Urządzenie do pomiaru przejrzystości - budowa układu stabilnego źródła światła

Witam, zamierzam wykonać urządzenie, które pozwoli mi określić ile procent światła przepuszcza dana szyba. Zasada działania przyrządu wydaje się być bardzo prosta, z jednej strony będzie znajdywał się oświetlacz (dioda LED SMD np. 3528) , z drugiej fotodioda (AMS 302) a pomiędzy będzie umieszczany kawałek szyby. Urządzenie będzie miało za zadanie określić ile procent światła przepuszcza dana szyba, za wartość stu procent będzie przyjmowany pomiar bez szyby pomiędzy oświetlaczem a fotodetektorem. Narysowałem sobie schemat jakby miało to wyglądać, jednak jestem jeszcze początkującym i nie jestem pewny doboru wszystkich elementów oraz poprawności schematu.

Detektor zamierzam zbudować z fotodiody AMS 302, której prąd będzie podawany na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego TL072 skonfigurowanego jako konwerter prąd-napięcie. Wyjście wzmacniacza będzie połączone z wejściem odwracającym wzmacniacza operacyjnego TL072 w układzie oświetlacza. Wzmacniacz operacyjny w oświetlaczu jest skonfigurowany jako przetwornik napięcie - prąd, jego wejście nieodwracające będzie połączone z układem źródła napięcia odniesienia REF 3030. Na wyjściu tego wzmacniacza jest podłączona dioda LED SMD 3528. Wyjście wzmacniacza operacyjnego znajdującego się w układzie detektora będzie podawało napięcie do przetwornika ADC a po konwersji obsługiwane cyfrowo za pomocą Arduino /ATmega328p. Całość będzie zasilana z baterii jednej bądź dwóch 9V.

Długo szukałem fotodiody, która miałaby charakterystykę widmową zbliżoną do charakterystyki ludzkiego oka i prąd diody wzrastał liniowo z natężeniem światła. Najlepszym wyborem z elementów, które znalazłem wydaje się AMS302. Dokumentacja Sklep
Inne elementy, które znalazłem nie mają tak dobrej charakterystyki jak ta wymieniona wyżej:
- Hamamatsu S9648-200SB Dokumentacja
- ALS-PDIC243-3B Dokumentacja
- ALS-PDIC144-6C-L378 Dokumentacja
Znalazłem jeszcze układ TSL257-LF podający napięcie na wyjściu ale tez ma dosyć szeroką charakterystykę. Dokumentacja

Zastanawiam się czy dioda AMS302 będzie wystarczająco czuła, aby rozpoznać nawet niewielkie różnice w przyciemnieniu szyb. Wzmacniacze operacyjne wybrałem te bardzo popularne TL072 Dokumentacja, ale wydaje mi się, że powinny podołać?
Głównym problemem jest uzyskanie stabilnego źródła światła, wiadomo dioda zaczyna się nagrzewać i wtedy wartości płyną. Jak myślicie układ, który przedstawiłem podoła temu zadaniu i utrzyma stabilne źródło światła? Na wejściu nieodwracającym wzmacniacza operacyjnego w układzie oświetlacza planuję dać źródło referencyjne REF3030. Dokumentacja
Ostatnim pytaniem jest jaki przetwornik ADC mógłbym zastosować, aby wyrobił się z pomiarami. Wystarczy jeden kanał, najlepiej byłoby mieć 16 bitową rozdzielczość , ale żeby jego cena nie była wysoka.
Ogólnie czy cały układ jest poprawnie wykonany i może to działać tak jak sobie założyłem?

Zastanawiam się jak działa zastosowane sprzężenie zwrotne. Zakładam, że układ zasilasz z napięcia 15V

Gdy zakryjemy czujnik na wyjściu wzm. 2 mamy -> 0V, a na wyjściu wzm. 1 powino być -> 6 V ale dioda będzie działać jak dioda zenera o napięciu ok. 3V wzmacniacz się nasyci a dioda zaświeci z prądem (nap. zas. przykł. 15V- 3V)/200 Ohm (oporność wyjściowa wzm TL072) czyli ok. 60mA (zostanie przekroczona max.dopuszczalna moc TL072)

Gdy oświetlimy czujnik niewiele się zmieni, chyba, że do plusa wzm. 2 podłączysz napięcie z REF3030 3 V. Wtedy na wyjściu pojawi się napięcie dodatnie i będzie mógł popłynąć prąd do czujnika.

I tutaj znowu będzie problem, bo czujnik zmienia prąd proporcjonalnie do oświetlenia, a ty mierzysz napięcie czujnika.

Czujnik należy zasilić nap. 5V (max.6V) i mierzyć prąd na rezystorze łączącym czujnik z masą. Sygnał po wzmocnieniu możesz zmierzyć przetwornikie A/D 16 bit
DS1115 (koszt ok.10zł ) Do tego jakieś Arduino Nano i wyświetlacz LCD.

Ja proponowałbym zrobić zasilanie diody LED ze stałego żródła prądowego wzmacniacz + tranzystor + nap. odniesienia

I osobny układ pomiarowy, pomiar prądu + wzm + A/D

Nie wiem, czy jest sens wymyślać koło, bez problemu znajdziesz gotowe rozwiązanie, któe możesz potem modyfikować

http://myinventions.pl/index.php?page=PomiarSwiatla

@zbychmg Przede wszystkim dziękuję za zainteresowanie tematem i odpowiedź. W zasadzie sam nie byłem przekonany co do poprawności działania tego układu więc szukam pomocy u kolegów z doświadczeniem. Generalnie planowałem zasilanie z baterii 9V, jednak dla TL072 może być to trochę za mało. Mógłbym zastosować jakiś inny wzmacniacz operacyjny, który dobrze by sobie radził na niskim napięciu np. po 5V, bo ten który podałem to pierwszy jaki przyszedł mi do głowy.

zbychmg napisał:

Ja proponowałbym zrobić zasilanie diody LED ze stałego żródła prądowego wzmacniacz + tranzystor + nap. odniesienia

Udało mi się znaleźć temat gdzie ktoś zastosował następujący układ: na wejście nieodwracające wzmacniacza podał napięcie z wysokostabilnego układu referencyjnego REF102 poprzez dzielnik. Dokumentacja
Na wyjściu wzmacniacza znajduje się układ Darlingtona. Wyjście wzmacniacza jest połączone z bazą pierwszego tranzystora BC548. Emiter drugiego stopnia jest połączony z ujemnym wejściem wzmacniacza operacyjnego, oraz przez rezystor ustalający z masą. Pomiędzy kolektorem a zasilanie układu została wpięta dioda LED. Schemat narysowałem w załączniku jak to działa. Nie wiem czy układ Darlingtona jest tu konieczny, a autor posta stwierdził, że poziom zmienności to około 0,3%. W zasadzie układ wydaje się być poprawny. Czy dało by się osiągnąć jeszcze stabilniejszy wynik?
W swoim układzie planowałem użyć układu referencyjnego REF3030 Dokumentacja lub REF5030 Dokumentacja, jednak zastanawiam się czy będą odpowiednio stabilne.

W zasadzie gdybym zbudował w ten sposób oświetlacz, to jako detektor mógłbym wykorzystać gotowy moduł z fotodioda, niemalże idealna charakterystyka widmowa, wbudowanym ADC i przekazującym wynik poprzec I2C. Byłoby to dobre rozwiązanie, bo zależy mi na dobrym czujniku, aby dobrze rozpoznawał małe zmiany natężenia światła. Aczkolwiek nie wiem jak z czułością takich elementów np. takim zbudowanym z wykorzystaniem układu VEML7700 Dokumentacja

Jeśli fotodioda działa jako fotoogniwo, i mierzy się wytworzone przez nią napięcie, to wynik zależy od temperatury - im cieplej, tym niższe napięcie, i to pewnie ze 2-3mV/°C. Mam wrażenie, że znacznie mniej od temperatury powinien zależeć prąd - a co podaje nota katalogowa?

Zastanawiam się czy dioda AMS302 będzie wystarczająco czuła, aby rozpoznać nawet niewielkie różnice w przyciemnieniu szyb.

Należy raczej postawić pytanie, czy jej prąd przy takim oświetleniu, jakie tam będzie, będzie odpowiedni, żeby go precyzyjnie mierzyć.

Głównym problemem jest uzyskanie stabilnego źródła światła, wiadomo dioda zaczyna się nagrzewać i wtedy wartości płyną.

Można by oświetlać tym samym źródłem światła dwie fotodiody (jedną poprzez badaną szybę, drugą bezpośrednio) i porównywać ich prądy - wyliczać iloraz tych prądów. Wtedy zmiany jasności LED-a niewiele wpłyną na wynik pomiaru. Albo świecić na zmianę dwoma LED-ami, oświetlającymi tę samą fotodiodę, jeden bezpośrednio, drugi poprzez szybę, a układ powinien wyznaczać stosunek prądów w czasie świecenia jednego i drugiego LED-a.

Zmienność poniżej 0.3% powinna być możliwa do uzyskania i z pojedynczym tranzystorem (no, może z grupy C) - a z układem Darlintona, albo FET-em powinno być dużo lepiej, pod warunkiem, że masz stabilne napięcie odniesienia, stabilny wzmacniacz, stabilną temperaturę LED-a.

A przy pomiarze przechodzenia światła przez szybę istotne jest nie tylko pochłanianie, ale i odbicie od powierzchni szyby.

Układ zasilania LED jest OK, wystarczy jeden tranzystor.

Stabilność długookresowa źródła przy pomiarze porónawczym bez szyby z szybą nie ma większego znaczenia.

Zasilanie bateryjki 9V ma sens przy poborze prądu w granicach 50mA. Są też akumulatorki 9V 200mAh co dałoby teoretycznie 4 godz. pracy układu.

Najpierw jednak trzeba zrobić i przetestować prototyp.

Sprawa ważna to na ile uda wyizolować obiekt od światła zewnętrznego.

Można też zastosować metodę polegającą na pomiarze światła bez szyby i po włożeniu szyby mierzyc o ile trzba zwiekszyć natężenie światła, aby uzyskać ten sam wynik.

Ja bym jednak zaczął od czujnika, przecież na początek możesz próbować ze światłem naturaknym, słońce, żarówka, lampka led, cokolwiek co masz pod ręką.

Czujnik zamontowany na dnie czarnego walcu. Na krawędzi górnej walcu przyklejasz czarny filc lub gąbkę.
Mierzysz światło bez szyby, potem przysłaniasz szybą i sprawdzasz wynik.
Możesz próbować z różnymi żródłami światła.

W przypadku pomiaru szyb okiennych, taki pomiar byłby moim zdaniem bardziej miarodajny.
Światło bardzo rozproszone, mniejszy wpływ odbicia jak w przypadku diody, która świeci prostopadle do szyby. (Widać to na zdjęciach robionych z lampą Flesz).

Pomiar robiłbym jednak w układzie mostkowym, tak aby mierzyć różnicę prądów czuinika, a nie wartość prądu.

W poprzednim czujniku AMS302 masz ok. 200uA przy 100 lx (po wzmocnieniu może być np. 2000mV), to przy 99,9 lx będzie to 199,8 uA (1998mV)
rodzielczość przetwornika 16bit (5 V) to ok 0,1mV czyli zmiana o 20 jednostek

W układzie mostkowym, możemy zrównoważyc układ dla oświetlenia bez szyby
i mierzyć tylko różnicę 0,2uA po wzmocnieniu np. 200mV to mamy 2000 jednostek różnicy
nawet przy przetworniku 12 bit (5V) mamy zmianę o 200 jednostek.

Rozumiem, ze zanim wydasz sporo kasy na dobry czujnik, chciałbyś zasięgnąć opini od kogoś,kto miał z nim do czynienia,
ale w ukłądzie mostkowym możesz popróbować ze zwykłą fotodiodą lub fotorezystorem.
Chwilę trzeba poczekać, aż czujnik zacznie pokazywać stabilną wartość, a potem rejestrować zmiany.

Jeśli osiągniesz mierzalną różnice, wtedy możesz popracować nad stabilnym źródłem światła.

Dodano po 38 [minuty]:

Poglądowe schematy jak zrealizować pomiar w ukłądzie mostkowym, ale pewnie w necie znajdziesz dużo lepszych....



Przy czym, jeżeli chcesz to mierzyć przetwornikiem A/D to zero oznaczałoby wartość bez szyby a wartość dodatnia napięcia byłaby po zasłonięciu czujnika szybą.

Możesz też zrobić zero dla szyby i o ile przyrośnie po usunięciu szyby

Podany w 1 poście układ "wzmacniacza" foto diody jest jak najbardziej prawidłowy. Jest to konwerter i/u (prądu na napięcie) I w taki właśnie sposób działają profesjonalne urządzenia wykorzystujace fotodiody jako urządzenia pomiarowe.

Google: photodiode amplifier.

Przy b. Wysokiej czułości, i szybkich zmianach światła stosuje się nieco zmodyfikowany układ.

Google: photodiode amplifier reverse bias

Cytat:

Detektor zamierzam zbudować z fotodiody AMS 302, której prąd będzie podawany na wejście odwracające wzmacniacza operacyjnego TL072 skonfigurowanego jako konwerter prąd-napięcie.

Na schemacie masz coś innego - wzmacniacz odwracający.

Fotodioda to dobry wybór, najlepiej ze wzmacniaczem transimpedancyjnym i zerowym napięciem polaryzacji, fotorezystory mają parametry bardziej zależne od temperatury.