Využití systému OMS 3.1. ve výuce


Galanda, Petr

Ing., ÚAMT FEI VUT v Brně, Božetěchova 2, BRNO 612 66,  galandap@dame.fee.vutbr.cz

1. Abstract

The paper deals with the exploitation of the OMS 3.1. system in a less traditional form. Two laboratory practice are described:

which they are measured at the Department of Control, Measurement and Instrumentation of the Faculty of Electrical Engineering and Computer Science at the Technical University of Brno. Chapter n. 3 describes OMS 3.1. system. Chapters n. 4 and 5 describe the problems of each practice, outline eventual resolution and adduce the practical effects which they were accomplish by the students.

2. Úvod

V rámci hledání další nové náplně pro laboratorní cvičení z předmětu Optoelektronika v automatizaci a měření na Ústavu automatizace a měřicí techniky FEI VUT v Brně se přišlo s požadavkem vytvořit nové laboratorní úlohy, které by využily stávající Optický měřící systém OMS 3.1., ale pro méně tradiční aplikace, než pro které byl původně tento systém vyvinut (pozn. OMS 3.1. - měřící systém pro automatizované měření přenosových parametrů optických vláken). Bylo také požadováno, aby byly úlohy jednoduché, názorné, pokud možno praktické a časově méně náročné, aby se v rámci jednoho cvičení mohli na úloze prostřídat alespoň tři skupiny. Byly vytvořeny následující dvě úlohy:

První úloha měla demonstrovat posun spektra podžhavené a přežhavené žárovičky. Jinými slovy, studenti si ověřovali platnost Stefanova - Boltzmannova (1879), Wienova (1893) a Planckova (1900) vyzařovacího zákona.

Ve druhé úloze si studenti mohli proměřit různé druhy vlastních brýlí a brýlových skel s tím, že byl kladen důraz na viditelnou a UV oblast spektra. Byla sledována, i když v omezené míře, schopnost těchto brýlí odfiltrovat UV složku spektra.

V příspěvku bude popsán systém OMS 3.1., jeho nejdůležitější části a parametry. Dále budou popsány výše zmiňované úlohy nejen z hlediska realizace, ale i z hlediska dosažených výsledků.

3. Optický měřicí systém OMS 3.1.

OMS 3.1. je optický měřicí systém firmy MIKROKOM s.r.o. umožňující automatizovaná spektrální, časová a uživatelsky definovaná měření optického výkonu záření, popř. intenzity optického záření. Všechny části měřicího systému mají stavebnicový charakter, který umožňuje přizpůsobení konkrétní aplikaci každého uživatele.

Systém OMS 3.1. je tvořen z těchto celků (viz obr. 1):

  1. Řízený monochromátor jako přeladitelný zdroj modulovaného optického záření nebo jiné uživatelské zařízení ovládané dvěma krokovými motory.
  2. Optický detektor s předzesilovačem.
  3. PC karta - Obvody synchronního detektoru.
  4. PC karta - Obvody synchronizace a ovládání motorů.
  5. Programové vybavení.

Obr. 1. Blokové schéma optického měřicího systému OMS 3.1.

Systém pracuje na základě synchronní detekce měřeného signálu, čímž se značně omezují rušivé vlivy okolního prostředí. Ve zdroji optického záření (monochromátoru) je světlo přerušováno modulátorem (ss motorem s rotující clonkou - chopperem). Užitečný signál je dán rozdílem intenzit optického záření dopadajícího na optický detektor při nezacloněném a zacloněném zdroji záření. Modulátor je řízen fázovým závěsem z karty synchronizace. Tato karta umožňuje zároveň nezávislé řízení dvou krokových motorů (M1 a M2), ovládajících monochromátor nebo jiné uživatelské zařízení. Karta synchronizace je dále spojena s kartou synchronního detektoru, která zpracovává signál přivedený z optického detektoru a předzesilovače. Obě karty jsou standardního PC formátu a mohou být umístěny v PC libovolného typu. Motory monochromátoru (nebo jiného uživatelského zařízení) a hlava optického detektoru jsou k PC připojeny pomocí plochých kabelů.

Použitá konfigurace systému OMS 3.1.

Na našem pracovišti byl systém OMS 3.1. v následující konfiguraci. V řízeném monochromátoru byl použit spojitý disperzní prvek G60 (hranol firmy KARL-ZEISS Jena) těchto parametrů:

,

,

který je ovládán krokovým motorem M1. Krokový motor M2 ovládající řízení skokového filtru (karuselu se skleněnými filtry) nebyl v těchto úlohách využit. Jako zdroj optického záření je standardně zvolena halogenová žárovka 10 W a jako detektory optického záření byly použity Si nebo Ge velkoplošné fotodetektory (cca 10 mm2). Maximální dosažitelná citlivost při tomto uspořádání je až -115 dBm, tj. 0,004 pW.

4. Měření spektrální závislosti intenzity záření žárovky

Cílem této úlohy bylo zjistit změnu spektra záření předložených dvou typů žárovek oproti spektru při nominálním napájení žárovky, bude-li se žárovka přežhavovat nebo podžhavovat. Studenti by si v této úloze měli ověřit platnost Planckova vyzařovacího zákona, který graficky vyjádřen pro pracovní teploty používaných žárovek (teplota vlákna se pohybuje u normálních žárovek kolem T = 2800 K) vypadá podle obr. 2

Při realizaci této úlohy bylo třeba vyřešit několik drobných problémů. V prvé řadě systém OMS 3.1. byl kalibrován s 10 W halogenovou žárovkou. Ze zadání již vyplývá nutnost opakovaně přežhavovat zdroj optického záření. Tím se ale výrazně omezí životnost takového zdroje, což nebylo v našich podmínkách žádoucí. Proto byly zvoleny tyto levnější a dostupnější obyčejné wolframové žárovky: - 6,3 V 0,3 A a 3,8 V 0,3 A. Ty také odpovídají tvarově původní halogenové žárovce, i když patice mají rozdílné. Při požadavku zachování optických vlastností zdroje záření (monochromátoru) musela být vlákna nových žárovek umístěna pokud možno na stejné místo jako vlákno halogenové žárovky, navíc bylo potřeba regulovat napájení nových žárovek (kvůli podžhavení a přežhavení). Bylo zvoleno externí napájení ze stabilizovaného zdroje. V důsledku použití jiného zdroje záření nebylo možné jednoduchým způsobem kalibrovat systém, tzn. omezit především vliv spektrální závislosti použitých fotodetektorů. Z tohoto důvodu je měřena relativní změna spektrálních charakteristik a jako referenční úroveň je brána spektrální charakteristika změřená při nominálních hodnotách napájení (tj. 6,3 V nebo 3,8 V).

Uspořádání pracoviště je patrné z obr. 3.

Obr. 3. Blokové schéma měření spektrální závislosti intenzity záření žárovky

Optický výkon vycházející z monochromátoru byl přímo navázán na fotodetektor (Si pro vlnové délky do 1000 nm a Ge pro vlnové délky nad 1000 nm. Příklad změřených závislostí pro žárovku 3,8 V 0,3 A při přežhavení na 6 V a podžhavení na 2,2 V je uveden po zpracování programem Excel 5.0a na obr. 4. a obr. 5.

Obr. 4. Relativní poměr intenzit pro Si detektor

Obr. 5. Relativní poměr intenzit pro Ge detektor

Pro druhou žárovku bychom obdrželi podobné výsledky. Je patrný posun spektra do UV oblasti při rostoucí teplotě vlákna. Tento posun nebyl závislý na typu žárovky (6,3 V nebo 3,8 V). Tyto výsledky odpovídají zcela teoretickým představám, což si měli studenti ověřit. Jednotlivé "poklesy charakteristik" (ostré zlomy) byly způsobeny porušením kalibračních podmínek (výměnou halogenové žárovky za měřené wolframové) při automatickém přepínání rozsahů citlivosti fotodetektoru.

5. Měření spektrální závislosti útlumu brýlí

Cílem této úlohy bylo proměřit různé vzorky brýlových skel s ohledem na schopnost odfiltrovat škodlivé UV záření.

Z celkového množství sluneční energie nedopadá na zemský povrch žádné ultrafialové záření UV-C (10 - 280 nm), jen 0,5 % záření UV-B (280 - 315 nm) a 3,5 % záření UV-A (315 - 400 nm). Ochranné brýle proti Slunci se dělí na filtrační, které mají propustnost větší než 80 %, a na sluneční brýle s propustností menší než 80 %.

Při realizaci této úlohy byla použita v monochromátoru standardní 10 W halogenová žárovka. K omezení nežádoucích zkreslení byl využit minimální měřící řetězec sestávající se z monochromátoru, měřeného vzorku, spojovacího modulu (optické vlákno) a Si detektoru optického záření, jak je patrno z obr. 6. Při tomto měření je nutné dbát na vzájemnou polohu umístění brýlových skel a optické osy, zvláště při měření dioptrických brýlí. Nastavení referenční úrovně proběhlo v měřicím kanále bez měřeného vzorku (brýlí). Tím se eliminoval vliv měřené trasy a umožnilo to měřit přímo relativní poměr vůči referenci.

Obr. 6. Blokové schéma měření spektrální závislosti útlumu brýlí

Obr. 7. prezentuje naměřené výsledky pro některé typy brýlí.

Obr. 7. Spektrální charakteristiky brýlí

Stávající měřicí systém neumožňuje proměřit UV oblast spektra v potřebném rozsahu, ale i z těchto výsledků lze odvodit některé závěry. Oba dva typy dioptrických brýlí mají propustnost světla ve viditelné oblasti spektra větší než 80 %, tudíž tyto brýle jsou vhodné k celodennímu (tedy i nočnímu) nošení. Dále je patrný u obou modelů pokles intenzity prošlého záření směrem do UV oblasti, což indikuje možný výskyt UV filtru. Tyto brýle mají skutečně filtr UV záření. Žluté cyklistické ochranné brýle (v ceně cca 100 Kč) mají na sklech uvedeno "UV 400 nm protection". Ze změřeného průběhu je patrné, že tyto brýle mají jakýsi filtr (i když spíše pro 440 nm), který ale odpovídá modrému světlu. Tyto brýle určitě nemají UV filtr, na druhou stranu propustnost světla ve viditelné oblasti je větší než 90 %, což umožňuje celodenní nošení bez rizika, že by do oka vnikalo více škodlivého UV záření vlivem rozšíření očních zornic. Hodnocení posledních brýlí (sluneční černé plastové) je problematické z důvodů nedostatečného proměření v UV oblasti. Pokud by takové brýle neměly UV filtr je jejich nošení velmi škodlivé z důvodu několikanásobného zvýšení pronikání UV záření do oka vlivem maximálního rozšíření očních zornic.

6. Závěr

Cílem příspěvku je seznámit čtenáře s možnostmi využití systém OMS 3.1. poněkud méně tradičním způsobem, než by se dalo očekávat. Jsou zde popsány dvě laboratorní úlohy, které se měří v rámci výuky optoelektroniky na ÚAMT FEI VUT na systému OMS 3.1. V kapitolách 4 a 5 jsou popsány úskalí jednotlivých metod, jsou naznačena možná řešení a jsou uvedeny praktické výsledky dosažené studenty, kteří tyto úlohy absolvovali.

7. Literatura

ANTON, M. & HOLOUŠOVÁ, M. Sluneční brýle. Čs. oční optika, p. 6-8

JELEN, J. & LEGO, J. Fyzika II. 1. vyd. Praha : Vydavatelství ČVUT, srpen 1993. 169 s.

LIBRA, M. & JIRÁNEK, M. Zdroje modrého záření pro fototerapii poporodní žloutenky. JMO, 6/97, p. 185-187.

ŠAŠEK, L. Optický měřicí systém OMS - 2.0. Praha : Mikrokom s.r.o., 1996. 17 s.

WILFERT, O. Optoelektronika I. 1. vyd. Brno : PC-DIR spol. s r.o. - Nakladatelství, Brno, říjen 1993. 135 s.