Wykorzystanie czujnika światłaWykorzystanie czujnika światłaWykorzystanie czujnika światłaWykorzystanie czujnika światła

Zakład F izykiM agnetyków

Instytut Fizyki DoświadczalnejUniwersytet w Białym stoku

ul. L ipowa 41, 15-424 B ia łystok

te l: (085) 7457228 (29) fax: (085) 7457223 e-m ail: magnet@ cksr.ac.bialystok.pl http://physics.uwb.edu.pl/zfm

Wojciech Dobrogowski, Andrzej Maziewski

Plan

• Czujniki światła CMA

• Badanie źródeł światła

• Dyfrakcja światła

• Prawo Malusa

• Mechanika– Tarcie aerodynamiczne– Wahadło sprężynowe z tłumieniem

Czujniki światła CMA

Czujnik światła CMA 0513. Budowa czujnika oparta jest o diodę Optrex p.n. OP555C mającą charakterystykę liniową. Pozwala na pomiar natężenia światła w zakresie 0.1 –10 W/m2, z dokładnością do 20 %. Zakres spektralny tego czujnika to 300-1100nm

Czujnik światła CMA 033. Trzyzakresowy: 0-600,0-6000,0 – 150000 luxów

Czujnik światła CMA 0141i:

Zakres 0 - 10 lux

Podstawowe parametryZakres mierzonego natężenia światła. Parametr ten określa minimalne i maksymalne natężenie światła które powoduje zmianę parametrów elementu światłoczułego w ustalonym zakresie napięć. Przyjmuje się tutaj zazwyczaj zakres liniowej części charakterystyki U(I).Czas reakcji. Jest to czas w którym właściwości elementu światłoczułego zmienią się zgodnie z opisującą je charakterystyką. Elementy półprzewodnikowe umożliwiają pomiar zmian w czasie rzędu mikrosekund co przekracza czas przetwarzania sygnału wykorzystywanych w szkole interfejsówZakres spektralny. Zakres częstotliwości światła na które reagują elementy światłoczułe. Zazwyczaj przekracza on zakres fal widzialnych zarówno w zakresie ultrafioletu jak i podczerwieni. Odpowiedź czujnika jest jednak uzależniona od częstotliwości padającego światła, to znaczy że charakterystyka spektralna I(f) nie jest płaska/liniowa.

20 40 60 80 100

1.5

1.6

1.7

1.8

U ~ I [W/m2]

Badanie źródeł światła zasilanych prądem zmiennym

20 40 60 80 100

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

20 40 60 80 100

0.25

0.5

0.75

1

1.25

1.5

b)

6.9 W/m2

fM=85Hz

Żarówka w czasie 5 s

żarówka w

czasie 0.1 s

t [ms]

Ekran monitora komputerowegoŚwietlówkat [ms]t [ms]

U ~ I [W/m2]U ~ I [W/m2]

-200 -100 100 200 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Dynamika świecenia

-100 100 200 300

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

I(t)=I0Exp[-(t-t1)/T1],I(t)=I0(1-Exp[-(t-t2)/T2]).

U ~ I [W/m2]U ~ I [W/m2]

t [ms] t [ms]

Świecenie pod wpływem impulsu napięciowego U(t):

diody

żarówki

Czujnik światła z wykorzystaniem fotoopornika

Zmiana oporu pod wpływem padającego światła

Napięcie przyłożone do diody LED

Własne konstrukcje

Dyfrakcja światłaWłasne konstrukcje

Prawo MalusaWłasne konstrukcje

Karta audio

MikrofonGłośniki

WejścieWyjście

Własne konstrukcje

Aleksander Wasilewicz, Jurij Sedenewski,

Wiktor Stefanowicz

Własne konstrukcjeWykorzystanie karty dźwiękowej PC dla badania światła.

Prawo Bourguera.

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

0,45

0,5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

d, mm

ln I

0/I

Mechanika

Tarcie aerodynamiczne „Tłumienie w ruchu lotki”

„LOTKA”

Lotka wykonana z butelki PET i cienkiej kalki.

Tarcie aerodynamiczne „Tłumienie w ruchu lotki”

Położenia i prędkość spadającej lotki.

0 0.5 1 1.5 2t@sD0

0.5

1

1.5

2

2.5 v@msDv@msD0 0.5 1 1.5 2

t@sD0.5

1

1.5

2 x@mD

t0

x@mD

t0

Początkowy ruch jednostajnie zmienny przechodzi w ruch jednostajny gdy siła tłumiąca zaczyna równoważyć siłę ciężkości. Prędkość w takim ruchu możemy opisać następująco:

v(t)=vg(1-Exp(-(t-t0)/)

gdzie: vg –prędkość graniczna (w

nieskończoności)

m2, vg2

m1, vg1

Spadek swobodny piłki z gąbki

Vgr2=m g/k

FOZ= -k v2

FC=mg

FOZ= -k v2

Vgr=5.45 m/s

Lotka „PET” Piłka z gąbki Piłka kauczukowa

Człowiek

m=35g

Vgr= 2.5 m/s

k=0.055 kg/m

m=5.2 g

Vgr=5.6 m/s

k=0.0016 kg/m

m=34 g

Vgr= 20.2 m/s

k=0.0008 kg/m

m=75 kg

Vgr=60/6 m/s

k=0.2/20 kg/m

VI piętro

5m

Wahadło sprężynowe z tłumieniem

Czujnikpołożenia

Czujniksiły

Kierunekruchu

Tarczaoporowa

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8x[m]

1

1.5

2

2.5

F[N

]Wyznaczenie stałej sprężystości k

F=-kxF=-kx

Położenie wahadła zarejestrowane ultradźwiękowym czujnikiem położenia

5 10 15 20 25 30 35t@sD0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

x@mD

5 10 15 20 25 30 35t@sD0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1x@mD

S=0.025 m2

S=0.08 m2

0 5 10 15 20

t@sD0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

x@mD

Dopasowanie dekrementu tłumienia na podstawie analizy ekstremalnych wartości amplitudy Amax/min(t) = X0 + A0 Exp[- t]

0 5 10 15 20

t@sD0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

x@mDDopasowanie pomiarów położenia wahadła funkcją w postaci:

x(t) = X0 + A0 Exp[- t] Cos[t]Dopasowany dekrement tłumienia

0 5 10 15 20

t@sD0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

Ek@JD

Energia kinetyczna wahadłaEk=m v2/2

0 5 10 15 20

t@sD0

0.01

0.02

0.03

0.04

Ep@JD

Energia potencjalna wahadłaEp= k x2/2

0 5 10 15 20t@sD

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

E c@JD

Energia całkowita wahadła tłumionegoEc= Ek+ Ep

9.2 9.4 9.6 9.8 10t@sD

0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

Ec@JD

0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08

S@m2D0.08

0.1

0.12

0.14

d@gk €

€€

€€

€€

€€ sD

Czynnik kształtu jako dopasowanie zależności dekrementu tłumienia od pola powierzchni

C= 1.47

PodsumowaniePodsumowanieProste obiekty pomiarowe

Własne konstrukcje czujników

Adaptacje istniejących rozwiązań ?9.2 9.4 9.6 9.8 10

t@sD0.001

0.002

0.003

0.004

0.005

Ec@JD

Analiza danych pomiarowychna lekcjach TI/Informatyki

_