Archiv verlassen und diese Seite im Standarddesign anzeigen : Abhängigkeit von Reflexion und Abstand an einer optischen Messeinrichtung?
Hallo Leute,
Ich bin gerade dabei einen Vegetationsindex Messer zu bauen.
Dabei werden Pflanzen mit Leuchtdioden unterschiedlicher Wellenlänge angestrahlt und die Reflexion dabei als Maß für den Vegetationsindex verwendet.
Als LED's habe ich 30° 1W LED's mit 5 verschiedenen Wellenlängen 595, 670, 690, 740, 780nm verwendet, die um einen Licht Frequenz Wandler ( TSL235 ) herum angeordnet sind.
Diesem Lichtsensor ist eine CARCLO Linse mit 23° Öffnungswinkel ( Eigentlich zum fokussieren von High Power LED's gedacht ) angebaut.
Wenn man mit dieser Anordnung eine weisse Fläche anstrahlt, sind die Reflexionen, der einzelnen Wellenlängern, stark von der Entfernung der Fläche zu der Sensoreinheit abhängig ( 30 bis 70cm hab ich ausprobiert ) . Eigentlich hätte ich eine gleichmässige Abnahme der Reflexionen bei allen Wellenlängen erwartet.
Tatsächlich wird jede Wellenlänge mit einer anderen intensität abhängig von der Entfernung reflektiert.
Warum das so ist ist eine große Frage?
Wäre es eventuell besser die Optik weg zu lassen und Stattdessen ein lichtundurchlässiges Rohr als seitliche Abschattung für den Sensor zu verwenden - Wer hat damit Erfahrung?
Hat noch jemand eine andere mögliche Idee?
Ich weiß, das Thema ist reichlich speziell, aber eventuell findet sich doch der Eine oder Andere Spezialist.
Hallo!
Tatsächlich wird jede Wellenlänge mit einer anderen intensität abhängig von der Entfernung reflektiert.
Warum das so ist ist eine große Frage?
Die Intensität wird von einer Farbe der abstrahlender Fläche abhängig (reine Physik). Nur deshalb sehen wir verschiedene Farben beim Anfall vom weissen Licht. ;)
Beispielweise in voller Dunkelheit wird eine grüne mir rotem Licht bestrahlte Fläche schwarz, weil alle Farben ausser grün vollständig absorbiert werden.
Übrigens, ein Vegetationsindex Messer ist mir bisher ganz unbekannt und scheint sehr interessant zu sein. ;)
oberallgeier
15.10.2011, 16:28
... LED's mit 5 verschiedenen Wellenlängen 595, 670, 690, 740, 780nm
... Wenn man mit dieser Anordnung eine weisse Fläche anstrahlt, sind die Reflexionen ...Das mit der abstandsabhängigen Intensitätsabnahme ist mir rätselhaft. Aber ich bin nicht firm auf dem Gebiet Farbenlehre und Optik.
Eins kann ich sagen: es ist nicht sichergestellt, dass eine weiße Wand alle von Dir gewählten Wellenlängen weitgehend reflektiert oder gleichmässig reflektiert! Weiß kann ja durch komplementärfarbene Pigmente entstehen. WENN Du in der Farbreflexion der Wandfarbe ein Loch um - beispielsweise - 570, 690 nm hast, dann ist Dein Weißreflektions-Test für die Tonne. Ähnlich wie bei Graukarten für photographische Tests müsstest Du feststellen, ob das reflektierte Licht ein homogenes Spektrum hat (wenn das Auflicht homogen ist) oder ob markante Löcher dabei sind. Interessant wäre dann auch festzustellen, ob schräg reflektiertes Licht das gleiche Spektrum hat . . . Diese zwei Fragen stellen sich mir, da ich mir nicht vorstellen kann, dass verschiedene (reflektierte) Lichtfarben unterschiedlich weit strahlen. Das hieße ja, dass die Luft in Deiner Testumgebung unterschiedliche Farben unterschiedlich absorbiert . . . das kommt mir wirklich rätselhaft vor.
Ich kann mir aber mit einer gewissen Mühe vorstellen, dass einzelne Farben unterschiedlich stark divergent reflektiert werden - und dann könnte dieses Messergebnis entstehen. Dann könnten Farben die breit gestreut reflektiert werden aus der Nähe noch recht "komplett" da sein und in der Entfernung stärker abnehmen als solche die eng gestreut reflektiert werden.
Im nächsten Leben werde ich mich mehr um optische Erscheinungen kümmern, das scheint ein interessantes Gebiet zu sein . . . .
Genau! :)
Die Hauptsache ist, dass man sicher ist, dass weiss wirklich weiss ist. Die Pflanzen sind es aber angeblich kaum.
Ich denke, dass man zuerst die Luft (Mischung von diversen Gasen) mit Spiegel forschen müsste, um ihre Absorbtion genau zu kennen.
Das mit der unterschiedlichen Streuung bei verschiedenen Wellenlängen scheint mir plausibel.
Ich werd mal versuchen eine andere Weisse Fläche ( bisher hab ich eine Depronplatte benutzt ) zu finden und gucken, ob da der gleiche Effekt auftritt.
Ich hab dem Sensor jetzt ein 10mm Rohr mit 4cm Länge verpasst. Dabei tritt der Effekt nur mehr im Nahbereich bis etwa 30cm auf.
Es könnte also auch mit der Linsengeometrie am Optosensor ( ist ne Fresnellinse ) zusammen hängen.
Ich muss mal gucken, ob ich in meinem Fundus noch ne alte Schwarz Weiss Kamera hab, die auch auf infrarotes Licht reagiert.
Eventuell lässt sich der Fehler damit etwas eingrenzen.
Da ich nur relativ geringe Längen durch die Luft habe, maximal 70cm, würde ich eine unterschiedliche Absorbtion bei den doch recht nah beieinander liegenden Wellenlängen durch die Luft ausschließen.
Bei den Pflanzen ist es so, das es da zwischen 700 und 740nm einen steilen Sprung zwischen Absorbtion und Reflexion gibt.
Die Steilheit und die genaue Lage dieses Überganges ist ein Maß für den Chlorophyll Gehalt und somit der aufgenommenen Stickstoffmenge.
Wer mag, kann ja mal nach dem Begriff REIP ( Red Edge Inflection Point ) googeln.
Besserwessi
16.10.2011, 18:18
Die weisse Fläche wird weniger das Problem sein, sondern die Justierung der Optik. Egal wie die Weisse Farbe aufgebaut ist, wird fast alles Licht weitgehend isotrop in alle Richtungen gestreut. Kleine Unterschiede gibt es bei glänzenden oder hochglänzenden Flächen, da geht ein Teil in die mehr oder weniger gerichtete Reflexion. Das sollte aber alles von der Wellenlänge unterschiedlich sein.
Wie viel Licht auf den Sensor kommt, hängt unter anderem Davon ab, wie sich der Empfindliche Bereich des Empfängers und des Senders überschneiden. Dabei können besonders die verschiedenen LEDs ein Problem werden, da die Fläche nicht ganz gleichmäßig ausgeleuchtet wird, und dann auch noch abhängig vom Abstand.
Für jede Farbe wird man als Funktion des Abstandes in der Regel bei einem Abstand ein mehr oder weniger breites Maximum beim Signal finden. Etwas das sollte der Abstand für die Messung sein. Wenn es nicht passt sollte die Optik (an der LED) nachjustiert werden bis alle Farben etwa beim gewünschten Abstand ihr Maximum haben. Ganz unabhängig vom Abstand bekommt man es aber nicht, nur ein mehr oder weniger breites Maximum. Für eine größere Toleranz beim Abstand sind insgesamt große Abstände von Vorteil.
Für eine größere Toleranz beim Abstand sind insgesamt große Abstände von Vorteil
Im Prinzip stimmt das und kommt auch mit meinen Messungen hin.
Allerdings wird das Teil nicht unter Laborbedingungen zum Einsatz kommen, sondern im Ausseneinsatz.
Und da ist ein grosser Abstand wegen des herrschenden Fremdlichtes problematisch.
Da wäre ein geringerer Abstand besser.
Irgendwo werd ich da einen Kompromiss finden müssen.
Den Abgleich der Helligkeit hab ich mit einstellbaren Stromquellen für die verschiedenfarbigen LED's realisiert.
Da die ja auch nicht alle gleich effizient sind.
EDIT!
Ich hab gerade mal einen Testlauf in der Dämmerung gemacht.
Die Werte scheinen mir plausibel zu sein.
Anscheinend ist es also so, das das Umgebungslicht der größere Störfaktor bei diesem Versuch ist.
Ich werd mal gucken, ob ich ein Infrarotfilter für die Wellenlängen um 700nm finde um das dem Sensor vorzuschalten.
Dadurch sollte sich der Tageslichteinfluss reduzieren lassen.
Die 585nm Wellenlänge wäre ohnehin nur für eine Vegetationsdichtebestimmung gewesen - Da werd ich dann darauf verzichten müssen.
Die Werte unten sind die Messwerte der Dämmerungsmessung - Wen es interessiert.
Von Links nach Rechts:
Ohne Beleuchtung, Messwert mit 585nm LED, Messwert mit 670nm LED, Messwert mit 700nm LED, Messwert mit 740nm LED, Messwert mit 780nm LED, Berechneter REIP Wert, Bodendeckungsgrad, CRC Prüfsumme.
Header Ohne 585nm 670nm 700nm 740nm 780nm REIP Deckung Checksumme
@ 8 28 19 25 57 71 250 31 77
@ 7 28 19 26 56 71 253 31 79
@ 7 28 20 25 56 71 264 31 74
@ 8 28 20 24 57 71 260 31 7F
@ 8 28 19 25 57 71 250 31 77
@ 7 28 19 25 57 71 250 31 78
@ 7 28 19 25 57 70 243 31 7B
@ 8 28 19 24 58 70 241 31 78
@ 8 28 19 24 57 70 248 31 7E
@ 8 28 18 25 56 70 245 32 71
@ 7 29 18 24 56 69 243 32 70
@ 8 29 18 23 57 68 235 32 79
@ 8 29 18 23 56 68 242 32 78
@ 8 29 17 24 55 68 238 32 7E
@ 8 29 18 23 55 68 250 32 78
@ 9 29 18 23 55 68 250 32 79
@ 8 30 18 23 55 69 256 32 77
@ 8 30 17 24 55 69 245 32 7D
@ 8 30 17 24 56 69 237 32 7B
@ 8 30 18 23 57 69 241 32 73
@ 9 30 17 24 56 70 243 32 71
@ 9 30 17 24 55 71 258 32 79
@ 9 29 17 25 55 70 246 32 7E
@ 9 29 18 24 56 69 243 32 7E
@ 9 29 18 24 56 69 243 32 7E
@ 8 29 18 24 56 68 237 32 7D
@ 9 29 17 24 56 66 218 32 70
@ 8 29 18 23 56 65 224 32 75
@ 8 29 17 24 55 64 212 32 7A
@ 8 29 17 24 54 63 213 32 7D
@ 8 29 18 23 55 62 212 32 74
@ 8 29 17 24 55 62 200 32 7F
@ 8 30 17 23 56 63 206 32 74
@ 8 29 17 24 55 64 212 32 7A
@ 8 28 17 25 54 64 213 32 7A
@ 9 28 16 26 53 65 214 32 78
@ 9 28 16 26 54 65 207 32 7D
@ 10 28 16 26 54 66 214 32 44
@ 10 28 17 25 55 67 226 32 47
@ 10 27 17 26 56 68 220 32 41
@ 10 27 16 27 55 69 221 32 42
@ 10 27 17 26 56 68 220 32 41
@ 10 27 16 27 55 68 214 32 45
@ 10 28 15 27 55 68 207 32 4B
@ 9 29 15 27 55 68 207 32 72
@ 9 29 16 26 56 67 206 32 7D
@ 9 29 17 26 55 68 227 32 73
@ 9 29 17 26 55 68 227 32 73
@ 9 29 17 26 56 68 220 32 77
@ 9 30 17 25 56 68 225 32 79
@ 8 30 18 25 57 68 225 32 76
@ 8 30 18 25 57 70 237 32 7C
@ 8 29 19 25 58 70 236 32 7B
@ 8 29 20 24 59 70 240 31 73
@ 9 29 20 23 60 70 237 31 7F
@ 9 29 20 24 59 72 251 31 70
@ 9 28 20 24 59 73 257 31 76
@ 8 28 20 25 59 73 252 31 73
@ 8 28 20 25 58 73 260 31 73
@ 8 28 19 26 58 73 250 31 79
@ 9 28 19 26 57 74 264 31 77
@ 8 28 19 27 57 74 260 31 73
@ 8 29 19 26 57 74 264 32 74
@ 8 29 19 26 56 73 266 32 70
@ 8 29 19 27 55 73 271 32 74
@ 8 29 19 26 57 72 251 32 74
@ 8 30 19 25 58 72 248 32 78
@ 9 30 19 24 59 72 245 32 74
@ 9 30 19 25 58 72 248 32 79
@ 9 30 20 24 58 72 258 32 73
@ 9 30 20 23 59 71 250 32 7E
@ 10 30 20 22 59 70 248 32 4F
@ 10 29 20 23 59 70 244 31 49
@ 10 29 20 24 60 71 238 31 4E
@ 10 29 20 23 61 72 242 31 46
@ 10 29 19 24 60 73 244 32 4E
@ 10 29 18 25 60 72 228 32 45
@ 10 29 17 26 58 72 231 32 4A
@ 10 29 17 25 58 72 236 32 4E
@ 10 28 17 25 58 72 236 32 4F
@ 9 28 17 25 58 72 236 32 77
@ 8 28 17 25 58 72 236 32 76
@ 7 29 17 24 58 72 241 32 79
@ 6 29 17 23 59 72 238 32 70
Ich hab mir Heute rotes Plexiglas besorgt, damit konnte ich die Tageslichtempfindlichkeit reduzieren.
Ich bin aber noch nicht ganz zufrieden damit.
Ich werd mal einen anderen Licht Frequenz Wandler versuchen.
Mein Versuchsobjekt wäre jetzt der TCS 3200 von TAOS - Vom großen C...
Ich möchte da vorerst nur mal das rote Sensorarray verwenden und gucken ob ich da bessere Ergebnisse krieg.
Der Infrarotfilter passt bei diesem Baustein für meine Anwendung schon ziemlich gut.
Ne Optik werd ich aber auch da brauchen ( Rohr oder Linse ).
Ich versprech mir da schon deshalb bessere Ergebnisse, weil die Anordnung aus einem Array und nicht einer einzelnen Fotodiode besteht.
Mal gucken, was die Praxis da spricht.
Ich hab nun den TCS 3200 verwendet. Duch ein Rohr, das den Sensor und die Optik vor seitlicher Lichteinstrahlung schützt, wurde auch die Abstandsemfpindlichkeit zur Reflexionsfläche geringer.
Der Sensor funktioniert nun schon bei Dämmerlicht.
Bei voller Sonneneinstrahlung sind die Werte der Frequenzerhöhung ( Helligkeit der einzelnen LED's ) zu gering um sie vernünftig auswerten zu können.
Laut meinen Schätzungen müssten 5W LED's mit 20% Wirkungsgrad ausreichen um sicher auswertbare Ergebnisse auch bei vollem Tageslicht zu kriegen.
Leider kann ich solche LED's nicht mit den benötigten Wellenlängen ( 670, 700, 740 und 780nm ) finden.
Was ich gefunden habe sind 1W Emitter die immerhin 5mal mehr Infrarotlicht abgeben, als jene, die ich bis jetzt verwende.
Diese LED's werden, wie auch der Lichtsensor, eine Fokussier Optik erhalten.
Wenn ich neue Ergebnisse habe, werde ich berichten.
Besserwessi
13.11.2011, 13:08
So viel Licht sollte nicht nötig sein. Man kann durch Modulation das Licht der LEDs recht gut vom Hintergrundlicht (Sonne) trennen. Allerdings sind dafür die Sensoren mit Frequenzausgang nicht so gut geeignet, weil man da keine Verstärkung hat, die nur auf den modulierten Teil wirkt. Wenn man sich etwas anstrengt kann man aber auch sehr kleine Frequenzänderungen auch direkt messen. In der Sonne wäre ein Schirm gegen die direkte Sonneneinstrahlung schon sinnvoll. Ein Filter bringt dagegen eher wenig, denn auch das Licht der Sonne hat die meiste Intensität im Roten bzw, nahen IR Bereich. Das ist nur durch die Empfindlichkeit des Auges, dass wir Grün bzw. Gelb als besonders stark empfinden.
Ein Schutz vor einer seitlichen Leichteinstrahlung sollte selbstverständlich sein. Auch um eine Linse oder ähnliche Optik kommt man kaum herum, damit man bei größerem Abstand wirklich nur das Licht aus dem beleuchteten Teil sieht. Beim Focussieren muss man schon etwas aufpassen, denn es kommt auf den Überlapp aus dem Empfindlichen Bereich und dem ausgeleuchteten Teil an - einen der beiden wird man vermutlich deutlich größer als den anderen Wählen müssen, denn mit variablem Abstand verschieben sich die Bereiche gegeneinander.
So viel Licht sollte nicht nötig sein...
Im Prinzip hast Du recht, allerdings soll die Auswertung bei einem fahrenden Fahrzeug stattfinden.
Also ist die Reflexion nicht immer zu 100% gleich.
Darum wäre es besser wenn die LED's mehr Licht machen würden.
Ich hab deshalb in die Software schon eine Auswertung reingebastelt, der die letzten 10 Werte mittelt
Die Optik des Empfängers hat bereits einen kleineren Öffnungswinkel als die der Sendedioden.
Eventuell montiere ich die Sendedioden etwas schräg zur Empfängerachse hin, damit der Lichtkegel im Zentrum der Empfängerdiode zu liegen kommt.
Beim Tageslicht hast Du im Prinzip auch recht, allerdings schneide ich durch ein rotes Filter alle nicht roten Lichtanteile ab, was in der Summe zu einer Verringerung der empfangenen Lichtintensität führen müsste - Oder liege ich da falsch?
Der TCS 3200 miss nun ohne Filter ohne Beleuchtung, mit 595nm Beleuchtung ( Amber ) und 670nm ( Dunkelrot ).
Mit Rotfilter werden dann noch mal die Wellenlängen 670, 700, 740 und 780 gemessen.
Meine leistungsstärkeren LED's hab ich noch nicht gekriegt, mit den "schwachen" funktionierts aber im Prinzip.
Besserwessi
14.11.2011, 17:36
Ein bisschen bringt der rote Filter schon, aber halt nicht viel. Vom Sonnenlicht würde ich mal schätzen dass etwa 75% über 600 nm liegen. Ich weiss nicht, ob es sich für den relativ kleine Effekt lohnt so einen Filter zu nehmen, denn man verliert auch etwas vom gewünschten Licht.
Für 780 nm gäbe es als Lichtquellen noch Laserdioden (die Wellenlänge für normale CD Laufwerke liegt bei etwa 780 nm - 785 nm).
Mehr Intensität für die LEDs hilft natürlich, und so lange es erschwinglich ist, spricht auch nicht viel dagegen. Bei den schwachen Wellenlängen (vor allem wohl 595 nm) kann man ggf. auch 2 oder 3 LEDs nehmen. Wenn einfach nur das Signal zu schwach ist, hilft ggf. auch eine größere Linse um mehr Licht auf den Sensor zu bekommen - der Hintergrund wird aber natürlich damit auch mehr.
Das mit der unterschiedlichen abstandsabhängigkeit von verschiedenen Farbbereichen kenne ich. Es liegt hauptsächlich an den Linsen im System. Bei reiner Freistrahloptik dürfte der Effekt deutlich geringer sein. Wenn Interferenzfilter im System sind (bei einigen Farbfiltern und Antireflektionsschichten üblich), dann gibt es einen weiteren Effekt, da die Filterwirkung nur bei senkrechter Einstrahlung richtig ist (Lamdaviertelschichten).
Das mit der unterschiedlichen abstandsabhängigkeit von verschiedenen Farbbereichen kenne ich. Es liegt hauptsächlich an den Linsen im System. Bei reiner Freistrahloptik dürfte der Effekt deutlich geringer sein.
Danke für den Hinweis - Das werd ich mal genauer untersuchen.
Ein bisschen bringt der rote Filter schon, aber halt nicht viel. Vom Sonnenlicht würde ich mal schätzen dass etwa 75% über 600 nm liegen. Ich weiss nicht, ob es sich für den relativ kleine Effekt lohnt so einen Filter zu nehmen, denn man verliert auch etwas vom gewünschten Licht.
Der Farbfiler ist ja bereits im TCS3200 integriert also nicht extern vorgeschaltet.
Dadurch denk im mal, das ich hier nicht besonders viel verlieren werde.
Im TCS sind Farbfilter für Rot - Grün - Blau und ohne Filterung bereits integriert.
Es ist da so gelöst, das es für die einzelnen Wellenbereiche eigene Fotodioden Arrays gibt.
Ein lustiger Effekt ist noch, das der grüne und blaue Bereich des Sensors wieder einen Durchgang oberhalb 700nm haben.
Da ich die aber nicht nutze ist mir das vorerst mal egal.
Wenn ich die spektrale Verteilung von Tageslicht anschaue würde ich den Bereich über 650nm auf ca. 45 - 50% der gesamten Lichtleistung abschätzen. Da sollte der integrierte Filter schon etwas helfen.
Die benötigten LED's hab ich übrigens bei roithner Laser aus Wien bekommen. Andere Quellen in Europa hab ich nicht gefunden.
Ein 1W Emitter mit den benötigten Wellenlänge kostet da so um die 8,-€ - Also noch im Rahmen.
Allerdings sind die Star Kühlkörper noch extra zu besorgen.
Besserwessi
15.11.2011, 17:35
Beim Vergleich der Strahlung bei hoher und niedriger Wellenlänge kommt es darauf an, wie man das Licht gewichtet: rein nach der Energie stimme ich zu mit etwa der Hälfte oberhalb und unterhab von 650 nm. Bei den Fotodioden nimmt aber die Empfindlich großen Wellenlänge (bis ca. 900 nm) zu. Bei 800 nm hat man etwa die doppelte Empfindlich wie bei 400 nm.
Wenn man im Empfänger schon den Filter drin hat, kann man den natürlich auch nutzen.
Bei 700 nm sind übrigens selbst die low Cost LEDs von Reichelt schon relativ intensiv - die relativ geringe Helligkeit kommt durch die geringe Empfindlichkeit des Auges.
Ich hol mal diesen Threat wieder hoch...
In der Zwischenzeit konnte ich schon mal einen Teil meiner Probleme lösen.
1. Ich hab LED's mit mehr Leuchtkraft verwendet.
2. Jede LED hat eine eigene Linse bekommen.
3. Der Licht Frequenz Wandler wurde gegen ein Spekreumselektives Modell ausgetauscht ( siehe oben ).
4. Der Lich Frequenz wandler hat einen eigene Linse und einen Lichschutztubus erhalten.
5. Es wird jeder Messwert 10mal aufgezeichnet. Die Minimal und Maximalwerte verworfen und die restlichen Messwerte für die Berechnung herangezogen.
6. Die Abstandsabhängigkeit hat sich wesentlich verbessert.
So lange die Tageshelligkeit nicht allzu groß ist funktioniert die Sache wunderbar.
Nun zu meinen Neuen Problem.
Sobald es zu hell wird, heben sich die Messwerte nicht deutlich genug von der Hintergrundhelligkeit ab um "richtige" Ergebnisse zu liefern.
Ich hab mich deshalb schon mit einigen Filterstrategien auseinandergesetzt.
Bringt es etwas, mal ein anderes Filter ( bzw. andere Mittelwertbildung ) zu verwenden?
Welches wäre wohl für meine Aufgabe am Besten geeignet ( Das man auch in einem Microcontroller umsetzen kann )?
Über das Kalman Filter hab ich schon ein wenig gelesen - Ich denk auch, das das passen könnte - Umsetzen für einen Microcontroller könnte ich das nicht, da die Sache doch reichlich komplex ist ( Rekursive Parameter usw. )!
Besserwessi
27.12.2011, 15:52
Die Strategie mit dem Verwerfen der 2 Extremwerte und dann mitteln der restlichen Werte ist schon sehr gut. Viel besser wird es an der Stelle nicht gehen. Der Kalmanfilter ist so wie man ihn findet vor allem kompliziert. Wenn man das dann auf ein konkretes Problem anwendet, kann man oft einen Teil der Rechnung (den mit den Covarianzen) vorab machen und bekommt dann auch nur eine einfache Rechenvorschrift heraus. Da das ganze linear und nicht robust ist, wird da in diesem Fall einfach der normale Mittelwert über die 10 Werte herauskommen.
Um die Empfindlichkeit gegen Störlicht zu verbessern muss man also früher ansetzen. Das könnte die Messung der Frequenz sein, oder bei der Optik. Im einfachsten Fall einfach mehr Lichtleistung durch mehr LEDs oder ggf. mehr Empfänger. Ein Versuch wäre es ggf. auch wert jeweils versetzt mit und ohne Beleuchtung zu messen für eine Differenzbildung.
Wie wird denn die Frequenz gemessen, und welcher Art sind die Störungen bei Tageslicht ?
Zur Umgebungslichtunterdrückung kann auch eine Sendelicht-Modulation sinnvoll sein. Im Empfänger muss dann ein entsprechendes Filter (elektronisch) eingefügt werden. Damit neben dem natürlichen Sonnenlich auch Kunstlicht (100Hz) unterdrückt wird, sollte eine Modulation oberhalb 1kHz erfolgen.
Ein Versuch wäre es ggf. auch wert jeweils versetzt mit und ohne Beleuchtung zu messen für eine Differenzbildung
Die Werte werden sequenziell nacheinander ermittelt. Also alle Wellenlängen nacheinander Durch und diesen Durchlauf dann 10 mal.
Die Sequenz ist keine Beleuchtung 525nm ohne Filter, 670nm ohne Filter, 670nm mit Rotfilter, 700nm mit Rotfilter, 740nm mit Rotfilter, 780 nm mit Rotfilter. Dann das Ganze fortlaufend, immer die letzten 10 Werte werden gespeichert und verarbeitet. Der älteste 11te Wert wird wieder verworfen.
Die Frequenzmessung läuft über einen Timer, der auf externen Takt geschaltet ist. Die Torzeit wird über einen zweiten Timer bereitgestellt.
welcher Art sind die Störungen bei Tageslicht
Das Gerät wird über der zu messenden Fläche bewegt, deshalb ändert sich die Reflexion natürlich ständig.
So lange die Werte mit "farbigen" Licht sich deutlich von denen ohne natürliche Beleuchtung abheben, funktioniert das Ganze auch.
Nur wenn die Unterschiede zu klein werden - sprich das Tageslicht zu hell wird - können keine plausiblen Messwerte mehr ermittelt werden.
Das ist eine Kette die klappt:
leer o.F. 525nm o.F. 670nm o.F. 670nm m.RF. 700nm m.RF. 740nm m.RF. 780nm m.RF.
5814 6303 6267 5915 6174 6713 7127
Die Werte bei Sonneneinstrahlung liegen so um 40000 bis 50000 und da ist die Differenz zu den Werten mit Beleuchtung zu gering.
Bei den LED's ist so ziemlich das Ende erreicht. 5W Led's mit den gewünschten Wellenlänge hab ich noch nicht finden können.
Ob eine weiter 1W LED hier noch was bringt?
Das Problem wird dabei auch, das ich platzmässig auch Probleme krieg und das Ganze sicherlich noch schwerer zu beherrschen wird, wenn die LED's weit auseinander stehen. Sind ja jetzt schon 5 Stück auf Star Platine.
Anbei mal eine Messung die zumindest im Mittelteil brauchbar wäre:
20954
Der Reip Wert wurde *25 genommen, damit er in das Koordinatefeld passte!
Zur Umgebungslichtunterdrückung kann auch eine Sendelicht-Modulation sinnvoll sein
Im Prinzip eine gute Idee, aber ich benutz ja einen Licht/Frequenz Wandler und das wird mit moduliertem Licht nicht funktionieren.
Eine normale Fotodiode zu verwenden wäre die Lösung, aber dann hab ich wieder das Rauschen und ich müsste den Pegel eines wellenförmigen Signals genau bestimmen.
Dazu bräuchte ich dann einen guten A/D Wandler und vermutlich auch einen Signalprozessor um den Träger aus den Messwerten rauszufiltern, oder einen steilflankigen Bandpass, der mir nur die Modulationsfrequenz durchlässt.
Zudem kann so eine Fotodiode in Sättigung gehen, dann ist gar nichts mehr zu messen.
Eventuell ist hier meine Meinung auch falsch - Ich lass mich gern eines Besseren belehren!
Besserwessi
27.12.2011, 18:04
Zur Messung wird man vermutlich ein paar mehr Leermessungen gebrauchen können. Also eher schon abwechselnd ein Leermessung ein Messung mit LED - vielleicht noch 2 Messungen mit LED und dann wieder eine Leermessung. Ein Problem ist ja, das sich das Hintergrundlicht im Zeitbereich von Sekunden bis Minuten ändern kann. Mit den Sensoren mit Frequenzausgang kann man leider nicht gut schnell modulieren, weil die Frequenzmessung immer eine gewisse Zeit braucht. Die Frequenzmessung kann man aber vermutlich noch deutlich verbessern, indem man nicht klassisch zählt, sondern die Periodenlänge misst. Das geht mit dem µC mit der ICP-Funktion recht gut und gibt deutlich mehr Auflösung und ggf. eine schnellere Messung (z.B. 0,1 s). Höheren Frequenzen misst man dann über die Zeit für mehr als eine Periode oder wenn man einen genügend schnellen µC hat, auch über alle Zeiten der Flanken und macht dann eine lineare Interpolation. Durch ein kürzere Zeit für die Einzelmessung kann man mehr Werte Mitteln und so den Einfluss von Schwankungen der Hintergrundhelligkeit reduzieren. Mehr LEDs sind auch nicht ohne Problem. Mit anderen Sensoren (normale Fotodiode) könnte man ggf. schneller modulieren und dann die LEDs ggf. mit eher kleinem Tastverhältnis (z.B. 10%) und mehr Strom nutzen. Sonst ist ggf. ein Sonnenschirm keine schlechte Idee.
Nachtrag:
So schlecht sind Fotodioden nicht. Die Sättigung der Fotodiode erreicht man in aller Regel nicht - da braucht man mehr als direktes Sonnenlicht zu. Den Verstärker kann man auch so auslegen das man eigentlich kein Problem mit der Sättigung hat. Die Trennung von Hintergrund und Signal kann man halb analog und halb digital machen: Analog trennt auch ein grober Filter (z.B 500 Hz - 3 kHz) schon den Untergrund und das meiste Rauschen ab. Danach reicht dann auch der eher einfache AD Wandler im µC und ein kleiner µC zur Verarbeitung (abwechselnd addieren und abziehen). Vom Rauschen die Die Fotodioden auch nicht schlecher als die Licht Frequenzwandler. Man hat bei der Größe sogar mehr Auswahl und kann eher besser werden.
Also eher schon abwechselnd ein Leermessung ein Messung mit LED
Das ist eine gute Idee, das werd ich mal ausprobieren. Gespeichert werden dann nur die Differenzen der beiden Messungen, woduch sie kürzer aufeinander folgen und sich somit die Fortbewegung nicht so stark auswirkt.
Allerdings dauert dadurch der komplette Messzyklus fast doppelt so lange.
Mal gucken, was die besseren Ergebnisse bringt.
Für die LED's hab ich integrierte LED Treiber benutzt ( CAT4201 ). Die lassen sich leider nicht beliebig schnell schalten.
Zudem muss die Leuchtkraft der LED's ( = Strom ) ja auch einstellbar sein, damit ich einen vernünftigen Weissabgleich hinkrieg.
Das hab ich über den Strom Einstellwiderstand 10k und einen 20k Spindeltrimmer für den CAT4201 realisiert.
Von der Periodendauermessung halte ich nicht so viel, weil die Frequenz des Licht Frequenz Wandler bis auf 500kHz hoch gehen kann und dann ist eine Periodendauermessung mit einem AVR Controller nicht mehr sinnvoll bzw. die Frequenzmessung wesentlich genauer.
Zudem sind Frequenzen unter 2kHz im Normalbetrieb nicht zu erwarten.
Mit Assembler Routinen ( anderes Projekt ) hab ich schon Messungen bis zu 13kHz über Periodendauerbestimmung hingekriegt. Genauer gehts aber bei Frequenzen über 500Hz mit der Frequenzzählung mit Torzeit. Ist natürlich alles auch von den verwendeten Parametern abhängig.
Die Fotodioden auch nicht schlecher als die Licht Frequenzwandler
Im Prinzip wirst Du recht haben, allerdings sind bei mir auch ein paar Schaltnetzteile verbaut ( LED Treiber ), die auch noch ständig Aus- und Eingeschaltet werden.
Alles Sachen, die für eine rein analoge Messung pures Gift sind.
Zudem hab ich einen Licht Frequenz Wandler mit Filtern für verschiedene Wellenlängen. Auch das findet man bei den analogen Typen eher selten.
Die Idee mit dem Sonnenschirm hatte ich auch schon. Ich dachte da aber eher an eine Metallplatte. Da das Ganze an einem Fahrzeug montiert werden soll dürfte das dann aber wieder problematisch werden. Zudem müsste auch seitliches eintreffendes fremd Licht abgeschattet werden. Und dann brauchst Du schon einen Großen Regenschirm ;) .
Besserwessi
27.12.2011, 19:21
Die Frequenzmessung über die Periodendauer geht schon auch bei höherer Frequenz, sowahl mit einem 8 bit AVR als auch eine PIC. Wenn es sein muss, könnte es beim AVR (20 MHz) auch gerade so noch bis 500 kHz gehen. Bei meinem Frequenzzähler nutze ich es bis etwa 300 kHz ohne Probleme und die Auflösung / Genauigkeit ist immer besser als beim klassischen Zählen: nach 0,05 s Messzeit hab ich knapp 6 Stellen Auflösung und mit der Nutzung mehrerer Flanken auch noch mehr. Der Gewinn bei der Nutzung von mehr Flanken betrifft dabei nicht nur die Auflösung, sondern auch die Rauschunterdrückung, denn auch die Licht-Frequenzwandler haben rauschen. Für höhere Frequenzen kann man eine Teiler davor schalten (der PIC kann das sogar intern, der könnte aber ggf. nicht ausreichen) - hier sollte ein fester Teiler (z.B. :16) reichen. Bei viel Helligkeit hat man vermutlich eher höhere Frequenzen im 10-100 kHz Bereich - da wird die Begrenzte Auflösung (z.B. 1 Hz) bei der Zähllösung nicht so schlimm sein, aber das Problem das an sich nur 2 Flanken (die 1. und letzte) genutzt werden bleibt. Mit der Auswertung aller Flanken kann man da schon mit weniger (z.B. 1/10) Störungen rechnen.
So empfindlich ist auch die klassiche Schaltung mit Fotodiode und Transimpedanzverstärker nicht gegen Störungen. Nach dem Verstärker ist das Signal recht robust und nicht mehr besonders empfindlich. Die erste Verstärkung wird daher schon oft direkt an die Fotodiode gebaut. Die Schaltnetzteile können auch für die Licht-Frequenzwandler ein Problem sein: auch da können Störungen über die Versorgung einkopplen, und ein ungewollte Modulation des Lichtes ist natürlich auch nicht gut.
Die schon vorhanden Filter an den Empfängern sind natürlich ein Argument, denn gute optische Filter sind schon recht teuer - da gäbe es dann ggf. auch eine ganz andere Lösung, die das Fremdlicht nutzt: keine aktive Beleuchtung, und dann Eine Kamera auf Multisprektral umbauen, mit einem Filterrad das man vor der Kamera dreht.
keine aktive Beleuchtung, und dann Eine Kamera auf Multisprektral umbauen, mit einem Filterrad das man vor der Kamera dreht
Im Prinzip ne gute Idee, funktioniert aber leider nicht, wenn ich richtig gelesen habe.
Es gibt da ein Satelliten Fernverfahren, das auf dieser Basis arbeitet.
Dabei muß dann der Fehler, der durch den Einfallswinkel der Sonne entsteht rausgerechnet werden.
Bei bedektem Himmel stimmt aber auch das nicht. Da aber Satelliten nur an klaren Tagen messen können spielt das keine Rolle.
Das von mir verwendete Messverfahren funktioniert ja eigentlich.
Es geht ja nur noch darum die Funktion auch bei hellem Tageslicht in den Griff zu kriegen.
aber das Problem das an sich nur 2 Flanken (die 1. und letzte) genutzt werden bleibt
Eigentlich werden alle Flanken innerhalb der Torzeit gezählt.
Wo du Recht hast sind die Zeitpunkte, wo das Tor geöffnet und wieder geschlossen wird. Die können einmal direkt vor einer Flanke, oder direkt danach sein.
Das gleiche Problem hast Du aber auch bei der Periodendauermessung, da kann Dir das auch mit dem Timer passieren.
Beim Messverfahren mit der Periodendauermessung muss ich Dir widersprechen.
Nehmen wir mal an der Controller läuft mit 20MHz.
Die zu messende Frequenz ist 500kHz.
Da würde bedeuten das pro Periode der Messfrequenz 40 Counts beim Timer laufen würden.
Durch Phasenfehler konnen daraus Problemlos 41 oder 39 werden.
Das ist ein Fehler von 2,5%.
Bei der Frequenzzählung hab ich aber einen max. Fehler von +/- 2 Digits.
Das ist ein Fehler von unter 0,01%.
Selbst bei 100ms Torzeit liege ich bei 0,1% Fehler.
Selbstverständlich werden die Verhältnisse besser, wenn man mehrere Perioden zur Messung heranzieht.
Ausserdem wird es genauer, wenn man niedrigere Frequenzen misst.
Es gibt auch einen Punkt, an dem die Periodendauermessung genauer ist, als die Periodenanzahl messung.
Wo dieser Punkt liegt ist von der Taktfrequenz des Timers, dem Prescaler und dem Vorteiler für das Eingangssignal abhängig.
Zudem verursacht ein ICP Interrupt mit immer höher werdender Eingangsfrequenz eine immer höher werdende Prozessorlast, die bis zur völligen Blockade des Systems führen kann. Bei einem mit 16MHz getakteten ATMEGA 32 konnte ich das bei etwa 13kHz feststellen.
Ausserdem muss bei der Periodendauermessung ein Überlauf des Timers sicher erkannt werden.
Bei niedrigen Frequenzen ist die Periodendauer Messung eine sehr schnelle und genaue Methode die Frequenz zu bestimmen - Keine Frage.
Bei höhren Frequenzen hat die Perioden Zähl Methode klare Vorteile.
Ich sag mal, wenn Du deine Messchaltung auf eine dynamische Umschaltung der beiden Methoden trimmst, geht Deine Frequenzmessung künftig bis 5MHz. Wenn Du den optimalen Umschaltepunkt findest mit der grösstmöglichen Genauigkeit.
Bei einem ATMEGA kann ich ohne Software und Interrupts nur durch 256teilen.
Im Prinzip gehen auch andere Teilefaktoren, dann aber nur über die Comparematch Interrupt's.
Ne abschließende Frage. Meinst Du,das sich das verwendete Frequenzmessverfahren tatsächlich so stark auf die Ergebnisse auswirkt?
Das das hier nicht so rüberkommt, als würde ich an Eueren Lösungsvorschlägen nur rumunken.
Ich find's Super wie Ihr euch reinkniet um gemeinsam das Problem zu lösen.
Ein paar von der Vorschlägen hab ich ja schon ausprobiert, mit wechseldem Erfolg.
Die nächsten beiden Sachen die ich ausprobieren werde ist die Nullicht Subtraktions Variante und dann die Lichtabschottung ( hab da noch ne alte Theater Flügelblende rumliegen :) ).
Beides Ideen von Besserwessi!!!
Besserwessi
28.12.2011, 00:14
Bei der Messung über die Periodenlänge muss man bei höheren Frequenzen natürlich mehr als eine Periode messen. Man misst also die Zeit für den Start, das Ende und die Zahl der Perioden dazwischen. Die Messung der Zeiten ist in aller Regel genauer als der Zufällige Start und das Zufällige Ende einer fest vorgebenen Torzeit. Mein Zähler funktioniert, soweit ganz gut - bis etwa 300 kHz geht es ohne Vorteiler, darüber wird einfach ein Vorteiler (:256) dazugeschaltet - bei der Methode über die Zeitmessung gibt der Vorteiler fast keinen zusätzlichen Fehler, sondern einfach nur eine Erweiterung des Messbereichs auf dann etwa 50 MHz (Grenze der Triggerschaltung). Allerdings ist die Software auch ganz in ASM geschrieben und auf Geschwindigkeit optimiert (z.B. reservierte Register für den Interrupt) - für die Frequenzmessung wäre das nicht so wichtig, aber für andere Messungen wie PWM. Die Berücksichtigung von Überläufen funktioniert, ist aber gar nicht so einfach - einen entsprechender Beispielcode in C ist im RN-Wissen unter Timer.
Wie viel die Umstellung auf die einfache Zeitmessung (Start, Periodenzahl + Stop) bringt kann man noch relativ einfach abschätzen, weil man da den Vorteil gut abschätzen kann. Bei z.B. 1 s Messzeit (würde ich mal aus den wenigen Daten oben schätzen) kann man mit rund 1 Hz weniger an Fehler rechnen - einfach weil der Quantisierungsfehler der Zählung durch den viel kleinen der Zeitmessung ersetzt wird. Ein passender Test wäre eine Messung um zu sehen wie viel der Sensor selber bzw. das Hintergrundlicht rauscht (z.B. 20 Werte messen bei nur Hintergrundlicht). Ich würde eher vermuten das da der Quatisierungsfehler noch nicht das Problem ist. Etwas anderes wird es ggf. wenn man die Messzeit kürzer (z.B. 0,1 s oder ggf. noch weniger) wählt um besser Schwankungen im Hintergrundlicht zu kompensieren. Wie weit sich eine kürzere Einzelmessung lohnt könnte man testen indem man mit eher kurzer Messzeit (z.B. 0,1 - 0,5 s) relativ viele Werte rein mit dem Hintergrundlicht aufnimmt und dann per FFT das Spektrum anschaut. Wenn man da ein stärkeres 1/f Rauschen hat, was ich durchaus für wahrscheinlich halte, wäre ein kürzere Zeit für die Einzelmessungen schon angebracht. Dann könnte sich ggf auch der Umstieg auf die Zeitmessung lohnen.
Anders als ich zuerst dachte bringt die Messung aller Flanken hier wohl keinen weiteren Vorteil - denn als primäre, unabhängige Größen kann man die einzelnen Periodendauern sehen. Die Summe der Zeiten ist damit schon der richtige, optimale Weg und die Zeiten dazwischen helfen einem hier also nicht weiter gegen Rauschen vom Sensor. Die zusätzlichen Flanken helfen halt nur gegen Fehler der Triggerschaltung und für noch mehr theoretische Auflösung.
Das es mit viel Hintergrundlicht schlecher wird, lässt sich übrigens nicht vermeiden. Je mehr Licht auf den Sensor fällt, desto mehr Quatisierungsrauschen durch die Lichtquantelung hat man. Bei Photodioden kommt man durchaus schon mal an diese Grenze.
Bei den Schwankungen im Hintergrundlicht hätte man ggf. noch eine Chance, wenn man parallel 2 Sensoren auswerte, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten. So könnte man ggf. den Hintergrund gleichzeitig, nur halt bei einer anderen Wellenlänge messen. Wie gut das geht, hängt auch davon ab wie genau die Sensoren den gleichen Bereich aufnehmen.
Die Messfrequenz ist schon höher. Ich hab ne Torzeit von ca. 100ms. Also etwa alle halbe Sekunde ist ein kompletter Zyklus durchlaufen.
Die letzten 8 Messungen gehen in das Ergebnis mit ein.
Das Rauschen der Licht Frequenz Wandler ist auch nicht übermässig stark.
Bei 5 kHz Ausgangsfrequenz krieg ich Frequenzschwankungen von max. 5Hz. beim Abgleichen raus. Inklusive aller Phasenfehler, die ich natürlich auch bei der Messung mache.
Wesentlich stärker reagiert der Sensor auf das Umgebungslicht. Schiebt sich eine Wolke vor die Sonne kannst Du zusehen, wie die Messwerte drastisch purzeln - auch im Haus.
Auch eine kleine Veränderung an den Spindeltrimmern von 1/4 Umdrehung ( 20 Gang Spindeltrimmer - Stromeinstellung für die LED's ) lässt sich an den Messwerten deutlich ablesen.
Ich denke mein größeres Problem ist die unterschiedliche Reflexion, die durch die Bewegung über den Pflanzen herrührt.
Und die ändert sich mit zunehmender Umgebungshelligkeit immer stärker.
Lass mich jetzt mal die Software für die Leer Differenzmessung umschreiben und dann die Ergebnisse auswerten - Ich werde berichten.
Ok, nun gibt es wieder genug grüne Blattmasse für die Messungen und ich hatte ein paar Tage frei.
Ich hab heute ein wenig rumexperimentiert und leider keine vernünftigen Werte bekommen.
Das Messverfahren habe ich jetzt auf 1 Leermessung pro Lichtfarbe geändert.
Aber auch das brachte nur einen Teilerfolg.
Das Hauptproblem ist größtenteils das zu helle Tageslicht.
Habt Ihr da noch irgendwelche guten und praktikablen Ideen?
In den Anhang hab ich mal nen kleinen Log eingestellt.
Die Datei runterladen, und von .txt auf .kml umbenennen. Google Earth müsste dabei auf dem Rechner installiert sein.
Dann kann man sich mal Vorstellen, wie ich das künftig mal haben will.
Die LOGDA003.kml ist bei vollem Tageslicht
Die LOGDA005.kml ist in der Dämmerung um ca. 21:00Uhr erstellt worden.
Die geloggte Fläche ist links und rechts vom Weg.
Beim 21:00Uhr Log kann man die unterschiedliche Bestandsdichte und die nicht grünen Flächen einwandfrei erkennen.
Beim Tageslicht Log funktioniert das überhaupt nicht!
Nach einigen Versuchen hab ich nun die Idee aufgegeben die Pflanzen aktiv zu bestrahlen und die Reflexion auszuwerten.
Das fremdlicht durch die Sonne ist einfach zu stark.
Mein neuer Ansatz wäre das Ganze nun passiv auszulegen. Das bedeutet die interessanten Wellenlängen der Reflexion aus dem optischen Spektrum des Sonnenlichtes herauszufiltern und zu bewerten.
Ein Sensor an der Oberseite misst das eintreffende Sonnenlicht. Ein Sensor an der Unterseite misst die resultierende Reflexion.
Mein erster Gedanke war dafür optische Bandpassfilter zu verwenden. Die Teile sind mir aber einfach zu teuer. Ich bräuchte ja davon 10Stück - Stückpreis um die 65,-€. - Es sei denn jemand von Euch hätte da günstigere Quellen.
Mein zweiter Gedankengang war dafür LED's der entsprechenden Wellenlänge als Fotodioden zu missbrauchen.
Bei meinen High Power LED's funktioniert das mit einigen Wellenlängen sehr gut - Andere reagieren auch auf nicht gewünschte Wellenlängen.
Zu meiner Überraschung geben aber meine 1W LED's ein sehr gut auswertbares Signal raus. Direkt ans OSZI gehängt Spannungen bis zu 1V!
Hat da von Euch auch schon mal wer versucht LED's als selektive Fotodioden zu verwenden? - Was kam dabei raus?
Ich hab mir jetzt mal 1206 SMD LED's geordert und guck mal, ob man damit was anfangen kann.
Für Tipps und Hilfestellungen euererseits wäre ich sehr dankbar.
wilhelml
13.05.2012, 14:56
Na endlich, nach einem halben Jahr Experimentieren um das Sonnenlicht loszuwerden, der gute Einfall, es zu nutzen!
Das Sonnenspektrum ist einerseits recht bekannt, und kann auch leicht noch leicht als Referenz / Kalibrierung der Messanordnung benutzt werden.Bleibt nun nur noch die Frage des Detektors. Oder der Detektoren.
Warum nicht ein einfaches Spektrometer basteln, wenn man doch im Auto eh genug Platz hat. Wenn man dann die optimalen Wellenlaengen gefunden hat, kann man dann ja eventuell fixe Detektoren an den entsprechenden Linien anbringen.
Viel Glueck!
wilhelm
Warum nicht ein einfaches Spektrometer basteln, wenn man doch im Auto eh genug Platz hat. Wenn man dann die optimalen Wellenlaengen gefunden hat, kann man dann ja eventuell fixe Detektoren an den entsprechenden Linien anbringen.
Die Idee hatte ich auch schon.
Ist dafür reflektiertes Licht auch hell genug um es durch ein Spektrometer zu jagen und dann die Spektrallinien mit ner Fotodiode auszuwerten?
Ich dachte auch schon daran einen optischen Liniensensor am Spektrometer anzubringen. Der hätte dann sozusagen 100...400 Fotodioden verbaut.
Zudem kommt das reflektierte Licht ja aus allen Richtungen. Geht sowas mit nem Spektrometer?
Die Krux bei der Verwendung des Sonne als Lichtquelle ist, das ich die spektrale Verteilung des Sonnelichtes berücksichtigen muß.
Drum wär mir die aktive Variante schon lieber gewesen - Aber wenn das nicht funktioniert... hilft das halt nichts.
wilhelml
13.05.2012, 16:36
Na klar kommt Licht aus allen Richtungen. Und Du willst doch nur bestimmtes Licht auswerten, aus einer bestimmten Richtung und mit ein paar verschiedenen Wellenlaengen. Deshalb braucht man einerseits Optik zum Sammeln und andererseits wieder was zur spektralen Zerlegung.
Na klar verlierst Du Licht im Spektrometer ,das willst Du ja auch, Du willst alles uninteresssante Licht ausblenden. Das hast du mehr oder meist weniger erfolgerich mit deiner LED Beleuchtung probiert , Dummerweise ist die Sonne halt sehr viel staerker als Deine LED. Die Aktive Methode wird deshalb nur nachts gut funktionieren. Mit der Passiven Methode bist Du halt tags gut unterwegs, wo Die Superlampe SONNE beleuchtet und das voellig umsonst!
Das Spektrometer bringt dir nur noch das interessante Licht zu deinem Detektor! Du musst es natuerlich vorher dem Spektrometer gescheit praesentieren. Und dazu gibt es Optik. Und da sollte man von den Sternenguckern abgucken wenn man Angst hat nicht genuegend Licht zu bekommen. Einerseits kann man die Messzeit laenger machen oder man vergroessert die Flaeche, durch die man das Licht einsammelt. Beim Operngucker oder Fotoapparat sind das ueblicherweise mickerige Linsen.Mickerig weil grosse Linsen teuer (und schwer) sind. Also haben sich die Sterntraeumer schon frueh von der Linse verabschieded und sind auf Spiegel umgestiegen.Die sind vergleichsweise billig. Ein Rasierspiegel kostet ein paar Euro eine entsprechende Linse ein paar Tausend Euro.Und fuer Deine Zwecke taugt zum Beispiel auch eine Spiegelfolie, die man durch etwas Vakuum zu einem fokussierenden Spiegel machen kann. Da haste schnell fuer zweihundert Euro eine Linse mit einem Meter Durchmesser gebaut.Aber sowas braucht es ja nicht, der Rasier- oder Kosmetikspiegel reichen bestimmt. Nu musste mit Linsen das Licht nur noch in einen duennen parallelen Strahl bringen, der dann ins Spektrometer gelenkt wird. Der Detektor kann dann halt alles Moegliche sein . Hauptsache man hat fuer die entsprechenden Spektralbereiche gute Empfindlichkeit. Eventuell noch mit mehreren Detektoren.
Sorry, dass ich hier laenglich solche Schulbuchweisheiten absondere, aber der Versuch ,eine reine solidstate elektronikerloesung zu finden, scheint ja bislang nicht so besonders erfolgreich gewesen zu sein.
Deshalb mein Vorschlag fuer einen klassischen Ansatz, den man, wenn er dann funktioniert schrittweise wieder in Deine urspruengliche Richtung bewegen kann. Mein Eindruck war, das bislang zu wenig an die Optik gedacht wurde.
Viel Glueck und Spass.
wilhelm
Mein Eindruck war, das bislang zu wenig an die Optik gedacht wurde.
Damit liegst Du schon völlig richtig. Ich komm halt aus der Elektronikecke und kann mit Optik eher weniger anfangen.
Mein Gedankengang ist, das mir das diffuse Licht einer Reflexion eine Aufteilung in einzelne Lichtbänder unmöglich macht, weil sich durch die unterschiedlichen Einfallswinkel die Bänder ja überlappen, oder lieg ich da falsch?
Du meinst also ich soll einen Sammelspiegel nehmen und in seinem Brennpunkt eine Schlitzmaske setzen.
Nach dieser Schlitzmaske kommt dann ein Prisma, das mir das Spektrum aufteilt.
An einer geeigneten Stelle ( Spektralbänder ) sollen dann die Lichtdetektoren ( Photodioden ) eingebaut werden, die dann die entsprechende Helligkeit auswerten.
Praktisch hab ich mit solchen Anordnungen überhaupt keine Erfahrung.
Kommt da genug Licht durch um es mit Photodioden auszuwerten ?
Ein 15 bis 20cm Spiegel ist in meinem Meßkopf schon unterzubringen. Sehr viel größer wird das dann aber nicht mehr gehen.
Die Länge der Anordnung dürfte such nach der Brennweite des Spiegels richten.
Die Beschreibungen für Spektroskope, die ich bisher gefunden hab, gingen immer von "aktiven" Lichtquellen aus.
wilhelml
15.05.2012, 17:30
HAllo und sorry.
Habe vom Spektrometer bauen auch keine Ahnung. Wollte nur mal dazu anregen, darueber nachzudenken, wie man, bevor es elektrisch wird, den "Stoerabstand" verbessern kann.
Die Sonne liefert Dir ziemlich viel Energie frei Haus. Die korrekte Menge kann ich Dir auch nicht liefern, aber bevor die Filter-und Abschwaechungseffekte losgehen sind es etwa 1350 Watt pro Quadratmeter.
Davon schaetz ich mal , bleiben etwa pro nm Lichtbandbreite dann ein Watt.
Deine LED Quelle laesst Du vermutlich mit einem Watt scheinen. Aber mit einem viele nm breiten Spektrum, das vermutlich auch nicht optimal mit dem "Chlorophyll ?" Spektrum zusammenpasst.Nehm ich mal an, die entsprechende Chorophylllinie ist 20 nm breit, dann musst Du noch lange Jahre warten bis Du mit einer LED soviel Helligkeit erzeugen kannst.Oder du Muesstest Deine LED ordentlich fokussieren aber da Du mit 30 Grad Oeffnungswinkel abstrahlst wird die Leistungsbilanz immer mieser.
nur mal so angedacht!
Im Brennponkt einen Schloetz anzubringen halte ich fuer nutzlos. Denn im Brennpunkt fallen ja alle Strahlen zusammen, klar kann man kollimieren mit Schlitzen, aber mit der Methode schmeisst man doch das meiste Licht weg. wir wollen doch moeglichtst viel haben also ich wuerd das licht mit dem spiegel sammeln, mit nem kleinen spiegel aus dem Einfallsbereich herauslenken, dann parallelmachen und Richtungprisma senden. vor dem prisma mit ner linse auf den detektor fokussieren. Dann das Prisma vor den detektor stellen und dann den detektor auf einer Kreisbahn fahren lassen. Wie man das dann genau gestaltet muss man halt lernen oder mit den regeln der optik durchspielen. Ich denke, das Ganze wird dann ein Spiel Aufloesung gegen Helligkeit sein. da aber die Absorption vermutlich eine dicke Linie ist kommt man wohl mit einfachen Mitteln ans Ziel.
viel spass
wilhelm
Soweit ich das aber verstanden hab, ist dieser Schlitz ein muß.
Die Breite des Schlitzes bestimmt wieviel Licht durgelassen wird, auf Kosten der Auflösung.
Ich hab auch ein wenig nachgelesen und bin zur Meinung gelangt, das ein Beugungsgitter für IR Strahlung die bessre Variante ist, weil hier Prismen zu gering auflösen.
Mechanische Teile möchte ich soweit als möglich vermeiden, es gibt aber auch sehr schöne Photodioden Arrays ( Liniensensoren ) zu bezahlbaren Preisen.
Da sind dann 128, 256 oder gar 512 Fotoempfindliche Elemente in einer Reihe angeordnet.
Noch ne "blöde" Frage. Wie macht man Lichtstrahlen parallel? Ich kenn jetzt Polarisationsfilter, die die Ausrichtung der Lichtwellen vereinheitlichen?
wilhelml
15.05.2012, 20:59
paradings:
irgendwo in der optik kreuzen sich die lichtstrahlen oft . im fokuspunkt. nehm ich nun eine linse dahinter und positionier sie so, dass die linse im abstand ihre brennweite zum Fokuspunkt steht, dann kommt aus der linse das licht parallel. kuerzer gesagt fokuspunkt und brennpunkt muessen zusammenfallen. irgendwie die umkehrung des problems der glasscheibe auf dem heuhaufen.
...linse das licht parallel
Nun ist mir klar was Du meinst. Das probier ich einfach mal aus. Ein paar Linsen hab ich zu Hause noch rumliegen.
OK, ich hab mal den Empfänger neu designed.
Er soll das Rechteck modulierte Signal mit einer Frequenz von 2kHz empfangen und gleichrichten.
Das Tageslicht - Umgebungshelligkeit - soll dabei weitgehend ausgeblendet werden.
Am Ausgang nach dem Filter und Gleichrichter sitzt ein A/D Wandler, der die Pegel des 2kHz Signals in für den Controller auswertbare Werte umrechnet.
Guckt doch bitte mal drüber, ob das so passt, oder ob da noch grobe Fehler drin sind.
Könnte man die Empfindlichkeit für die 2KHz Komponente noch weiter erhöhen?
22837
Ich hab den Ansatz mit eigenenen Lichtquellen zu arbeiten vorerst mal verworfen.
Im Prinzip hat es funktioniert, allerdings hatte man bei voller Sonneneinstrahlung keine Chance.
Die jetzige Idee ist mit 2 fertigen Spektrum Sensoren (https://www.elektor.de/sparkfun-triad-spectroscopy-sensor-as7265x-qwiic) zu arbeiten.
Einer oben, der das Sonnenlicht aufnimmt.
Einer unten für die Reflexion - Dann werden beide Sensoren miteinander verrechnet - So mal die Theorie.
Zur Zeit sind leider keine ATXMEGA Controller aufzutreiben, darum ruht das Ganze jetzt noch ein wenig.
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