Detektor podczerwieni z Raspberry Pi

[fizyk_]

Cześć wszystkim.

Chciałabym zrobić własne urządzenie do pomiaru podczerwieni z wykorzystaniem TSOP31236 (lub innego) i Raspberry PI. Kompletnie nie wiem jak się za to wziąć. Możecie podesłać jakieś linki z takimi układami ?? Jest jakaś biblioteka do obsługi tych czujników ??

[marek1707]

Co rozumiesz pod pojęciem "pomiary podczerwieni"? Bo element jaki wymieniłeś to kompletny odbiornik zdalnego sterowania o bardzo ściśle zdefiniowanym zastosowaniu. Nie możesz za jego pomocą mierzyć w zasadzie niczego. Nie masz dostępu ani do informacji o natężeniu promieniowania ani do jego spektrum. Możesz za to łatwo odbierać zmodulowany (w pewien określony sposób) strumień promieniowania IR i w ten sposób stworzyć tor przesyłania informacji, ale nie ma to niestety nic wspólnego z pomiarami. Napisz konkretnie co chcesz mierzyć (i co będzie źródłem promieniowania, w jakich warunkach), bo oczywiście istnieją elementy elektroniczne do tych celów służące.

[fizyk_]

@marek1707  Właśnie tak myślałam, że nie da się wyciągnąć informacji o natężeniu z tego typu elementów, ale wolałam się upewnić. Myślałam o wykorzystaniu fotodiody takiego typu https://www.hamamatsu.com/eu/en/product/type/G10899-003K/index.html, potrzebna mi dosyć duża czułość w okolicy 800 nm. Detektor sobie dobiorę, ale nie wiem jak go oprogramować. Czy potrzebuję do tego jakiejś konkretnej biblioteki ?? Jak się za to zabrać ?? 

[marek1707]

Zaraz, powoli, od fotodiody do wejścia jakiegoś komputerka jeszcze daleka droga. Odpowiedz na kilka najważniejszych pytań, bo od tego wiele zależy:

1. Co jest źródłem sygnału albo jaki jest jego charakter i czemu ten pomiar ma służyć? Robienie tajemnic na tym etapie tylko Ci zaszkodzi, bo możesz dostać zupełnie nietrafione rady, podjąć fatalne decyzje i wydać/wywalić dowolnie duże pieniądze w błoto.
2. Czy będzie to raczej stałe promieniowanie (typu Słońce), które jeśli się zmienia to powoli? Czy raczej coś takiego jak pilot pracujący w podczerwienii - niezbyt szybkie zmiany (powiedzmy kilkadziesiąt tysięcy razy/s), ale nie można tego już podciagnąć pod stałe natężenie. Czy może jednak jakieś zjawisko/urzadzenie, które emituje szerokie pasmo sygnału (rzędu MHz) albo inaczej mówiąc szybko zmieniające się (np. błysk lampy xenonowej, eksplozja TNT, prąd 1000A odparowujący kabelek z czegośtam ciekawego).
3. Jakie informacje chcesz z promieniowania wyciągnąć, tj. co niesie użyteczne dla Ciebie dane? Natężenie? Położenie prążka w spektrum? Prędkość zmian, częstotliwość jakiejś składowej nałożonej na promieniowanie?
4. W jakich zakresach chcesz tę wielkość mierzyć?
5. Czym chcesz to mierzyć dalej, w sensie: gdy już wypracujesz sygnał analogowy, który reperezentuje mierzoną wielkość fizyczną (a to samo w sobie może być ogromnym problemem jeśli nie masz doświadczenia w elektronice) to co dalej z tym sygnałem chcesz zrobić? Doprowadzić do wejścia Arduino? Jakiegoś innego komputerka? Jakiego? Może jakiejgoś modułu ADC na USB? Jakiego?

Jak pewnie podejrzewasz, jeśli odpowiesz na pytanie pierwsze - rodzaj zajwiska i zastosowanie tego Twojego miernika, to wiele rzeczy mogę sobie dośpiewać sam.

Jeśli ma to być np. robot podążający za ogniem, to pisz śmiało. Zdalny pomiar temperatury jakiegoś obiektu? Jakiego? Jeśli coś innego, pisz także - nie takie rzeczy tu widzieliśmy. 

EDIT: HAMAMATSU robi dobre detektory, ale wcale nie jestem pewien, czy potrzebujesz fotofiody za 100USD, skoro obok w innym sklepi leżą takie po 1USD. Dlatego tak ważne są Twoje odpowiedzi. I co znaczy zdanie "detektor sobie dobiorę, alenie wiem jak go oprogramować"? Co rozumiesz w takim razie pod pojęciem "detektor", bo dla mnie detektorem jest fotodioda, dalej jest jakiś wzmacniacz (cały tor analogowy) na końcu którego jest przetwornik ADC. To może sprowadzić się do jedengo scalaka za 2$ zawierającego fotodiodę, wzmacniacz i nawet ADC, a może to być pudełko wielkości szafki nocnej kosztujące 10000USD+. 

Edytowano Marzec 25, 2021 przez marek1707

[Polecacz 101]

Produkcja i montaż PCB - wybierz sprawdzone PCBWay!
   • Darmowe płytki dla studentów i projektów non-profit
   • Tylko 5$ za 10 prototypów PCB w 24 godziny
   • Usługa projektowania PCB na zlecenie
   • Montaż PCB od 30$ + bezpłatna dostawa i szablony
   • Darmowe narzędzie do podglądu plików Gerber
Zobacz również » Film z fabryki PCBWay

[fizyk_]

@marek1707 Źródłem sygnału będzie słońce. Potrzebuję zmierzyć natężenie promieniowania odbitego od różnych obiektów dla długości fali ok. 800 nm, a właściwie dla dwóch długości fali i je porównać. Pomysł jest taki żeby wykorzystać filtry optyczne do wycinania pożądanych długości fali. Układ pomiarowy chciałam zbudować na Raspberry Pi. Przyznam się szczerzę, że elektronikiem nie jestem. Dopiero zaczęłam się bardziej wdrażać w tę dziedzinę ale jeszcze dużo przede mną. Jestem typowym pomiarowcem, trochę programistą, głównie Pythona stąd moje zainteresowanie Raspberry Pi. Może rzeczywiście gotowy układ scalony byłby dobrym pomysłem. 

[marek1707]

Jeśli nie masz żadnego elektroniczno-montażowego doświadczenia, to jesteś skazana na gotowce. Fotodioda to najbardziej hardcorowe podejście, bo co prawda umożłiwia zrobienie dowolnego toru obróbki analogowej, ale to jest jednocześnie najtrudniejsze. Twoje zastosowanie czyli pomiar w zasadzie statycznego zjawiska może być wykonany przez wiele sclonych czujników. To bardzo wygodne: stawiasz jeden chip na płytce a ten w przezroczystej obudowie zawiera detektor (zwykle fotodiodę), zestaw wzmacniaczy, filtry sygnału, przetwornik analogow-cyfrowy i jeszcze jakiś fajny interfejs typu I2C. Mając coś takiego na pokładzie, w zasadzie nie musisz wiedzieć wiecej jak tylko to jak doprowadzić zasilanie i nie pomylić linii interfejsu SDA z SCL. Musisz przy tym uważać, bo wiele tego typu zintegrowanych czujników ma ch-kę widmową oka ludzkiego - są wykorzystywane do określania jasności otoczenia w automatyce podświetlania ekranów LCD czy czasów migawki w aparatach. Coś takiego zupełnie Ci nie pasuje, bo 800nm leży daleko poza tym co widzimy. Na szczęście jest parę układów w miarę szerokopasmowych. Jeśli masz wąskie i powtarzalne filtry oraz możliwość skalibrowania urządzenia, nie będziesz mieć problemu ze zrobieniem programu pomiarowego. Przykłady gotowców na płyteczkach wprost podłączanych do Maliny:

https://botland.com.pl/czujniki-swiatla-i-koloru/18233-tsl2591-cyfrowy-czujnik-natezenia-swiatla-stemma-qt-qwiic-adafruit-1980.html
https://www.ti.com/tool/OPT3002EVM

A tu opisy samych scalaków pracujących na tych modułach:

https://cdn-learn.adafruit.com/assets/assets/000/078/658/original/TSL2591_DS000338_6-00.pdf?1564168468

https://www.ti.com/lit/ds/symlink/opt3002.pdf?ts=1616714190880&ref_url=https%3A%2F%2Fwww.ti.com%2Fsensors%2Fspecialty-sensors%2Fambient-light-sensors%2Foverview.html

Poczytaj, tam znajdziesz ch-ki czułości, sposoby podłączenia, zawartości rejestrów itp. W razie wątpliwości pytaj. Pewnie nie do wszystkiego są biblioteki (albo nie zawsze dla RPi) , ale interfejsy tego typu oprogramowuje się łatwo nawet jeśłi musisz zejść do poziomu wysyłania i odbierania pojedynczych bajtów. 

Od biedy możesz zacząć od prymitywnej fotodiody ze wzmacniaczem:

https://botland.com.pl/czujniki-swiatla-i-koloru/4461-czujnik-plomieni-760-1100nm-analogowy-waveshare-9521.html

co na pierwszy rzut oka wygląda tanio (i widzi powyżej 800nm), ale ponieważ Malina nie ma wejść analogowych, musisz jeszcze dokupić jakąś płyteczkę przetwornika A/C.

A może coś takiego?

https://botland.com.pl/czujniki-swiatla-i-koloru/10121-as7263-nir-czujnik-spektrum-swiatla-widzialnego-sparkfun-sen-14351.html

https://cdn.sparkfun.com/assets/learn_tutorials/1/4/3/AS7263_Datasheet.pdf

Tu masz nie tylko pomiar natęzenia, ale 6-kanałowy spektrometr na pasma : 610, 680, 730, 760, 810 i 860nm. Z jednego przyłożenia, bez zmiany filtrów możesz dostać wyniki dla 6 długości fali. Nieżle, jak za trochę ponad stówkę.

Są jeszcze takie rzeczy:

https://botland.com.pl/czujniki-swiatla-i-koloru/1704-czujnik-koloru-przetwornik-swiatlo-czestotliwosc-tsl235r-sparkfun-sen-09768.html

To goły i tani scalak, ale dużo więcej nie potrzebujesz. Doprowadzasz mu zasilanie a na pinie wyjściowym oddaje częstotliwość proporcjonalną do całkowitej mocy padającego promieniowania. Częstotliwość na pewno można na pinie Maliny zmierzyć, a czujnik działa w szerokim zakresie od 320nm do ponad 1um. Zachowuje niezłą liniowość w zakresie od 1nW/cm² aż do 1mW/cm² czyli przez 6 rzędów wielkości, nieźle.

Nie szukałem daleko, w sumie tylko w jednym sklepie i u Texasa a znalazło się parę chyba odpowiednich rzeczy. Dopóki nie masz wielkich wymagań, to wygodnych czujników światła jest obecie sporo. W takiej zabawie raczej nie ma sensu budować pieca (kupować gołą fotodiodę i klecić całą resztę) by zjeść kromkę chleba. Napisz na co się zdecydowałaś albo jakie masz jeszcze wątpliwości.

Acha, pamiętaj, że chyba wszystkie wymienione tu czujniki nie mają żadnej optyki. Widzą dość szeroko (sprawdź to w danych katalogowych przed zakupem) więc albo zrobisz im jakieś przesłony, albo soczewki działające w podczerwieni albo.. będziesz dostawać sumę wszystkiego co widać wokół stanowiska pomiarowego.

Edytowano Marzec 26, 2021 przez marek1707

[fizyk_]

@marek1707 Bardzo dziękuję za pomoc  🙂 🙂 🙂 . Zaproponowane rozwiązania są super i na pewno je wykorzystam. Zwłaszcza zachwycił mnie spektrometr i to urządzenie na pewno przydałoby mi się na przyszłość. Z optyką nie ma problemu, dobiorę sobie odpowiednie apertury soczewek i innych podzespołów w torze optycznym. Kalibrację też ogarnę bez problemu. Ceny są na tyle korzystne, że kupię trzy:

https://botland.com.pl/czujniki-swiatla-i-koloru/18233-tsl2591-cyfrowy-czujnik-natezenia-swiatla-stemma-qt-qwiic-adafruit-1980.html

https://botland.com.pl/czujniki-swiatla-i-koloru/1704-czujnik-koloru-przetwornik-swiatlo-czestotliwosc-tsl235r-sparkfun-sen-09768.html

no i oczywiście spektrometr 🙂 Jak mi się uda je oprogramować to zrobię sobie pomiary porównawcze i wybiorę najlepszą opcję. 

[marek1707]

Fajnie, że coś przypasowało do Twoich oczekiwań 🙂 Daj znać jak już coś zmontujesz i zadziała (albo gdy nie). Może jakieś zdjęcia, porównania, kilka wyników, "recenzja użytkownika" czy krótki opis eksperymentu? Takie rzeczy są dużo cenniejsze niż suche fakty z danych katalogowych. Powodzenia.

BTW: Jak rozumiem, skoro korzystasz ze światła słonecznego to będziesz potrzebować jakiegoś kanału odniesienia - pewnie z drugiego, identycznego czujnika, ale skierowanego wprost na naszą gwiazdę. Pamiętaj o jakimś szarym filtrze półprzepuszczalnym, bo pomiary bezpośredniego strumienia ze Słońca mogą się dla tego typu czujników źle skończyć. To jednak 100mW/cm² a na dodatek spektrum zmienia się w zależności od pory dnia czy zachmurzenia. Jak planujesz sobie z tym poradzić?

[fizyk_]

Na pewno dam dam znać, co wyszło z moich pomysłów. 🙂 Rzeczywiście potrzebny jest drugi tor pomiarowy, referencyjny. Czy konieczne będą dwa czujniki, to jeszcze nie wiem, bo może urządzenie będzie mieć na tyle dużą czułość, że wystarczy jeden detektor, a dwa optyczne tory pomiarowe i odpowiedni przełącznik, ale to się dopiero okaże. Dlatego chcę je potestować i wybrać odpowiednią opcję. Jako sygnał odniesienia wykorzystam, nie bezpośrednio słońce, ale taką płytkę: https://sphereoptics.de/en/product/zenith-polymer-reflectance-standards/ . Nie pamiętam dokładnie, do której mam dostęp, bo nie mam przy sobie specyfikacji. Każdy pomiar w terenie jest bezpośrednio poprzedzony pomiarem ze wzorca, więc zmiany nasłonecznienia i zachmurzenie "powiedzmy", że nie mają wpływu. Bo tak naprawdę to zależy od szybkości wykonanych pomiarów. Wcześniej pracowałam na spektrometrze, którego zakres pracy był bardzo szeroki i  z bardzo dobrą rozdzielczością. Pomiary trwały "długo", wystarczająco długo, żeby słońce się np. schowało za chmurę i wyszło. Szeroki zakres widma jest mi teraz też nie potrzebny, stąd pomysł na małe urządzenie, które będzie mierzyć tylko taki fragment widma, który w tej chwili mnie interesuje, w miarę szybko. 

[marek1707]

No jasne, przecież możesz kalibrować się do jakiejś powierzchni odniesienia a w razie słoneczno-wietrznej pogody, gdy termika rusza i szybkie cumulsy co chwila przesłaniają niebo wystarczy zostać w domu albo wyjść na rower🙂 

To jeszcze coś Ci podrzucę. Kiedyś projektowałem urządzenie, w którym także miałem zmierzyć natężenie promieniowania jakiegoś wzrocowego źródła (chyba drogiej żaróweczki) przechodzącego przez badaną ciecz, w kilku różnych długościach fali. Wynikiem - stężeniem jakiejś substancji (to mógł być cukier) był stosunek jednego prążka do jakiegoś innego - pamiętam to tylko z punktu widzenia elektronika więc wybacz ten opis.. Czujnikiem była taka linijka CCD:

https://www.elfa.se/Web/Downloads/1_/en/tqIC-Haus_Zeilensensor-LF1401_EN.pdf

Z punktu widzenia optyki jest to 128 sensorów ułożonych w linię z rastrem 63.5um. Od drugiej strony to jedno wyjście sygnału analogowego, na którym pojawia się kolejno 128 napięć. Oczywiście trzeba tam zapodać jakiś sygnał cyfrowy taktujący pomiary, określający czas trwania "zdjęcia" i wyprowadzający kolejne wyniki na wyjście, ale to szczegóły. Gdybyś była w stanie zaprojektować układ doptyczny z elementem rozszczepiającym (pryzmatem?) wejściowy strumień ze Słońca (a może właśnie z czegoś własnego?) na pasek tak, by skrajne składowe widma jakimi jesteś zainteresowana były odległe od siebie o ok. 8.1mm, to masz domowy spektrometr. Nie jest to tak zintegrowane rozwiązanie jak ten gotowiec z botlandu, ale 128 przedziałów piechotą nie chodzi. Czułość spektralna akurat tego cosia nie jest płaska a wręcz powyżej czerwieni zaczyna szybko spadać, ale nawet w okolicach 1um coś tam jeszcze widać. Filtry odcinające niepotrzebne składowe dodatkowo by podniosły dynamikę sygnału, bo czujnik nie byłby oślepiany i nasycany nieinteresującymi prążkami. Mając do dyspozycji silny strumień mogłabyś bardzo skrócić czas akwizycji, a np. kilkadziesiąt skanów na sekundę dawałoby szansę na mocne uśrednianie i pozbycie się szumów. Czujnik jest o tyle łatwy w użyciu, że to Twój sprzęt/program wyznacza parametry akwizycji linii i prędkość odczytu. Można do tego użyć taniego Arduino Mini za 15zł, które poradziłoby sobie także z jakimiś obliczeniami, wyświetlaniem i zapamiętywaniem wyników. Program może wręcz automatycznie dobierać czas "naświetlania" tak, by sygnał wyjściowy był maksymalnie duży, ale jednocześnie by najwyższy prążek nie nasycał swojego pixela. Takie maleństwo mogłoby pracować z jednego małego akumulatorka wiele dni i być wielkości (myślę o kompletnej elektronice) paczki papierosów.

W przypadku użycia taniej kamery TV trzeba już nadążać za jej pracą (15625 linii/s czyli kilka milionów pixeli/s) i prosty procesorek miałby z tym kłopoty. Z drugiej strony Malina ma bezpośrednie wejście z kamery cyfrowej. Gdybyś znalazła taką, która nie ma wbudowanego filtra IR (ani w przetwornik ani w optykę), to masz gotowy czujnik. Zwykle są tam jakieś standardowe przyłącza obiektywów więc mogłabyś coś dobrać. Do tego pryzmat, kalibracja i masz kolejny spektrometr. Najtańsze kamerki do RPi dostajesz już poniżej 100zł:

https://botland.com.pl/945-kamery-do-raspberry-pi

W szczególności np. taki moduł podłączany do Maliny płaską tasiemką jako plug&play:

https://botland.com.pl/kamery-do-raspberry-pi/16888-kamera-arducam-ov5647-5mpx-do-raspberry-pi-noir-1080p-arducam-b003301.html

ma otwartym tekstem wypisany brak filtra IR (pada także hasło Python 🙂), co pozwala na widzenie w bliskiej podczerwieni. Na nieszczęście w całym datasheet tego przetwornika (popularny OV5647) nie ma ani słowa(!) o zakresie czułości spektralnej poszczególnych składowych RGB:

https://cdn.sparkfun.com/datasheets/Dev/RaspberryPi/ov5647_full.pdf

W sprawie ekstrakcji paska pixeli ze strumienia video (albo w trybie stop-klatek?) musiałabyś pogadać z ludźmi od biliotek przetwarzania obrazu, ja się na tym nie znam. Poradników o podłączaniu kamerki do RPI jest sporo, jakoś nigdy nie było mi to potrzebne. Tutaj pomiarowe zastosowanie kamerki jest dość specyficzne i trzeba na pewno powyłączać jej wszystkie bajery, automatykę jasności, kontrastu czy bieli, wszelkie poprawiania obrazu, korekcję kolorów, korekcję zniekształceń geometrii obiektywu itp itd. 

Na sensorach 1-liniowych także robione są kompletne kamery, ale ponieważ jest to sprzęt do zastosowań jednak bardziej "przemysłowych", ceny nie są niskie:

https://industrial.omron.eu/en/products/FS-B2KU7CLU-C

https://pl.mouser.com/ProductDetail/Basler/105998?qs=fAHHVMwC%2BbhjzzlOQojTMQ%3D%3D

Co o tym myślisz?

[fizyk_]

Linijki CCD to standard w spektrometrach więc miałam taki pomysł, żeby kupić taki detektor tylko obawiałam się elektroniki, podpięcia tego do Maliny. W sumie na Arduino kiedyś coś programowałam ale do współpracy miałam wtedy elektronika. 

Kamery też przejrzałam, zanim napisałam tutaj post. Do kamer zniechęcił mnie brak opisów charakterystyk spektralnych w specyfikacjach. No i nie znam się na analizie obrazów. Musiałabym zgłębić temat. Takie analizy widm spektralnych w oparciu o zarejestrowane zdjęcia są robione nawet z satelity więc takie podejście do tematu jest mi znane. 

Zaciekawiła mnie Malina i potrzebuję zgłębić trochę "tajniki" elektroniki, zacznę więc od przetestowania pierwszych Twoich sugestii 🙂. Chcę się też trochę pobawić Maliną. Pomysły mamy spójne 🙂, jest kilka różnych opcji i ja je na pewno będę testować, bo tematyka mnie ciekawi. Może mi się uda wkręcić znajomych od analizy obrazów w temat, to wtedy kwestia kamer byłaby szybciej do ruszenia. Bardzo dziękuję za pomoc i sugestię 🙂 Na pewno je wykorzystam 🙂