Kis intenzitású jelek mérése

Bevezetés

A mérési gyakorlat célja alacsony intenzitású jelek mérésére alkalmas technika elsajátítása. A gyakorlat során egy LED fényintenzitását mérjük meg egy fényelem segítségével. A LED-et a myDAQ1 mérés során ismertetett módon: egy 10 kOhm-os soros ellenálláson keresztül kapcsoljuk a mérőkártya analóg feszültség kimenetére. A fényelem feszültségét a mérőkártya analóg feszültség bemenetén mérjük. A terem világítása által keltett fotofeszültség néhány tized voltos, ehhez adódik hozzá a LED fényintenzitásából származó járulék. A LED fényerejét a LED-en folyó árammal tudjuk változtatni, a fényelemre eső intenzitást pedig a fényelem pozícionálásával szabályozhatjuk. A LED-ből kollimált fénynyaláb lép ki, amennyiben nagy jelet szeretnénk mérni akkor helyezzük a fényelemet és a LED-et egymással szemben. Kis intenzitás legegyszerűbben úgy érhető el ha a fényelemet úgy pozícionáljuk, hogy az a kilépő fénynyalábbra merőlegesen, a LED oldalára nézzen.

Elsőként használjuk az NI MAX programot, a mérési elrendezés tesztelésére. A LED-et meghajtó feszültség kimeneten állítsunk be egy szinuszos jelet, melynek amplitúdója nagyobb mint a LED nyitó feszültsége, így minden periódusban felvillan a LED. Pozícionáljuk a fényelemet a LED-el szemben, ekkor a mért fotofeszültség jelében megjelennek a LED fényintenzitásának megfelelő kvázi négyszögjel. Mivel a LED minden periódusban be- és kikapcsol, így a LED fényintenzitásából származó fotofeszültség megegyezik a pár tized voltos alapvonalra (háttér világítás) szuperponált négyszögjel amplitúdójával. Ezután csökkentsük az intenzitást a fényelem pozíciójának változtatásával. A LED fényerejét mindaddig mérni tudjuk, míg a négyszögjel amplitúdója nagyobb a háttér világításból származó alapvonal zajánál. A mérési gyakorlat célja, hogy készítsünk egy olyan mérőprogramot, ami a Lock-in detektálás elve alapján működik: a mért fotofeszültség jelből kiszűri a LED-et meghajtó feszültségjel frekvenciájával megegyező frekvenciájú komponenst és meghatároza annak amplitúdóját. Ezt a következőképpen valósíthatjuk meg: a LED-re kapcsoljunk négyszögjelet, aminek az amplitúdója a LED nyitófeszültségénél nagyobb. A fényelemen mért feszültségjelet összeszorozzuk a LED-et meghajtó feszültségjellel majd számítjuk az így kapott jel átlagát. Abban az esetben, ha a mért fotofeszültség jelhez a LED-et meghajtó jel frekvenciájától különböző frekvenciájú zaj adódik, a meghajtó jel és a mért fotofeszültség szorzása után ez kiátlagolódik (1. ábra). A LED-ből származó fényintenzitásnak megfelelő négyszögjel amplitúdója az alábbi képlettel határozható meg:

$$A_{LED}=(2∙S_{Mean})/A_g ,$$ ahol $S_{Mean}$ a számolt átlagérték, $A_g$ a gerjesztő jel amplitúdója.