Projektübersicht

Ich habe die Aufgabe, ein mikroprozessorbasiertes Gerät zu entwickeln, mit dessen Hilfe die Lichtquelle bestimmt werden kann (natürliches Licht, Leuchtstofflampen, LED-Lampen, Glühlampen, Flammen - Waldbrand). In diesem Stadium wird nur das sichtbare Licht berücksichtigt.

Nach meiner Forschung besteht die einzige Möglichkeit, die Lichtquelle zu unterscheiden, darin, das Emissionsspektrum zu analysieren und es eng an bekannte Werte anzupassen . Beispiel:

Lösungen in Betracht gezogen

Messung des RGB-Zusammensetzungsverhältnisses des Lichts

Ich habe überlegt, diesen Weg zu gehen, da es nicht zu kompliziert erscheint, kleinere Geräte, die sich problemlos als Waldbrandmelder in das größere Projekt integrieren lassen und sogar von meinem Vorgesetzten vorgeschlagen werden. Ich bezweifle jedoch, dass dies sehr genau wäre, da einige Lichtquellen nahe beieinander liegen könnten (die Intensität ist das, was auf einer Wellenlänge im Park gemessen wird).

Der Sensor, den ich gerade betrachte, ist der Hamamatsu S10917-35GT RGB-Farbsensor , der nur für die erforderlichen Wellenlängen empfindlich ist.

Aufbau eines hochauflösenden Spektrographen mit einem Beugungsgitterfilm

Dieser Weg ist viel komplizierter und erfordert eine externe Verarbeitung der Bilder, um die Lichtquelle zu bestimmen. Grundsätzlich bauen Sie einen Spektrographen mit einem Beugungsgitterfilm und einer hochauflösenden Kamera. Das Bild wird mit einer Computersoftware verarbeitet, um den Emissionsspektrumgraphen zu zeichnen, und Sie können den Graphen analysieren, um die Lichtquelle zu bestimmen. Entwicklungshandbuch ist hier

Leider ist dies nicht sehr praktisch, da wir es vorziehen würden, wenn das Hauptziel des Geräts allein und ohne Netzwerk funktioniert.

Also die Frage

• Gibt es einen Nachteil bei meiner ersten Lösung?
• Gibt es eine bessere Lösung? Kann es am besten auf ein eigenständiges Gerät passen?
• Dies wäre wahrscheinlich weit hergeholt, aber gibt es einen Sensor, der eine Lichtemission analysieren und Intensitätswerte für einen Bereich ausgewählter Wellenlängen liefern kann? Oder zumindest etwas, das mir helfen würde, ein Gerät zu bauen, das dies tut.

Sie suchen wirklich jemanden, der das schon gelöst hat, nehme ich an. Aber ich selbst kenne kein Projekt. Alles, was ich anbieten kann, sind ein paar Überlegungen.

Auf Spektrometern:

1. $\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$
2. Kleine Megapixel-Digitalkameras sind auch billig. Ein Array könnte auch verwendet werden, aber heutzutage scheint eine komplette 2D-Kamera billiger und verfügbarer zu sein. Also würde ich mich nicht um ein Array kümmern.
3. Mit einer DVD-RW können Sie die gelben Spektrallinien von Quecksilber bei 577 nm und 579 nm trennen. (Allerdings nicht mit einer CD.) Ich habe das selbst mit einer DVD-RW und einer Quecksilber-Argon-Lampe gemacht.
4. Die Wellenlängenkalibrierung ist billig. Besorgen Sie sich einfach eine Quecksilber-Argon-Lampe. Sie werden die Argonlinien in der ersten Minute oder so erhalten, dann werden die Quecksilberlinien später dominieren. Aus dieser Kombination können Sie Ihre Kamerapixel einfach im Verhältnis zur Wellenlänge kalibrieren. Die für die Kalibrierung verwendeten Hg-Ar-Lampen haben mich ungefähr 8 USD gekostet, aber ich erwarte, dass sie jetzt teurer sind.
5. Intensitätskalibrierung ist teuer. Sie benötigen eine Standardlampe, die auf NIST-Standards rückführbar ist. Diese muss nach etwa 100 Betriebsstunden neu kalibriert werden. Es sind billige, nicht kalibrierte Glühbirnen. Der Kalibrierungsprozess kostet jedoch echtes Geld. Dann müssen Sie auch eine gute optische Anordnung treffen. Dies ist jedoch die einzige Möglichkeit, herauszufinden, wie jedes Ihrer Pixel auf die Wellenlängen reagiert, mit denen es getroffen wird. Ehrlich gesagt würde ich versuchen, all dies zu vermeiden, und hoffen, dass ich es nicht brauchte oder einfach eine einfache Näherung an eine Standardlampe anwenden und kein Geld für die eigentliche Kalibrierung verschwenden konnte, in der Hoffnung, dass das, was ich bekam, gut genug war. Oder stören Sie sich überhaupt nicht und verwenden Sie eine manipulierte Gleichung und Zahl, "na ja", und sehen Sie, wie es geht. Die Chancen stehen gut, dass Sie diesen Schritt hinter sich lassen und dennoch nützliche Ergebnisse erzielen können, wenn Sie nur sorgfältig überlegen.
6. Sie können wahrscheinlich in Betracht ziehen, von 450 nm auf 750 nm zu wechseln, aber Sie können nicht hoffen, eine Oktave mit einem einzelnen Gitter zu überschreiten. Möglicherweise möchten Sie eine Art Filter verwenden, damit die spektralen Energien nicht auf denselben Pixeln verwechselt werden. Oder machen Sie sich einfach keine Sorgen und experimentieren Sie.
7. Eine optische Ablenkung ist erwünscht, um zu vermeiden, dass Fremdlicht dort ankommt, wo es nicht erwünscht ist.
8. Tony hat mich nur daran erinnert, dass du einen schmalen Schlitz brauchst - ungefähr so ​​schmal, wie du es schaffen kannst. Ich bevorzuge die Verwendung von zwei alten Rasierklingen, die angepasst werden können. Einer fest, einer beweglich. Aber für die Pappschachtel aus Karton habe ich einfach eine Exacto-Klinge 'sehr vorsichtig' verwendet, um einen schmalen und gleichmäßig schmalen Schlitz zu erzeugen.

Ich habe das alles mit einem Blatt Papier (Karton) gemacht, das ich ausdrucken und dann ausschneiden, Laschen falten, Elmers Kleber verwenden und eine Schachtel mit Leitblechen aus Papier herstellen. Das Leitblech verwendet eine spezielle dunkle Beflockung, um das ungehinderte Licht zu absorbieren und zu blockieren. Die DVD wird im richtigen Winkel eingelegt, und eine kleine Kamera wird am Ausgang platziert. Ich habe dies mit meinem eigenen Auge benutzt, um verschiedene Lichtverhältnisse im Haus zu beobachten und es funktioniert meiner Meinung nach PERFEKT. Ich kann problemlos zwischen Glühlampen, Leuchtstofflampen und LED-Lichtquellen unterscheiden. Und die Sonne übrigens. Ich habe eine DVD-R ausprobiert und sah sofort eine riesige fehlende Band in den roten Zahlen. Deshalb sage ich Ihnen, dass Sie eine DVD-RW benötigen, wenn Sie sich für diese Region interessieren.

Ich könnte einige Pläne für all das veröffentlichen, nehme ich an. Position des Schlitzes, des DVD-Winkels usw. Bei meinem Box-Design wird die gesamte DVD-RW verwendet (da ich andere DVD-Medien und / oder eine CD in einem anderen Winkel einlegen wollte, habe ich zwei davon anders gemacht) Einsteckschlitze für diesen Zweck), ist nur ein winziger Teil der DVD-RW-Oberfläche tatsächlich betroffen (wenn diese richtig verblüfft ist). Deshalb habe ich auch gern die gesamte DVD-RW verwendet, da ich die DVD in Stücke schneiden würde betone es und das wollte ich auch nicht.

$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$$\frac{\textrm{lines}}{\textrm{mm}}$

Bei RGB:

Der von Ihnen erwähnte RGB-Sensor hat, wie ich erwartet hatte, eine sehr breite Akzeptanz der Wellenlängen in jedem der drei Sensoren. LEDs haben in der Regel sehr große Ansprechbereiche (sie senden und empfangen über einen großen Wellenlängenbereich). Dieser Sensor reagiert nur geringfügig überlappend. Wie gut das alles für dich funktionieren wird, wäre eine Frage des Experimentierens, denke ich. Sie können stattdessen einen Computercode mithilfe Ihrer Kurven und der Antwortfunktionen des Sensors anwenden, um festzustellen, ob er gewartet werden kann. Aber ich werde nicht einmal versuchen, es für Sie zu schreiben. Vielleicht ist es das Beste für Sie, den Sensor zu kaufen und zu testen. Es kann gut für Ihre Bedürfnisse sein. Aber ich kann Ihnen weder Ja noch Nein sagen, wenn Sie einen kurzen Blick darauf werfen. Ich habe auch nicht versucht, dies mit RGB zu tun, also ist das ein weiterer Grund, warum ich es kann. '

Ich mochte Eugenes Kommentar zur Häufigkeit, auch. Glühbirnen (und ich habe dies mit einem sehr empfindlichen Instrument getestet - mit einer Auflösung von mehreren zehn Mikrokelvin und einer Genauigkeit von mehreren hundert Mikrokelvin, die auf NIST-Standards zurückgeführt werden kann, wenn ich an solchen Dingen arbeite) variieren während des Wechselstromzyklus ungefähr 3% ihrer Amplitude bei 60 Hz. (Bei 50 Hz wäre das anders.) Leuchtstoffe arbeiten sowohl bei Netzfrequenzen als auch bei hohen Frequenzen (beide werden hergestellt und verwendet). Ihre Emissionen gehen jedoch über Leuchtstoffe, die häufig schnelle Reaktionszeiten haben. (Einige Leuchtstoffe sind langsam, in der Größenordnung von Millisekunden Tausend, da sie von verbotenen Triplett- zu Singulett-Übergängen abhängen. Viele von ihnen sind jedoch sehr schnell - Tausend Mikrosekunden.) Möglicherweise müssen Sie hier einige Experimente durchführen. Aber ich denke, das könnte fruchtbar sein, weil Sie elektronische Schaltungen für sehr schmale Bänder entwerfen können, wenn Sie möchten. Du' Ich muss mich darum kümmern, das Signal so aufzubereiten, dass die Verstärkerkette nicht gesättigt wird. Aber das ist machbar. Die in modernen LED-Lampen verwendeten Frequenzen habe ich mir allerdings nicht angesehen. Und ich überlasse es Ihnen, dort Details zu googeln. Alles, was gesagt wurde, denke ich, dass Eugenes Argument es wert ist, ebenfalls untersucht zu werden.

Persönlich? Ich würde mich für die DVD-RW entscheiden, weil ich viel Erfahrung damit habe, weiß, dass ich es einfach, schnell und kostengünstig kann und weil ich denke, ich könnte den Schritt der Intensitätskalibrierung vermeiden, um dorthin zu gelangen, wo Sie es brauchen gehen. Die Kameras sind spottbillig, ebenso wie die Hg-Ar-Lampe zur periodischen Wellenlängenkalibrierung. Es ist fast gar keine Arbeit. Außerdem bin ich bereits durch das Haus gelaufen und habe verschiedene Lichtquellen mit einem tragbaren Karton ohne Elektronik überprüft und konnte die Unterschiede bei den verschiedenen Lichtquellen mit den Augen perfekt erkennen. Also weiß ich, dass ich von hier dorthin gelangen kann.

EDIT: Ein paar Bilder von einer alten Leuchtstofflampe. Einer von ihnen über das gesamte Spektrum und der andere zoomte ein wenig nach oben. Ziemlich coole Trennung des Quecksilberdubletts dort!

Ich habe mich vor Jahren als Auftragnehmer auf das Binning von LEDs für die OSRAM-Division von Siemen spezialisiert. Das Zeug stammt also zum Teil aus dieser Erfahrung. Wir haben zuerst teure Spektrophotometer verwendet, aber einige Zeit später auf Ocean Optics umgestellt (viel billiger). In der Zwischenzeit hatte ich viel Spaß mit DVDs und CDs, die mit all den ausgefallenen Kalibrierungsgeräten verwendet wurden. (Einschließlich der Kalibratoren für verschwindende Filamente, die ich oben nicht erwähnt habe.) Ich habe viel Zeit damit verbracht, menschliche Reaktionsberichte vor und seit dem CIE 1931-Standard und den späteren in den 1960er-Jahren zu studieren. Auch die Arbeit von Edwin Land in den späten 1970ern und frühen 1980ern hat mir sehr gut gefallen - sehr interessantes Zeug.

Ich werde Jonk zustimmen, aber eine einfachere Methode zur Identifizierung von Quellen vorschlagen.

Bauen Sie ein Spektrometer mit einer Kamera (mit einer DVD oder einem anderen Beugungsgitter). Stellen Sie es mechanisch fest, damit sich die Kamera, das Gitter und der Bildschirm nicht relativ zueinander bewegen können.

Kümmern Sie sich überhaupt nicht um die Kalibrierung. Sie möchten auch den automatischen Weißabgleich in der Kamera deaktivieren und einen festen Weißabgleich verwenden.

Setzen Sie Ihren Detektor Beispielen der verschiedenen Lichtquellen aus, die Sie erkennen möchten, und zeichnen Sie die Bilder auf.

Jetzt können Sie mit einer Auswahl von Signalverarbeitungsmethoden ermitteln, welches Ihrer gespeicherten Spektrogramme am besten mit dem aktuellen Spektrogramm übereinstimmt.

OpenCV, Gnu Octave oder SciPy bieten alle praktikablen Methoden zur Erkennung von Ähnlichkeiten.

Hier finden Sie bereits viele gute Antworten, aber um einige konkrete Kommentare zu Ihren letzten Fragen abzugeben:

Gibt es einen Nachteil bei meiner ersten Lösung?

Der Nachteil ist, dass Sie nur drei Datenpunkte (r, g, b) haben, um die Farbe zu beurteilen. Abhängig von den verschiedenen Lichtquellen, die Sie unterscheiden möchten, können Sie diese möglicherweise nicht voneinander unterscheiden. Dies ist das gleiche Problem, auf das eine Digitalkamera stößt, wenn sie versucht, den Weißabgleich vorzunehmen, und manchmal wird von der Kamera falsch geraten und die Farben des Fotos werden verzerrt. Wenn Sie jedoch zulassen, dass eine Digitalkamera ein bekanntes Objekt wie das gleiche weiße Stück Papier abbildet, kann sie wahrscheinlich die meiste Zeit die Lichtquelle unterscheiden.

Gibt es einen Sensor, der eine Lichtemission analysiert und Intensitätswerte für einen Bereich ausgewählter Wellenlängen liefert?

Ein auf einem Gitter (oder Prisma) basierendes Spektrometer macht genau das; es liefert die Lichtintensität als Funktion der Wellenlänge.

Wenn Sie nur ein paar Sensoren benötigen, können Sie auch einfach einen Silizium-Fotodetektor nehmen und den entsprechenden optischen Filter (farbiges Glas) davor platzieren, damit nur der Wellenlängenbereich von Interesse zum Filter gelangt. Ein Vorteil dieses Ansatzes wäre, dass die einzelnen Fotodetektoren wahrscheinlich schneller arbeiten als ein Arraydetektor und es Ihnen ermöglichen könnten, die zeitliche Struktur der Licht- und Fleckcharakteristikmuster, wie die 60-Hz-Schwankung einer Glühbirne oder der Glühbirne, zu betrachten schnelles Flackern einer Flamme.

Sie müssen kein eigenes Spektrometer bauen, Geräte wie dieses ultrakompakte C12666MA von Hamamatsu sind bereits ab Lager erhältlich .

Die spektrale Auflösung von 15 nm könnte für diese Aufgabe in Ordnung sein.

Es ist auch eine gute Idee, DC und 50/60 Hz zu unterscheiden, möglicherweise mit einem separaten Sensor.

Kameras funktionieren so einigermaßen genau so, wie Sie die RGB-Sensoren darstellen. Wenn Sie Erfahrung damit hatten, gesättigte Farben von LEDs in hochdichtem Licht zu erfassen, werden Sie die Einschränkungen verstehen, aber für Breitspektrumfotos, wie wir sie kennen, funktioniert sie einwandfrei.

Es kommt darauf an, was Sie messen möchten.

Zum Beispiel ist weißes Licht nur unsere Wahrnehmung von RGB-Sensoren in unseren Augen, und einfallendes Licht kann uns zu der Annahme verleiten, dass Tageslichtweiß nur das Gleichgewicht von blauem und gelb-rotem phosphorkonvertiertem Licht ist, sodass die Peaks gleich sind (wenn es in CIE-Augenkorrektur umgewandelt wird) Ebenen)

Die Realität sieht jedoch anders aus, wenn wir eine Halogenquelle auf einer breiten Palette reflektierter Farben mit einer Tageslicht-LED mit 4500-5000 K und 81% CRI-Weiß vergleichen. Jetzt sehen die Farben aufgrund des fehlenden Spektrums in der Quelle anders aus.

Ihre einzige Hoffnung auf Genauigkeit ist ein kalibriertes Instrument mit Beugungsmethode. Für rauhe Augapfel-Vorfallsfarben, die von Farbverlaufspapier mit einem vollen Farbumfang reflektiert werden, funktioniert eine RGB-Kamera. Ausreichend mit einer kalibrierten RGB-Sensor- / Detektoreinheit und Software. In der Industrie ist dies nicht der Fall, aber so arbeiten Papierscanner mit der internen RGB + S / W-Kalibrierung, bevor der Scan beginnt.

Professionelle Lichtspektrumanalysatoren messen x, y, u, v und viele andere Weißlichtparameter.

Das ist eine alte Frage, und ich frage mich, was die Lösung war, aber wenn ich die Antworten durchschaue, bin ich ziemlich überrascht, keine ziemlich offensichtliche Lösung zu finden.

Zunächst müssen Sie nicht das gesamte Spektrum analysieren. Probieren Sie es einfach so aus, dass die Trennung der Quellen maximiert wird. Angesichts der Tatsache, dass Sie relativ wenige Quellen haben, können Sie dies per Auge tun oder eine PCA- oder ICA-Analyse mit einer diskreten Version des erwarteten Spektrums durchführen. Nachdem Sie eine Handvoll Spektralbereiche ausgewählt haben, können Sie fortfahren.

Zweitens würde ich den Infrarotbereich ernsthaft in Betracht ziehen. In erster Linie, weil dort ein Feuer reichlich emittiert würde, aber vor allem, weil Sensoren in dieser Region sehr verbreitet sind.

Als drittes wählen Sie einen diskreten Sensor oder eine Sensor / Filter-Kombination, die Ihnen eine ausreichend gute spektrale Antwort in Ihrem ersten gewünschten Band bietet. Beachten Sie, dass es viele kostengünstige Filter, Fotodioden, Fototransistoren und PIR-Geräte gibt, die nach Wellenlänge ausgewählt werden können (sogar einfarbige LEDs können im Notfall funktionieren).

Viertens, wenn Sie dies mathematisch tun, projizieren Sie Ihre erwarteten Reaktionen in die Reaktion des Sensors / Filters und subtrahieren Sie sie, damit Sie den Vorgang mit dem nächsten signifikanten Band wiederholen können. Wenn nicht, überlappen Sie einfach und schätzen Sie, welche Region als nächstes kommt.

Beachten Sie, dass Filter auch zum Entfernen von Bändern verwendet werden können. Wenn zwei Sensoren den perfekten Bereich abdecken, ihre Antworten sich jedoch zu stark überlappen, würde das Subtrahieren des überlappenden Bandes ihre Unterscheidung erhöhen. .

Nach zwei oder drei Wiederholungen erhalten Sie einen kleinen Satz kostengünstiger Sensoren, die Sie verwenden können. Legen Sie einige Schaltkreise um sie herum und kalibrieren Sie Ihre Reaktion mit einigen bekannten Quellen. Wenn Sie die Trennung korrekt durchgeführt haben, müssen Sie nur eine grobe Kalibrierung für die Empfindlichkeit Ihres Filter- / Sensor- / Schaltungsdesigns durchführen.

Dies ist im Grunde die Idee eines RGB-Sensors, verwendet jedoch richtig abgestimmte Wellenlängenbereiche anstelle von eher willkürlichen.

Wenn Sie keine sehr hohe radiometrische Empfindlichkeit benötigen, kollimieren Sie sie, führen Sie sie durch ein Gitter und speichern Sie das Bild auf einem linearen Sensorarray. Die Analyse des Spektrums ist einfach, wenn Sie einen Mikroprozessor haben. Die zeitliche Variation alleine wird wahrscheinlich nicht sehr gut funktionieren, da sich die Flimmerfrequenzen von Beleuchtungssystemen für Verbraucher stark unterscheiden. Die einzigen Dinge, die vom Spektrum nur schwer zu unterscheiden sind, sind die Glühlampen und Flammen. Verwenden Sie dazu möglicherweise die zeitliche Variation, wobei Sie davon ausgehen, dass die Flamme ziemlich zufällig ist und die Glühlampe eine deutliche 60-Hz-Komponente haben sollte. Beachten Sie jedoch, dass die Elektronik dazu neigt, streuende 60-Hz-Signale aufzunehmen. Stellen Sie daher sicher, dass Sie 60-Hz-Licht und kein 60-Hz-Rauschen sehen. Die Linearsensoren sind ein billiges und einfaches Teil, das Sie nicht brauchen sollten. Keine Probleme mit der Schnittstelle. Der einzige Weg, wie ich das mit 3 Kanälen sehen kann, ist, wenn Sie nur versuchen, die Flamme zu klassifizieren und alle anderen Lichtquellen in einen "egal" -Haufen zu werfen. In diesem Fall kann man ziemlich vernünftigerweise irgendetwas mit viel mehr NIR als blauer Emission annehmen, um entweder weißglühend oder flammend zu sein. Wenn Sie bereit sind, mit MWIR-Detektoren zu arbeiten, können Sie die zeitliche Variation überspringen und nur nach dem CO2-Emissionspeak suchen. Die Glühlampe sollte das nicht haben. Das ist es, was viele kommerzielle Sensoren verwenden. viel mehr NIR als blaue Emission, um entweder glühend oder flammend zu sein. Wenn Sie bereit sind, mit MWIR-Detektoren zu arbeiten, können Sie die zeitliche Variation überspringen und nur nach dem CO2-Emissionspeak suchen. Die Glühlampe sollte das nicht haben. Das ist es, was viele kommerzielle Sensoren verwenden. viel mehr NIR als blaue Emission, um entweder glühend oder flammend zu sein. Wenn Sie bereit sind, mit MWIR-Detektoren zu arbeiten, können Sie die zeitliche Variation überspringen und nur nach dem CO2-Emissionspeak suchen. Die Glühlampe sollte das nicht haben. Das ist es, was viele kommerzielle Sensoren verwenden.