebraucht sind :freak:

Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » So 06 Sep, 2015 7:00 pm

... um es mal mit der Kamera zu versuchen, habe ich die Pulsrate auf 4µs Puls, 10ms Pause eingestellt und bei mäßiger Dunkelheit (damit die Belichtungszeit der Digicam etwas länger wird) mit dem 'Laserpulser' mit etwa 1m Fokus-Abstand händisch einen Kreis von etwa 50cm Durchmesser und etwa 3x pro Sekunde rum gewackelt und aufgenommen ... die Belichtungsdauer ist um die 130ms herum :freak:
Puls-Kreis - 4-10000us.jpg
Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Fr 11 Sep, 2015 5:14 pm

Lange hat es gedauert...
...aber es gibt erste Ergebnisse:
Bild
und das große Bild unter:
http://www.oberflaeche.com/images/blog/ ... e-2048.jpg
So, muss jetzt leider los.
Genaueres dazu gibt´s heute Abend.
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von VDX » Fr 11 Sep, 2015 10:39 pm

Hi Frank,

... na, siehste - geht doch :wink:

Was für eine CW-Leistung und was für eine Puls-ON-Zeit hast du eingestellt?

Hab' für ein anderes Projekt vor 2 Tagen die Stepper-Taktrate eines ArduinoDue mit einem Tektronik-Speicheroszi gemessen - die war um die 400 Nanosekunden (könnte evtl. noch kürzer werden) und sah unbelastet richtig gut rechtwinklig aus :wink:

Viktor
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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Fr 11 Sep, 2015 11:14 pm

So, nun zu den Einzelheiten:
Mit dem bloßen Auge wirkten kurze Laserpulse zunächst deutlich dunkler als der Dauerstrich.
Es sah so aus, als würde mit sinkender Pulsdauer auch die Leistung sinken.
Eine Messung der Helligkeit mit einer Fotodiode ergab aber immer ungefähr gleiche Werte.
Für diese Messung wurde der Kollimator komplett entfernt.
Es entstand in ca 50 cm Entfernung von der Laserdiode ein rechteckiger Lichtfleck von ca. 80x500 mm Größe.
Dieser wurde auf die Fotodiode gerichtet.
Dabei wurde die Entfernung zum Laser so gewählt, dass die Diode nicht in die Sättigung geht.
Ein paar Beispiele:
Es wird die Spannung am Reihenwiderstand zur Fotodiode gemessen.
200µs Pulsdauer
Bild

500µs Pulsdauer
Bild

800µs Pulsdauer
Bild

1000µs Pulsdauer
Bild

5000µs Pulsdauer
Bild

Zum Schluss noch ein Beispiel für den Verlauf an einer gesättigten Diode mit einer helleren Lichtquelle:
Bild

Fotografiert wurde mit Fernauslöser in Stellung "Bulb" in einer vollständig abgedunkelten Kabine bei 3200 ISO, Blende 2,8.
Der Verschluss wurde mit dem Fernauslöser geöffnet, dann der Laserpuls zum Belichten abgegeben.
Die Aufnahmen und die Bewegungsunschärfe der Partikel sind gestochen scharf.
Über das Bild wurde ein Raster gelegt.
Mit Hilfe dieses Rasters lässt sich die Strichlänge wunderbar bestimmen.
Gemessene Längen liegen zwischen 13,3 und 16,2 mm. Multipliziert mit 5000 (bei 200µs) ergibt das Geschwindigkeiten zwischen
66,5 und 81,0 m/s.

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von Linse24 » Fr 11 Sep, 2015 11:22 pm

@Viktor:
Der Gain Strom war auf 1,4 Ampere eingestellt.
Die Pulsweite des Triggers auf 200 µs eingestellt.
Ich wollte möglichst lange Striche.
L.G.
Frank

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Re: Partikelgeschwindigkeit messen

Beitrag von tschosef » Mo 14 Sep, 2015 7:59 am

Moing moing...

Daumen Hoch !!! sehr schöne Sache... gefällt mir ;-)

vielleicht kann ich das auch mal gebrauchen (vorlesung Physik :-) )

viele Grüße
Erich
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