ANALIZATOR - CORE · Zaradi omejitev prizemski optični spektralni analizator v optičnih komunikacijah ni dosegel velikega uspeha. Kasneje so ga nadomestili optični spektralni analizatorji

Matic Lilek

NIZKOCENOVNI OPTIČNI SPEKTRALNI

ANALIZATOR

Diplomsko delo

Maribor, januar 2012

I

Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa

NIZKOCENOVNI OPTIČNI SPEKTRALNI ANALIZATOR

Študent: Matic Lilek

Smer: Telekomunikacije UNI

Mentor: Red. prof. ddr. Denis Đonlagić

Somentor: Doc. dr. Edvard Cibula

Maribor, januar 2012

II

III

ZAHVALA

Zahvaljujem se red. prof. ddr Denisu Đonlagiću za

mentorstvo, napotke in usmerjanje pri izdelavi

diplomskega dela.

Prav tako se zahvaljujem somentorju doc. dr.

Edvardu Cibuli.

Zahvala gre tudi vsem zaposlenim laboratorija

LEOSS, staršem ter vsem ostalim, ki so mi

pomagali med študijem.

IV

NIZKOCENOVNI OPTIČNI SPEKTRALNI ANALIZATOR

Ključne besede: optični spektralni analizator, uklonska mrežica, linijsko polje

fotodetektorjev, spektralna analiza, Fabry-Perot

UDK: 535:621.38(043.2)

Povzetek

Diplomsko delo govori o različnih vrstah spektralnih analizatorjih, njihovem delovanju.

Poudarek je na optičnih spektralnih analizatorjih z uklonsko mrežico. Naš sistem temelji

na takšnem spektralnem analizatorju. Opisane so komponente tega sistema, način sestave

in na koncu umerjanje sistema. Sistem sestavljajo enorodovna optična vlakna, konkavne in

konveksne leče, optični delilnik, prepustna uklonska mrežica, detektor in vir, ki je

superluminiscenčna dioda. Predstavljeni so tudi eksperimentalni rezultati.

Končen produkt je uspešno izdelan nizkocenovni optični spektralni analizator. Njegovo

delovanje in umerjanje je predstavljeno s pomočjo optičnega senzorja raztezka, ki deluje

na principu Fabry-Perot interferometra.

V

LOW-COST OPTICAL SPECTRAL ANALYSER

Key words: optical spectral analyser, diffraction grating diffraction grating,

linear CCD, spectral analysis, Fabry-Perot

UDK: 535:621.38(043.2)

Abstract

This diploma thesis presents different types of optical spectral analysers and their

operation principles. The focus is on optical spectral analysers with a diffraction grating

on which our system is based on. The thesis describes the mechanical alignment process

and the calibration of spectral analyser. The system contains single mode optical fibers,

concave and convex lenses, an optical coupler, a transmission diffraction grating, a

detector and a light source which is a superluminescent diode. This diploma thesis also

presents the experimental results.

The final product is a successfully built low-cost optical spectral analyser. The properties

of developed spectral analyser are experimentally evaluated by using optical fiber strain

sensor based on an air-cavity Fabry-Perot interferometer.

VI

KAZALO

1 UVOD ........................................................................................................................... 1

2 OPTIČNI SPEKTRALNI ANALIZATORJI ........................................................... 3

2.1 Delovanje ............................................................................................................... 3

2.2 Prizemski optični spektralni analizator ................................................................. 4

2.3 Fabry-Perot optični spektralni analizator .............................................................. 5

2.4 Optični spektralni analizator s Fourierjevo analizo ............................................... 8

2.5 Optični spektralni analizator z uklonsko mrežico ............................................... 12

2.5.1 Uklonska mrežica ........................................................................................ 12

2.5.1.1 Spektralno območje ................................................................................. 16

2.5.1.2 Disperzija uklonske mrežice .................................................................... 16

2.5.1.3 Ločljivost uklonske mrežice .................................................................... 17

2.5.1.4 Učinkovitost uklonske mrežice ............................................................... 18

2.5.2 Optični spektralni analizator z odbojno uklonsko mrežico ......................... 18

2.5.3 Optični spektralni analizator s prepustno uklonsko mrežico ....................... 20

2.5.4 Optični spektralni analizator s konkavno uklonsko mrežico ....................... 22

3 OPIS SISTEMA ......................................................................................................... 25

3.1 Optični del ........................................................................................................... 26

3.1.1 Superluminescenčna dioda .......................................................................... 26

3.1.2 Enorodovno optično vlakno ........................................................................ 28

3.1.3 Optični delilnik ............................................................................................ 31

3.1.4 Senzor .......................................................................................................... 32

3.1.5 Uklonska mrežica ........................................................................................ 34

3.1.6 Kolimator, zbiralna in razpršilna leča ......................................................... 35

3.2 Elektronski del ..................................................................................................... 39

3.2.1 Detektor ....................................................................................................... 39

3.2.2 Mikrokrmilnik ............................................................................................. 44

3.2.2.1 Komunikacija mikrokrmilnika z drugimi napravami .............................. 47

3.2.2.2 RS-232 povezava ..................................................................................... 48

3.3 Programski del ..................................................................................................... 51

3.3.1 Algoritem na mikrokrmilniku ...................................................................... 51

VII

3.3.2 Algoritem na osebnem računalniku ............................................................. 53

4 EKSPERIMENTALNI REZULTATI ..................................................................... 56

4.1 Meritve ................................................................................................................ 56

4.2 Umerjanje ............................................................................................................ 58

4.3 Točnost nizkocenovnega optičnega spektralnega analizatorja ............................ 60

5 SKLEP ........................................................................................................................ 62

6 VIRI IN LITERATURA ........................................................................................... 64

KAZALO SLIK ................................................................................................................. 66

PRILOGA A ALGORITEM NA MIKROKRMILNIKU ........................................ 68

PRILOGA B ALGORITEM NA OSEBNEM RAČUNALNIKU ............................ 72

VIII

UPORABLJENI SIMBOLI

R - odbojnost zrcal, ločljivost uklonske mrežice, radij ukrivljenosti sferične površine,

odzivnost detektorja na dano valovno dolžino

m - uklonski red uklonske mrežice

λ - valovna dolžina

d - razdalja med dvema režama na uklonski mrežici

θ - theta (oznaka za kot)

W - širina osvetljenih rež na uklonski mrežici

N - celo število osvetljenih rež na uklonski mrežici

F - čisto spektralno področje

n - lomni količnik

α - alfa (oznaka za kot)

d - debelina leče

V - električna napetost

E - električna poljska jakost

t - čas

I - gostota svetlobnega toka

L - dolžina senzorja

K - število med sosednjimi vrhovi interferenčnega vzorca

IX

UPORABLJENE KRATICE

WDM - valovnodolžinsko razvrščanje (ang. Wavelength Division Multiplexing)

EDFA - vlakenski ojačevalnik s primesjo erbija (ang. Erbium Doped Fibre Amplifier)

FSR - čisto spektralno področje (ang. Free Spectral Range)

SLD - superluminescenčna dioda (ang. SuperLuminescent Diode)

ASE - ojačana spontana emisija (ang. Amplified Spontaneous Emission)

NA - numerična odprtost (ang. Numerical Aperture)

SRAM - statični bralno/pisalni pomnilnik (ang. Static Random Access Memory)

EEPROM - zbrisljiv in programljiv bralni pomnilnik (ang. Electricaly Erasable

Programmable Read-Only Memory)

ROM - bralni pomnilnik (ang. Read-Only Memory)

USB - univerzalno serijsko vodilo (ang. Universal Serial Bus)

DTE - podatkovna terminalska oprema (ang. Data Terminal Equipment)

DCE - podatkovna komunikacijska oprema (ang. Data Communications Equipment)

DMA - direktni dostop do pomnilnika (ang. Direct Memory Access)

SPI - serijski periferni vmesnik (ang. Serial Peripheral Interface)

I2C - dvožični serijski modul (ang. Inter-Integrated Circuit)

UART - univerzalni asinhroni sprejemnik/pošiljatelj (ang. Universal Asynchronous

Receiver Transmitter)

ECAN - stopenjski lokalno omrežni modul (ang. Enhanced Controller Area Network)

Nizkocenovni optični spektralni analizator Stran 1

1 UVOD

Optične komunikacije so približno pol stoletja stara tehnologija. So odgovor na hitro

rastoče potrebe po vedno večjih prenosnih zmogljivostih. Optične komunikacije postajajo

prevladujoč prenosni medij za zveze na različnih razdaljah. Sočasno s to tehnologijo

potekajo tudi raziskave in razvoj novih sistemov in naprav. Med naprave spadajo specifični

merilni instrumenti, med njimi so to tudi optični spektralni analizatorji, ki so čedalje bolj

pomemben instrument v vsakdanji uporabi.

Spektralna analiza ni nova stvar, saj so se znanstveniki z njo ukvarjali že v prvi polovici

19. stoletja. Naj le omenimo Thomas Younga [1], ki se je kot prvi resno začel ukvarjati s

spektralno analizo. Posvetil se je znanstvenim študijam uklonske mrežice, bistvene

komponente modernega spektralnega analizatorja. Young je leta 1803 opisal, kaj se zgodi,

ko je svetloba prešla prepustno uklonsko mrežico, ki je imela 500 rež na približno 2,5 cm.

Opazil je, da rdečo svetlobo vidimo v štirih različnih smereh in da so te smeri med seboj

razmaknjene v razmerju 1:2:3:4. Te smeri imenujemo uklonski redi, celotnemu pojavu pa

uklon. Young je bil prvi, ki je ločil barve po njihovi valovni dolžini.

Mejnike v spektralni analizi je postavil Kirchoff. Uklon je strogo obravnaval z

upoštevanjem elektromagnetne teorije valovanja in Maxwellovih enačb [2]. Njegova

obravnava je postala povod za nove načine spektralne analize, za izum novih aplikacij,

prav tako povod za izume novih optičnih detektorjev, kasneje tudi linearnih detektorjev ter

izume novih naprav z večjimi hitrostmi in boljšimi občutljivostmi.

Spektralni analizatorji so bili izdelani v specialnih oblikah [1] za različna spektralna

območja: infra rdeča spektralna analiza, Ramanova spektralna analiza, spektralna analiza

absorpcije atomov, flourescentna spektralna analiza, analiza barve.

Danes se spektralni analizatorji uporabljajo zaradi specifičnega spektra, ki ga srečamo v

optičnih komunikacijah. Analizatorji omogočajo merjenje spektralnih lastnosti optičnih

naprav in sistemov, opazovanje spektra laserskih virov. Za optične komunikacije so

značilna tri valovnodolžinska področja, kjer opazujemo spekter. Prvo področje je pri


valovni dolžini 850 nm, ki je znano tudi kot prvo telekomunikacijsko okno ali prvo

spektralno okno. Tukaj so prisotne mnogorodovne komunikacije. Drugo področje je pri

valovni dolžini 1300 nm, znano tudi kot drugo telekomunikacijsko okno ali drugo

spektralno okno. Tukaj prevladuje minimalna snovna disperzija [2], potekajo eno-kanalne

povezave. Tretje področje je pri valovni dolžini 1550 nm, znano kot tretje

telekomunikacijsko okno ali tretje spektralno okno. To je področje z najmanjšim

slabljenjem v silicijevem vlaknu.

Potreba po spektralnih analizatorjih oziroma spektralni analizi je prav tako narasla zaradi

pojava WDM in EDFA.

Danes v optičnih komunikacijah prevladujejo optični spektralni analizatorji visokih

ločljivosti. Namen diplomske naloge je dokazati, da lahko s preprostimi komponentami

sestavimo preprosti oziroma nizkocenovni optični spektralni analizator. Cilj je dobiti čim

večjo ločljivost sistema.


2 OPTIČNI SPEKTRALNI ANALIZATORJI

Optični spektralni analizatorji so instrumenti [3], ki analizirajo svetlobo glede na valovno

dolžino. So pomembni instrumenti v vsakdanji uporabi. Najpogosteje se uporabljajo za

opazovanje spektra optičnih laserskih virov, prav tako pa se uporabljajo tudi za opazovanje

spektra pasivnih elementov (vlakna, filtri, itd.) in aktivnih elementov (optični viri,

ojačevalniki, itd) v optičnih zvezah, pri ločevanju kanalov WDM komunikacijskih

sistemov, pri meritvah spektra modulirane svetlobe, pri merjenju optične moči ter drugod.

Optični spektralni analizatorji so dimenzionirani na tri specifična področja valovnih dolžin.

To je področje z valovno dolžino 850 nm, 1300 nm in področje z valovno dolžino 1550

nm.

2.1 Delovanje

Glede na fizikalni način delovanja ločimo optične spektralne analizatorje na disperzijske in

interferenčne. Med disperzijske sodijo tisti, katerih disperzni element je prizma ali

uklonska mrežica, med interferenčne pa tisti, katerih disperzni element je Fabry-Perot

resonator ali Michelsonov interferometer.

Preprost način delovanja lahko opišemo tako, da na vhod optičnega spektralnega

analizatorja pripeljemo vir svetlobe. Za vhodom postavimo kolimator1. Kolimirano

svetlobo analizira disperzni element, ter jo s pomočjo zbiralne leče usmeri na detektor.

Detektor nato analiziran optični signal pretvori v električnega, katerega je potrebno še

dodatno obdelati. Električni signal nosi informacijo o jakosti optičnega spektra in obliki.

Preprosta shema optičnega spektralnega analizatorja je prikazana na sliki 2.1.

1 Kolimator - leča, ki snop svetlobe, ki vstopa skozi vstopno odprtino, preoblikuje v vzporeden snop.


VIR DETEKTOR

DISPERZNI

ELEMENT

KO

LIM

AT

OR

ZB

IRA

LN

A

LE

ČA

Slika 2.1: Osnovna shema optičnega spektralnega analizatorja

2.2 Prizemski optični spektralni analizator

Prizemski optični spektralni analizator [3] je bil prvi optični spektralni analizator. Njegov

disperzni element je prizma. Prizma svetlobo ukloni, ker je lomni količnik snovi odvisen

od valovne dolžine vpadne svetlobe. Krajše valovne dolžine se pri prehodu skozi prizmo

bolj lomijo, lomni koti pa niso sorazmerni z valovnimi dolžinami. Lom svetlobe različnih

valovnih dolžin pri prehodu skozi prizmo je prikazan na sliki 2.2.

PRIZMA

1 2<

1 2

2

1

Slika 2.2: Lom svetlobe pri prehodu skozi prizmo

Osnovna shema prizemskega optičnega analizatorja je prikazana na sliki 2.3. Svetloba

najprej vstopa v spektralni analizator skozi vhodno odprtino in nato vpade na kolimator.

Vzporedni žarki se nato usmerijo proti prizmi. Pri prehodu skozi prizmo se svetloba

ukloni. Ta se nato s pomočjo zbiralne leče zbere na zaslonu, kjer dobimo črtast vzorec.

Vsaki črti vzorca pripada svoja valovna dolžina. Na zaslonu je po navadi nameščen

silicijev ali germanijev detektor. Silicijev detektor je namenjen valovnim dolžinam med

400 in 1000 nm, germanijev pa valovnim dolžinam med 1000 in 1800 nm.


PRIZMA

ZBIRALNA LEČA

KOLIMATOR

VHODNA

APERTURA

ZASLON

Slika 2.3: Prizemski optični spektralni analizator

Resolucija optičnega spektralnega analizatorja s prizmo je odvisna od kotne disperzije, ki

je definirana z enačbo:

d

d (2.1)

Kjer je:

Θ - izhodni kot razklonjene svetlobe iz prizme

λ – valovna dolžina

Poglavitne praktične omejitve prizemskega optičnega spektralnega analizatorja so

nehomogenost, čistost in izotropnost materiala, želena lastnost pa je transparentnost.

Zaradi omejitev prizemski optični spektralni analizator v optičnih komunikacijah ni

dosegel velikega uspeha. Kasneje so ga nadomestili optični spektralni analizatorji z

uklonsko mrežico.

2.3 Fabry-Perot optični spektralni analizator

Fabry-Perot optični spektralni analizator (Slika 2.4) [3] izkorišča interferenco več optičnih

valov. Disperzni element je Fabry-Perot etalon. S pomočjo delnega odboja proizvaja vrsto

koherentnih virov svetlobe, ki med seboj interferirajo. Vsota nastalih interferenčnih prog je

podana z enačbo:


2

n

pnEI (2.2)

Kjer je:

I – gostota svetlobnega toka

E – električna poljska jakost posameznega žarka

Izstopajoči valovi se med seboj razlikujejo po amplitudi, ki vpada po geometrijskem

zaporedju. Fazni zamik med sosednjimi valovi je konstanten.

VIR

VHODNA

APERTURA

ETALON

IZHODNA

APERTURA

DETEKTOR

Slika 2.4: Fabry-Perot optični spektralni analizator

Disperzni element oziroma etalon sta največkrat ravni ali konfokalni zrcali z visoko

odbojnostjo (R ≈ 99 %), zato ločimo dva različna optična spektralna analizatorja. To sta

planarni (Slika 2.5) in konfokalni (Slika 2.6) Fabry-Perot optični spektralni analizator.

Planarni je težje nastavljiv, saj je potrebno zrcali nastaviti vzporedno. Njegova prednost je

v širšem spektralnem področju.


d

ns

ns

nz

1

2

1

Slika 2.5: Planarni optični resonator

Konfokalni Fabry-Perot optični spektralni analizator ima manjše spektralno področje, a je

manj občutljiv na vzporednost zrcal. Žarki, ki bi morebiti izstopili iz resonatorja, se zaradi

geometrijskih lastnosti odbijejo nazaj proti središču resonatorja.

m1 m2

R R

d = r

Slika 2.6: Konfokalni optični resonator


Svetlobni valovi, ki dosežejo detektor, tvorijo Airyjevo funkcijo gostote svetlobnega toka.

Funkcija se zaradi geometrijskih oblik resonatorja razlikuje. Pri planarnem resonatorju je

podana z enačbo:

2sin

1

41

1

2

2

R

RII vp (2.3)

Pri konfokalnem resonatorju pa z enačbo:

2sin

1

41

1

2

22

2

R

RII vp (2.4)

Konfokalni zrcali imata manjše uklonske izgube in zmanjšano občutljivost za napake zrcal.

Konfokalni etalon je boljša izbira, ker omogoča lažje dosegljivo visoko fineso2 in večjo

ločljivost. Razlika je vidna tudi v pol manjšem spektralnem področju in pri maksimalni

prepustnosti, ki je prav tako za polovico manjša od vrednosti, ki nastopa pri planarnem

etalonu.

2.4 Optični spektralni analizator s Fourierjevo analizo

Disperzni element optičnega spektralnega analizatorja je interferometer. Ponavadi je to

Michelsonov interferometer [4], ki je sestavljen iz delilnika žarkov in dveh ogledal, enega

nepremičnega zrcala in enega premičnega zrcala. Delilnik je navadno prevlečen z več

slojev kalijevega bromida (KBr). Takšen delilnik navadno uporabljamo pri spektralni

analizi IR3 svetlobe, saj kalijev bromid zagotavlja minimalno absorpcijo, prav tako pa

zagotovi delitev svetlobe 50:50.

Funkcionalnost Michelsonovega interferometra (Slika 2.7) temelji na kolimaciji žarka.

Žarek je neposredno usmerjen na delilnik, ki žarek razdeli na dva dela enakih

intenzivnosti. Žarka sta nato odbita od zrcal nazaj do delilnika, kjer se združita in med

2 Finesa – razmerje med razmikom spektralnih črt resonatorja in spektralno širino pri polovični vrednosti

maksimuma 3 IR – svetloba z valovno dolžino, ki z vidom ni zaznavna; valovna dolžina med 780 nm in 1 mm


seboj interferirata. Sprememba v premičnem zrcalu povzroči spremembe optičnih poti med

dvema žarkoma. Združena žarka se nato usmerita proti detektorju.

VHOD

DETEKTOR

PREMIČNO

ZRCALO

NEPREMIČNO ZRCALO

KOLIMATOR

ZBIRALNA LEČA

Delilnik žarka

x

Slika 2.7: Michelsonov interferometer s premičnim zrcalom

Predpostavimo, da je svetloba, ki vstopa v interferometer, monokromatska4 [2] in ima

valovno dolžino λ. Prav tako predpostavimo, da sta zrcali identični, pri čemer je eno zrcalo

premikajoče. Delilno razmerje žarkov je 50:50. Kadar svetlobna snopa, izstopajoča iz

delilnika, nimata faznega zamika, je moč, ki prihaja na detektor, funkcija razdalje x in je

podana s funkcijo:

4 Monokromatska svetloba – svetloba z eno samo in konstantno frekvenco


xxP

2cos1 (2.5)

Kjer je:

x – razlika optičnih poti oziroma dvakratna razdalja med legama

premikajočega se zrcala

Pri polikromatski svetlobi je izhodna moč vsota neodvisnih prispevkov vsake valovne

dolžine in je podana s funkcijo:

dxSdSdxSxP

2

cos2

cos100

(2.6)

Izhodna moč je sestavljena iz dveh delov. Prvi del funkcije (2.6) je konstanta:

dS

0

(2.7)

V drugem delu funkcije (2.6) je vsebovana spreminjajoča spektralna informacija:

dxSxF

2

cos0

(2.8)

S kosinusno transformacijo funkcije (2.8) dobimo obliko spektra:

dxxxFS

2cos

0

(2.9)

Funkcija 2.9 nam pove, da mora biti F(x) znana za vse vrednosti x. Naj bo X maksimalna

vrednost razlike optičnih poti v interferometru. S tem dobimo normalizirano funkcijo

instrumenta, ki se glasi:


X

X

xH

2

2sin

(2.10)

V primeru, ko ne poznamo ničelne razlike optičnih poti, je spekter, ki je izračunan s

pomočjo funkcije (2.9), napačen. Obstajajo pa matematične metode, ki ta problem rešijo,

vendar so kompleksnejše.

Funkcijo izhodne moči P(x) ne moremo izmeriti v vseh točkah, zato jo vzorčimo. Spekter

lahko izračunamo s pomočjo vsote:

n

n

nn xxFS

2cos (2.11)

Vzorčimo z dvakrat večjo frekvenco, kot jo imamo na izhodu. Če je λmin najkrajša valovna

dolžina spektra, vzorčimo, ko se razlika optičnih poti spremeni za λmin/2 oziroma razdalja

med zrcaloma za λmin/4. Zahtevano število meritev je podano z izrazom:

min

2

XN (2.12)

Resolucija tega spektralnega analizatorja je določena z maksimalno razliko optičnih poti

žarkov, ki jo povzroči premikajoče zrcalo. Pomembno je vzdrževati optično poravnavo

interferometra med premikanjem zrcal, saj se lahko efektivnost interferometra zmanjša.

Učinkovitost optičnega spektralnega analizatorja je podana s krožno vhodno odprtino, s

katero določamo želeno spektralno ločljivost. Vhodna odprtina je navadno 75 do 100-krat

večja kot pri disperzijskih optičnih spektralnih analizatorjih. Če želimo večjo ločljivost,

moramo vhodno odprtino zmanjšati, s tem pa tudi zmanjšamo signal, ki pride do

detektorja. Lastnost instrumenta je izredna frekvenčna zmogljivost, ki je zelo pomembna v

spektralni analizi. Pomembno je tudi omeniti, da je spektralni analizator zelo odziven. Čas,

ki je potreben za eno skeniranje, je med 0,01 sekunde in 1 sekundo, odvisno od spektralne

ločljivosti in odziva detektorja.


2.5 Optični spektralni analizator z uklonsko mrežico

Optični spektralni analizator, katerega disperzni element je uklonska mrežica, je v

sedanjem času najbolj uporabljen spektralni analizator, zato ga bomo obravnavali bolj

podrobno. Ločimo tri različne spektralne analizatorje glede na disperzni element. To so

optični spektralni analizatorji z odbojno uklonsko mrežico, s prepustno uklonsko mrežico

ter optični spektralni analizatorji s konkavno uklonsko mrežico. Primer komercialnega

optičnega spektralnega analizatorja je na sliki 2.8.

Slika 2.8: Optični spektralni analizator ANDO AQ6317B

2.5.1 Uklonska mrežica

Poznamo več vrst uklonskih mrežic. To so odbojne, prepustne in konkavne uklonske

mrežice. Način delovanja je pri vseh podoben.

Kadar usmerimo kolimiran snop svetlobe proti uklonski mrežici [5], opazimo da se le-ta

ukloni. Pri odbojni uklonski mrežici, ki je najpogosteje uporabljen element v sodobnih

optičnih spektralnih analizatorjih, je vzrok za uklon površina uklonske mrežice, pri kateri

lahko vsako režo predstavljamo kot točkast izvor svetlobe. V smereh, kjer so valovne

fronte posameznih izvorov svetlobe v fazi, pride do tvorbe ravninskih valovnih front

uklonjene svetlobe (Slika 2.9).


SVETLOBNO VALOVANJE

OZKI IZVOR

d

SOFAZNE RAVNINSKE

VALOVNE FRONTE

SOFAZNE

TOČKE

m = 1

m = 2

m = 3

m = 0

Slika 2.9: Tvorba ravninskih valovnih front pri prehodu skozi prepustno uklonsko mrežico

Razmere lahko na nekoliko drugačen način opišemo z odbojno uklonsko mrežico. Vpadna

svetloba vpada na uklonsko mrežico pod določenim kotom. Vsi žarki se v skladu z

odbojnim zakonom odbijejo pod istim kotom glede na normalo. Kjer se med seboj srečajo

odbiti žarki, dobimo ponekod sofazne točke, ki tvorijo naslednje valovne fronte (Slika

2.10):

(0) - ničelni red, kjer je fazna razlika med točkami enaka nič

(-1) - prvi red, kjer je fazni zamik med sosednjima žarkoma enak periodi valovanja

(-2), (-3), (-m) – m-ti red, kjer so točke sosednjih žarkov zamaknjene za 2, 3, m

period valovanja


12

34

56

74

7

10

3

5

7

9

11 13

77

7 7

(0)

(-1)

(-2)

(-3)

(0)

(-1)

(-2)(-3)

Slika 2.10: Valovne fronte na odbojni uklonski mrežici

Zadevo bomo pogledali podrobneje. Svetlobni žarek usmerjen proti uklonski mrežici

vpada pod kotom θi glede na njegovo normalo. Razlika poti, ki jo dobimo, ko se žarka

sosednjih rež odbijeta od površine v smeri θid (Slika 2.11), je enaka dsin θi - dsin θd, pri

čemer je d razdalja med dvema režama.

Slika 2.11: Fazna razlika med žarkoma, ki se odbijeta od sosednjih rež

Pogoj za nastanek valovnih front je sofaznost točk, zato mora biti zgoraj omenjena razlika

poti enaka nič ali pa celoštevilčni večkratnik valovne dolžine, kar lahko zapišemo z

enačbo:


,...2,1,0,sinsin md

mid

(2.13)

Kjer je:

θi – vpadni kot svetlobe

θd – kot uklonjene svetlobe

d – razdalja med dvema režama

m – uklonski red

λ – valovna dolžina svetlobe

Enačba (2.13) je znana tudi kot enačba uklonske mrežice. Kadar sta vpadni kot svetlobe in

kot uklonjene svetlobe enaka (θi = θd), dobi enačba (2.13) novo obliko:

d

md

2sin

(2.14)

Kadar je m=0, se uklonska mrežica obnaša kot ravno zrcalo. To pomeni, da se v osnovnem

redu nahajajo vse valovne dolžine vpadne svetlobe. Za redove različne od nič (m≠0) velja,

da je kot uklonjene valovne fronte odvisen od valovne dolžine. Zaradi tega se različne

valovne dolžine uklanjajo pod različnimi koti.

Iz enačb (2.13) in (2.14) je razvidno, da imata rešitev pri več vrednostih m-ja. Rešitev

obstaja tako dolgo, dokler je izpolnjen pogoj:

1sin d (2.15)

V tem primeru govorimo o realnih uklonski redovih. Kadar pa pogoj ni izpolnjen, pa

govorimo o evanescentnih uklonskih redovih.

Iz enačbe (2.13) je razvidno eno pomembno dejstvo. Pri izbranem vpadnem kotu svetlobe

in frekvenci uklonske mrežice obstaja neskončno število valovnih dolžin, ki se uklonijo v

enaki smeri. Valovna dolžina λ prvega uklonskega reda sovpada z valovno dolžino λ/2

drugega uklonskega reda, valovna dolžina λ/3 pa tretjega uklonskega reda itd. Posledica

tega je prekrivanje spektralnih komponent.


2.5.1.1 Spektralno območje

Čisto spektralno območje (FSR) imenujemo interval ∆λ [5], v katerem ne prihaja do

medsebojnega prekrivanja spektralnih komponent. Mejni valovni dolžini FSR sta λ1 in λ1 +

∆λ, kjer valovna dolžina λ1 + ∆λ iz m-tega uklonskega reda sovpada z λ1 (m+1)-tega

uklonskega reda, kar lahko zapišemo kot:

11 1 mm (2.16)

Iz enačbe (2.16) dobimo izraz za FSR, ki je:

mF

(2.17)

Na podlagi zgornje enačbe lahko predpostavimo, da je čisto spektralno območje

sorazmerno z valovno dolžino ter obratno sorazmerno z m-tim uklonskim redom.

2.5.1.2 Disperzija uklonske mrežice

Naloga uklonske mrežice je prostorska razpršitev svetlobe glede na njeno valovno dolžino.

Merilo ločitve različnih spektralnih komponent svetlobe imenujemo disperzija [5]. Ločimo

kotno in linearno disperzijo. Osredotočili se bomo predvsem na kotno disperzijo.

Pri kotni disperziji ločimo spektralno področje na enoto kota uklonjene svetlobe.

Definiramo jo lahko kot spremembo kota uklonjene svetlobe dθd pri spremembi valovne

dolžine dλ, kar lahko pokažemo z enačbo, ki jo dobimo, če odvajamo enačbo uklonske

mrežice po valovni dolžini:

d

d

d

m

d

d

cos (2.18)

Iz enačbe (2.18) je razvidno, da z večjo frekvenco rež zagotavljamo večjo kotno

disperzijo. Kotna disperzija je večja v višjih uklonskih redovih, saj je tam prisotno ožje

področje valovnih dolžin. Če vstavimo enačbo (2.13) v zgornji izraz dobimo splošni izraz

za kotno disperzijo:


d

did

d

d

cos

sinsin1

(2.19)

Kadar sta kot vpadne svetlobe in kot uklonjene svetlobe enaka (θi = θd), enačbo (2.19)

poenostavimo v obliko:

dd

d

d

tan

2

(2.20)

2.5.1.3 Ločljivost uklonske mrežice

Sosednje spektralne komponente ločimo z veličino R, ki je ločljivost uklonske mrežice [5].

Če upoštevamo Rayleigh-jev kriterij, ki pravi da sta dve spektralni komponenti enakih

amplitud ločeni, kadar minimum ene sovpada z maksimumom druge spektralne

komponente, lahko ločljivost uklonske mrežice definiramo kot razmerje povprečne

valovne dolžine λ dveh opazovanih spektralnih komponent in njune razlike ∆λ:

R (2.21)

pri čemer je ∆λ zgornja meja ločljivosti, kar pomeni, da sosednjih spektralnih komponent

λ1 in λ2, katerih razlika je manjša od ∆λ ne moremo razločiti.

Ločljivost ravne uklonske mrežice lahko opišemo z naslednjim izrazom:

NmR (2.22)

Kjer je:

N – celo število osvetljenih rež uklonske mrežice

|m| - upoštevamo absolutno vrednost, saj je ločljivost

neodvisna od predznaka

Ker m in N nista neodvisni veličini, zapišemo naslednjo enačbo:


idid

WNdR sinsinsinsin

(2.23)

Kjer je:

W – širina osvetljenega dela uklonske mrežice

Iz enačbe (2.23) je razvidno, da ločljivost uklonske mrežice ni neposredno odvisna od

uklonskega reda m. Ob upoštevanju pogoja:

2sinsin id (2.24)

ugotovimo, da je zgornja teoretična meja za ločljivost ne glede na red m in število rež N

naslednja:

WR

2max (2.25)

2.5.1.4 Učinkovitost uklonske mrežice

Fizikalna veličina, ki definira razporeditev optične moči med uklonskimi redovi

imenujemo učinkovitost uklonske mrežice [5]. Učinkovitost lahko v praksi izmerimo na

enostaven način. Izmeriti je le potrebno vpadno in uklonjeno gostoto svetlobnega toka ter

izračunati njuno razmerje. To je tako imenovana absolutna učinkovitost.

2.5.2 Optični spektralni analizator z odbojno uklonsko mrežico

Disperzni element tega spektralnega analizatorja je odbojna ravna uklonska mrežica [3].

Preprosta shema takšnega optičnega spektralnega analizatorja je prikazana na sliki 2.12.


ODBOJNA

UKLONSKA

MREŽICA

KOLIMATOR

ZBIRALNA LEČA

ZASLONKA Z

DETEKTORJEM

VIR

Slika 2.12: Optični spektralni analizator z odbojno uklonsko mrežico

Spektralni analizator ima takoj za vhodom postavljen kolimator, ki svetlobo usmeri proti

uklonski mrežici. Na podlagi valovne dolžine kolimirane svetlobe in izračuna za kotno

disperzijo se zaslonka, na kateri je nameščen ustrezen detektor, postavi v ustrezen položaj

za skeniranje določene spektralne komponente. Spektralne komponente oziroma uklonski

redi so prikazani na sliki 2.13. Pred zaslonko oziroma detektorjem je postavljena še

zbiralna leča, ki odbite žarke ustrezno zbere na detektorju.


NORMALA

ODBOJ, OSNOVNI RED

VSTOPNI ŽAREK

-1. RED

1. RED2. RED

3. RED

Slika 2.13: Uklon na odbojni uklonski mrežici

2.5.3 Optični spektralni analizator s prepustno uklonsko mrežico

Funkcionalnost optičnega spektralnega analizatorja s prepustno uklonsko mrežico [3] je

podobna kot pri spektralnem analizatorju z odbojno uklonsko mrežico s to razliko, da

svetloba prodre skozi uklonsko mrežico. Ta je sestavljena iz velikega števila tankih rež

oziroma iz temnih in svetlih področij (Slika 2.14).

Slika 2.14: Temna in svetla področja uklonske mrežice

Ko svetloba prodre skozi reže, se ukloni. Nastajajo nove ravninske valovne fronte. Reže

uklonske mrežice določajo kotno disperzijo. Bolj kot so skupaj, večja je kotna disperzija,

kar pomeni, da se višji redi bolj uklanjajo (Slika 2.15). O tem govori tudi enačba uklonske

mrežice.


UKLONSKA

MREŽICA

1

2

Osnovni red

Prvi red

Drugi red

Tretji red

Četrti red

Slika 2.15: Uklonski redi

Reže določajo tudi širino uklonskih maksimumov (Slika 2.16). Večje kot je število rež,

manjša je širina glavnih interferenčnih maksimumov. Prav tako narašča število dodatnih

interferenčnih maksimumov. Amplitude dodatnih maksimumov postajajo nepomembne v

primerjavi z osrednjim maksimumom in z bližnjimi glavnimi interferenčnimi maksimumi.

Pri velikem številu rež lahko govorimo o temnih presledkih, ki se nahajajo med glavnimi

interferenčnimi maksimumi.

d

1

2

Slika 2.16: Uklonski maksimumi


Optični spektralni analizatorji s prepustno uklonsko mrežico so uporabljeni redkeje, kot

tisti z odbojno uklonsko mrežico.

VIR

ZBIRALNA LEČA

ZA

SL

ON

KA

Z

DE

TE

KT

OR

JE

M

KOLIMATOR

PREPUSTNA

UKLONSKA MREŽICA

Slika 2.17: Optični spektralni analizator s prepustno uklonsko mrežico

2.5.4 Optični spektralni analizator s konkavno uklonsko mrežico

Takšni spektralni analizatorji so vse bolj uporabljeni v optičnih komunikacijah. Disperzni

element, ki je konkavna uklonska mrežica [3], ima reže na cilindrični zrcalni površini.

Osnovni pojem, ki ga srečamo pri vseh spektrometrih s konkavno uklonsko mrežico je

Rowlandov krog (Slika 2.18). Rowland je namreč ugotovil, da leži goriščna ravnina

uklonske mrežice na krožnici s polmerom enakim polovici polmera njene ukrivljenosti


VIR

NORMALA

Rowlandov krog

Konkavna uklonska mrežica

s polmerom R

1

2

3

Slika 2.18: Konkavna uklonska mrežica z polmerom ukrivljenosti R

S to uklonsko mrežico prihranimo potrebe po nekaterih drugih gradnikih spektralnih

analizatorjev. Izpustimo lahko npr. kolimator, saj konkavna uklonska mrežica že sama

kolimira svetlobo in jo hkrati ukloni. Ta uklonska mrežica ima eno veliko prednost. Njena

zbiralna lastnost je zelo pomembna pri merjenju spektra svetlobe z valovnimi dolžinami

manjšimi kot 110 nm. V tem primeru je odbojnost zrcal zelo nizka, kar lahko povzroči

velike izgube svetlobne moči.


VIR KONKAVNA

UKLONSKA

MREŽICA

ZBIRALNA LEČA

ZASLONKA Z

DETEKTORJEM

Slika 2.19: Optični spektralni analizator s konkavno uklonsko mrežico


3 OPIS SISTEMA

Nizkocenovni optični spektralni analizator je namenjen za merjenje spektralnih komponent

nizkih ločljivosti. Svetloba, ki vstopa v sistem, se na optičnem delilniku razdeli v dve veji.

Prva veja je slepa in je neuporabna. Da preprečimo povratni vpliv odbite svetlobe iz prve

veje, optično vlako na koncu odlomimo (svetloba se razprši in ne odbije nazaj) ali pa konec

vlakna damo v poseben gel z enakim lomnim količnikom, kot ga ima samo vlakno. Druga

veja pelje do senzorja. Tukaj se del svetlobe odbije nazaj proti delilniku. Svetloba se

ponovno deli. Del le-te se vrne proti viru, ki ga zanemarimo, drugi del (uporaben del)

svetlobe pa pride do leče, ki to svetlobo kolimira. Kolimirana svetloba nato doseže

prepustno uklonsko mrežico, kjer se ukloni. Na zbiralno lečo usmerimo prvi uklonjeni red,

ga razpršimo ter usmerimo proti detektorju, ki je povezan z mikrokrmilnikom. Obdelane

podatke na mikrokrmilniku preko vmesnika RS-232 pošljemo na računalnik, kjer jih

dodatno obdelamo, izračunamo določene parametre in vse skupaj prikažemo na grafičnem

vmesniku.

Sistem lahko razdelimo na tri glavne enote:

optični del,

elektronski del in

programski del.

OPTIČNI

DEL

ELEKTRONSKI

DEL

PROGRAMSKI

DEL

Slika 3.1: Blokovna shema sistema


3.1 Optični del

V optičnem delu bomo predstavili vir svetlobne energije (superluminescenčna dioda),

sredstvo za prenos svetlobnega valovanja (enorodovno vlakno), optični delilnik, senzor, ki

deluje na principu Fabry-Perot interferometra, katerega smo uporabili za umerjanje

optičnega spektralnega analizatorja, prepustno uklonsko mrežico, kolimator, zbiralno in

razpršilno lečo.

SLD

SENZOR

OPTIČNI DELILNIK

Enorodovno vlakno

KOLIMATOR

PREPUSTNA

UKLONSKA

MREŽICA

ZBIRALNA

LEČA

RAZPRŠILNA

LEČA

Slika 3.2: Shema optičnega dela

3.1.1 Superluminescenčna dioda

Superluminescenca oziroma ojačana spontana emisija (ang. Amplified Spontaneous

Emission - ASE) je svetloba, ki nastane zaradi spontane emisije, ki je bila optično ojačana

s stimulirano emisijo.


Spontana emisija (Slika 3.3) je proces [1], kjer atom iz stanja 2 preide v stanje 1, pri čemer

atom odda razliko v energiji v obliki fotona. Foton je oddan spontano, smer, polarizacija in

faza fotona so poljubne, njegova frekvenca pa je določena z razliko, ki nastane med

energijskima nivojema.

2

1

2

1

Prvotno stanje Kasnejše stanje

Prehod atoma

Slika 3.3: Spontana emisija

Stimulirana emisija (Slika 3.4) je proces [1], kjer stimuliran prehod ne nastopi spontano,

ampak ga povzroči foton iz okolja. Atom preide iz stanja 2 v stanje 1, pri čemer mora na

atom delovat foton z energijo enako razliki med energijskima nivojema 1 in 2. Foton, ki se

pri tem procesu odda, se giblje v enaki smeri kot foton, ki je povzročil stimuliran prehod.

Prav tako ima enako fazo, polarizacijo in frekvenco.

2

1

2

1

Prvotno stanje Kasnejše stanje

Prehod atoma

Slika 3.4: Stimulirana emisija

Superluminescenčna dioda (SLD) [6] (Slika 3.5), uporabljena v sistemu ima zelo širok

optični spekter. Spektralna širina znaša 50 nm. Maksimalno spektralno območje je


neomejeno. Tipična izhodna optična moč diode je 1,25 mW, maksimalna pa je lahko

mnogo višja.

Slika 3.5: Superluminescenčna dioda SLD-371-MP-DIL-SM-PD

Diodo krmilimo tokovno s krmilnikom (Slika 3.6). Izhodna moč in tok sta premo

sorazmerna, kar pomeni, da z večanjem toka, večamo tudi izhodno optično moč diode.

Povprečni krmilni tok je 150 mA, največji možen pa 220 mA. Centralna valovna dolžina

svetlobe, ki jo dioda izseva, je 835 nm, maksimalna pa 850 nm.

Slika 3.6: Krmilnik za SLD

3.1.2 Enorodovno optično vlakno

Optična vlakna so sestavljena iz jedra [7], obloge in primarne zaščite (Slika 3.7). So

prenosni medij svetlobe. Glede na valovodne lastnosti delimo vlakna na:

mnogorodova vlakna in

enorodovna vlakna


JEDRO OBLOGAPRIMARNA

ZAŠČITA

Slika 3.7: Zgradba optičnega vlakna

Optična vlakna so v večini primerov grajena iz SiO2 (silicijev dioksid - steklo). Steklo ima

majhno slabljenje (0,2 dB/km).

V primerjavi z mnogorodovnimi optičnimi vlakni, imajo enorodovna optična vlakna jedro

z manjšim premerom. Pri enorodovnih vlaknih vodi le en rod (Slika 3.8). Enorodovno

vlakno smo prav tako uporabili za izdelavo senzorja.

Slika 3.8: Osnovni rod v enorodovnem optičnem vlaknu

Standardni premer (Slika 3.9) jedra je med 8 in 10 μm (mnogorodovna imajo premer jedra

med 50 in 100 μm). Takšna enorodovna vlakna so standardna za uporabo pri valovnih

dolžinah 1300 in 1550 nm. V sistemu smo uporabili posebno enorodovno optično vlakno s

premerom jedra 6 μm, saj je pri tem vlaknu in valovni dolžini 850 nm, prisoten samo

osnovni rod vlakna.


a) b)

8-10 µm 4-6 µm

125 µm 125 µm

Slika 3.9: a) Standardno enorodovno vlakno b) posebno enorodovno vlakno

Pojem, ki nam opisuje pod katerimi koti optično vlakno lahko še sprejme svetlobo (Slika

3.10), da se zagotovi pogoj za popolni notranji odboj, imenujemo numerična odprtost (NA)

in je opisana z enačbo:

sNA sin (3.1)

Kjer je:

NA – numerična odprtost

αs – največji možni kot, pod katerim vlakno še lahko sprejme

svetlobo, da zagotovi pogoj za popolni notranji odboj

Do popolnega notranjega odboja pride na meji med jedrom in oblogo, saj je lomni količnik

jedra večji kot lomni količnik obloge. Popolni notranji odboj opisuje enačba 3.2.


vppvp

v

p

v nnn

n ,,sinsin (3.2)

Kjer je:

Θv – vpadni kot svetlobe glede na normalo

Θp – lomljeni kot, ki pri popolnem odboju znaša 90°

nv – lomni količnik vstopnega medija

np – lomni količnik medija, skozi katerega svetloba prehaja

s

Slika 3.10: Največji sprejemni kot vlakna

Enorodovno optično vlakno največkrat uporabljamo za komunikacije na dolge razdalje in v

širokopasovnih komunikacijah.

3.1.3 Optični delilnik

V sistemu smo uporabili optični delilnik (Slika 3.11), ki je primeren za valovno dolžino

850 nm. Sklopimo ga z enorodovnimi optičnimi vlakni. Delilno razmerje je 50%, kar

pomeni da se vstopna optična moč v optimalnem primeru razdeli na dva enaka dela.

DELILNO OBMOČJE

P P/2

P/2

Slika 3.11: Optični delilnik sistema


Delitev optične moči v delilnem območju lahko poteka na več različnih načinov. Optična

moč se lahko iz enega vlakna deli v drugo že ko sta vlakni dovolj blizu skupaj. Obstajajo

pa še druge tehnike delitve (Slika 3.12). Vlakna so lahko med seboj zvita ena okoli druge,

med seboj so lahko staljena, itd.

a) Zvito delilno območje

b) Staljeno delilno območje

Slika 3.12: Dve izmed mnogih tehnik izdelave delilnika

3.1.4 Senzor

Za umerjanje optičnega spektralnega analizatorja smo uporabili senzor raztezka (Slika

3.13), ki deluje na principu Fabry-Perot interferometra (Slika 3.14).

Sestava senzorja je preprosta. Enorodovno optično vlakno smo spojili s kapilaro5, za njo pa

spojili še eno optično vlakno. Prvo optično vlakno deluje kot vir svetlobe, drugo vlakno pa

kot odbojna površina.

ENORODOVNO

OPTIČNO VLAKNOKAPILARA

ENORODOVNO

OPTIČNO VLAKNO

Slika 3.13: Senzor

5 Kapilara – optično vlakno brez jedra


Fabry-Perot interferometer [9] sestavljata dve vzporedni polprepustni zrcali, ki skupaj

tvorita optični resonator. Svetloba, ki pride v resonator, interferira. Vrednost izhodnega

svetlobnega toka je odvisna od valovne dolžine svetlobe in razdalje med zrcaloma. Senzor

deluje kot optični resonator, pri čemer vlakni delujeta kot odbojni površini, torej zrcali,

dolžina kapilare pa določa konstantno razdaljo med njima.

Odbojni površini

n

EI

EVE1

E2

L

optično vlakno

Slika 3.14: Fabry-Perot interferometer

Fabry-Perot senzor raztezka smo uporabili za procesiranje na osnovi spektralne analize.

Metoda na takšni osnovi je najpopolnejša, saj omogoča absolutno določitev optične poti v

Fabry-Perot interferometru. Svetlobo, odbito od interferometra, analiziramo s spektralnim

analizatorjem. Točnost meritve je odvisna od širine spektra svetlobe, ki jo oddaja vir

svetlobe. Optično pot v Fabry-Perot interferometru določimo na podlagi dveh sosednjih

interferenčnih maksimumov, lahko pa tudi na podlagi drugih vrhov v analiziranem

interferenčnem vzorcu.

Poznamo različna interferometra. Fabry-Perot interferometer z notranjim delovanjem,

kadar se polprepustni zrcali nahajata znotraj optičnega vlakna in interferometer z zunanjim

delovanjem, kjer sta kot polprepustni zrcali uporabljena vrh vlakna in dodaten odbojni


element, ki sta med seboj ločena z zračno režo. Naš senzor deluje kot Fabry-Perot

interferometer z zunanjim delovanjem, zato je primeren za merjenje raztezkov, tlaka,

temperature itd.

3.1.5 Uklonska mrežica

Uporabili smo prepustno uklonsko mrežico, ki ima 1000 rež/mm.

Slika 3.15: Prepustna uklonska mrežica sistema

Ker ima uklonska mrežica veliko število rež, pomeni da je kotna disperzija velika, zaradi

česar smo morali uklonsko mrežico postaviti pod določenim kotom glede na sistem.

Proti detektorju smo usmerili spektralno komponento, ki pripada prvemu uklonjenemu

redu. Osnovnega (ničelnega) uklonjenega reda ne moremo uporabiti, ker nima kotne

disperzije. To pomeni, da se valovne dolžine ne razpršijo, kar je lepo razvidno iz enačbe

(2.18) kadar je m = 0. Iz iste enačbe je tudi razvidno, da je kotna disperzija višja za višje

redove, kar pomeni, da je smiselno opazovat čim višje redove, saj je spekter bolj razpršen

in omogoča doseganje višje resolucije, vendar je višje redove težje preoblikovat z lečami.


m = 0m = 1

m = 1

Slika 3.16: Uklon rdeče svetlobe na uklonski mrežici sistema

3.1.6 Kolimator, zbiralna in razpršilna leča

Leče so zelo pomemben del sistema. Naloge leč so v splošnem različne. Uporabimo jih

lahko kot preslikavo [10] predmeta (Slika 3.17), za zbiranje vzporednih žarkov, za

povečavo slik itd.

h0

hiu0

ui

Slika 3.17: Preslikava predmeta h0 v sliko hi z ustreznima nagibnima kotoma u0 in ui

Poznamo različne vrste leč (Slika 3.18). Tukaj sem spadajo bi-konveksne, plan-konveksne,

pozitivni in negativni meniskus, bi-konkavne in plan-konkavne.


Bi-konveksna

Plan-konveksna

Pozitivni meniskus

Negativni meniskus

Plan konkavna

Bi-konkavna

Slika 3.18: Vrste leč

V praksi in spektralni analizi je pogost primer, da uporabljamo t.i. tanke leče, kar pomeni,

da debelino leče zanemarjamo. Poznamo enačbo take leče oziroma Gaussovo [5] enačbo

tanke leče:

21

11)1(

1

RRn

f (3.3)

Kjer je:

f – gorišče leče

n – lomni količnik leče

R1 – radij ukrivljenosti prve sferične površine

R2 – radij ukrivljenosti druge sferične površine

Kadar pa govorimo splošno o lečah in ne o tankih lečah in se leča nahaja v poljubnem

sredstvu, pa dobi enačba leče splošno obliko:

212

2

12

211

12 111

RRn

dnn

RRn

nn

f

(3.4)


Kjer je:

f – gorišče leče

n1 – lomni količnik leče

n2 – lomni količnik sredstva, ki lečo obdaja (zrak ima lomni

količnik n1 ≈ 1)

R1 – radij ukrivljenosti prve sferične površine

R2 – radij ukrivljenosti druge sferične površine

d – debelina leče

V sistemu je prva uporabljena leča kolimator (Slika 3.19) z goriščno razdaljo 3,8 cm.

Uporabljena je plan-konveksna leča, s katero dobimo vzporedni snop svetlobe. V tem

snopu so zajete vse valovne dolžine. To naredimo tako, da vir svetlobe postavimo v

gorišče leče.

Optična os

VIR

Gorišče kolimatorja

KO

LIM

AT

OR

Kolimiran žarek

Kolimiran žarek

Slika 3.19: Kolimator

Kolimiran snop svetlobe nato preide skozi uklonsko mrežico, kjer se ukloni. Razdalja med

zbiralno lečo in uklonsko mrežico ni pomembna. Prvi uklonjen red je nato usmerjen proti

zbiralni leči (Slika 3.20) z goriščno razdaljo 4 cm. Uporabljena zbiralna leča je bi-

konveksna leča, ki vzporedne žarke zbere v njenem gorišču. Ti žarki so nato z razpršilno

lečo (Slika 3.20) oziroma bi-konkavno lečo, katere goriščna razdalja je 2,5 cm, usmerjeni

proti detektorju.


Gorišče

fokusirne

leče

ZBIRALNA LEČA RAZPRŠILNA LEČA

Slika 3.20: Zbiralana in razpršilna leča

Naloga razpršilne leče je razširiti snop svetlobe. Z razširjanjem snopa svetlobe smo

povečali spektralno območje. Postavitev leč je prikazana na sliki 3.21.

Slika 3.21: Leče v sistemu

Za razpršilno lečo je postavljen le še detektor, ki je od nje oddaljen približno 11, 5 cm.

Razširjen svetlobni snop pokriva približno 150 fotodiod detektorja, kar je dovolj za

uspešno analiziranje uklonjenega snopa svetlobe.


ZBIRALNA LEČA

RAZPRŠILNA

LEČA

Gorišče

KOLIMATOR, PLAN-

KONVEKSNA LEČA

VIR

GORIŠČE

KOLIMATORJA

PREPUSTNA UKLONSKA

MREŽICA

OSNOVNI RED

UKLONJENE SVETLOBE

PRVI RED

UKLONJENE

SVETLOBE

DETEKTOR

Slika 3.22: Sistem z lečami, uklonsko mrežico in detektorjem

3.2 Elektronski del

V elektronski del spadajo detektor, ki prebere podatke, mikrokrmilnik, ki podatke obdela

in osebni računalnik za prikazovanje podatkov.

PC

DETEKTOR MIKROKRMILNIKPOVEZAVA RS-232

Slika 3.23: Blokovna shema elektronskega dela

3.2.1 Detektor

Detektor [8] je naprava, ki optični signal pretvori v električnega. V idealnem primeru je

odziv detektorja linearen skozi široko področje z nizkim šumom in visoko občutljivostjo.


Spektralni analizatorji v večini primerov uporabljajo detektorje s fotodiodami. Takšni

detektorji imajo ponavadi široko dinamično področje.

Fotodiode (Slika 3.24) so sestavljene iz polprevodniškega materiala. Foton, ki vpade na

fotodiodo in ima energijo večjo, kot je energija reže polprevodnika, povzroči prehod

elektrona iz valenčnega [2] v prevodni pas in s tem nastanek para elektrona in vrzeli.

Elektron se zaradi vpliva električne poljske jakosti v zaporni plasti giblje proti n plasti,

vrzel pa proti p plasti. V n plasti se pojavi presežek negativnih nabojev, v p plasti pa

presežek pozitivnih nabojev. Priključna napetost na diodo je vedno konstantna, zato

presežni naboj odteče preko vira zunanje napetosti. Električni naboj začne teči skozi diodo.

To prav tako povzroči izpraznitev naboja v kondenzatorju, ki je vezan na fotodiodo.

Električni naboj, ki teče skozi diodo in količina naboja, ki je potrebna za ponovno

napolnitev kondenzatorja v rednih intervalih, je sorazmerna z jakostjo svetlobnega toka, ki

vpada na fotodiodo.

Detektorji na osnovi silicija imajo limit glede vpadne svetlobe. Valovne dolžine vpadne

svetlobe na detektor se lahko nahajajo med 170 in 1100 nm.

p plast

n plast

FOTON

Zlata plošča

Zaporno področje

Kovinski stik

Slika 3.24: Fotodioda

V nekaterih sodobnih spektralnih analizatorjih imamo namesto enega detektorja z eno

fotodiodo, detektorje z več fotodiodami (Slika 3.25). Fotodiode so postavljene druga poleg

druge na silicijevem kristalu. Vsaki fotodiodi pripada svoj kondenzator in je povezana s


polprevodniškim stikalom na skupno izhodno linijo. Nadzor nad stikali izvaja register

premika. Na začetku so kondenzatorji napolnjeni do določene mere. Ko fotoni prodrejo

skozi silicij, se izprazni kondenzator, prosti elektroni pa ga ponovno napolnijo.

Kondenzatorji se polnijo v rednih ciklih. En cikel je čas, ko preklopimo med vsemi

fotodiodami.

VPADNA SVETLOBA

Ponavljajoč cikel

Fotodioda in

kondenzator

Register

premika

Tranzistorji

Slika 3.25: Diagram fotodiod v vrsti

Količina naboja, potrebnega za napolnitev kondenzatorjev, je sorazmerna s številom

fotonov zaznanih na vsaki fotodiodi, število fotonov pa sorazmerno z jakostjo svetlobnega

toka. Spekter absorbirane svetlobe je dosežen pri spremembi svetlobne jakosti skozi

celotno področje valovnih dolžin. Linijsko polje detektorjev je ponavadi sestavljen iz 200

do 1000 elementov, odvisno od spektralnih analizatorjev in njihovih zahtev.

V sistemu smo uporabili linearni senzor TSL208 (Slika 3.26) podjetja TAOS (Texas

Advanced Optoelectronic Solutions).


Slika 3.26: Detektor TSL208R

Detektor je sestavljen iz 512 fotodiod [11], ki so postavljene v vrsto. Vsaki fotodiodi

pripada vezje z ojačevalnikom.

Svetloba, ki vpada na detektor, povzroči sprostitev naboja. Vezje, vezano na določeno

fotodiodo, poskrbi, da ta naboj postane del celote. Med dobo integracije naboja se napolni

kondenzator, ki se nato poveže z izhodom. Količina naboja, ki se sprosti iz enega

kondenzatorja je sorazmerna od jakosti svetlobnega toka in časa integracije. Izhodna

analogna napetost detektorja je podana z enačbo [11]:

inttERVV eedrkout (3.5)

Kjer je:

Vout – izhodna napetost

Vdrk – izhodna napetost, ko je senzor v temi

Re – odzivnost detektorja na dano valovno dolžino [V/(µJ/ cm2)]

Ee – vpadna gostota svetlobnega toka [µW/cm2]

tint – čas integracije [s]

Detektor ima 7 vhodnih in izhodnih enot (Slika 3.27).


Enota

Ime Št. Izh / Vh Opis

AO 4 Izh Analogni izhod

CLK 3 Vh Ura nadzira prenos naboja, ponovni zagon (ang Reset)

GND 5 Vh Ozemljitev

SI 2 Vh Serijski vhod, ki sproži začetek cikla

SO 6 Izh Serijski izhod, ki obvesti o koncu cikla

VDD 1, 7 Vh Vhodna napetost za analogno in digitalno vezje

Tabela 3.1: Enote detektorja

1 2 3 4 5 6 7

VD

D

SI

CL

K

AO

GN

D

SO

VD

D

Slika 3.27: Enote detektorja

Izhod in ponovni zagon (ang. Reset) integracije nadzira 512 bitni register premika in

logika za ponovni zagon. Izhodni cikel nadzira ura. Cikel se prične s postavitvijo

serijskega vhoda na logično ena. Takrat se naboj, ki je shranjen v kondenzatorjih vsake

fotodiode, ojača in sprosti, kar lahko zaznamo na analognem izhodu detektorja. Ko se

sprosti naboj prve fotodiode, se serijski vhod postavi na logično ničlo in lahko se prične

nova perioda integracije z novo fotodiodo. Ko ura doseže 513-o logično enico, se sproži

serijski izhod, ki pove, da se je cikel integracije končal. Detektor je pripravljen na nov

bralni cikel, ki predstavlja skeniranje vseh 512 fotodiod.


SPEKTRALNI ODZIV FOTODIODE

NO

RM

AL

IZIR

AN

OD

ZIV

VALOVNA DOLŽINA [nm]

Slika 3.28: Tipična karakteristika fotodiode

3.2.2 Mikrokrmilnik

V sistemu smo uporabili mikrokrmilnik [12] dsPIC33FJ256MC710 (Slika 3.29)

proizvajalca Microchip. Mikrokrmilnik uporablja Harvardsko arhitekturo, kar pomeni, da

sta podatkovni in programski pomnilnik med seboj ločena. Optimiziran je za programski

jezik C. Mikrokrmilnik uporablja DMA pomnilnik, kar pomeni, da lahko podsistemi

krmilnika neodvisno od glavnega sistema dostopajo do pomnilnika. Mikrokrmilnik

omogoča inicializacijo sedeminšestdeset prekinitvenih rutin in pet zunanjih prekinitvenih

rutin. Prekinitvenim rutinam lahko določamo sedem stopenj prioritet. Med 100 nožicami

na krmilniku, imamo 85 programsko nastavljivih digitalnih vrat oziroma portov. Izhodne

napetostne vrednosti digitalnih vrat so v območju me 3 do 3,6V, vhodne napetosti pa so 5

V.

Programski del mikrokrmilnika uporablja flash pomnilnik velikosti 256 kB. Flash

pomnilnik je vrsta ROM-a. Prepisati ga je mogoče nekaj 100.000-krat preden bo prišlo do


napake pri zapisovanju. Flash pomnilnik je prav tako dobrodošel, saj ob izgubi napajanja

še vedno obdrži zapisane vrednosti.

Slika 3.29: Nožice mikrokrmilnika dsPIC33FJ256MC710

Podatkovni del uporablja pomnilnik SRAM velikosti 30 kB, kjer je vključenih 2 kB DMA

pomnilnika. V njem se v naprej določenih mestih nahajajo tudi drugi pomembni registri,

preostali prostor pa je na voljo uporabnikom. V primeru izgube napajanja, se vrednosti

pomnilnika SRAM izberejo naključno. EEPROM pomnilnik je namenjen za shranjevanje

podatkov. V njem se podatki ohranijo tudi, ko pride do izpada napajanja. Ta pomnilnik

lahko prepišemo do 1.000.000-krat.

Na mikrokrmilniku je mogoče uporabiti devet 16-bitnih časovnikov, osem-kanalno metodo

za zajemanje vhodnih signalov (»input capture«), pri čemer sodelujejo 16-bitne funkcije za

obdelavo vhodnih signalov, osem-kanalno metodo za primerjavo izhodnih signalov

(»output compare«), pri čemer se uporablja enojni ali dvojni 16-bitni način primerjave.


Mikrokrmilnik je postavljen na ploščo z vezjem (Slika 3.30), kjer je tudi priključek za

serijsko povezavo RS-232, konektor za napajanje in konektor RJ-11, ki ga uporabljamo za

programiranje mikrokrmilnika.

DC KONEKTOR

RJ-11

RS-232

MIKROKRMILNIK

Slika 3.30: Ploščica z mikrokrmilnikom

Digitalne vhodno/izhodne enote mikrokrmilnika je sedem portov (PORTA, PORTB,

PORTC, PORTD, PORTE, PORTF in PORTG). Nekateri izmed portov so multipleksirani

z drugimi vgrajenimi funkcijami mikrokrmilnika. Vsak izmed portov ima svoje nožice. Ali

bo nožica delovala kot vhodna ali kot izhodna določimo v registru TRISx, pri čemer je x

lahko črka A, B, C, D, E, F ali G. To določimo tako, da bitu v registru TRISx določimo

vrednost 1 (vhod) ali 0 (izhod). Napetosti na nožici so v območju med -0,3V in 5,6V. V

optimalnem primeru logični ničli (izhod) pripada vrednost 0V, logični ena (vhod) pa

vrednost napetosti 5V.

Mikrokrmilnik ima dva štiriindvajset kanalna analogno/digitalna pretvornika. Vsakemu

pretvorniku lahko določimo ali je 10 ali 12-biten. Analogno/digitalna pretvorba omogoča

avtomatsko skeniranje kanalov, nastavljiv način kako napolniti pomnilnik z rezultati A/D

pretvorbe, omogoča tip rezultatov pretvorbe (npr. celo število), pretvorba analognega

signala iz 32 analognih vhodnih nožic, itd. Analogno/digitalna pretvorba potrebuje za

delovanje nastavitev bitov v 10 registrih.


FUNKCIJA dsPIC33FJ256MC710

Frekvenca delovanja nastavljiva

Programski pomnilnik (flash) 256 kB

Podatkovni pomnilnik (SRAM) 30 kB

Vhodno/izhodne enote Porti A, B, C, D, E, F, G

A/D pretvornik 10 in 12-bitni (24 kanalov)

Izhodno/vhodne enote 85

Število vseh nožic 100

Serijska povezava DA

Napajalna napetost 3V do 3,6V

Ohišje 100- Lead TQFP (14x14x1 mm)

Tabela 3.2: Osnovne karakteristike mikrokrmilnika

3.2.2.1 Komunikacija mikrokrmilnika z drugimi napravami

Z drugimi napravami lahko mikrokrmilnik komunicira s štirimi različnimi moduli:

Serijski periferni vmesnik (SPI)

Dvožični serijski modul (I2C)

Univerzalni asinhroni sprejemnik/pošiljatelj (UART)

Stopenjski lokalno omrežni modul (ECAN)

Serijski periferni vmesnik je sinhroni serijski vmesnik, primeren za komunikacijo z

drugimi perifernimi napravami ali mikrokrmilniki. Te naprave so lahko serijski EEPROM,

registri premika, gonilniki za prikazovalnike, analogno/digitalni moduli. Mikrokrmilnik

vsebuje dva taka vmesnika. Vsak tak vmesnik vsebuje 16-bitni register premika SPIxSR za

vhodne in izhodne podatke, pri čemer je x 1 ali 2 in register SPxBUF, kjer se shranjujejo

zajeti podatki. SPI vmesnik nadzorujejo trije registri; to so en statusni register SPIxSTAT

ter dva kontrolna registra SPIxCON1 in SPIxCON2.

Dvožični serijski modul z 16-bitnim vmesnikom podpira strojni del tako za sužnje, kot za

več-gospodarne načine (»Slave ali Multi-Master«) serijskih komunikacijskih standardov.

Mikrokrmilnik ima dva taka modula. Vsak izmed teh dveh modulov podpira suženj ali več-

gospodarne operacije. Način suženj kot tudi več-gospodaren način omogočata tako 7 kot


10-bitno naslavljanje, vrata vmesnika omogočajo neposredno prenašanje podatkov med

sužnjem in gospodarjem, sinhronizacija serijske ure omogoča rokovanje za začasno

ustavljanje in nadaljevanje serijskega pošiljanja podatkov. Vmesnik vsebuje tri registre. To

so en kontrolni register I2CxCON, en statusni register I2CSTAT in register za maskiranje

naslova v suženj načinu I2CxMSK.

Stopenjski lokalno omrežni modul je serijski vmesnik, uporaben za komunikacijo z

ostalimi CAN moduli ali mikrokrmilniki. Protokol oziroma vmesnik je bil zasnovan za

komunikacijo v okoljih z veliko motenj. Na mikrokrmilniku sta dva takšna modula. Modul

omogoča implementacijo CAN protokola, protokola CAN1.2, CAN 2.0A in CAN 2.0B,

omogoča pošiljanje standardnih in razširjenih okvirjev podatkov, vsebuje osem

pomnilnikov za shranjevanje podatkov, programabilno s hitrostjo do 1Mbit/s, itd. Modul

vsebuje enaintrideset registrov.

Univerzalni asinhroni sprejemnik/pošiljatelj je dvosmerni sinhroni sistem, ki lahko

komunicira s perifernimi napravami, kot so osebni računalnik, LIN, RS-232 in RS-485).

Modul omogoča dvosmerno , 8 ali 9-bitno povezavo preko vrat UxTX in UxRX, sodo, liho

ali nobene pariteto, enega ali dva bita za ustavljanje, omogoča avtomatsko zaznavo hitrosti

povezave, prekinitve, itd. UART inicializiramo z nastavitvijo bitov v dveh registrih; v

registru UxMODE in UxSTA

3.2.2.2 RS-232 povezava

V sistemu smo uporabili UART komunikacijo. Z osebnim računalnikom smo komunicirali

preko povezave RS-232.

Povezava RS-232 [13] je namenjena za povezavo med dvema napravama, na optimalni

razdalji med 150 in 300m, odvisno od kvalitete in tipa kabla. Zaradi standardnih portov, ki

jih uporablja RS-232, je značilno, da pogosto uporabljamo vmesnik, ki pretvori RS-232 v

druge tipe (USB je eden izmed takih). Povezave RS-232 uporabljajo nebalansirane linije,

ki so vezane le na električne karakteristike signalov, ki potujejo po teh povezavah. To

pomeni, da je napetost posameznih signalov vezana le na eno linijo, med tem ko imajo vsi

signali skupno maso.


RS-232 ima nekatere prednosti:

Najdemo ga pri mnogih napravah. Predvsem stari, tudi nekateri novi osebni

računalniki imajo enega ali več RS-232 priključkov. Pri novih osebnih računalnikih

je v ospredju povezava USB, vendar RS-232 lahko uporabimo za stvari, za katere

USB-ja ne moremo.

Na mikrokrmilnik je enostavno pretvorit napetost 5V za povezavo RS-232

Kot smo že zgoraj omenili, lahko RS-232 uporabimo za razdalje med 150 in 300m.

Druge periferne naprave ne zmorejo takšnih dolžin. Povezave z USB so optimalne

na razdalji do 5m, nekateri tiskalniki lahko uporabljajo povezave med 3 in 5m.

Za dvosmerni promet podatkov potrebujemo le tri žice. Nekatere povezave

potrebujejo do osem žic za prenos podatkov, dva ali več žic za kontrolne signale in

več žic, ki so vezane na maso. Cena takšnih povezav lahko hitro naraste. Tudi

konektorji se zaradi števila žic večajo.

Slabosti RS-232 povezave:

Če kakšna naprava potrebuje paralelno povezavo, moramo serijski prenos podatkov

pretvorit v paralelnega. To lahko na enostaven način storimo z univerzalnim

asinhronim sprejemnik/pošiljateljem (UART)

Uporaba serijskih vmesnikov je zelo velika, zato je včasih težko najti kakšen prost

priključek. Računalniki sicer imajo več priključkov, vendar navadno ne podpira

sočasno upravljanje z več vmesniki. Mikrokrmilniki imajo navadno en serijski

vmesnik.

V povezavi lahko sodelujeta samo dve napravi.

Specifična maksimalna hitrost povezave je lahko 20.000 bitov na sekundo. Pri

večini čipov lahko to hitrost povečamo, vendar s tem moramo skrajšati dolžino

povezave.

Dolge povezave nujno potrebujejo različne vmesnike

Tipični signali vmesnika oziroma povezave RS-232 so našteti v tabeli 3.3


9-polni 25-polni Signal Vir Tip Angleški opis

1 8 CD DCE Nadzor Carrier detect

2 3 RD DCE Podatek Received data

3 2 TD DTE Podatek Transmitted data

4 20 DTR DTE Nadzor Data termina ready

5 7 GND - - Signal ground

6 6 DSR DCE Nadzor Data set ready

7 4 RTS DTE Nadzor Request to send

8 5 CTS DCE Nadzor Clear to send

9 22 RI DCE Nadzor Ring indikator

- 1.1-19, 21, 23-

25

/ - - -

Tabela 3.3: Tipični signali RS-232

Standard RS-232 definira tri stvari: imena in funkcije signalov v povezavi, električne

karakteristike signalov in mehansko strukturo, ki vključuje postavitev polov v vmesniku

(Slika 3.31). Standard tudi definira možnost 25 linij v vmesniku, vendar naprave le redko

podpirajo več kot 9 linij. Nekatere naprave uporabljajo samo tri linije ali celo samo dve za

enosmerno povezovanje.

12345

6789

b)

a)

13

25

123456789101112

1415161718192021222324

RxD

Tx

D

CT

S

RT

S

DC

E R

ead

y

Sig

nal

Gro

un

d

DT

E R

ea

dy

TxD

Rx

D

DT

E R

ead

y

Sig

nal

Gro

un

d

DC

E R

ea

dy

CT

S

RT

SRI

RI

CD

CD

Slika 3.31: a) 25-polni in b) 9-polni konektor RS-232


3.3 Programski del

Programski del je razdeljen na dva dela in sicer na algoritem na mikrokrmilniku, ki skrbi

za pravilno zajemanje podatkov, za pretvorbo analognega signala v digitalnega, poskrbi za

povprečje zajetih podatkov ter pravilen prenos podatkov iz mikrokrmilnika na osebni

računalnik. Na osebnem računalniku teče program, ki prejete podatke obdela, izračuna

določene parametre ter podatke prikaže v grafični podobi.

3.3.1 Algoritem na mikrokrmilniku

Algoritem na mikrokrmilniku je napisan v programskem jeziku C, v programskem okolju

MPLAB IDE [14]. Za prevajanje programske kode smo uporabili prevajalnik C30 [15].

Naloga tega algoritma je pravilno krmiljenje detektorja, zajete analogne signale pretvoriti v

digitalne, narediti njihov povpreček in jih pravilno preko povezave RS-232 poslati na

osebni računalnik.

Podroben diagram poteka za algoritem na mikrokrmilniku je prikazan na sliki 3.32.


START

Inicializacija

spremenljivk

Inicializacija

vhodno/izhodnih

enot

Inicializacija A/D

pretvornika

Inicializacija

oscilatorja

OSCCONbits.LOCK

!= 1

Inicializacija

UART

NE

DA

i < 1000

DA

NE

While(1)

SI = 1

Brisanje

sprememljivk

DA

While (k<5)

DA

i = 0

Povečaj k za 1

While (i<512)

AD povpreček =

PoljeMeritev[z]/5

CLK = 1

DA

Zakasnitev 1ms

Začetek AD

pretvorbe

AD končan

Shrani rezultat AD

pretvorbe v

ADstevilo

DA

NE

ADstevilo shrani v

PoljeMeritev

SI = 0, CLK = 0

Povečaj i za 1

NE

NE

KONEC

OVERRUN

NENE

OERR = 0

DA

Sprejet

podatek

NE

Prejet podatek

shrani v

spremenljivko

sprejem

sprejem = s

DA

z < 512

DA

NE

Pošlji na PC AD

povpreček

sprejem = 0

z < 512

DA

NE

NE

PoljeMeritev[z]=0Povečaj i za 1

Povečaj z za 1

Povečaj z za 1

Slika 3.32: Diagram poteka algoritma na mikrokrmilniku

Algoritem je razdeljen na tri dele. Inicializacija spremenljivk, vhodno-izhodnih enot in

registrov, zajemanje in obdelava podatkov ter pošiljanje teh podatkov na osebni

računalnik.

Pri inicializaciji spremenljivk smo izbrali tiste, ki jih bomo uporabili znotraj glavnega dela

algoritma. Prav tako je potrebno določiti vhodno-izhodne enote, ki določajo, kje bomo

prejemali podatke in preko katerih izhodnih enot jih bomo pošiljali na osebni računalnik.

Potrebno je tudi določiti ali so vhodno-izhodne enote digitalnega tipa ali analognega.

Določili smo tudi pod kakšnimi pogoji bo delovala analogno-digitalna pretvorba, s kakšno

frekvenco bo deloval oscilator in kako bo deloval univerzalni asinhroni

sprejemnik/pošiljatelj.

Ko je inicializacija končana, program po krajši zakasnitvi vstopi v neskončen cikel. Znotraj

tega cikla algoritem 512-krat zajeme analogni signal in ga pretvori v digitalnega. Po

končani pretvorbi se končni rezultat shrani v spremenljivko ADstevilo, ta spremenljivka pa


postopoma začne polnit polje velikosti 512. Ta postopek ponovimo pet krat. Po končanem

postopku program čaka na morebitni prejeti podatek. Če podatka ni, se prej omenjeno polje

izbriše, postopek zajemanja in obdelave podatkov se začne od začetka. V primeru pa da

prejmemo določen podatek iz okolja, le tega shranimo v spremenljivko z imenom sprejem.

Če je v spremenljivki sprejem znak »s«, izračunamo povprečje pet krat polnjenega polja,

ga znotraj zanke 512-krat zapišemo v spremenljivko ADsteviloPOV in vrednost

spremenljivke pošljemo na osebni računalnik.

Algoritem na se izvaja tako dolgo, dokler je mikrokrmilnik priključen na vir napetosti

oziroma ga ne ustavimo s kakšnim drugim ukazom.

3.3.2 Algoritem na osebnem računalniku

Algoritem ima funkcijo za prikaz podatkov na grafu. Podatki so pridobljeni od

mikrokrmilnika. Prikazujemo tudi vrednosti indeksov, pri katerih se pojavijo maksimumi

interferenčnega vzorca. Prav tako prikazujemo izračunano razdaljo senzorja.

Algoritem na osebnem računalniku je napisan v programskem okolju Microsoft Visual C#

2010 [16]. Za programsko okolje je značilno objektno programiranje. Na diagramu poteka

(Slika 3.33) je v splošnem prikazano delovanje algoritma.


START

Inicializacija

virtualnega

serijskega

vmesnika

Sprejem podatkov

iz mikrokrmilnika in

shranjevanje

podatkov

Isaknje

maksimumov

Izračun razdalje

senzorja

Izris grafa in prikaz

izračunanih

parametrov

Slika 3.33: Diagram poteka algoritma na osebnem računalniku

Algoritem pričnemo z inicializacijo virtualnega serijskega vmesnika. Sledi niz prejemanja

podatkov iz mikrokrmilnika. Podatki so cela števila. Ko so podatki prejeti, začne algoritem

z iskanjem maksimumov. Algoritem na podlagi enačb izračuna še razdaljo senzorja.

Izračunano razdaljo, najdene maksimume prikažemo v uporabniškem vmesniku, kjer prav

tako izrišemo graf oziroma na grafu izrišemo vrednosti prejetih podatkov (Slika 3.34).


Slika 3.34: Grafični vmesnik algoritma na osebnem računalniku


4 EKSPERIMENTALNI REZULTATI

Ko smo postavili vse komponente sistema, je bilo potrebno napravo umeriti in preizkusiti

njeno delovanje. Za umerjanje smo uporabljali že prej omenjen senzor raztezka, ki temelji

na delovanju Fabry-Perot interferometra.

4.1 Meritve

Za prve meritve je bilo potrebno prvo omejiti izhodno moč superluminescenčne diode. To

smo storili z namenom, da smo lahko brali podatke iz detektorja. Detektor je namreč zelo

občutljiv in za pravilne rezultate je potrebna prava jakost svetlobe, ki vpada na njega. Ko

smo omejili izhodno moč diode, smo lahko pričeli z branjem podatkov. Senzor smo

namestili na spodnjo stran upogljive kovine. V prvem primeru smo senzor pustili v

izhodiščnem stanju.

Dobljene podatke smo vnesli v graf (Slika 4.1)

0

128

256

384

512

640

768

896

1024

0 64 128 192 256 320 384 448 512

Polozaj na detektorju [piksli]

A/D

[k

va

nti

]

Slika 4.1: Meritve v izhodiščnem stanju senzorja


Meritve smo nadaljevali tako, da smo senzor rahlo obremenili. Na upogljivo kovino (Slika

4.2) smo položili majhno utež.

UPOGLJIVA KOVINA

UTEŽ POSTAVIMO NA ZGORNJO

STRAN UPOGLJIVE KOVINE

Slika 4.2: Območje, kjer obremenimo senzor

Posledica tega je raztezek senzorja. Rezultat tega je drugačna oblika spektra, kar je vidno

na grafu na sliki 4.3.

0

128

256

384

512

640

768

896

1024

0 64 128 192 256 320 384 448 512


A/D

[k

va

nti

]

Slika 4.3: Meritve pri manjši obremenitvi

Na grafu so lepo videne različne oblike maksimumov. Posledično se maksimumi tudi selijo

levo in desno, vendar je to iz naših meritev težko pokazati. Tretjo meritev smo naredili

tako, da smo senzor obremenili še z več utežmi. Oblika spektra se ponovno spremeni

(Slika 4.4)


0

128

256

384

512

640

768

896

1024

0 64 128 192 256 320 384 448 512


A/D

[k

va

nti

]

Slika 4.4: Meritve pri večji obremenitvi

4.2 Umerjanje

Za umerjanje smo si pomagali z optičnim spektralnim analizatorjem ANDO AQ6317B.

Način, kako smo ga vključili v sistem, je prikazan na sliki 4.5.

VIR SLD SENZOR

SISTEM – nizkocenovni

optični spektralni

analizator

Komercialni optični

spektralni analizator

ANDO

Optični delilnik

Optični delilnik

Slika 4.5: Shema priključitve komercialnega optičnega spektralnega analizatorja


S spektralnim analizatorjem ANDO smo iskali valovne dolžine, ki nastopijo pri različnih

maksimumih, z nizkocenovnim optičnim spektralnim analizatorjem pa smo opazovali pri

katerih pikslih nastopijo ti maksimumi. Podatke, pridobljene iz obeh analizatorjev, smo

vnesli v graf in med njimi poizkusili ugotoviti povezavo (Slika 4.6).

y = 6E-05x2 + 0,3212x + 753,7

835

840

845

850

855

860

865

870

875

225 245 265 285 305 325 345


Va

lov

na

do

lžin

a [

nm

]

Slika 4.6: Povezava med piksli in valovno dolžino

Ugotovili smo, da povezava med piksli in valovno dolžino ni linearna. Zaradi tega smo

morali narediti interpolacijo dobljene krivulje (rdeča krivulja na sliki 4.7). S tem smo

dobili novo krivuljo (črna krivulja na sliki 4.7). Na sliki lahko opazimo, da se

interpolacijska krivulja dokaj natančno prilagaja prvotni krivulji. Potrebovali smo tudi

enačbo te krivulje, saj smo to enačbo kasneje vnesli v algoritem na osebnem računalniku in

si z njo pomagali pri izračunu razdalje senzorja. Razdaljo senzorja smo izračunali po

enačbi 4.1 [9]. Tako smo umerili naš spektralni analizator, s pomočjo optičnega

spektralnega analizatorja ANDO.


12

12

12 ,2

K

L (4.1)

Kjer je:

λ – valovna dolžina spektralnih komponent

L – dolžina senzorja

K – število med sosednjimi vrhovi (če imamo dva sosednja vrhova

K = 1, če imamo vrhova med katerima je še eden vrh K = 2, če sta

vmes dva K = 3, itd)

4.3 Točnost nizkocenovnega optičnega spektralnega analizatorja

Sistem je narejen na zelo preprost način z zelo preprostimi komponentami. Na točnost

sistema vplivajo različni faktorji, kot so velika občutljivost detektorja, zajemanje in

obdelava podatkov na mikrokrmilniku, prenos podatkov na osebni računalnik, algoritem za

izračun maksimumov in tudi umerjanje.

Z izdelkom smo lahko zadovoljni, saj kljub nekaterim odstopanjem, lahko ugotovimo da

spektralni analizator prikazuje spekter dokaj podobno kot spektralni analizator ANDO ,

čeprav vseh spektralnih komponent ni vidnih.

Do popačenj na slikah, ki so prikaz delovanja sistema, prihaja zaradi hitrosti branja

podatkov z detektorjem in povprečenja teh podatkov. Podatke prebiramo mnogo počasneje,

kot to počnejo komercialne naprave. Prav tako povprečimo podatke le 5-krat. Število

povprečenj podatkov, ki jih dobimo iz sistema, določa čas meritve.

Največja odstopanja nastopijo pri izračunih razdalje senzorja, saj je zaradi popačenih

meritev zelo težko natančno določiti vrhove, ki so bistven pomen pri izračunu razdalje

senzorja. Vrhove bi lahko bolje določili, če bi izbrali širše spektralno območje, s čim bi

zagotovili boljše meritve.

Nekatera odstopanja se lahko pojavijo tudi pri prikazu spektra. Pri spreminjanju optične

poti Fabry-Perot interferometra se lahko pri prikazu spektra izgubi kakšen vrh, kar pa pri

analiziranju ni problem, saj nižji vrhovi niso vključeni v izračun optične poti Fabry-Perot

interferometra.


Polozaj na senzorju [p iksli]

A/D

[kva

nti]

22-27 p ikslov

Slika 4.7: Spekter sistema

Na sliki 4.7 lahko opazimo, da se oddaljenost med vrhovi giblje med 22 in 27 piksli, kar

pomeni na komercialni napravi (Slika 4.8) približno 10 nm.

Valovna dolž ina [nm ]

Opt

ična

moč

pri

opaz

ovan

i

valo

vni d

olži

ni [n

W] 10 nm

Slika 4.8: Spekter na spektralnem analizatorju ANDO

Kot smo že omenili v prejšnjem poglavju, smo ugotovili povezavo med piksli in valovno

dolžino. Spektralno območje sistema pokriva približno 130 pikslov, kar pomeni približno

50 nm. To je tudi tipična spektralna širina našega vira.


5 SKLEP

Cilj diplomske naloge je bil izdelati preprost optični spektralni analizator. V ta namen so

bili uporabljeni enostavni elementi. Sestavni deli so preproste komponente, kot so

enostavna uklonska mrežica, leče in drugi elementi. Optične signale, zajete z detektorjem,

smo pretvorili v električne in jih poslali na mikrokrmilnik. Uporabili smo zmogljiv

mikrokrmilnik dsPIC33FJ256MC710. Odločili smo se, da podatke z njim samo le

zajemamo, jih pretvorimo v pravilno obliko, naredimo njihov povpreček in jih pošljemo na

osebni računalnik. Podatke, ki jih je prejel osebni računalnik, dodatno obdelamo in jih

prikažemo na grafičnem vmesniku.

Z nizkocenovnim optičnim spektralnim analizatorjem smo na začetku imeli veliko težav.

Večjo težavo nam je predstavljala postavitev leč v sistemu. Potrebno je bilo najti pravilno

lego predvsem zbiralne in razpršilne leče ter oddaljenost detektorja od razpršilne leče. Ko

nam je to uspelo, smo lahko z gotovostjo rekli, da je preprost optični spektralni analizator

možno naredit s enostavnimi elementi.

Na zanesljivost meritev optičnega spektralnega analizatorja vpliva veliko dejavnikov.

Največji problem pri detekciji optičnih signalov je povzročil detektor, saj smo ugotovili, da

je visoko občutljiv. Poleg jakosti svetlobe koristnega signala, vpada na detektor tudi jakost

svetlobe nekoristnega signala. Ta svetloba vpada iz okolice in vpliva na naše meritve. Da

bi se izognili nekoristnemu signalu, smo sistem obdali z lesenim ohišjem. Z ohišjem smo

zagotovili temen prostor. S tem smo preprečili vpliv zunanje svetlobe na detektor. Velik

vpliv ima tudi postavitev vseh komponent sistema.

Posebno pozornost smo morali posvetiti tudi optičnim vlaknom. V sistemu smo morali

vlakna večkrat variti. Da nismo izgubljali optične moči, smo morali narediti dobre zvare,

pri tem pa smo morali paziti na sama vlakna, saj so brez zaščite zelo krhka. Prav tako je za

sistem bila zelo pomembna izdelava senzorja.


Kljub obilici težav, ki nam jih je predvsem predstavljala postavitev leč, lahko na koncu

rečemo, da smo z izdelanim produktom lahko zadovoljni, saj smo dokazali, da je izdelava

takega sistema možna.


6 VIRI IN LITERATURA

[1] Erwin G. Loewen, Evgeny Popov, Diffraction Gratings And Applications, Marcel

Dekker, Inc., New York, 1997

[2] Denis Đonlagić, Miha Završnik, Dali Đonlagić, FOTONIKA, Uvodna poglavja,

Fakulteta za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Maribor, 1997

[3] Boštjan Batagelj, Optični spektralni analizatorji, Tečaj optične komunikacije,

Ljubljana, 2. do 4. februarja, 1998, Ljubljana, Fakulteta za elektrotehniko, 1998, str.

1-12, ilustr. [COBISS.SI-ID 1334612]

[4] Valdas Sablinskas, Instrumentation, v: G. Gauglitz, T. Vo.Dinh, Handbook of

spectroscopy, Wiley-VCH Verlang GmbH & CO.KGaA, Weinheim, 2009, str. 48-

69

[5] Edvard Cibula, Optični spektrometri, Seminarska naloga, Fakulteta za

elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Zlatoličje, 2003

[6] SUPERLUM, Superlum Diodes, LTd.: SLD-37-MP: very-wide-spectrum SLD

modules for 800-870 nm spectral band, Data Sheet

[7] Dannie Jones, Navy electricity and electronics training series, Module 24 –

Introductions to fiber optics, Naval education and training professional

development and technology center, USA, 1998

[8] Tony Owen, Fundamentals of modern UV-visible spectroscopy, Agilent

Tehnologies, Germany, 2000

[9] Edvard Cibula , Uporaba površinske mikroobdelave optičnega vlakna v senzorski

tehniki in fotoniki, Doktorska desertacija, Fakulteta za elektrotehniko,

računalništvo in informatiko, Maribor, 2005


[10] Michael Bass, Eric W. Van Stryland, David R. Williams, William L. Wolfe (ur.),

Handbook of optics, Devices, Measurements & Properties, Vol. 2, McGraw-Hill

Inc, USA, 1995

[11] TEXAS ADVANCED OPTOELECTRONIC SOLUTIONS, TSL208R, 512x1

Linear sensor array, Data Sheet

[12] MICROCHIP, dsPIC33FJxxxMCx06/x08/x10, Data Sheet, High Performance, 16-

Bit Digital Signal Controllers

[13] Jan Axelson, Serial Port Complete, Programming and Circuits for RS-232 and RS-

485 Links and Networks, Lakeview Redearch, USA, 1998

[14] MICROCHIP, MPLAB IDE, User's Guide

[15] MICROCHIP, MPLAB C30 C COMPILER, User's Guide

[16] John Sharp, Microsoft Visual C# 2010, Step By Step, Microsoft Press, A Division of

Microsoft Corporation, One Microsoft Way, Washington, 2010


KAZALO SLIK

Slika 2.1: Osnovna shema optičnega spektralnega analizatorja .......................................... 4

Slika 2.2: Lom svetlobe pri prehodu skozi prizmo ................................................................ 4

Slika 2.3: Prizemski optični spektralni analizator................................................................. 5

Slika 2.4: Fabry-Perot optični spektralni analizator ............................................................ 6

Slika 2.5: Planarni optični resonator .................................................................................... 7

Slika 2.6: Konfokalni optični resonator ................................................................................ 7

Slika 2.7: Michelsonov interferometer s premičnim zrcalom ................................................ 9

Slika 2.8: Optični spektralni analizator ANDO AQ6317B .................................................. 12

Slika 2.9: Tvorba ravninskih valovnih front pri prehodu skozi prepustno uklonsko mrežico

............................................................................................................................................. 13

Slika 2.10: Valovne fronte na odbojni uklonski mrežici ...................................................... 14

Slika 2.11: Fazna razlika med žarkoma, ki se odbijeta od sosednjih rež ............................ 14

Slika 2.12: Optični spektralni analizator z odbojno uklonsko mrežico ............................... 19

Slika 2.13: Uklon na odbojni uklonski mrežici .................................................................... 20

Slika 2.14: Temna in svetla področja uklonske mrežice ...................................................... 20

Slika 2.15: Uklonski redi ..................................................................................................... 21

Slika 2.16: Uklonski maksimumi ......................................................................................... 21

Slika 2.17: Optični spektralni analizator s prepustno uklonsko mrežico ............................ 22

Slika 2.18: Konkavna uklonska mrežica z polmerom ukrivljenosti R.................................. 23

Slika 2.19: Optični spektralni analizator s konkavno uklonsko mrežico ............................. 24

Slika 3.1: Blokovna shema sistema ..................................................................................... 25

Slika 3.2: Shema optičnega dela.......................................................................................... 26

Slika 3.3: Spontana emisija ................................................................................................. 27

Slika 3.4: Stimulirana emisija ............................................................................................. 27

Slika 3.5: Superluminescenčna dioda SLD-371-MP-DIL-SM-PD ...................................... 28

Slika 3.6: Krmilnik za SLD .................................................................................................. 28

Slika 3.7: Zgradba optičnega vlakna ................................................................................... 29

Slika 3.8: Osnovni rod v enorodovnem optičnem vlaknu .................................................... 29

Slika 3.9: a) Standardno enorodovno vlakno b) posebno enorodovno vlakno .................... 30

Slika 3.10: Največji sprejemni kot vlakna ........................................................................... 31

Slika 3.11: Optični delilnik sistema ..................................................................................... 31


Slika 3.12: Dve izmed mnogih tehnik izdelave delilnika ..................................................... 32

Slika 3.13: Senzor ................................................................................................................ 32

Slika 3.14: Fabry-Perot interferometer ............................................................................... 33

Slika 3.15: Prepustna uklonska mrežica sistema ................................................................. 34

Slika 3.16: Uklon rdeče svetlobe na uklonski mrežici sistema ............................................ 35

Slika 3.17: Preslikava predmeta h0 v sliko hi z ustreznima nagibnima kotoma u0 in ui ...... 35

Slika 3.18: Vrste leč ............................................................................................................. 36

Slika 3.19: Kolimator .......................................................................................................... 37

Slika 3.20: Zbiralana in razpršilna leča .............................................................................. 38

Slika 3.21: Leče v sistemu ................................................................................................... 38

Slika 3.22: Sistem z lečami, uklonsko mrežico in detektorjem ............................................ 39

Slika 3.23: Blokovna shema elektronskega dela ................................................................. 39

Slika 3.24: Fotodioda .......................................................................................................... 40

Slika 3.25: Diagram fotodiod v vrsti ................................................................................... 41

Slika 3.26: Detektor TSL208R ............................................................................................. 42

Slika 3.27: Enote detektorja ................................................................................................ 43

Slika 3.28: Tipična karakteristika fotodiiode ...................................................................... 44

Slika 3.29: Nožice mikrokrmilnika dsPIC33FJ256MC710 ................................................. 45

Slika 3.30: Ploščica z mikrokrmilnikom .............................................................................. 46

Slika 3.31: a) 25-polni in b) 9-polni konektor RS-232 ........................................................ 50

Slika 3.32: Diagram poteka algoritma na mikrokrmilniku ................................................. 52

Slika 3.33: Diagram poteka algoritma na osebnem računalniku ........................................ 54

Slika 3.34: Grafični vmesnik algoritma na osebnem računalniku ...................................... 55

Slika 4.1: Meritve v izhodiščnem stanju senzorja................................................................ 56

Slika 4.2: Območje, kjer obremenimo senzor ...................................................................... 57

Slika 4.3: Meritve pri manjši obremenitvi ........................................................................... 57

Slika 4.4: Meritve pri večji obremenitvi .............................................................................. 58

Slika 4.5: Shema priključitve komercialnega optičnega spektralnega analizatorja ........... 58

Slika 4.6: Povezava med piksli in valovno dolžino .............................................................. 59

Slika 4.7: Spekter sistema .................................................................................................... 61

Slika 4.8: Spekter na spektralnem analizatorju ANDO ....................................................... 61


PRILOGA A ALGORITEM NA MIKROKRMILNIKU

main.c

#include<p33FJ256MC710.h> #include<libpic30.h> #include<stdio.h> #define CLK LATBbits.LATB0 #define SI LATBbits.LATB1 #define SO PORTBbits.RB2 int i = 0; int k = 0; int z = 0; int m = 0; char sprejem = 0; unsigned int ADstevilo = 0; unsigned int ADsteviloPOV = 0; int PoljeMeritev[512]; // int če 10-bit A/D, unsigned int če 12-bit A/D //////////////////////////////// MAIN PROGRAM //////////////////////////////// int main(void) { //inicializacija portov TRISBbits.TRISB0 = 0; //izhodni port za CLK TRISBbits.TRISB1 = 0; //izhodni port za SI TRISBbits.TRISB2 = 1; //vhodni port za SO AD1PCFGL = 0xFFFF; AD1PCFGH = 0xFFFE; //AN16 analogni //inicializacija AD pretvornika AD1CON1bits.ADON = 0; AD1CON1bits.AD12B = 0; //0 za 10-bit, 1 za 12-bit AD1CON1bits.FORM = 0; //Rezultat je integer AD1CON1bits.SSRC = 7; AD1CON1bits.SIMSAM = 0; AD1CON1bits.ASAM = 0; AD1CON1bits.SAMP = 0; AD1CON2bits.VCFG = 0; AD1CON2bits.CSCNA = 1; AD1CON2bits.CHPS = 0; AD1CON2bits.BUFS = 0; AD1CON2bits.BUFM = 0; AD1CON2bits.ALTS = 0; AD1CON3bits.ADRC = 0; AD1CON3bits.ADCS = 2; AD1CSSH = 0; AD1CSSL = 0; AD1CSSHbits.CSS16 = 1; AD1PCFGHbits.PCFG16 = 0; //AN16 analogni IFS0bits.AD1IF = 0;


IEC0bits.AD1IE = 0; AD1CON1bits.ADON = 1; //OSCILATOR __ Fosc = (Fin*M)/(N1*N2) ... Fosc = 80MHz CLKDIV = 0; // N1 = 2, N2 = 2 PLLFBD = 38; // M = 40 OSCCONbits.COSC = 0; OSCCONbits.NOSC = 3; OSCCONbits.CLKLOCK = 0; while (OSCCONbits.LOCK!=1); //komunikavcija UART U2MODEbits.UARTEN = 0; U2MODE = 0; U2STA = 0; U2MODEbits.BRGH = 0; //16 clocks per bit period U2BRG = 129; // (Fcy/(16*BaundRate))-1 ... Baundrate = 19200 __C30_UART=2; U2STAbits.UTXEN = 1; U2STAbits.URXISEL = 0; U2MODEbits.UARTEN = 1; for (i = 0; i < 1000; i++) {}; while(1) { i = 0; k = 0; z = 0; ADstevilo = 0; ADsteviloPOV = 0; while (k < 5) { SI = 1; while (i < 512) { CLK = 1; Delay(1); AD1CON1bits.SAMP = 1; while (AD1CON1bits.DONE == 0); ADstevilo = ADC1BUF0; PoljeMeritev[i] = PoljeMeritev[i] + ADstevilo; SI = 0; CLK = 0; i++; } i = 0; k++; } if (U2STAbits.OERR == 1) { U2STAbits.OERR = 0; } if (U2STAbits.URXDA == 1) {


sprejem = U2RXREG; } else if (sprejem == 's') { for (z = 0; z < 512; z++) { ADsteviloPOV = ((PoljeMeritev[z]/5)); printf("%04d\n\r", ADsteviloPOV); } sprejem = 0; } for (z = 0; z < 512; z++) { PoljeMeritev[z] = 0; } } }

delay.s

.ifdef __dsPIC33F

.include "p33fxxxx.inc"

.endif .ifdef __PIC24H .include "p24hxxxx.inc" .endif .set Fcy, 40000000 .set US_K, Fcy/1000000 .set MS_K, Fcy/10000 .global _Delay .global _Delay_Us ;=============================================== ; ms Delay Function ;=============================================== _Delay: ms_oloop: mov #MS_K,w1 ms_iloop: nop nop nop nop nop nop nop dec w1, w1 bra nz, ms_iloop


dec w0,w0 bra nz,ms_oloop return ;=============================================== ; us Delay Function ;=============================================== _Delay_Us: us_oloop: .rept (US_K-3) nop .endr dec w0,w0 bra nz,us_oloop return


PRILOGA B ALGORITEM NA OSEBNEM RAČUNALNIKU

mSerial.cs

using System; using System.Collections.Generic; using System.IO.Ports; using System.Linq; using System.Text; namespace Grafi.SerialPort { internal class mSerial : IDisposable { public System.IO.Ports.SerialPort Serial; private CircularBuffer crcBuffer; private Form1 _form1backPointer; public mSerial(Form1 frm1In, string portIn, int boudRate) { _form1backPointer = frm1In; crcBuffer = new CircularBuffer(); Serial = new System.IO.Ports.SerialPort(portIn, boudRate); Serial.DataReceived += new SerialDataReceivedEventHandler(Serial_DataReceived); Serial.ReceivedBytesThreshold = 1; Serial.Open(); Serial.DiscardInBuffer(); _retList = new List<int>(); } private List<int> _retList; int bytesRead = 0; void Serial_DataReceived(object sender, SerialDataReceivedEventArgs e) { int tmpBytesRead = Serial.BytesToRead; bytesRead += Serial.BytesToRead; byte[] DataToRead = new byte[tmpBytesRead]; Serial.Read(DataToRead, 0, tmpBytesRead); crcBuffer.CopyDataToBuffer(DataToRead); if (bytesRead >= 3072) { var data = crcBuffer.MaticParser(); if(_form1backPointer != null && _form1backPointer._osUpdateIntList != null) _form1backPointer.Invoke(_form1backPointer._osUpdateIntList, data); bytesRead = 0; } } public void WriteToPort(string dataIn) { bytesRead = 0; Serial.Write(dataIn); } private class CircularBuffer


{ static private int _crcBufferSize = 512 * 6; internal byte[] crcBuffer = new byte[_crcBufferSize]; private int cb_putPointer = 0; private int cb_getPoitner = 0; internal void putByte(byte byteIn) { crcBuffer[cb_putPointer] = byteIn; cb_putPointer = (cb_putPointer + 1) % _crcBufferSize; } public int numberOfBytesInBuffer() { return ((cb_putPointer - cb_getPoitner) + _crcBufferSize) % _crcBufferSize; } public void CopyDataToBuffer(byte[] dataIn) { for (int i = 0; i < dataIn.Length; i++) putByte(dataIn[i]); } public List<int> MaticParser() { List<int> dataList = new List<int>(); var tempString = Encoding.ASCII.GetString(crcBuffer, 0, crcBuffer.Length); var strArray = tempString.Split(new char[]{'\n','\r'},StringSplitOptions.RemoveEmptyEntries); foreach (var str in strArray) { int val = 0; if (Int32.TryParse(str, out val)) dataList.Add(val); } return dataList; } } public void Dispose() { _form1backPointer._osUpdateIntList = null; _form1backPointer = null; Serial.DiscardInBuffer(); Serial.DiscardOutBuffer(); Serial.Close(); Serial.Dispose(); } } }


Form1.cs

using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Linq; using System.Text; using System.Windows.Forms; using Grafi.SerialPort; using ZedGraph; namespace Grafi { public partial class Form1 : Form { private mSerial serPort; internal delegate void updateDataIntList(List<int> dataIn); internal updateDataIntList _osUpdateIntList; class ComboBoxItem { public string Name; public int Value; public ComboBoxItem(string Name, int Value) { this.Name = Name; this.Value = Value; } public override string ToString() { return this.Name; } } public Form1() { InitializeComponent(); } private ZedGraphControl zdGraphC; private BackgroundWorker bckGndWorker; private void Form1_Load(object sender, EventArgs e) { string[] theSerialPortNames = System.IO.Ports.SerialPort.GetPortNames(); comboBoxComPort.DataSource = theSerialPortNames; bckGndWorker = new BackgroundWorker(); bckGndWorker.DoWork += new DoWorkEventHandler(bckGndWorker_DoWork); zdGraphC = new ZedGraphControl(); zdGraphC.Size = panel1.Size; zdGraphC.Anchor = (AnchorStyles.Bottom | AnchorStyles.Left | AnchorStyles.Right | AnchorStyles.Top); panel1.Controls.Add(zdGraphC); SetupZedGraph(zdGraphC); comboBox1.Items.Add(new ComboBoxItem("Metoda 1", 0)); comboBox1.Items.Add(new ComboBoxItem("Metoda 2", 1)); comboBox1.SelectedIndex = 1;


_osUpdateIntList = new updateDataIntList(GetIntList); } private void GetIntList(List<int> dataIn) { double dolzinaFP = 0; double lambda1 = 0; double lambda2 = 0; int indexMax = -1; Point pointMax, pointTmp, pointMaxNext, pointMaxPrevious; pointMax = new Point(); pointMaxNext = new Point(); pointMaxPrevious = new Point(); pointMax.Y = int.MinValue; PointHolder holder = new PointHolder(); for (int i = 0; i < dataIn.Count; i++) holder.PutPoint(i+1, dataIn[i]); var indexes = DisplayCalculations(holder); List<Point> vrhovi = new List<Point>(); foreach (var index in indexes) { pointTmp = holder.pointList.Where(x => x.X == index).Single(); vrhovi.Add(pointTmp); if (pointTmp.Y >= pointMax.Y) { pointMax = pointTmp; indexMax = vrhovi.Count - 1; } } if (indexMax < vrhovi.Count - 1) { pointMaxNext = vrhovi[indexMax + 1]; lambda1 = (0.00006 * (pointMax.X * pointMax.X)) + (pointMax.X * 0.3212) + 753.7; lambda2 = (0.00006 * (pointMaxNext.X * pointMaxNext.X)) + (pointMaxNext.X * 0.3212) + 753.7; dolzinaFP = ((lambda1 * lambda2) / (lambda2 - lambda1)) / 2000; textBox1.Text = Math.Round(dolzinaFP, 2).ToString(); } else { if ((indexMax - 1) < 0) MessageBox.Show("Ne morem izračunat. Poskusi z novim nizom podatkov"); else pointMaxPrevious = vrhovi[indexMax - 1]; lambda1 = (0.00006 * (pointMax.X * pointMax.X)) + (pointMax.X * 0.3212) + 753.7; lambda2 = (0.00006 * (pointMaxPrevious.X * pointMaxPrevious.X)) + (pointMaxPrevious.X * 0.3212) + 753.7; dolzinaFP = ((lambda1 * lambda2) / (lambda1 - lambda2)) / 2000; textBox1.Text = Math.Round(dolzinaFP, 2).ToString(); } } private List<int> DisplayCalculations(PointHolder holder) { int metoda = ((ComboBoxItem)comboBox1.SelectedItem).Value; string indexText = "Indeksi: ";


List<int> indexes = null; switch (metoda) { case 0: indexes = FindIdexes(holder, false); AddPoints(holder, indexes); foreach (var index in indexes) { indexText += index.ToString() + ", "; } label1.Text = indexText; break; case 1: indexes = FindIdexes(holder, true); AddPoints(holder, indexes); foreach (var index in indexes) { indexText += index.ToString() + ", "; } label1.Text = indexText; break; case 2: break; } return indexes; } private void DisplayCalculations(int HolderId) { int metoda = ((ComboBoxItem) comboBox1.SelectedItem).Value; string indexText = "Indexes: "; switch (metoda) { case 0: var indexes = FindIdexes(pntHolders[HolderId], false); AddPoints(pntHolders[HolderId], indexes); foreach (var index in indexes) { indexText += index.ToString() + ", "; } label1.Text = indexText; break; case 1: var indexesS = FindIdexes(pntHolders[HolderId], true); AddPoints(pntHolders[HolderId], indexesS); foreach (var index in indexesS) { indexText += index.ToString() + ", "; } label1.Text = indexText; break; case 2: break; } } List<PointHolder> pntHolders = new List<PointHolder>(); private void CreatePointLists(List<string[]> listIn) { pntHolders.Clear(); int numberOfHolders = listIn[0].Length - 1; for (int holCnt = 0; holCnt < numberOfHolders; holCnt++ )


{ PointHolder pntHolder = new PointHolder(); pntHolders.Add(pntHolder); } for(int i = 0; i < listIn.Count; i++) { var StrLine = listIn[i]; for(int j=0; j < pntHolders.Count; j++) { var dataOut = pntHolders[j]; dataOut.PutPoint(Convert.ToInt32(StrLine[0]), Convert.ToInt32(StrLine[j+1])); } } } private int MaskSize = 3; private int StartingIndex = 200; private int EndIndex = 380; private double raiseProcent = 1.015; #region Metoda 1 List<int> FindIdexes(PointHolder pntHolderIn, bool Optimize) { int CurrentIndex = StartingIndex; List<int> xVals = new List<int>(); List<Point> raisePoints = new List<Point>(); List<Point> fallPoints = new List<Point>(); int smer = 1; for (int pointCnt = StartingIndex; pointCnt < EndIndex; pointCnt++) { Point curPoint = pntHolderIn.pointList[pointCnt]; int maskAverage = 0; for (int i = pointCnt - MaskSize; i < pointCnt; i++) { maskAverage += pntHolderIn.pointList[i].Y; } maskAverage = (maskAverage / MaskSize); int raiseIndex = pointCnt; if(curPoint.Y > (maskAverage * raiseProcent)) { raisePoints.Add(curPoint); if(raisePoints.Count > 2 && smer == -1) { Point tmpPoint1 = raisePoints[raisePoints.Count - 1]; Point tmpPoint2 = raisePoints[raisePoints.Count - 2]; xVals.Add(CalculateX(raisePoints, fallPoints, Optimize)); raisePoints.Clear(); fallPoints.Clear(); raisePoints.Add(tmpPoint1); raisePoints.Add(tmpPoint2); raisePoints.Add(curPoint); smer = 1; } } else if(curPoint.Y < (maskAverage - (maskAverage * (raiseProcent-1))))


{ fallPoints.Add(curPoint); if(fallPoints.Count > 2) smer = -1; raiseIndex = 0; } } return xVals; } private int CalculateX(List<Point> raisePointsIn, List<Point> fallPointIn, bool optimize) { int AverageOnX = 0, AverageOnY = 0; if (optimize) { while (raisePointsIn.Count > fallPointIn.Count) raisePointsIn.RemoveAt(0); while (fallPointIn.Count > raisePointsIn.Count) fallPointIn.RemoveAt(fallPointIn.Count-1); } foreach (var point in raisePointsIn) { AverageOnX += point.X; } AverageOnX = (AverageOnX / raisePointsIn.Count); foreach (var point in fallPointIn) { AverageOnY += point.X; } AverageOnY = (AverageOnY / fallPointIn.Count); return (int)(((AverageOnX + AverageOnY) / 2) - 0.5); } #endregion private int yScaleMin = 0; private int yScaleMax = 1000; private int _xNumberOfSamples = 512; public PointPairList zgPointList = new PointPairList(); public void SetupZedGraph(ZedGraph.ZedGraphControl zedGraph) { // Get a reference to the GraphPane instance in the ZedGraphControl GraphPane myPane = zedGraph.GraphPane; // Set the titles and axis labels myPane.Title.Text = "Meritve"; myPane.XAxis.Title.Text = "Piksli"; myPane.YAxis.Title.Text = ""; // Generate a blue curve with circle symbols, and "Beta" in the legend //LineItem myCurve = myPane.AddCurve("Napetost", zgPointList, Color.Blue, SymbolType.None); myPane.CurveList.Clear();


LineItem myCurveX = myPane.AddCurve("Graf", zgPointList, Color.Blue, SymbolType.None); myCurveX.Line.Width = 2; // Fill the symbols with white myCurveX.Symbol.Fill = new Fill(Color.White); // Show the x axis grid myPane.XAxis.MajorGrid.IsVisible = true; // Make the Y axis scale red myPane.YAxis.Scale.FontSpec.FontColor = Color.Blue; myPane.YAxis.Title.FontSpec.FontColor = Color.Blue; // turn off the opposite tics so the Y tics don't show up on the Y2 axis myPane.YAxis.MajorTic.IsOpposite = false; myPane.YAxis.MinorTic.IsOpposite = false; // Don't display the Y zero line myPane.YAxis.MajorGrid.IsZeroLine = false; // Align the Y axis labels so they are flush to the axis myPane.YAxis.Scale.Align = AlignP.Inside; // Manually set the axis range myPane.YAxis.Scale.Min = yScaleMin; myPane.YAxis.Scale.Max = yScaleMax; myPane.XAxis.Scale.MaxAuto = false; myPane.XAxis.Scale.Max = _xNumberOfSamples; // Align the Y2 axis labels so they are flush to the axis myPane.Y2Axis.Scale.Align = AlignP.Inside; // Fill the axis background with a gradient myPane.Chart.Fill = new Fill(Color.White, Color.LightGray, 45.0f); // Enable scrollbars if needed zedGraph.IsShowHScrollBar = true; zedGraph.IsShowVScrollBar = true; zedGraph.IsAutoScrollRange = true; // OPTIONAL: Show tooltips when the mouse hovers over a point zedGraph.IsShowPointValues = true; ClearPoints(zedGraph); zedGraph.AxisChange(); // Make sure the Graph gets redrawn zedGraph.Invalidate(); } private void ClearPoints(ZedGraph.ZedGraphControl zedGraph) { zgPointList.Clear(); } private void AddPoints(PointHolder pntHolderIn, List<int> intersectsIn) { zgPointList.Clear(); zdGraphC.GraphPane.GraphObjList.Clear(); foreach (var point in pntHolderIn.pointList) { zgPointList.Add(point.X,point.Y); } zgPointList.RemoveAt(0); foreach(var lineInt in intersectsIn)


{ LineObj lnObject = new LineObj(Color.Red, lineInt, 0, lineInt, 1000); lnObject.Line.Width = 2; zdGraphC.GraphPane.GraphObjList.Add(lnObject); } zdGraphC.Invalidate(); } private void comboBox1_SelectedIndexChanged(object sender, EventArgs e) { //DisplayCalculations(Convert.ToInt32(((ComboBoxItem)comboBox2.SelectedItem).Value)); } private void button4_Click(object sender, EventArgs e) { if(serPort != null && serPort.Serial.IsOpen) serPort.WriteToPort("s"); } private void button3_Click(object sender, EventArgs e) { string comPort = comboBoxComPort.SelectedValue.ToString(); if (serPort == null) serPort = new mSerial(this, comPort, 19200); _osUpdateIntList = new updateDataIntList(GetIntList); if (serPort.Serial.IsOpen) { label2.Font = new Font("Arial", 12); label2.ForeColor = Color.Green; label2.Text = "PORT OPENED"; } else { label2.Font = new Font("Arial", 12); label2.ForeColor = Color.Red; label2.Text = "PORT CLOSED"; } } private void button2_Click(object sender, EventArgs e) { bckGndWorker.RunWorkerAsync(); label2.Font = new Font("Arial", 12); label2.ForeColor = Color.Red; label2.Text = "PORT CLOSED"; } void bckGndWorker_DoWork(object sender, DoWorkEventArgs e) { serPort.Dispose(); serPort = null; } } class PointHolder {


internal List<Point> pointList = new List<Point>(); public void PutPoint(int X, int Y) { Point Pnt = new Point(X,Y); pointList.Add(Pnt); } } }




Documents

ANALIZATOR - CORE · Zaradi omejitev prizemski optični spektralni analizator v optičnih komunikacijah ni dosegel velikega uspeha. Kasneje so ga nadomestili optični spektralni analizatorji