MINIATURNI OPTIČNI HIGROMETER

UNIVERZA V MARIBORU FAKULTETA ZA ELEKTROTEHNIKO, RAČUNALNIŠTVO IN INFORMATIKO Tomaž Hribernik Diplomsko delo Maribor, september 2010

Tomaž Hribernik Diplomsko delo Maribor, september 2010

I Diplomsko delo univerzitetnega študijskega programa Študent: Tomaž Hribernik Študijski program: Univerzitetni, Elektrotehnika Smer: Avtomatika in robotika Mentor: red. prof. dr. Denis ĐONLAGIĆ Maribor, september 2010

III ZAHVALA Zahvaljujem se mentorju prof. dr. Denisu Đonlagiću za pomoč in vodenje pri opravljanju diplomske naloge. Prav tako se zahvaljujem strokovnemu osebju Laboratorija za elektro-optične in senzorske sisteme za strokovno pomoč. Posebej se zahvaljujem svojim staršem, ki so mi omogočili študij in dajali moralno podporo skozi celoten študij.

IV Ključne besede: vlažnost, optično vlakno, VCSEL, fotodetektor, termoelektrični hladilnik, temperaturni senzor, miniaturni optični higrometer UDK: 681.5:532.783(043.2) Povzetek Diplomska naloga opisuje princip delovanja izredno majhnega optičnega higrometra na osnovi detekcije rosišča. Uporabljen je miniaturni termoelektrični hladilnik (Peltierjev element) za ciklično hlajenje vrha optičnega vlakna z namenom ugotovitve temperature rosišča, ki omogoča izračun absolutne oziroma relativne vlažnosti ob znani temperaturi okolice. Podano je teoretično ozadje senzorja,ki omogoča razumevanje zasnove in načrtovanja mehanskega in optičnega dela senzorja ter princip izdelave in delovanja optoelektronskega vezja. Ogledali si bomo še izsledke eksperimentalnih podatkov.

V MINIATURE OPTICAL HIGROMETER Key words: humidity, optical fiber, VCSEL, photodetektor, thermoelectric cooler, temperature sensor, miniature optical hygrometer UDK: 681.5:532.783(043.2) Abstract The graduate thesis describes the operation principles of a miniature optical hygrometer based on a dew point detection. A miniature thermoelectric cooler (Peltier element) is used for cyclical cooling of the tip of an optical fiber to establish the dew point temperature, which allows calculation of the absolute or relative humidity at the sourrounding temperature. The theoretical background is given to understand the basic design and the construction of the mechanical and optical part of the sensor and furtheron the operation of the opto-electronic circuit. Moreover there will be a review of the results of the experimental data.

VI KAZALO 1 UVOD... 1 2 TEORETIČNO OZADJE IN DELOVANJE MINIATURNEGA OPTIČNEGA MERILNIKA VLAŽNOSTI... 2 2.1 VLAŽNOST... 2 2.1.1 Absolutna vlažnost... 2 2.1.2 Relativna vlažnost... 3 2.1.3 Rosišče... 3 2.1.4 Mollierov diagram... 3 2.1.5 Vpliv atmosferskega tlaka... 6 2.2 3 4 DELOVANJE MINIATURNEGA OPTIČNEGA HIGROMETRA... 6 ZASNOVA MEHANSKEGA DELA SENZORJA... 8 3.1 PELTIERJEV ELEMENT... 8 3.2 SENZOR TEMPERATURE PELTIERJEVEGA ELEMENTA... 10 3.3 SENZOR TEMPERATURE OKOLICE... 11 ZASNOVA OPTIČNEGA DELA SENZORJA... 13 4.1 GRADNIKI OPTIČNIH VLAKENSKIH SENZORJEV... 13 4.1.1 Optično vlakno... 13 4.1.2 Optični vlakenski delilnik... 14 4.1.3 Polprevodniški viri svetlobe... 15 4.1.4 Fotodetektor... 16 4.2 5 DELOVANJE OPTIČNEGA SISTEMA... 18 ELEKTRIČNI DEL... 21 5.1 GONILNIK ZA VCSEL... 21 5.2 TRANSIMPEDANČNA STOPNJA... 22 5.3 GONILNIK ZA TERMOELEKTRIČNI HLADILNIK (TEC DRIVER)... 23 5.4 MERJENJE TEMPERATURE Z NTK TERMISTORJEM... 25 5.5 MIKROKRMILNIK... 28 5.6 NAPAJANJE... 29

VII 6 NAČRTOVANJE TISKANEGA VEZJA... 30 7 PROGRAM... 32 8 EKSPERIMENTALNI REZULTATI... 34 9 SKLEP... 38 10 LITERATURA... 40 11 PRILOGE... 41

VIII UPORABLJENI SIMBOLI a - absolutna vlažnost para - gostota vodne pare para,max - maksimalna gostota vodne pare - relativna vlažnost pd - delni parni tlak pnas - nasičen parni tlak x - entropija h - entalpija Pmax - maksimalna moč U, V - napetost U max - maksimalna napetost U o - izhodna napetost R upornost R TEC - upornost termoelektričnega hladilnika R (%) - refleksija v odstotkih I - električni tok I max - maksimalni tok I D - tok PIN diode nv - lomni količnik jedra nm - lomni količnik medija T - temperatura TR - temperatura rosišča Tmax -maksimalna temperaturna razlika v - gostota nasičene vlage

IX UPORABLJENE KRATICE TEC Termo-električni hladilnik (Thermo Electric Cooler) ali Peltierjev element PWM Pulzno širinska modulacija (Pulse Width Modulation) NTK Negativni Temperaturni Koeficient IR Infrardeče valovanje(infrared Radiation) LCD Tekočekristalni zaslon (Liquid Crystal Display) A/D Analogno Digitalni pretvornik VCSEL - Laser s površinskim oddajanjem in vertikalno resonančno votlino (Vertical Cavity Surface Emiting Diode)

1 Stran 1 UVOD V splošnem spadajo merilniki relativne vlažnosti na osnovi detekcije rosišča med najbolj točne tehnične instrumente za merjenje vlažnosti plinov. Razvoj optičnih senzorjev v zadnjih letih je omogočil ne samo izboljšavo že obstoječih, ampak tudi vpeljavo novih rešitev na tem področju. Tako lahko zlahka dosežemo večjo občutljivost na merjeno veličino. Takšna rešitev je tudi manj občutljiva na šum iz okolice in je cenovno ugodna. Točnost določanja vsebnosti vlage v zraku s optičnim higrometrom presega točnost ostalih merilnikov vlažnosti [1]. Poleg tega te merilnike odlikuje še dobra ponovljivost in zmožnost uporabe pri nizkih temperaturah, kjer ostale vrste higrometrov niso uporabne. Uporaba termoelektričnega hladilnika in miniaturnih temperaturnih senzorjev omogoča doseganje majhnih fizičnih dimenzij merilne sonde optičnega higrometra. Merjenje vsebnosti vlage v zraku lahko izvedemo z meritvijo spremljajočih pojavov in naknadnim numeričnim preračunom veličin. Za razumevanje delovanja našega merilnika vlažnosti, je zato predhodno nujno potrebno poznati nekaj osnovnih veličin in teoretično ozadje. Dodatno si bomo ogledali ogledali zasnovo mehanske strukture našega higrometra. Predstavili bomo tudi komponente optičnega dela senzorja in opisali izdelavo tiskanine z opto-elektronskimi elementi ter preučili delovanje programa za delovanje merilnega sistema. Na koncu bomo navedli in opisali rezultate, ter težave s katerimi smo se soočali pri raziskavi in predstavili smernice za nadaljnji razvoj senzorja.

Stran 2 2 TEORETIČNO OZADJE IN DELOVANJE MINIATURNEGA OPTIČNEGA MERILNIKA VLAŽNOSTI Preden se lotimo razumevanja principa delovanja miniaturnega optičnega higrometra in opisa vseh njegovih posameznih segmentov(sl. 2.1) moramo poznati teoretično ozadje. Slika 2.1: Shema celotnega opto-elektronskega vezja miniaturnega optičnega higrometra 2.1 Vlažnost 2.1.1 Absolutna vlažnost Množino vodnih hlapov v 1 m3 zraka imenujemo absolutna vlažnost zraka ( a ). Izražamo jo v kg/m3 ali g/m3. Vlage ne more biti v zraku poljubno mnogo. Pri določeni temperaturi lahko obstaja v vsakem m3 neka največja množina vlage. Pravimo, da je takrat zrak z vlago nasičen.

Stran 3 2.1.2 Relativna vlažnost Razmerje med vsebnostjo vodne pare v zraku in maksimalno vsebnostjo vodne pare, ki lahko obstoji v zraku pri dani temperaturi, imenujemo relativna vlažnost ( ). Izražamo jo navadno v odstotkih. para para,max 100% (2.1) Ker so gostote v enakem razmerju kakor tlaki, lahko relativno vlažnost zraka definiramo kot razmerje med delnim parnim tlakom vodne pare ( pd ) in nasičenim parnim tlakom ( pnas ) pri dani temperaturi izražene v procentih [2]: pd 100% pnas (2.2) 2.1.3 Rosišče Če se zrak nasičen z vlago ohladi, tedaj nastopi kondenzacija odvečne vlage v obliki vodnih kapljic ali ledenih kristalčkov. Temperatura pri kateri nastopi kondenzacija se imenuje rosišče. Omenimo še, da je različne temperature pri katerih se vodna para spremeni v kondenzat glede na različne vrednosti relativne zračne vlažnosti in temperaturo zraka mogoče tudi grafično prikazati na več načinov. 2.1.4 Mollierov diagram Mollierov h-x diagram (sl. 2.2) je namenjen za lažje računanje z vlažnim zrakom in preglednejše prikazovanje sprememb stanj. To je koordinatni sistem premaknjen za 90º v levo, ki ima na abscisni osi s padcem navzdol vrednost entropije ( x ), na ordinatni osi pa vrednost entalpije ( h ). Entropíja je termodinamična količina, ki si jo telesa izmenjujejo, ko izmenjujejo toploto. Pri reverzibilnih spremembah se entropija ne spremeni, pri ireverzibilnih spremembah pa se poveča. Entalpija je vsebnost toplote na enoto mase atmosferskega zraka, relativno na vsebnost toplote zraka pri 0 C [3].

Stran 4 Slika 2.2: Mollierov diagram za vlažen zrak Za lažje odčitavanje vrednosti entropije obstaja vodoravna pomožna os. V diagramu imamo prikazano krivuljo nasičenja = 1,0 oziroma 100 %, katera ločuje področje nenasičenega zraka (nad krivuljo) od področja nasičenega zraka (področje megle, pod krivuljo). Izoterme (krivulje konstantnih temperatur) v nenasičenem področju in pri temperaturi večji od 0 ºC so ravne črte z blagim vzponom, ki se na krivulji nasičenja obrnejo na desno navzdol (izoterme megle), pri čemer gredo skoraj vzporedno z črtami konstantne entalpije h. Poleg tega se vidijo tudi krivulje enake relativne vlažnosti zraka, enake gostote in/ali enakega specifičnega volumna. Funkcijo po kateri se spreminja relativna vlažnost v odvisnosti od temperature okolice in temperature rosišča smo pridobili posredno preko Mollierovega diagrama, saj smo za analizo uporabili podatke s tabel, ki so vzeti z Mollierovega diagrama.

Stran 5 Najprej smo izrisali odvisnost gostote nasičene vlage od njene temperature (sl. 2.3) in prilegajočo funkcijo s programskim okoljem Matlab. 45 odvisnost gostote zraka od temperature zraka (s tabel) prilegajoči polinom tretjega reda 40 gostota nasičene vlage [g/m3] 35 30 25 20 15 10 5-10 -5 0 5 10 15 temperatura nasičene vlage [ C] 20 25 30 35 Slika 2.3: Odvisnost gostote nasičene vlage od temperature v območju od -10 do 40 C Odvisnost gostote nasičene vlage( v ) od temperature nasičene vlage( T ) približno opisuje prilegajoči polinom tretjega reda: v (T ) n1 T 3 n2 T 2 n3 T n4, kjer so n1 do n6 realni koeficienti: (2.3) 4 n1 3,054 10 ; n2 8, 654; n3 0, 322; n4 5, 003 Sedaj lahko zapišemo končno enačbo po kateri bomo računali relativno vlažnost v obliki: v (TR ), v (T ) (2.4)

Stran 6 kjer sta: TR - temperatura rosišča in T - trenutna temperatura opazovanega zraka v C oziroma temperatura okolice. Omenimo še, da bi prišli do podobne empirične formule z uporabo odvisnosti nasičenega parnega tlaka v odvisnosti od temperature. 2.1.5 Vpliv atmosferskega tlaka Atmosferski tlak je mešanica plinske zmesi suhega zraka in vodne pare. Atmosferski tlak je toliko manjši, za koliko je več vlage v zraku. Vlažen zrak je namreč lažji od suhega. Gostota vodnih hlapov je pri enakem tlaku in enaki temperaturi približno 0,622 gostote suhega zraka. Nihanje tlaka atmosferskega zraka je majhno in ga večina merilnikov vlažnosti pri merjenju ne upošteva. Merilnik vlažnosti na osnovi detekcije rosišča pa omogoča merjenje vlažnosti tudi pri tlakih, višjih od atmosferskega. Medtem ko je nasičen parni tlak odvisen le od temperature, se delni parni tlak premosorazmerno povečuje z večanjem celotnega tlaka. Ob stalni vrednosti temperature merjenega zraka in isti količini vodne pare bo merilnik vlažnosti zaznal višjo temperaturo rosišča. Z optičnim merilnikom vlažnosti smo sicer izvajali poskuse le pri atmosferskem tlaku, bi pa odstopanje zaradi nihanja tlaka in prisotnosti suhega zraka tudi zaznali z uporabljenim referenčnim merilnikom vlažnosti, ki omogoča merjenje atmosferskega tlaka, temperature zraka in relativne vlažnosti. 2.2 Delovanje miniaturnega optičnega higrometra Optični merilnik vlažnosti temelji na hlajenju aktivne površine, kjer je stalni pretok zraka in se pri temperaturi rosišča nabira kondenzat. Hlajenje omogoča uporaba termoelektričnega hladilnika. Hladimo ker je, kot smo ugotovili, temperatura rosišča praviloma nižja od temperature okolice. Osnovna naloga našega merilnika je, da zazna trenutek začetka kondenzacije zraka. Hkrati mora točno v tem trenutku izmeriti temperaturo aktivne površine oziroma temperaturo rosišča. To pridobimo z uporabo miniaturnega temperaturnega senzorja, ki je integriran na termoelektričnemu hladilniku. Potrebno jo je prevesti potem naprej v odstotek relativne

Stran 7 vlažnosti zraka v prostoru. Detekcijo rosišča izvedemo s pomočjo optičnega sistema. Njegovo delovanje bomo podrobneje razložili kasneje. Na aktivni površini je sicer nameščen ravno odrezan konec mnogorodovnega optičnega vlakna. Težimo k čim bolj linearni, a hkrati dovolj počasni spremembi temperature aktivne površine. Površino z vlaknom hladimo s temperature okolice proti temperaturi rosišča in ko zaznamo znižanje optičnega signala proces hlajenja ustavimo. Izmerimo vrednost temperature in jo kot že prej omenjeno ustrezno pretvorimo. Merjenje lahko ponovno izvedemo, ko segrejemo aktivno površino nad temperaturo rosišča. Tukaj bi lahko uporabili tudi režim gretja aktivne površine, a nam že zadostuje višja temperatura okolice, ki nam hitro segreje aktivno površino zaradi majhnih dimenzij senzorja. Za izračun relativne vlažnosti je potreben še senzor temperature okolice. Obdelavo signalov in prikaz merilnih veličin izvedemo s pomočjo mikrokrmilnika in pripadajoče periferije. V nadaljevanju sledi natančnejši opis najpomembnejših segmentov miniaturnega optičnega higrometra z razlago njihovih značilnosti.

Stran 8 3 3.1 ZASNOVA MEHANSKEGA DELA SENZORJA Peltierjev element Pogoj, da lahko izvedemo detekcijo temperature rosišča, je ciklično hlajenje zraka v okolici konca vlakna oziroma aktivne površine. V ta namen uporabimo termoelektrični hladilnik, TEC. Gre za električno toplotno črpalko, ki temelji na Peltierjevem pojavu. To je pojav, kjer na spoju dveh različnih prevodnikov, skozi katera teče električni tok, prihaja do prenosa toplote v smeri temperaturnega gradienta (v smeri od nižje proti višji temperaturi). Torej se spojno mesto lahko hladi ali greje v odvisnosti od smeri in velikosti električnega toka skozi spoj. Termoelektrični spoj je spoj dveh različno dopiranih polprevodnikov n-tipa in p-tipa. V Peltierjevem elementu je več takšnih spojev (sl. 3.1), ki so medsebojno povezani. Peltierjevi elementi so sposobni ustvariti tako največjo temperaturno diferenco okrog 70 C. Slika 3.1: Tipična zgradba Peltierjevega elementa Za izdelavo čim bolj miniaturnega optičnega higrometra je ključna izbira Peltierjevega elementa čim manjših dimenzij. Pazimo na maksimalne vrednosti napetosti in toka s katerim ga lahko obremenimo, saj ima sam element zelo majhno upornost. Spet, če so

Stran 9 maksimalne vrednosti premajhne, lahko predstavljajo dodatne omejitve za dizajn krmilnega vezja termoelektričnega hladilnika. Izbira Peltierjevega elementa poljubno majhnih dimenzij tako ni mogoča. Parametri našega Peltierjevega elementa so zbrani v tabeli 3.1. Tabela 3.1: Osnovni parametri Peltierjevega elementa Tip Tmax [K] Pmax [W] 1MC04-012-05 70 1,25 I max [A] U max [V] 1,5 1,5 RTEC [Ω] 0,78 Peltierjevi elementi imajo še to slabost, da linearna sprememba toka ne zagotavlja linearne spremembe temperaturne diference na straneh elementa (sl. 3.2), kar bo pomembno pri načrtovanju krmilnega vezja. Slika 3.2: Odvisnost temperaturne razlike od toka skozi Peltierjev element Da omogočimo odvod toplote in s tem hlajenje vlakna na aktivni površini, to je hladni strani Peltierjevega elementa, moramo vročo stran obvezno pritrditi na hladilno telo [8]. Vmes mora biti dobra termokonduktivna snov. Aktivna površina ne sme s časom

Stran 10 oksidirati, saj se potem spremeni kemična sestava in omočljivost, s tem pa tudi pogoji kondenzacije. Običajno je izdelana aktivna površina pri komercialnih izvedbah takšnih senzorjev na bakreni osnovi in prevlečena s plastjo nerjavne kovine. 3.2 Senzor temperature Peltierjevega elementa Za merjenje rosišča oziroma merjenje temperature zraka na meji z aktivno površino, to je hladno stranjo Peltierjevega elementa, potrebujemo dovolj majhen temperaturni senzor, da ga lahko namestimo poleg konca vlakna. Uporabimo takšnega, s katerim lahko merimo temperaturo v celotnem temperaturnem razponu merjenja. Občutljiv mora biti na spremembe temperature aktivne površine in hkrati neobčutljiv na višjo temperaturo obtekajočega zraka. Pomembno je torej, kako ga namestimo na Peltierjev element. Če se le da, poskrbimo dodatno za izolacijo od okoliškega zraka. Za merjenje temperature se najbolj pogosto uporabljajo temperaturni senzorji kot na primer termočleni, kovinski uporovni termometri (PTXXX), polprevodniški uporovni termistorji (NTK, PTK), termometri na osnovi PN spoja itd. Mi smo uporabili NTK uporovni temperaturni senzor. Takšni senzorji omogočajo ceneno izvedbo, ponujajo veliko občutljivost merilnega sistema in so uporabni v omejenem temperaturnem območju. Imajo negativni temperaturni koeficient, kar pomeni, da se jim z povečanjem temperature upornost zmanjša in obratno. Dobimo jih tudi v miniaturnih izvedbah. Termistorji imajo nelinearno karakteristiko spreminjanja upornosti v odvisnosti od temperature (sl. 3.3). Funkcija oziroma enačba po kateri se spreminja temperatura zaradi upornosti se imenuje Steinhart Hartova enačba in se glasi: 1 a b ln( R ) c ln 3 ( R ), T (3.1) kjer so a, b in c tako imenovani Steinhart Hartovi parametri in so značilni za določeno vrsto termistorja. Funkcija je le aproksimacija tretjega reda nelinearne karakteristike

Stran 11 termistorja. Vseeno je pogrešek pri merjenju temperature zaradi uporabe Steinharth Hartove enačbe, ki ga pridobimo, manjši kot 0,02 C [9]. Slika 3.3: Upornost različnih NTK termistorjev v odvisnosti od temperature 3.3 Senzor temperature okolice Za izračun relativne vlažnosti potrebujemo poleg temperature rosišča tudi temperaturo okolice, ki jo izmerimo z dodatnim senzorjem temperature. Tukaj se lahko odločimo za bodisi analogno bodisi digitalno izvedbo, pri čemer moramo biti pozorni, da bo senzor uporaben znotraj našega merilnega temperaturnega območja. Izbrati moramo dovolj točen senzor, da pogrešek meritve temperature ne bo imel prevelik povraten vpliv na končen rezultat. Ker ima naš mikrokrmilnik na voljo tudi A/D module, ki bodo omogočili A/D pretvorbo, se odločimo za analogno izvedbo. Uporabimo temperaturni senzor LM35 na osnovi PN spoja [4,10]. Gre za precizijsko integrirano izvedbo temperaturnega senzorja, katerega izhodna napetost je linearno

Stran 12 proporcionalna Celzijevi temperaturni skali. Hkrati senzor ne potrebuje dodatne zunanje kalibracije ali umerjanja. Dosežemo lahko tipično točnost okrog 0, 25 C pri sobni temperaturi in 0, 75 C preko celotne skale (od -55 do +150 C). Senzor namestimo na lokacijo, ki je izolirana od vpliva motenj iz okolice kot je segrevanje oziroma ohlajanje Peltierjevega elementa in drugih komponent. Če želimo večjo ločljivost, lahko izhodni signal senzorja ojačimo z operacijskim ojačevalnikom in ga nato šele pripeljemo na vhod mikrokrmilnika. Ker pa je naš mikrokrmilnik zmožen opraviti celo 10-bitno A/D pretvorbo signala, izhodni signal kar direktno peljemo do vhoda mikrokrmilnika in nato vrednost pretvorimo v temperaturo. Zaradi precejšnjih motenj iz okolice vežemo med izhodom in maso še kot filter RC člen.

4 Stran 13 ZASNOVA OPTIČNEGA DELA SENZORJA Za razumevanje delovanja optičnega sistema miniaturnega optičnega higrometra, je potrebno poznati nekaj osnov o gradnikih optičnih vlakenskih senzorjev in njihove značilnosti. 4.1 Gradniki optičnih vlakenskih senzorjev Osnovni gradniki, ki sestavljajo optične vlakenske senzorje so: - optično vlakno, - optični vlakenski delilnik, - polprevodniški vir svetlobe, - fotodetektor. 4.1.1 Optično vlakno Optično vlakno je dielektrična struktura, ki omogoča vodenje svetlobe na velike razdalje z majhnimi izgubami. Sestavljeno je iz jedra, obloge in primarne zaščite. Jedro ima nekoliko večji lomni količnik kot obloga. Jedro in obloga tvorita valovodno strukturo (sl. 4.1). Po njej se valovanje širi po principu popolnega notranjega odboja [5]. Slika 4.1: Zgradba optičnega vlakna

Stran 14 Valovodne lastnosti vlakna so odvisne od oblike oz. strukture vlakna, relativnih dimenzij jedra in obloge glede na valovno dolžino svetlobe ter diaelektričnega lika vlakna. Glede na valovodne lastnosti delimo optična vlakna v naslednje skupine: 1. Mnogorodovna vlakna: mnogorodovna vlakna s stopničastim lomnim likom, mnogorodovna vlakna z gradientnim lomnim likom. 2. Enorodovna vlakna: Standardna enorodovna vlakna (namenjena za optične komunikacije pri valovnih dolžinah 1300 nm in 1550 nm), Posebna enorodovna vlakna, kot so enorodovna vlakna z ohranjanjem polarizacije, polarizajoča enorodovna vlakan, vlakna z dvojnim jedrom itd. Za naš senzor uporabimo mnogorodovna optična vlakna, pri katerih je premer precej večji od valovne dolžine vodene svetlobe. Skozi večrodovno vlakno se širi svetloba na več neodvisnih načinov, to je s svojo hitrostjo in značilno razporeditvijo polja v prečni smeri. Standardne dimenzije so: 50/125, 62,5/125 ter 100/140 (premer jedra/premer obloge v µm). 4.1.1.1 Odbojnost na koncu vlakna Odbojnost ali refleksija optičnega vlakna R (%) pove koliko odstotkov izmerjene optične moči se odbije nazaj po optičnem vlaknu in je definirana z izrazom: 2 n n R (%) v m, nv nm kjer je: (4.1) nv - lomni količnik jedra vlakna, nm - pa lomni količnik medija, v katerem se nahaja konec optičnega vlakna. 4.1.2 Optični vlakenski delilnik V mnogih optičnih aplikacijah se pojavlja potreba po prenosu moči iz enega optičnega vlakna v drugo optično vlakno. Energija med dialelektričnimi valovodi se izmenjuje preko

Stran 15 evanescentnega polja. Če vlaknom odstranimo del obloge ter ju namestimo dovolj blizu, se bo energija preko evanescentnega polja prenesla iz enega v drug valovod (sl. 4.2). Slika 4.2: Princip delovanja vlakenskega delilnika 4.1.3 Polprevodniški viri svetlobe Najpomembnejša skupina virov za optične komunikacije in vlakenske senzorje so polprevodniški viri svetlobe. V grobem jih lahko razdelimo v dve veliki skupini: injekcijske laserske diode (kratica ILD ali LD) in svetleče diode LED. 4.1.3.1 Laser s površinskim oddajanjem in vertikalno votlino (VCSEL) Na področju optične senzorike se pojavljajo predvsem polprevodniški laserji s površinskim oddajanjem in vertikalno resonančno votlino. Laserske oddajne diode so zelo majhne. Če bi jih postavili preveč skupaj bi bilo problematično hlajenje. Zato obstajajo manjša pakiranja. Zelo so uporabna za širokopasovne povezave. Prednosti polprevodniških laserjev VCSEL pred ostalimi komunikacijskimi laserji so majhnost dimenzij, majhna vhodna moč, velik izkoristek (do 47%), daljša življenjska doba, manjši stroški izdelave itd. Če oddajajo svetlobo valovne dolžine od 650 do 1300 nm, so ponavadi osnovani na galijevem arzenidu (GaAs). Za valovne dolžine od 1300 do 2000 nm se večinoma uporablja indijev fosfid (InP). Laserji VCSEL z višjimi valovnimi dolžinami so še v fazi eksperimentiranja in so ponavadi vzbujeni optično [11].

Stran 16 Za naš optični merilnik vlažnosti smo uporabili kot polprevodniški vir svetlobe VCSEL krajše valovne dolžine 850 nm (to je v IR področju) z integrirano močnostno monitor diodo za natančni nadzor optične moči [12]. Za detekcijo rosišča ne potrebujemo namreč večje moči. VCSEL in monitorska dioda sta integrirana znotraj kovinskega ohišja, ki ima hkrati na eni strani ST priključek, tako da ga lahko enostavno sklopimo z vlaknom. Potrebno je izdelati še gonilnik za VCSEL, ki bo zagotavljal konstantno optično moč. 4.1.4 Fotodetektor Fotodetektor je eden izmed pomembnejših gradnikov optičnega komunikacijskega oziroma senzorskega sistema ter ključno vpliva na lastnosti sistema. Naloga fotodetektorja je pretvorba optičnega signala v električno obliko. Zahteve za dober fotodetektor so: velika občutljivost pri delovni valovni dolžini, linearnost, kratek odzivni čas oziroma velika pasovna širina, minimalno razmerje signal/šum, stabilnost delovanja (neobčutljivost na vplive iz okolice in staranje), majhne dimenzije, nizke obratovalne napetosti, zanesljivost, majhen temni tok, nizka cena. Glede na način delovanja jih delimo na: fotodetektorje, ki temeljijo na zunanjem fotoelektričnem pojavu (fotopomnoževalka, vakuumska fotodioda, itd.), fotodetektorje, ki temeljijo na notranjem fotoelektričnem pojavu (PIN dioda, plazovna dioda).

Stran 17 V optični senzoriki se v glavnem uporabljajo PIN fotodiode in sicer iz GaAs in InGaAs polprevodnikov. Te imajo v primerjavi z običajno PN fotodiodo povečano zaporno področje zaradi vmesne i-plasti, ki je v osnovi čisti (nedopiran) polprevodnik. Z večjim zapornim področjem dobimo hitrejši odziv, nižjo šumnost, višjo kvantno učinkovitost ter občutljivost na svetlobo z večjo valovno dolžino. Za fotodetektor smo pri našem merilniku uporabili silicijevo PIN fotodiodo BPW34. Ta ima visoko občutljivost in veliko pasovno širino(do nekaj 100 MHz) znotraj valovnega območja med 0,8 in 0,9 µm. Odziv se zaradi velike energijske reže silicija (1.14eV) za valovne dolžine nad 1,09 µm močno poslabša. Občuljiva je torej znotraj vidnega in infrardečega področja svetlobe, torej tudi na svetlobo valovne dolžine 850 nm kot jo oddaja naš laser s površinskim oddajanjem in vertikalno votlino. Sami smo zasnovali ohišje (sl. 4.3), znotraj katerega smo namestili konec optičnega vlakna pravokotno na površino fotodetektorja. Slika 4.3: Optično vlakno in fotodetektor v notranjosti ohišja Razdalja med njima je okrog 0,8 cm, ker se širi svetloba iz odrezanega konca vlakna nekje pod kotom 15 stran od navpičnice (sl. 4.4). Svetlobo želimo namreč usmeriti enakomerno proti celotni površini fotodetektorja, da dobimo največjo vrednost izhodnega signala fotodetektorja.

Stran 18 Slika 4.4: Postavitev optičnega vlakna PIN dioda je sicer tokovni generator. Svetlobni signal na vhodu spremeni v električni tok. Za pretvorbo toka v napetost uporabimo tranimpedančno stopnjo, ki bo opisana v nadaljevanju. 4.2 Delovanje optičnega sistema Sedaj lahko razumemo delovanje optičnega sistema našega senzorja(sl. 4.5). Sestoji iz prej opisanih optičnih gradnikov.

Stran 19 Slika 4.5: Shema optičnega sistema miniaturnega optičnega higrometra Svetloba se od polprevodniškega svetlobnega vira širi po mnogorodovnem vlaknu najprej do vlakenskega delilnika, en del do optičnega gela, drug del do konca vlakna na Peltierjevem elementu. Optični gel ima enak lomni količnik kot jedro optičnega vlakna, zato se svetlobni val ne odbije od konca vlakna. Ravno nasprotno se na drugem koncu vlakna, tistem na termoelektričnem hladilniku, del svetlobe od ravne površine na koncu vlakna odbija in potuje nazaj preko delilnika do fotodetektorja. Pri tem je množina svetlobe, ki prispe na fotodetektor, odvisna od refleksije konca optičnega vlakna[6]. Ob zadostnem znižanju temperature konca optičnega vlakna z termoelektričnim hladilnikom, pride do kondenzacije vlage iz zraka na aktivni površini, torej na koncu vlakna. Posledično se zato zmanjša refleksija in s tem upad svetlobnega toka na fotodetektorju. Lomni količnik vode je namreč večji od zraka. Za vodo znaša lomni količnik približno 1,33, za zrak pa približno 1. Dodaten vzrok za upad odbojnosti na koncu optičnega vlakna je sipanje svetlobe na kapljicah kondenzirane vlage, kar poslabša sklop odbite svetlobe nazaj v optično vlakno (sl. 4.6).

Stran 20 Slika 4.6: a) suh konec vlakna - višja odbojnost, b) poslabšanje sklopa svetlobe v vlakno zaradi sipanja na kapljicah vode Za čim večjo dinamiko senzorja moramo kondenzirano vodo na koncu vlakna čim prej odstraniti. To bi lahko storili s kratkotrajnim segretjem konca optičnega vlakna z spremembo smeri električnega toka skozi termoelektrični hladilnik, a nam kot že omenjeno zadostuje segrevanje zaradi višje temperature obtekajočega zraka. Ob popolni izparitvi vode odbojnost na koncu optičnega vlakna naraste vrednost. Merilnik lahko pripravimo tako na ponovno meritev. na prvotno

5 5.1 Stran 21 ELEKTRIČNI DEL Gonilnik za VCSEL Za vzdrževanje konstantne optične moči skozi mnogorodovno optično vlakno potrebujemo za naš polprevodniški svetlobni vir VCSEL tokovni generator. Lahko bi dizajnirali svojega, vendar smo se odločili za uporabo integriranega vezja, ker z njim lažje nastavimo delovno točko in zagotovimo bolj zanesljivo delovanje svetlobnega vira. Uporabimo gonilnik ic-wkl za lasersko diodo proizvajalca ic - Haus z n-konfiguracijo diod (sl. 5.1) [13]. Slika 5.1: Shema gonilnika z n-konfiguracijo diod Potrebujemo le še nekaj eksternih komponent. Keramični kondenzatorji filtrirajo motnje, ki bi lahko prišle preko napajanja, in morajo biti nameščeni čim bolj blizu integriranega vezja laserskega gonilnika. Z uporom RM nastavimo optično moč laserja v izbrani delovni točki. Minimalna vrednost upornosti je odvisna od vrste laserske oziroma monitorske diode in jo izračunamo po enačbi, ki jo navaja proizvajalec:

Stran 22 RM V ( MDA), I ( MD) (5.1) kjer je: V ( MDA) - referenčna napetost na pinu MDA in znaša okrog 500 mv, I ( MD) - tok monitorske diode pri izbrani delovni točki. Za RM uporabimo zaporedno vezana fiksni upor in trimer za kalibracijo. IC-WKL ima znotraj sicer zaščitna vezja, ki ščitijo diode pred uničenjem, vendar vseeno posvetimo dovolj pozornosti dimenzioniranju uporov in montiranju diode. 5.2 Transimpedančna stopnja Transimpedančna stopnja ojačuje tokovni signal PIN diode, ter ga pretvori v napetost. Za našo aplikacijo uporabimo tako imenovani fotonapetostni režim obratovanja (sl. 5.2). Svetloba povzroči nastanek pozitivne napetosti. Z omenjenim režimom dosežemo majhen temni tok in nizek šum. Ustrezen je ravno za počasne in precizijske aplikacije kot je zaznavanje padca optične moči. Trasimpedančno stopnjo sestavljajo PIN dioda, operacijski ojačevalnik in v povratni zvezi ustrezen upor za ustrezno ojačanje signala [7]. Slika 5.2: Fotonapetostni režim obratovanja

Stran 23 Za transimpedančni ojačevalnik lahko uporabimo splošno namenske operacijske, lahko pa tudi takšne, ki so prav temu namenjeni. Paziti je treba samo, da ima manjšo pasovno širino, da ne ojačimo višjih frekvenc signala, kjer se v glavnem pojavlja šum in ne koristni del signala. Ko na PN spoj PIN diode posveti svetloba, steče čez diodo tok I D, ki je odvisen od optične moči. Lahko zapišemo: U 0 I D R1, (5.2) kjer je: U o - izhodna napetost, R1 - transimpedančno ojačanje. Za ojačevalnik smo izbrali nizkošumni, precizijski operacijski ojačevalnik OPA2376 [14], ki ga enojno napajamo z 5 V. Tako je izhodna napetost v območju od 0 do 5V. Optična moč prejeta vlakna je precej majhna, kar pomeni, da potrebujemo veliko ojačanje. Določimo ga po zgornji enačbi tako, da izmerimo tok na izhodu PIN diode in pazimo da ne presegamo izhodne napetosti 5 V. Ojačevalnik ima kar široko pasovno širino 5,5 Mhz, kar pomeni, da se nam zaradi majhne prejete optične moči na izhodu pri visokem ojačanju ojačajo tako tudi visokofrekvenčne motnje. To odpravimo tako, da vzporedno k uporu vežemo še kondenzator, ki tvori nizkopasovni filter. Izhod ojačevalnika vežemo na vhod mikrokrmilnika in uporabimo A/D pretvorbo, ter izračunamo napetost. 5.3 Gonilnik za termoelektrični hladilnik (TEC driver) Gonilnik mora omogočati nastavitev vrednosti in spreminjanje smeri toka skozi Peltierjev element. Lahko bi uporabili relejsko vezje, a smo se odločilie raje za integrirano vezje L298 z dvojnima polnima H-mostičema [15]. Sicer je namenjeno za poganjanje relejev, magnetnih, enosmernih motorjev in koračnih motorjev, a ga lahko uporabimo tudi za našo

Stran 24 aplikacijo, če breme zamenjamo z termoelektričnim hladilnikom in sestavimo vezje za dvosmerno enosmerno krmiljenje (sl. 5.3). Slika 5.3: Gonilnik za termoelektrični hladilnik (TEC driver) Potrebujemo samo enega od mostičev, saj lahko termoelektrični hladilnik obremenimo zaradi manjših dimenzij največ do 1,5 A. Če bi uporabili večjega in potrebovali večjo moč, bi uporabili oba. Z uporom RS omejimo izhodni tok. Vhodno stopnjo predstavlja sistem dveh vhodnih vrat, ki ju krmilimo z dvema pulznoširinskima modulatorjema iz našega mikrokrmilnika in vhod s čimer omogočimo delovanje mostiča. Slednjega lahko uporabimo tudi za hiter izklop gonilnika. Frekvenco PWM modulacije (sl. 5.4) in širino pulzov nastavimo z mikrokrmilnikom. Posredno nastavljamo s tem velikost toka na izhodu gonilnika.

Stran 25 Slika 5.4: Pulznoširinska modulacija Poudarimo še, da je gonilnik za termoelektrični hladilnik izredno velik vir motenj v napajanju, zato mu dodelimo lastno napajanje. 5.4 Merjenje temperature z NTK termistorjem Kot smo že ugotovili, lahko z znano vrednostjo upornosti NTK termistorja neposredno določimo temperaturo termistorja. Preračunavanje mora mikrokrmilnik opravljati, kar se da hitro. Takšna odvisnost je, kot smo ugotovili, matematično zahtevno opisana. Ker bo moral obenem naš mikrokrmilnik sočasno opravljati še več drugih nalog bi to bilo mogoče le z zmoglivejšim, vendar tudi dražjim mikrokrmilnikom. Da se temu izognemo, karakteristiko termistorja lineariziramo okrog izbrane delovne točke z napetostnim delilnikom (sl. 5.5).

Stran 26 Slika 5.5: Merjenje napetosti z napetostnim delilnikom S pomočjo simulacijskega orodja Multisim smo tako simulirali spremembo upornosti NTK termistorja zaradi spremembe temperature, pri tem pa merili napetost med priključnimi sponkami spodnjega upora. Ker bo A/D pretvornik pretvarjal napetosti na tem uporu od 0 pa vse do 5 V, lahko napajamo delilnik enosmerno s 5 V. Upornost spodnjega upora je enaka upornosti termistorja v izbrani delovni točki. Izbrali smo si delovno temperaturno točko 16 C. Delovno temperaturno točko smo si izbrali tam, kjer pričakujemo temperaturo rosišča. Takrat je upornost termistorja 15 kω. Podatke o spremembi upornosti termistorja v odvisnosti od temperature najdemo v tabelah, ki jih podaja proizvajalec. Sicer je ta odvisnost opisana za naš NTK termistor z Z karakteristično krivuljo. Merjenje napetosti na 15 kω uporu je celo bolj točno kot na realnem sistemu, saj program omogoča izbiro precizijskih uporov in odpravo pogreška multimetra, ki bi ga sicer morali upoštevati pri našem izračunu. S programskim okoljem Matlab smo nato izrisali odvisnost temperature termistorja od napetosti ter s pomočjo matematičnega orodja programa pridobili prilegajočo funkcijo (sl. 5.6).

Stran 27 40 izmerjene točke polinom tretjega reda 35 30 T[ C] 25 20 15 10 5 0 1.6 1.8 2 2.2 2.4 2.6 U[V] 2.8 3 3.2 3.4 3.6 Slika 5.6: Temperatura termistorja v odvisnosti od napetosti Funkcija je opisana z naslednjo aproksimacijo: T (U ) p1 U 3 p2 U 2 p3 U p4, kjer so p1 do p6 realni koeficienti: (5.3) p1 1, 245 ; p 2-8, 339; p3 35, 43; p 4-40, 93 Kot je razvidno gre za polinom tretjega reda. Z grafa vidimo tudi, da nam je uspelo karakteristiko termistorja linearizirati okrog delovne temperaturne točke 16 C, tedaj ko je napetost na spodnjem uporu 2.5 V. Sedaj bomo lahko izmerili napetost spodnjega upora in jo enostavno pretvorili v ustrezno temperaturo NTK termistorja tudi z manj zmogljivim mikrokrmilnikom.

Stran 28 5.5 Mikrokrmilnik Osrednji del našega vezja je mikrokrmilnik PIC18F2550. Omogoča zajemanje in obdelavo podatkov, hkrati pa z njim krmilimo gonilnik za termoelektrični hladilnik. Ima 28 vhodno/izhodnih nožic ali pinov za priključitev (sl. 5.7), deset 10-bitnih A/D pretvornikov, dva standardna CCP modula, UART serijsko vodilo in več drugih funkcij [16]. Slika 5.7: Mikrokrmilnik PIC18F2550 z priključnimi pini Napajamo ga z 5V na Vdd (pin 20) preko USB povezave z računalnikom. Maso priključimo na Vss, to je pina 8 in 9. Postavitev pina 1 na maso povzroči reset in ponoven zagon programa, drugače mora biti priklopljen na +5V. Za oscilator uporabimo kar 20 Mhz zunanji kvarčni oscilator, ki ga priklopimo na OSC1 in OSC2 (pina 9 in 10). Skupaj to predstavlja 6 pinov za delovanje mikrokrmilnika, ostalih 22 lahko uporabimo za povezavo z okolico. Ti so razdeljeni na 3 PORTE. Programirali smo ga v programskem jeziku C, za prevajalnik pa smo uporabljali prevajalnik CCS C.

5.6 Stran 29 Napajanje Kot smo ugotovili sestoji naše opto-elektronsko vezje iz več segmentov, kjer potrebujemo različne napajalne napetosti. V glavnem potrebujemo 5V in 8V napajanje, za kar uporabimo 1,5 A regulatorje pozitivne napetosti (sl. 5.8). tipov L7805CV (5V) in L7808CV (8V). Slika 5.8: Napetostni regulator Ker je termoelektrični hladilnik velik tokovni porabnik ter povzroča TEC driver večje napetostne motnje, smo uporabili posebej 5 V stabilizator za napajanje logičnega vezja TEC driverja. Dodatno potrebujemo še 8 V stabilizator za delovanje samega gonilnika. Ostali del vezja sestavljajo manjši porabniki, tako da smo dodali še en stabilizator za 5 V napajanje. Veliko motenj se v vezju prenaša preko mas. Mase določenih elementov zato med sabo ločimo in jih povežemo med seboj v eni točki.

Stran 30 6 NAČRTOVANJE TISKANEGA VEZJA Po načrtovanju in preizkusu vseh segmentov realiziramo celotno opto-elektronsko vezje. Projektiranje tiskanega vezja smo izvedli s programom Altium Designer. Po kreiranju potrebnih datotek za naš projekt smo vse potrebne elemente in njihova podnožja, ki jih ni bilo na voljo v prednaloženih knjižnicah, ustvarili i n vnesli v knjižnico. Nato smo narisali shemo celotnega vezja (sl. 6.1). Slika 6.1: Risanje sheme Celotno vezje smo narisali po segmentih na večih listih in jih kasneje združili. Povezave med elementi smo tudi ustrezno označili. Nato smo ustvarili PCB datoteko in jo posodobili. Po končani shemi posodobimo že prej ustvarjeno PCB datoteko. Program nam sam vstavi podnožja elementov. V kolikor smo pravilno izvedli izris sheme, nimamo težav z izrisovanjem povezav na tiskanini, saj jih program samodejno nakaže. V slučaju napake nas tudi ustrezno opozori. Vse elemente je bilo sedaj potrebno razporediti ter jih med sabo povezati s povezavami, ki predstavljajo baker (sl. 6.2). Po končanem (SLIKA) smo lahko natisnili tiskanino in jo pripravili za jedkanje. izrisu

Slika 6.2: Načrtovanje tiskanega vezja Stran 31

Stran 32 7 PROGRAM Diagram poteka programa (sl. 7.1), ki je napisan v C-programskem jeziku. Slika 7.1: Diagram poteka programa

Stran 33 V prvem koraku inicializiramo celotni merilnik. Nastavimo vse vhode, izhode, izvršimo inicializacijo za LCD in ostale funkcije na mikrokrmilniku. Nato preberemo in prikažemo začetno stanje, to je temperaturo okolice, temperaturo NTK temperaturnega senzorja na termoelektričnem hladilniku in napetost s transimpedančne stopnje. Po končanem umerjanju merilnega senzorja izvedemo meritev na naslednji način: Preberemo vrednosti temperatur s temperaturnih senzorjev s pomočjo 10-bitnih A/D pretvornikov in ju primerjamo. Preberemo na enak način začetno napetost z transimpedančne stopnje. Izvedemo funkcijo za hlajenje Peltierjevega elementa, kjer omogočimo CCP modul in sprožimo pulznoširinsko modulacijo z že začetno nastavljeno pulzno širino. Sledi detekcija rosišča, kjer preberemo vrednost napetosti in jo primerjamo z začetno napetostjo. Če je padec napetosti in s tem optične moči zadosten, smo zaznali rosišče in iz temperatur preračunamo relativno vlažnost. Na koncu jo še izpišemo na LCD zaslon. Če padca ni bilo in temperatura NTK termistorja ne pada, povečamo pulzno širino pulznoširinskega modulatorja za občutnejšo hlajenje in postopek ponovimo. Meritev smo zaključili, ko smo zaznali rosišče. Sledi ponovno umerjanje in postavitev začetnih vrednosti za novo meritev.

Stran 34 8 EKSPERIMENTALNI REZULTATI Vse meritve smo izvajali v zaprtem prostoru, vendar brez merilne komore, kjer bi lahko natančno spreminjali vlažnost zraka. Za delovno temperaturno področje smo sicer izbrali območje med -10 pa do 40 C. Za primerjavo izmerkov smo uporabili komercialni merilnik relativne vlažnosti COMET T7511, ki obenem meri tudi temperaturo zraka in zračni tlak. Proizvajalec zagotavlja njegovo točnost merjenja relativne vlažnosti na 2,5%,temperature na 0, 4 C in tlaka na 0,13 kpa natančno pri temperaturi 23 C. Omenjene veličine meri na 1s interval. Najprej nas je zanimalo, kako se obnese naš optični merilnik vlažnosti, če hlajenje poteka pri polni moči termoelektričnega elementa, ogrevanje pa le z izklopom njegovega gonilnika, sepravi s segrevanjem okoliškega zraka. Padec optične moči smo zaznali, vendar je bila prisotna velika histereza, saj smo rosišče zaznali pri prenizki temperaturi zaradi prehitrega ohlajanja konca optičnega vlakna. Proces kondenzacije traja namreč določen čas in se ne zgodi nemudoma. Kasneje smo izvedli poskuse z počasnejšim ohlajanjem, ki so dajali zanesljivejše rezultate (sl. 8.1).

Stran 35 Slika 8.1: Merjenje napetosti v odvisnosti od temperature Ohlajali smo konec optičnega vlakna od 27,5 C pa do 0 C in merili napetost na izhodu transimpedančne stopnje. Pri temperaturi 13 C smo zaznali padec napetosti, ki je posledica padca optične moči zaradi kondenziranih kapljic vode na koncu vlakna. Takrat smo torej zaznali rosišče. Kasneje smo ugotovili, da pa je pri prepočasnem ohlajanju bila mogoča sprememba relativne vlažnosti zaradi mešanja zraka, če meritev ni bila izvršena v zaprtem prostoru. Parametre našega senzorja smo skušali nastaviti tako, da smo se čim bolj približali realnim vrednostim relativne vlažnosti. Program smo napisali tako, da smo prvo meritev izvedli počasi, da smo dobili okvirno temperaturo rosišča, nadaljnje pa vse hitreje s pomočjo regulacije pulzne širine. Parametre regulatorja smo eksperimentalno določili, saj je sistem analitično težko opisati.

Stran 36 Rezultate meritev smo nato primerjali s komercialnim merilnikom (sl. 8.2), s čimer smo hkrati določali relativno vlažnost. Slika 8.2: Primerjava higrometrov pri zaporednem merjenju relativne vlažnosti Ugotovimo, da odstopanja izmerjenih rezultatov niso bila tako velika in smo se v določenem intervalu uspeli približati realnim vrednostim z natančno nastavitvijo parametrov. Pri tem moramo upoštevati, da je verjetno prišlo do pogreškov, ker potrebuje naš merilnik za eno meritev precej več časa kot komercialni, tako da odčitavanje ni nikoli potekalo sočasno. Merilnika tudi nista bila na istem mestu, ampak v bližini. Vidimo pa, da se spreminja relativna vlažnost zaradi premikanja zračne mase znotraj samega zaprtega prostora tako kot pri enem kot pri drugem merilniku. Z zgornje primerjave lahko absolutno točnost relativne vlažnosti našega merilnika ocenimo nekje na 4%. Omenimo, da je bilo težko doseči ponovljivost procesa merjenja. Namreč parametri se nam spreminjajo, ker se na vodni sloj v času kondenzacije v kratkem času ujamejo prašni delci in druga nečistoča iz okolice, ki spremenijo pogoje kondenzacije. Zato smo ugotovili, da se moramo izogniti predolgemu ohlajevanju in takoj po kondenzaciji hitro segrejemo aktivno površino.

Stran 37 Vselej lahko ugotovimo, da proces kondenzacije ne poteka enakomerno. Z zmanjševanjem hitrosti spreminjanja temperature hladne strani termoelektričnega hladilnika se povečuje ojačanje zanke, ki vodi do nihanja sistema. Natančnost našega merilnika bi tako lahko tudi ocenili z točnostjo NTK temperaturnega senzorja, pri čemer pa bi morali zanemariti naključne vplive, ki so posledica same kondenzacije. Pri merjenju smo tudi opazili, da je bila točnost merjenja vlažnosti zraka pri nižji temperaturi zraka in zmanjšani relativni vlažnosti nekoliko manjša. Verjetno pride do večjega pogreška zaradi vpliva temperature obtekajočega zraka okoli senzorja in načina odvajanja toplote na drugi strani našega senzorja. Spodaj nismo imeli nameščenega ventilatorja, ki bi lahko odvajal zrak. Odvajanje lahko predstavlja dodatni problem, če spremenimo lego senzorja. Vendar omenimo, da smo naredili le nekaj krajših preizkusov v navpični legi in se bolj v podrobnosti nismo spuščali. Sicer smo naše meritve izvajali tako, da sta bila konec vlakna ter temperaturni senzor zgoraj v vodoravni legi nameščena na hladni strani termoelektričnega hladilnika (sl. 8.3). Slika 8.3: Konec vlakna in temperaturnega senzorja na termoelektričnem hladilniku v fazi eksperimentiranja

Stran 38 9 SKLEP Osnovni cilj diplomskega dela je bil razvoj in izdelava miniaturnega optičnega higrometra na osnovi optične detekcije rosišča. S predhodno analizo teoretičnega ozadja in z eksperimentalnimi rezultati smo preverili in raziskali tudi značilnosti merilnika. Preučili smo njegovo delovanje v primerjavi z referenčnim merilnikom. Pri preverjanju točnosti smo ugotovili prisotnost sistemskega pogreška. Odvisen je od kvalitete obdelave signalov in natančnosti nastavitev parametrov za umerjanje. Meritve smo sicer izvajali pri temperaturah zraka od 24 do 30 C in relativnih vlažnostih 48 do 60 %. Trenutno absolutno točnost relativne vlažnosti ocenjujemo na 4%. Če pomislimo, smo dobili enačbo za preračunavanje relativne vlažnosti z uporabo aproksimajoče funkcije odvisnosti gostote nasičene vlage v odvisnosti od temperature. Na enak način smo tudi preračunavali linearizirano karakteristiko temperature termistorja preko napetosti na napetostnem delilniku. Sklepamo lahko, da je bila metoda dokaj točna glede na merilne rezultate in je primerna za praktično uporabo na realnem sistemu merjenja relativne vlažnosti znotraj izbranega temperaturnega področja od -10 do 40 C. Ker kondenzacija ne nastopi takoj mora hlajenje termoelektričnega hladilnika potekati enakomerno in počasi. Zato se pojavljajo včasih večja odstopanja, ker naš senzor ne more slediti spremembam vlažnosti zraka hitrejših od enega cikla merjenja. Ugotovili smo, da je senzor uporaben tako le v zaprtih prostorih, kjer ni tako hitre spremembe vlažnosti zraka. Opazili smo, da imajo pogoji kot so hitrost hlajenja termoelektričnega hladilnika, spreminjanje lege senzorja ali vpliv temperature okoliškega zraka okrog aktivne površine na merilne rezultate lahko precej negativen vpliv. Zasledili smo tako nekaj pomanjkljivosti povezane s konstrukcijo, ki še zaenkrat onemogočajo ponovljivost meritev in zanesljivo delovanje optičnega higrometra. Sicer lahko rečemo, da smo s pomočjo opto-elektronskih podsklopov in programske opreme uspeli uspešno izdelati samostojni merilni sistem.

Stran 39 Potrebno bi bilo v prihodnje izdelati manjšo komoro in tako zavarovati konec vlakna na termoelektričnem hladilniku pred vplivi iz okolice kot so izpostavitev direktni zunanji svetlobi, nečistoča zraka in hkrati zagotoviti prepihovanje. S tem bi povečali absolutno točnost higrometra. Preveriti bi bilo potrebno tudi vpliv različnih premazov na omočljivost aktivne površine oziroma delovanje higrometra, ter bolj podrobno raziskati vpliv lege na pogrešek meritve. Če bi izboljšali delovanje programa higrometra, bi lahko dosegli verjetno še večjo natančnost in ponovljivost meritev. S tem upamo, da smo z našim diplomskim delom nakazali smernice za nadaljnjo teoretično in eksperimentalno raziskavo področja na področju optičnih merilnikov vlažnosti.

Stran 40 10 LITERATURA [1] Aleš Babnik, Nove vrste odbojnostnih senzorjev z optičnimi vlakni, Ljubljana, 1997 [2] http://www.p-ng.si/~perko/energetika/vlzrak/vlzrak.htm [3] Mitja Kožuh, Prezračevanje, zapiski [4] Denis Đonlagić, Senzorji Meritve temperatur, zapiski predavanj, 2009 LM35 [5] Denis Đonlagić, Miha Završnik, Dali Đonlagić, Fotonika: Uvodna poglavja, iz predavanj, 2006 MOLIER pa to Maribor, 1997 [6] E. Cibula, D. Đonlagić, Klimatska komora za izdelavo polimernih membran. V: ZAJC, Baldomir (ur.). Zbornik trinajste mednarodne elektrotehniške in računalniške konference ERK 2004, 27. - 29. september 2004, Portorož, Slovenija [7] Denis Đonlagić, Osnove gradnje prilagoditvenih vezij v senzorskih sistemih, zapiski predavanj, 2010 [8] RMT Ltd., Thermoelectric Module Datasheet, 2008 [9] Quality Thermistor Inc.,NTC thermistor design guide- for discrete components and probes, Podatkovni list, 2010 [10] National Semiconductor Corporation, LM35 - Precision Centigrade Temperature Sensors, 1995 [11] http://en.wikipedia.org/wiki/vcsel [12] Optec Technology Inc., Vertical Cavity Surface Emitting Laser in ST Optical SubAssembly, Podatkovni list, Oktober 2003 [13] ic-haus, ic-wk, ic-wkl - 2.4 V CW laser diode driver, Podatkovni list, 2010 [14] Texas instruments, OPA2376 - Low-Noise, Low Quiescent Current,Precision Operational Amplifier, Podatkovni list, Junij 2007 [15] STMicroelectronics, L298 - DUAL FULL-BRIDGE DRIVER, Podatkovni list, Januar 2000 [16] Microchip Tehnology Inc., PIC18F2550, Podatkovni list, 2009

Stran 41 11 PRILOGE PRILOGA (A) Vezalne sheme ter tiskanine...1 PRILOGA (B) Program...9 PRILOGA (C) Kazalo slik...9

DIPLOMSKO DELO - PRILOGA(A) PRILOGA (A) VEZALNE SHEME TER TISKANINE Stran 1

Stran 2 DIPLOMSKO DELO - PRILOGA(A)

DIPLOMSKO DELO - PRILOGA(A) Stran 3

Stran 8 DIPLOMSKO DELO - PRILOGA(A) TISKANINA GONILNIKA ZA TEC TISKANINA ZA NAPAJALNI DEL, LCD, TRANSIMPEDANČNO STOPNJO, TEMPERATURNE SENZORJE IN GONILNIK ZA VCSEL

DIPLOMSKO DELO - PRILOGA(B) Stran 9 PRILOGA (B) PROGRAM /******************************************************************** * MINIATURNI OPTIČNI MERILNIK VLAŽNOSTI * * * * Avtor: Tomaž Hribernik * * Datum: Avgust 2010 * * * ********************************************************************/ #include "C:\Users\Tom\Desktop\CCS združen prg\main.h" #include "C:\Users\Tom\Desktop\CCS združen prg\lcd_tom.c" #include <math.h> // rezerviran prostor za bootloader #define _bootload #ifdef _bootload #define LOADER_END 0x7FF #define LOADER_SIZE 0x6FF #build(reset=loader_end+1, interrupt=loader_end+9) #org 0, LOADER_END {} #endif // prostor za inicializacijo LDC-ja #define LCD_ENABLE_PIN PIN_B0 #define LCD_RS_PIN PIN_B1 #define LCD_RW_PIN PIN_B2 #define LCD_TYPE 2 /*****************************DEFINIRANE SPREMENLJIVKE******************/ int16 ADvalue1, ADvalue2, ADvalue3; float napetost1, napetost2, napetost3; float temperaturantk, temperatura_okolice, temperatura_rosisca,stara,starejsa; float zacetna,zacetna_napetost; float RH,E,Es; int flag,i; int duty; int detekcija_rosisca = 0; /***************************BRANJE temperature NTK ********************/ float branje_temperature_ntk(){ set_adc_channel(0); // določi adc kanal AN0 za branje delay_us(10); //zakasnitev za branje ad ADvalue1 = read_adc();//branje AD vrednosti z 10bitnim ad pretvornikom //preračun v napetost napetost1 = (float)(advalue1 * 5.00)/1023.00; //izračun temperature NTK, delovna točka 16 C temperaturantk = 1.21*napetost1*napetost1*napetost1 + (8.053)*napetost1*napetost1 + 34.78*napetost1 + (-39.53); return temperaturantk;