Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach

Stanowisko do badania zjawiska tłumienia światła
w ośrodkach materialnych
Na rys. 3.1 przedstawiono widok wykorzystywanego w ćwiczeniu stanowiska
pomiarowego do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach materialnych. W
skład stanowiska wchodzą:

zasilacz diody LED,

dioda LED (na stanowisku dostępne są diody: niebieska, zielona, żółta,
czerwona i podczerwona),

pręt polimerowy,

fotodetektor pierścieniowy (zamontowany na przesuwnym uchwycie),

multimetr do pomiaru natężenia prądu (Izaś [mA]) zasilającego diodę LED,

multimetr do pomiaru napięcia (Uzaś [V]) na wyjściu detektora (mierzone
napięcie jest proporcjonalne do mocy optycznej rozpraszanej przez badany
ośrodek materialny),

komputer z oprogramowaniem do analizy widm spektralnych diod LED.
Rys. 3.1. Widok stanowiska laboratoryjnego do badania zjawiska tłumienia światła w ośrodkach
materialnych
Tabela 3.1. Parametry diod LED, wykorzystywanych na stanowisku ( - długość fali emitowanego
światła, P0 – poziom mocy optycznej światła emitowanego przez diodę).
Nr.
Kolor diody
 [nm]
P [dBm]
1
niebieska
465
-28,9
2
zielona
508
-28,5
3
żółta
595
-36,5
4
czerwona
671
-30,4
5
podczerwona
920
-29,6
Zasada pomiaru polega na detekcji promieniowania elektromagnetycznego
przez krzemowy fotodetektor typu PIN (model OPT301) zintegrowany ze
wzmacniaczem operacyjnym. Na rysunku 3.2 przedstawiono schematycznie sposób
pomiaru tłumienia światła w omawianym ćwiczeniu.
Rys. 3.2. Sposób pomiaru tłumienia światła
Detekowany sygnał jest logarytmowany we wzmacniaczu logarytmującym typu
LOG100 zgodnie z zależnością:
I 
U wyj.  K  log  1  ,
 I2 
3.1
gdzie: K – wzmocnienie; I1 i I2– wartości prądu na wejściach wzmacniacza
Sygnał z fotodetektora pomiarowego (odpowiedzialnego za generację prądu I1) jest
porównywany z sygnałem odniesienia z drugiego fotodetektora (odpowiedzialnego
za generację prądu I2), który na stanowisku laboratoryjnym jest zastąpiony źródłem
prądowym o regulowanej wartości prądu referencyjnego Iref (35 A÷110 A). W
punkcie pomiarowym d  0mm (rys. 3.2) prąd źródła jest ustawiany na poziomie
wartości prądu z fotodetektora odniesienia, której odpowiada wartość sygnału z
fotodetektora pomiarowego w tym punkcie. Wartość tego prądu jest określana
przez pomiar napięcia Ulin. na wyjściu fotodetektora pomiarowego (spadek napięcia
na rezystorze 100 k). W układzie możliwy jest również pomiar napięcia Ulog. na
wyjściu wzmacniacza logarytmującego.
Źródłem światła są diody elektroluminescencyjne (ang. LED  light-emmiting
diode) o długości fali świetlnej dobranej do czułości spektralnej stosowanych
fotodetektorów (niebieska, zielona, żółta, czerwona i podczerwona). Diody LED są
zasilane ze źródła prądowego o regulowanej wartości prądu w zakresie 6 ÷ 60 mA.
Źródło to może pracować zarówno w trybie stałoprądowym (DC), jak i zmiennoprądowym
(AC).
4. Program ćwiczenia
4.1. Zapoznanie się ze stanowiskiem pomiarowym, jego możliwościami i
ograniczeniami
Przed przystąpieniem do ćwiczenia należy zapoznać się z obsługą stanowiska
pomiarowego,
przede
wszystkim
zasilacza
źródeł
światła,
multimetru
i
fotodetektora. W razie problemów lub wątpliwości należy zwrócić się do
prowadzącego.
4.2. Zapoznanie się z parametrami źródeł światła stosowanymi w
ćwiczeniu. Pomiary charakterystyk prądowo-napięciowych.
Dla zapewnienia optymalnych warunków pracy fotodetektora pomiarowego
należy tak dobrać parametry układu, aby wiązka światła rozchodziła się możliwie
na całej długości mierzonego pręta polimerowego, zapewniając przy tym
maksymalnie dopuszczalny sygnał na detektorze (poniżej stanu nasycenia !!) w
początkowym punkcie pomiarowym ( d  0mm ). W tym celu należy przeprowadzić
pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych poszczególnych diod LED (Zmiany
fotodiody dokonywać zawsze przy minimalnym prądzie zasilającym !!):
1. Wybraną diodę LED podłączyć do zasilacza i umieścić w uchwycie.
2. Detektor ustawić w punkcie pomiarowym d  0mm .
3. Sprawdzić ustawienia multimetrów (jeden powinien pracować jako woltomierz
do pomiaru napięcia na fotodetektorze, drugi jako amperomierz do pomiaru
prądu zasilania diody LED).
4. Włączyć zasilacz i zmieniając prąd fotodiody odczytywać wartość napięcia i
prądu. Pomiary wykonywać do momentu, aż sygnał na detektorze ulegnie
nasyceniu. Przyjąć górną wartość napięcia wyjściowego równą ok. 10 V (dla
diody żółtej ok. 5 V).
5. Wykreślić charakterystyki U  f(I) , na ich podstawie określić maksymalny
dopuszczalny prąd fotodiody (brak nasycenia na detektorze).
6. Pomiar wykonać dla wszystkich diod LED, dostępnych na stanowisku.
4.3. Pomiary mocy optycznej w funkcji długości badanego ośrodka
materialnego – pręta silikonowego
Pomiar mocy optycznej sygnału propagowanego w badanym materiale (Pwy)
należy wykonać dla stałej wartości mocy sygnału wprowadzanego do materiału
(Pwej), tj. przy ustalonej wartości prądu fotodiody, nie powodującej nasycania
się detektora (w punkcie pomiarowym d  0mm ).
1. Wybraną diodę LED podłączyć do zasilacza i umieścić w uchwycie.
2. Detektor ustawić w zerowej odległości względem badanej diody.
3. Włączyć zasilacz i ustawić wartość prądu zasilającego wybraną diodę LED
(wyznaczoną w p. 4.2).
4. Zmieniając położenie (d) fotodetektora względem badanej diody LED
odczytywać wartość napięcia na wyjściu fotodetektora pomiarowego. Pomiar
należy wykonać na odcinku do 100÷150 mm, w zależności od poziomu
odbieranego sygnału. Dobierać położenie punktów pomiarowych w zależności
od dynamiki zmian sygnału napięciowego.
4.4. Wyznaczenie podstawowych parametrów opisujących tłumienie
światła w badanym materiale. Wnioski.
W celu wyznaczenia parametrów i mechanizmów tłumienia światła w
badanym materiale, uzyskane wyniki pomiarów należy zobrazować w postaci
odpowiednich charakterystyk.
1. Wyznaczyć wartość tłumienia ( A[dB]  10 log Uwyj Uwej ) dla każdej długości
fali, przyjmując za Uwej sygnał napięciowy Ulin w początkowym punkcie
pomiarowym, a za sygnał Uwyj wartość napięcia Ulin w kolejnych punktach
pomiarowych.
2. Wykreślić charakterystykę napięcia wyjściowego i tłumienia w funkcji
odległości od źródła światła ( Uwyj [V ]  f(d) i A[dB]  f(d) ).
3. Z nachylenia prostoliniowego odcinka krzywej z wykresu A[dB]  f(d) określić
wartość tłumienności jednostkowej [dB/cm] dla poszczególnych diod LED
(różnych długości fali).
4. Sporządzić wykres [dB / cm]  f(4 ) .
5. Zinterpretować i opisać wyniki pomiarów. Sformułować wnioski.