Датчики тепловой мощности включают в себя термопары и основаны на принципах термоэлектрического эффекте (эффекта Зеебека), согласно которому любой проводник, подверженный тепловому градиенту, генерирует напряжение. Следовательно, если между двумя поверхностями присутствует разность температур, градиент температуры будет генерировать разность напряжений между этими двумя поверхностями. Этот процесс можно рассматривать как инверсию эффекта Пельтье.
В термическом датчике мощность падающего лазерного пучка поглощается верхней поверхностью термопары и преобразуется в тепло. Другая поверхность термопары остается холодной, так как она термически связана с радиатором. Градиент температуры между двумя поверхностями зависит от падающей оптической мощности. Следовательно, генерируемое напряжение между горячей и холодной поверхностями пропорционально падающей мощности.
Преобразование оптической мощности в измеряемое напряжение зависит от способности поверхности датчика поглощать оптическое излучение и преобразовывать его в тепло. Для увеличения поглощения на чувствительную поверхность датчика S 322 C нанесено широкополосное покрытие с эффективностью поглощения, не зависящей от длины волны, и высоким порогом повреждения (то есть оно способностью выдерживать высокие плотности оптической мощности).
Радиальная конфигурация термопар
Датчик мощности S 322 C является радиальным (рис. 2, вид сверху). При такой конструкции поглотитель света размещается в центре. Он окружен концентрическим кольцом термопар, соединенных последовательно, которые в свою очередь окружены концентрическим радиатором. Свет, падающий на поглотитель, генерирует тепло, которое распространяется в радиальном направлении через термопары к радиатору. Радиатор сконструирован таким образом, чтобы находиться в хорошем механическом контакте с внешним кольцом термопары, без теплового контакта с поглотителем света или внутренним кольцом термопары. Область за поглотителем изолирована от теплового контакта с чем-либо, что может отклонить тепловой поток от радиального направления. Преимущество радиальной конструкции датчиков состоит в том, что они могут использоваться для измерений высокомощного лазерного излучения.
Рисунок2.Схема термодатчика с радиально сконфигурированными термопарами (свет падает на поглощающий слой в центре, тепло проходит через термопары к радиатору)
Основные технические характеристики датчика S322 C
Рисунок 3.График зависимости поглощения от длины волны
Рисунок 4.Уровень плотности энергии в импульсе и порога повреждения
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
Есть и другие способы, например пироэлектрический прибор, но обычно такие измерители надо просто покупать, если только не работаете где-нибудь на лазерной или полупроводниковой фирме. Сам я дома пользуюсь самодельным Пельтьешным калориметром, который и опишу как делать.
Делаем термоэлектрический калориметр
I. Ресурсы
В качестве исходников нам потребуются:
Вот собственно и все что нужно:
II. Сборка
III. Калибровка
IV. Измерения
V. Комментарии
Еще имеет свойство «плыть» калибровка самого мультиметра. В особенности если он дешевый. Тут спасает повторение калибровки датчика (раздел III). Перекалибровываться надо при смене батарейки в мультиметре, смене погодных условий, ну и просто время от времени.
Показания прибора в первом приближении не зависят от точки попадания. Измеренное напряжение равно сумме термо-э.д.с. всех включнееых последовательно пельтье-столбиков в пельтье модуле. Термо-э.д.с. каждого из столбиков равна произведению его удельной термо-э.д.с. ei на разность температур на нем. А разность температур («холодного» и «горячего» спаев)- произведению теплового сопротивления столбика Rti на тепловой поток через него Wi:
Столбики в Пельтье модуле делаются автоматом из одного и того же материала (пары n-кремний и p-кремний) значит они с высокой точностью одинаковы. После вынесения за скобки ei и Rti получается что измеряемое напряжение прямо пропорционально полному тепловому потоку, как бы он ни был распределен по столбикам.
Для чернения НЕ РЕКОМЕНДУЕТСЯ пользОВАТЬСЯ фломастерами, маркерами, чернилами от авторучек и вообще любыми красками кроме туши и сажи. На самом деле краски часто только выглядят черными и запросто могут оказаться вовсе не такими черными именно для той линии спектра, где излучает Ваш лазер. Измерения рекомендуется проводить сидя или лежа, предварительно успокоившись и удалив на безопасное расстояние режущие и колющие предметы. Когда мощность любимого трехсотмилливаттного лазера из дивиди-драйва оказывается всего 120 мВт бывает трудно удержаться от неадекватных действий.
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
Зарегистрируйтесь и получите два купона по 5$ каждый:https://jlcpcb.com/cwc
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
Вебинар пройдет 16/09/2021 и будет посвящен особенностям работы высокопроизводительных микроконтроллеров из линеек STM32H7. На вебинаре разберем ключевые особенности линеек STM32H72/3 и проведем практическую работу с оценкой производительности с использованием ускорителей и кэш-буфера при чтении инструкций из внутренней и из зашифрованной внешней памяти. Для отображения результатов будет использоваться программная среда STM32CubeMonitor.
TE Connectivity представила обновленную линейку соединителей серии Power Versa-Lock – надежное и герметичное решение, рассчитанное на ток до 15 А, в компактном корпусе. Корпус и аксессуары соединительной системы Power Versa-Lock выполнены из материала, соответствующего стандарту UL94-V0.
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
Aheir
_________________ Оптимизм х (Опыт + Знания) = const
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
Сэр Мурр
Модератор
Карма: 46 Рейтинг сообщений: 232 Зарегистрирован: Чт окт 27, 2005 18:50:07 Сообщений: 11174 Откуда: из мест не столь отдалённых Рейтинг сообщения: 0 Медали: 2
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
Aheir
_________________ Оптимизм х (Опыт + Знания) = const
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
Aheir
_________________ Оптимизм х (Опыт + Знания) = const
_________________ Питаюсь копытными. Как исчезающий вид занесён в Красную книгу МСОП. Почему до сих пор не занесены в Красную книгу инженеры и учёные РФ?
Часовой пояс: UTC + 3 часа
Кто сейчас на форуме
Сейчас этот форум просматривают: Express, Majestic-12 [Bot] и гости: 16
Захотелось мне купить китайский лазер для выжигания на станочке с ЧПУ. Предложений много, но много и плохих отзывов. В итоге перед покупкой лазера озадачился вопросом измерения его мощности. Повторил вот эту конструкцию с небольшими изменениями. При калибровке измерителя возникли некоторые вопросы, решением которых я и хочу поделиться.
Работает такой измеритель просто. Лазером светят на зачерненную сторону термоэлемента, что вызывает ее нагрев. Соответственно на термоэлементе появляется напряжение, пропорциональное мощности лазера. Резисторы, наклеенные на термоэлемент служат для калибровки. Выделяемую на них мощность легко вычислить, зная подаваемое напряжение. В статье, ссылка на которую приведена выше, описано подробнее.
Немного о сборке измерителя. В качестве термоэлемента использован TEC1-12706. Размеры термоэлемента 40 x 40 мм. Надпись, как я понимаю, означает следующее: TEC — Termo Electric Cooler, количество термопар — 127, рабочий ток — 6А. Это самый распространенный термоэлемент на Aliexpress, соответственно и один из самых дешевых. К одной стороне термоэлемента на клей Алсил-5 приклеил радиатор 40x40x11mm. Спаял цепочку из 6 резисторов типоразмера 2512, сопротивлением 3.6 Ом и приклеил ее к другой стороне термоэлемента. В итоге получилась вот такая конструкция. К какой стороне что клеить по моему все равно. Но я выбирал так, чтобы при нагреве стороны с резисторами на красном проводе термоэлемента появлялся плюс. В результате радиатор оказался приклеен к стороне с надписью. Резисторы я сначала спаял в цепочку и припаял к ним провода, а потом приклеил. Если паять уже приклеенные резисторы — не уверен, что клей не отвалится.
Далее занялся калибровкой измерителя. Подал на резисторы напряжение 5.61 Вольта с лабораторного источника питания и стал мерить напряжение на термоэлементе. Получилась вот такая зависимость от времени. Синие точки — реальные данные. Красная кривая — аппроксимация этих данных кривой y = 0.07499 + 0.02387*exp(-0.001957*x) — 0.0994*exp(-0.1135*x). Видно, что наибольшая постоянная времени — 511 секунд. А значит для полного завершения переходного процесса неплохо бы подождать в три раза больше — 25 минут. Это очень долго. Можно подождать до достижения максимума — 48 секунд. Тоже не быстро, но более или менее приемлемо.
20 минут. В качестве упрощенного варианта можно измерять разницу между напряжением в максимуме и напряжением до включения лазера. Но тут появляется систематическая погрешность.
Калибровка происходил так. Установил измеритель в удобное положение. Подождал, пока модуль напряжения на термоэлементе упадет ниже 0.5 мВ. Записал начальное значение. Подключил к резисторам источник напряжения. Подождал по секундомеру приблизительно 48 сек. Измерил напряжение на термоэлементе. Выключил источник напряжения. Подождал пока остынет конструкция. Повторил для другого напряжения. Получились вот такие результаты:
Первый столбец — подаваемое напряжение на резисторы. Второй — вычисленная мощность, выделяемая на резисторах. Третий — напряжение на термоэлементе в максимуме минус напряжение до подачи тепла (оно было отрицательное всегда, поэтому стоит плюс). Четвертый — коэффициент передачи измерителя. В целом до 5 Вт зависимость можно считать линейной с коэффициентом 15.3.
Далее нужно зачернить мишень. Вообще-то лучше было бы откалибровать уже зачерненный измеритель. Но повторять измерения не хотелось. Я просто закоптил мишень на свечке. Коптится поверхность только если пламя ее касается. Чтобы уменьшить риск перегрева я закоротил выход термоэлемента. Теплопередача на радиатор при этом улучшается. Но все равно есть риск испортить термоэлемент. В документации написано, что максимальная температура горячей стороны термоэлемента не должна превышать 100 градусов Цельсия. Вот фото измерителя после чернения.
Далее — попытка измерения мощности китайского красного лазерного фонарика с заявленной мощностью 200 мВт. Разместил лазер и измеритель на расстоянии
Кстати. После чернения, при размещении ладони на расстоянии 10 см на измерителе появляется напряжение чуть больше 1 мВ. То есть он чувствует тепловое излучение ладони. Ну и, естественно, на него влияют сквозняки.
Меня этот измеритель вполне устроил и переделывать его я не буду. Но, может быть, кому-нибудь пригодятся мои мысли по его улучшению: Для ускорения теплового переходного процесса при включении источника тепла лучше применить термоэлемент поменьше. Радиатор лучше использовать побольше — меньше будет снижение напряжения после прохождения максимума. А вообще, лучше использовать радиатор в виде стакана, внутри которого разместить термоэлемент. Это должно снизить чувствительность (что плохо) но зато снизит и влияние сквозняков и нагретых предметов, стоящих в стороне. И, я думаю, сделает практически незаметным падение напряжения после прохождения максимума.
Захотелось мне купить китайский лазер для выжигания на станочке с ЧПУ. Предложений много, но много и плохих отзывов. В итоге перед покупкой лазера озадачился вопросом измерения его мощности. Повторил вот эту конструкцию с небольшими изменениями. При калибровке измерителя возникли некоторые вопросы, решением которых я и хочу поделиться.
