Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Proszę, dodaj wyjątek www.elektroda.pl do Adblock.
Dzięki temu, że oglądasz reklamy, wspierasz portal i użytkowników.

fluorymetr - idea długiego czasu pomiaru prądu fotodiody

saycomp 06 Maj 2011 20:26 3301 14
  • #1 06 Maj 2011 20:26
    saycomp
    Poziom 10  

    Witam

    Wgryzam się w temat budowy prostego fluorometru do badania bardzo małych stężeń fluoresceiny/uraniny w wodzie. Idea jest taka, aby próbkę wody oświetlać światłem mocnej, niebieskiej diody o długości fali ok. 470nm. Za diodą był by precyzyjny filtr interferencyjny usuwający niepożądane spektrum o większej długości fali, zwłaszcza powyżej 500nm.
    Emitowane z próbki światło (zieleń - 520-560nm, szczyt 521nm) było by filtrowane przez wąski, interferencyjny filtr przepuszczający tylko interesującą długość fali a tłumiący światło diody mogące odbić się n.p. od zawiesin (takie filtry są dostępne w akceptowalnej cenie na Ebay'u).
    Za filtrem fotodioda BPW21R - fotopowielacz nie mieści się w budżecie oraz chcę zastosować tylko dostępne w handlu komponenty. Z uwagi na bardzo małą ilość światła (wręcz pojedyncze fotony) emitowanego przez niewielkie ilości wzbudzonej fluoresceiny pojawia się problem wzmacniania sygnału z fotodiody. Pierwszym pomysłem było wzorowanie się na znaleziopnych m.in na Elektrodzie schematów, w których za fotodiodą jest wzmacniacz operacyjny z wejściem fet, później kilka stopni wzmacniających i dalej n.p. podanie sygnału z poszczególnych stopni (zakresy) na ADC mikroprocesora.
    Ale tak na chłopski rozum, taki układ ma pewne wady:
    1 - pracuje na granicy szumów - prąd diody jest stale mierzony przez wzmacniacz operacyjny, przy bardzo małych wartościach użytecznego sygnału nakładają się na niego lub wręcz tłumią go szumy elementów biernych i samego wzmacniacza.
    2 - układ pracuje "online", z relatywnie dużą częstotliwością - prąd diody jest wzmacniany na bieżąco. Do poprawnej interpretacji zaszumionego sygnału konieczne by było uśrednianie wartości w późniejszych obliczeniach.
    Porównał bym tą sytuację do naświetlania przetwornika aparatu cyfrowego. Nawet wykonanie wielu zdjęć (n.p. nocnego nieba) o sumarycznym czasie n.p. 30 sekund i nałożenie ich na siebie nie daje tak dobrego efektu jak wykonanie jednego zdjęcia o tym samym czasie ekspozycji. Wiele pikseli w matrycy nie otrzymuje w czasie takiej krótkiego naświetlania wystarczającego ładunku światła do przekroczenia progu szumów. A w moim przypadku fotodiodę można by porównać do właśnie takiego piksela w matrycy.
    Idąc tym torem rozumowania wymyśliłem, że można by wydłużyć "czas naświetlania". N.p. ładować lub rozładowywać prądem fotodiody kondensator i jedynie monitorować jego napięcie. Aby sprawę uprościć, wystarczyło by jedynie mierzyć czas jego ładowania/rozładowania - w układzie pracowały by (przynajmniej teoretycznie) w czasie pomiaru jedynie fotodioda i kondensator - oznaczało by to minimalizację szumów rezystorów i wzmacniaczy nieuniknionych w "klasycznych" układach). Popełniłem kiedyś automatyczną maskownicę fotograficzną w której parametry naświetlania mierzone były właśnie czasem ładowania kondensatora (pracowała doskonale). Ale w tamtym przypadku ilość światła docierającego do fotodiod była kilka rzędów większa, nie było więc problemu z szumami, upływnością kondensatora i wieloma innymi krytycznymi parametrami. Sprawa z pozoru jest prosta, ale tylko z pozoru. Nie chciał bym wyważać otwartych drzwi, czy ktoś z Was popełnił kiedyś podobną konstrukcję, natknął się kiedyś na identyczne rozwiązanie albo mógł by mi coś podpowiedzieć?


    pozdrawiam serdecznie

    0 14
  • #3 08 Maj 2011 20:09
    saycomp
    Poziom 10  

    Google było najpierw. I to na wiele sposobów i w kilku językach. Gdybym znalazł coś interesującego, to bym nie pisał na forum...

    0
  • #4 09 Maj 2011 02:17
    nemo07
    Poziom 36  

    Witam.

    saycomp napisał:
    ... Za filtrem fotodioda BPW21R - fotopowielacz nie mieści się w budżecie oraz chcę zastosować tylko dostępne w handlu komponenty. Z uwagi na bardzo małą ilość światła (wręcz pojedyncze fotony) emitowanego przez niewielkie ilości wzbudzonej fluoresceiny pojawia się problem wzmacniania sygnału z fotodiody. ...

    Jesli jest mniej wiecej doslownie tak jak piszesz (wręcz pojedyncze fotony), to bez fotopowielacza lepiej zapomnij o sprawie.
    saycomp napisał:
    ... Popełniłem kiedyś automatyczną maskownicę fotograficzną w której parametry naświetlania mierzone były właśnie czasem ładowania kondensatora (pracowała doskonale). Ale w tamtym przypadku ilość światła docierającego do fotodiod była kilka rzędów większa, nie było więc problemu ...
    Byla o kilka grubych rzedow wyzsza, powiedzmy 10 rzedow.

    Aby mierzyc tak nikle ilosci swiatla metoda integratora musialbys posiadac fotodiode z pradem ciemnym na poziomie attoamperow, kondensator prozniowy i wypozyczyc pasujacy wzmacniacz pomiarowy (elektrometryczny, cena drobiazg, tylko kilkadziesiat k$), aby stwierdzic, ze pomiar niewykonalny z powodu szumu i termicznych dryftow pradu fotodiody.

    ... No, chyba, ze masz na mysli nie kilka, a miliony fotonow na sekunde. Wtedy moglbys sie pokusic, ale nie metoda integratora, lecz choppera.


    Pozdrawiam

    0
  • #5 09 Maj 2011 22:01
    saycomp
    Poziom 10  

    Cytat:
    Jesli jest mniej wiecej doslownie tak jak piszesz (wręcz pojedyncze fotony), to bez fotopowielacza lepiej zapomnij o sprawie.


    Fotopowielacz odpada ze względów budżetowych. Jeśli chodzi o pojedyncze fotony to rzeczywiście będzie problem. Ale już setki nie powinny być problemem - na forum opisywany był czujnik promieniowania na fotodiodzie:
    Link
    Polecam zagłębić się zwłaszcza w linki "na zewnątrz" Elektrody. I jak się okazuje układ fotodiody połączonej ze wzmacniaczem z wysokorezystywnym wejściem (jfet) jest zdolny do detekcji pojedynczych cząstek o energiach 10 keV. Taka cząstka generuje (raz na jakiś czas) w fotodiodzie poniżej 3000 elektronów i dziur. I to są już wartości dosyć dobrze mierzalne. Być może warto pomyśleć o bardzo silnym wzbudzeniu i odpowiednio dużej komorze na próbkę.

    Cytat:
    kondensator prozniowy


    Kondensatory polistyrenowe powinny wystarczyć. Niektóre mają upływności rzędu kilku mV na dzień...

    Generalnie wyluzowałem się z pomysłu kondensatora. Chyba lepiej jednak będzie użyć wzmacniacza całkującego ze wzmacniaczem operacyjnym o prądzie wejścia rzędu fA. N.p. OPA129, LMC6035 czy coś w tym stylu.

    0
  • Pomocny post
    #6 09 Maj 2011 23:29
    me_super
    Poziom 29  

    Napisz, co chcesz zrobić -- chcesz mierzyć stężenie próbki? Czy może tylko zmiany w czasie?

    Do pomiarów małych sygnałów używa się technik lock-in (lock-in amplifier), ale to zależy od tego co chcesz uzyskać.

    0
  • #7 10 Maj 2011 10:42
    saycomp
    Poziom 10  

    Witam

    me_super - bardziej zależy mi na długookresowych zmianach w czasie. Stężenie też jest ważne, ale z niezbyt dużą dokładnością. Będzie dobrze, jeśli zmieszczę się w +/- 30%. Fluorymetr ma pracować jako stacja pomiarowa na przepływie wód podziemnych i monitorować pojawienie się w nich barwnika. Próbka ma być badana co 10 minut.

    Idea lock-in amplifier'em wydaje się być bardzo ciekawa. Chyba najprościej było by to zrobić z ekektroniczną modulacją wzbudzenia (częstotliwość rzędu Hz) i obróbką uzyskanego sygnału przez DSP. A do tego niezbyt skomplikowana w programowaniu. Dzięki!
    Urządzenie ma pracować na zasilaniu bateryjnym, zastanawiam się tylko, czy znacznie dłuższy czas "opracowywania" próbki nie wpłynie na czas pracy rejestratora. Ale to jest temat drugorzędny - nawyżej doda się więcej ogniw.

    pozdrawiam!

    0
  • #8 10 Maj 2011 20:18
    me_super
    Poziom 29  

    saycomp napisał:


    Idea lock-in amplifier'em wydaje się być bardzo ciekawa. Chyba najprościej było by to zrobić z ekektroniczną modulacją wzbudzenia (częstotliwość rzędu Hz) i obróbką uzyskanego sygnału przez DSP. A do tego niezbyt skomplikowana w programowaniu. Dzięki!
    Urządzenie ma pracować na zasilaniu bateryjnym, zastanawiam się tylko, czy znacznie dłuższy czas "opracowywania" próbki nie wpłynie na czas pracy rejestratora. Ale to jest temat drugorzędny - nawyżej doda się więcej ogniw.

    pozdrawiam!


    Setki Hz powinny być OK, wystarczy modulować LEDa świecącego. Ostatnio można kupić na allegro stare Unipanowskie lock-iny i nanowoltomierze ale to są pełnowymiarowe urządzenia dużych rozmiarów.

    pan moderator niech pilnuje swojego nosa i nie zmienia moich postów i niech nie podmienia mojej treści. panie moderatorze niech pan pamięta że wpis na forum stanowi utwór w rozumieniu prawa autorskiego. i bez pozwolenia autora modyfikując treść tego utworu łamie pan prawo

    Moderowany przez Mirek Z.:

    Usunąłem wyłącznie OT z poprzedniego postu, podobne do tego powyżej - proszę nie kłamać! Podstawa usunięcia - p.4.1.4 regulaminu.
    Ostrzeżenie za naruszenie (ponowne) punktów 3.1.7 i 3.1.11 regulaminu forum.

    0
  • #9 10 Maj 2011 22:26
    nemo07
    Poziom 36  

    saycomp napisał:
    Cytat:
    Jesli jest mniej wiecej doslownie tak jak piszesz (wręcz pojedyncze fotony), to bez fotopowielacza lepiej zapomnij o sprawie.


    Fotopowielacz odpada ze względów budżetowych. Jeśli chodzi o pojedyncze fotony to rzeczywiście będzie problem. Ale już setki nie powinny być problemem - na forum opisywany był czujnik promieniowania na fotodiodzie:
    Link
    Polecam zagłębić się zwłaszcza w linki "na zewnątrz" Elektrody. I jak się okazuje układ fotodiody połączonej ze wzmacniaczem z wysokorezystywnym wejściem (jfet) jest zdolny do detekcji pojedynczych cząstek o energiach 10 keV. Taka cząstka generuje (raz na jakiś czas) w fotodiodzie poniżej 3000 elektronów i dziur. I to są już wartości dosyć dobrze mierzalne.
    Sa mierzalne, ale z powodu, ze gamma to zupelnie inne promieniowanie (E > 10e5 eV) niz swiatlo widzialne (E = 2 ... 3 eV); nie przez przypadek promieniowanie gamma nazywa sie "promieniowaniem jonizujacym".

    Jesli foton gamma wywola emisje paczki elektronow-dziuz w liczbie rzedu n = 3000, to na fotodiodzie o pojemnosci zlacza C = 100 pF pojawi sie skok napiecia:

    ΔU = n * Qe/C ≈ 3*10e3 * 1,6*10e(-19)/[100*10e(-12)] = 4,8*10e(-6) = 4.8 uV.

    Taki skok mozna bez problemu wzmocnic, a zatem zarejestrowac impulsy fotonow promieniowania gamma uzywajac dostepnej technologii polprzewodnikowej.
    Tyle, ze tutaj ladunki sa generowane w czasie rzedu mikrosekundy. Z tego tez wzgledu stosuje sie tu uklady wejsciowe przypominajace wzmacniacze ladunku z konwersja na napiecie, po czym wzmacnia sie skok napiecia. W zadnym wypadku sie nie calkuje, bo to bylby czysty nonsens, i wykaze dlaczego, skoro sie tak kurczowo uczepiles idei calkowania:

    Jesli (naturalny) integrator, jakim jest pojemnosc parazytowa fotodiody integruje ze stala czasowa rzedu 1 us dajac w powyzszym przykladzie skok na poziomie 5 uV, to integrator te stala 1 s zredukuje ten skok do poziomu 5 pV.
    Czym chcialbys to pomierzyc?

    saycomp napisał:
    Cytat:
    kondensator prozniowy


    Kondensatory polistyrenowe powinny wystarczyć. Niektóre mają upływności rzędu kilku mV na dzień...
    Polistyren wykazuje absorbcje dielektryczna.

    saycomp napisał:
    Generalnie wyluzowałem się z pomysłu kondensatora. Chyba lepiej jednak będzie użyć wzmacniacza całkującego ze wzmacniaczem operacyjnym o prądzie wejścia rzędu fA. N.p. OPA129, LMC6035 czy coś w tym stylu.

    No super! Dopoki nie pokazesz tego swojego wzmacniacza calkujacego bez kondensatora, uwazam, ze dalsza dyskusja mija sie z celem (jakkolwiek powinno byc jasne, ze "integrator" w tym temacie nie ma czego szukac).

    0
  • #10 11 Maj 2011 00:43
    saycomp
    Poziom 10  

    Witam

    Cytat:
    No super! Dopoki nie pokazesz tego swojego wzmacniacza calkujacego bez kondensatora, uwazam, ze dalsza dyskusja mija sie z celem


    Zajrzyj do pierwszego postu - prawdopodobnie nie zrozumiałeś idei. Ten kondensator miał spełniać zupełnie inną rolę. A wzmacniacz całkujący bez kondensatora trochę trudno zrobić :-)

    pozdrawiam!

    0
  • #11 11 Maj 2011 20:44
    nemo07
    Poziom 36  

    saycomp napisał:
    ... Zajrzyj do pierwszego postu - prawdopodobnie nie zrozumiałeś idei. Ten kondensator miał spełniać zupełnie inną rolę. ...

    Zagladam, i co tam mamy?
    saycomp napisał:
    ... Idąc tym torem rozumowania wymyśliłem, że można by wydłużyć "czas naświetlania". N.p. ładować lub rozładowywać prądem fotodiody kondensator i jedynie monitorować jego napięcie. Aby sprawę uprościć, wystarczyło by jedynie mierzyć czas jego ładowania/rozładowania - w układzie pracowały by (przynajmniej teoretycznie) w czasie pomiaru jedynie fotodioda i kondensator - oznaczało by to minimalizację szumów rezystorów i wzmacniaczy nieuniknionych w "klasycznych" układach).

    Czyli integrator. Zdawalo mi sie, ze jasno przedstawilem bezsens takiego podejscia, podpierajac argument nawet przykladem liczbowym, no ale skoro sie upierasz ... powodzenia zycze.
    A przeciez me_super juz Ci podpowiedzial
    me_super napisał:
    Setki Hz powinny być OK, wystarczy modulować LEDa świecącego. Ostatnio można kupić na allegro stare Unipanowskie lock-iny i nanowoltomierze ale to są pełnowymiarowe urządzenia dużych rozmiarów.

    Nie musi byc lock-in, wystarczy silny reflektor (multum LEDow) z kolimatorem, do tego chopper, ultra czula fotodioda (z rzeczonxmi filtrami), synchroniczny detektor amplitudy ze wzmacniaczem, i wiara, ze fotodioda cos zarejestruje.

    0
  • #12 16 Maj 2011 15:34
    kogut007
    Poziom 1  

    Dawno temu czytałem o możliwości pracy fotodiody spolaryzowanej wstecznie napięciem trochę poniżej napięcia przebicia lawinowego złącza, zasilanej przez opornik o dużej oporności (wygaszanie przebicia). W takich warunkach pracy złącza pojedyńczy foton może wywołać lawinę elektronów, czyli to, co zachodzi w fotopowielaczu. Niestety, nie testowałem tego układu.

    0
  • #13 17 Maj 2011 15:26
    nemo07
    Poziom 36  

    kogut007 napisał:
    Dawno temu czytałem o możliwości pracy fotodiody spolaryzowanej wstecznie napięciem trochę poniżej napięcia przebicia lawinowego złącza, zasilanej przez opornik o dużej oporności (wygaszanie przebicia). W takich warunkach pracy złącza pojedyńczy foton może wywołać lawinę elektronów, czyli to, co zachodzi w fotopowielaczu. Niestety, nie testowałem tego układu.

    Dobrze ze mi przypomniales :-)
    Chodzi tu o specjalny rodzaj fotodiody zwany avalanche photodiode (APD). Nie wiem, jak zwykla fotodioda Si zachowuje sie na granicy przebicia lawinowego, ale podobno niezbyt nadaje sie w roli APD ze wzgledu na niski stopien powielania (tzw. gain, G).
    Diody APD sa konstruowane pod katem maksymalizacji G, ktory w krzemie osiaga wartosci rzedu 100 ... 1000, a kosztuja po kilkaset dolarow wzwyz za sztuke. Jest to za malo do rejestracji slabych strumieni swiatla, tym bardziej pojedynczych fotonow, ale w rodzinie APD produkuje sie tez specjalne diody, z wyzszym G (rzedu 10⁴ i wyzej) oraz polprzewodnikowe odpowiedniki fotopowielacza (single-photon avalanche diode, SPAD), ktore posiadaja gain rzedu 10⁶ lub wiecej i sa w tym wzgledzie konkurencyjne do fotopowielacza, przy tym praktycznie nie starzeja sie i sa daleko tansze. Pracuja one w tzw. trybie Geigera (Geiger-mode APD).
    W interesujacym zakresie spektrum w gre wchodza wylacznie krzemowe diody APD/SPAD.
    Uzycie SPAD rozwiazywaloby sprawe. Moge wskazac jednego producenta elementow APD/SPAD, Hamamatsu (Jap.); cen nie znam.
    http://jp.hamamatsu.com/en/product_info/index.html
    http://sales.hamamatsu.com/de/produkte/solid-state-division/si-photodiode-series/mppc.php albo
    http://sales.hamamatsu.com/en/products/solid-state-division/si-photodiode-series/mppc.php
    Przykladowe ceny, dla referencji (moduly/urzadzenia/systemy): http://www.becker-hickl.de/prices.htm

    Googlaj: single-photon avalanche photodiode, avalanche photodiode, Geiger-mode APD, MPPC (Multi-Pixel Photon Counter).

    Pozdrawiam

    0
  • #14 18 Maj 2011 20:41
    mdziewie
    Poziom 18  

    Kolega ma na myśli produkt zwany przez Hamamatsu MPPC (Multi-Pixel Photon Counter).
    Rzeczywiście, urządzenie byłoby idealne w tym zastosowaniu. Jakkolwiek mam z nimi (bardzo) dużo do czynienia, to z kupieniem ot-tak-po-prostu może być problem (mam parę sztuk, ale nie dam za żadne skarby nikomu). Cena rzędu kilkudziesięciu dolarów za sztukę.
    Wzmocnienie nominalne 7.5*10^5, prąd ciemny na poziomie kilkuset tysięcy fotonów na sekundę (można schłodzić, to będzie mniej).
    Proponuję skontaktować się ze znanym i lubianym przedstawicielem Hamamatsu (jakby co, kontakt na PW).

    Co do zwykłej fotodiody - schłodzić, kluczowany integrator, integrować na zmianę ze światłem i bez światła.
    Pomysł nr 2 - jaki czas wyświecania ma to świństwo, co Kolega chce go szukać? Może od światła diody da się odizolować nie widmowo, tylko czasowo? Byłoby prościej:)

    0
  • #15 05 Cze 2011 21:16
    _jta_
    Specjalista elektronik

    Czas wyświecania fluoresceiny to 3-4ns, trudno o tak szybkiego LED-a (a i fotodiodę trzeba by wybrać jakąś szybką).
    Jeśli nie planuje się stosowania tego fluorymetru do czegoś, co by miało czas wyświecania powyżej mikrosekundy, to
    może zrobić ten lock-in na częstotliwość kilkunastu kHz - w tym zakresie wzmacniacz będzie miał najmniejsze szumy.

    Jeszcze istotne będą parametry częstotliwościowe LED-a i fotodiody (same fotodiody niby są szybkie, ale tylko wtedy,
    gdy obciążenie ma mały opór - mają, przynajmniej takie co czulsze, spore pojemności przy niskim napięciu, z kolei
    przy większym zwiększa się prąd ciemny). Nie ma co myśleć o wzmacniaczach operacyjnych o prądach wejściowych
    rzędu fA, bo prąd ciemny fotodiody jest dużo większy - coś z prądem wejściowym rzędu pA wystarcza aż nadto, lepiej
    wybrać coś o niskich szumach, spodziewaj się impedancji źródła rzędu megaoma.

    Co do wyboru fotodiody, to mam wrażenie, że BPW21R jest jedną z tańszych i gorszych - warto poszukać czegoś, co
    by miało nieco większą powierzchnię fotoczułą, kiedyś CEMI robiło takie, co miały z 10mm² złącza, a nie ułamek mm².
    Ale może się okazać, że jakiś LED okaże się lepszy w roli fotodiody - może mieć dużo mniejszy prąd ciemny, a dawać
    fotoprąd od światła o potrzebnej długości fali (fotodiody krzemowe łapią już bliską podczerwień, ale akurat to nie jest
    tu potrzebne, a ceną tego jest większy prąd ciemny, i jego zależność od temperatury). O ile znajdzie się LED, który by
    się nadawał do roli fotodiody, bo może mieć np. filtry, które nie dopuszczą do niego światła o potrzebnej długości fali.

    0