EM2019WSP12/Praktische Arbeiten: Unterschied zwischen den Versionen

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== Hinweise zum Nachbau ==
 
== Hinweise zum Nachbau ==

Version vom 29. März 2020, 21:38 Uhr

Praktische Arbeiten

Grober Entwurf

Winkel der äußeren Laserstrahlen

Der Winkel der beiden äußeren Laser wurde so gewählt, dass man die äußeren Strahlen mit genügend Abstand zur Harfe auf einer höhe von 2m noch komfortabel bespielen kann. Wären die Strahlen zu weit auseinander bestünde die Gefahr mit dem Gesicht in einen der mittleren Strahlen zu geraten.

Laserharfe_Versuchsaufbau_01b.jpg

Nun wurden die äußeren beiden Laser an einer Dachlatte provisorisch in einem Abstand von 7*9cm = 63cm montiert und auf den gewünschten Winkel eingestellt.

Erster Versuchsaufbau

Messen den Abbildungsbereiches

Der CCD Sensor wurde auf der Holzscheibe angebracht und hinter dem Objektiv ausgerichtet.

CCD_Versuchsaufbau_02c

CCD_Versuchsaufbau_02a


Feinjustierung

Zur Feinjustierung wurde die Halterung des CCDs mit Magneten auf einer Metallplatte befestigt, da der Abgebildete Lichtpunkt des Lasers etwa 100 µm groß ist und exakt auf den 200 µm breiten Photosensoren abgebildet werden muss.

CCD_Versuchsaufbau_02d_Min_Max_Laserpunkt.jpg

In diesem Foto sieht man auf dem Oszilloskop 2 'Start of Integration (SI)' Impulse (grün) und hinter dem ersten SI Impuls eine Spannungsspitze des 3.-4. Pixels und vor dem zweiten SI Impuls eine Spannungsspitze des 249.-252. Pixels. Das erste Pixel stellt eine Grenze für die minimale Höhe des rechten Laserstrahles (bei 77 cm), das 256. Pixel eine Grenze für die maximale Höhe des linken Laserstrahles (bei 196 cm).

Da die 256 Photodioden auf eine Länge von 16,25 mm verteilt sind, die Laserstrahlen jedoch beim kontinuierlichen unterbrechen von 0 - 200 cm auf über 2 cm abgebildet werden kann begrenzt der CCD Sensor den erfassbaren Bereich. Eventuell wäre der ILX535K oder ein TCD1304 dann die bessere Wahl, auch wenn diese komplizierter anzusteuern sind.


Betrachtet man die Spannungsimpulse an Pixel 3-4 (rechts vom grünen SI Impuls) und Pixel 249-252 (links vom grünen SI Impuls) sehen wir einen tendenziell breiteren Ausschlag an Pixel 249-252. Dies liegt zunächst noch daran das der Winkel des CCD Sensors nicht optimal ausgerichtet ist. Eine Feinjusiterung wird später über Gewindestäbe möglich sein.

CCD_Versuchsaufbau_03_Min_Max_StartIntegration_px.png

CCD_Versuchsaufbau_03_Min_Max_StartIntegration2.gif


Finaler Aufbau der Harfe

Die Objektivhalterung

Für den Bau der Objektivhalterung wurde eine knapp 4mm dicke Aluminiumplatte ausgewählt. Der Grund hierfür findet sich im Anwendungsgebiet der Harfe. Da die Harfe nicht nur im Wohnzimmer zum Einsatz kommen soll, sonder auch bei Auftritten unserer Band muss sie unempfindlich gegen Erschütterungen sein, die eine Holzbühne und Musikanlage zu genüge mit sich bringen. Könnte das Objektiv schwingen, oder sich verstellen, würde die Harfe nicht mehr zuverlässig funktionieren, da die Sensorfläche nur 200µm breit ist. Da das Objektiv genau in der Flucht zu den Laserstrahlen stehen muss wurde zunächst der Abstand der Laserlinse zum Winkeleisen, an dem dieser befestigt würde, ausgemessen um so die länge und Biegung der Befestigungsflügel zu berechenen.

Halter01 Halter02

Der Versuch die Aluplatte mit einer provisorischen Winkelschleiferführung (eine modifizierter Fließenschneider) zu schneiden, scheiderte leider an der Tatsache, dass der Winkelschleifer mit nur einer Aufhängung zu viel Spiel hatte, um exakt die Spur zu halten.

Halter03 Halter04

Wegen der Dicke der Aluplatte wurde der Biegeradius mit zusätzlichen 5mm eingeplant. Ein kurzer Versuch vorab zeigte, dass dies ein guter Schätzwert war. Der Grund hierfür ist, das die geplanten Flächen nach dem Biegen noch ihre exakte Größe haben sollten, was weitestgehend auch geklappt hat.

Halter05 Halter06

Um möglichst alles Licht aus dem Innenraum der Halterung zu verbannen wurde dieser schwarz lackiert. Somit wird der Kontrast der auf den Zeilensensor fallenden Laserpunkte erhöht.

Halter07 Halter08


Die Laserhalterung

Zur exakten Einstellung der Laser wurden Längsschlitze in den Winkel gefräst. Die Laser lassen sich nun zunächst über ein M3 Schraube in Ihrem Winkel fixieren und anschließend über eine M6 Schraube anziehen. Somit ist ein Verrutschen der Laser ausgeschlossen. Dennoch wurde bereits beim justieren festgestellt, dass der Aluwinkel ruhig 5mm stark sein dürfte, da der hier verwendetet auf seine Länge noch sehr biegsam ist.

Laserhalterung01 Laserhalterung02 Laser_Befestigung

Die CCD-Halterung

Um den CCD Sensor auf zehntel Millimeter genau platzieren zu können wurde er auf ein weitere Aluplatte geschraubt. Die Löcher in der Halterung haben extra einen 4mm größer Durchmesser als die Schrauben, um ausreichend Spiel bei der Justierung des Sensors zu haben.

CCD-Halterung01 CCD-Halterung02

Da die abgewinkelte Wannenbuchse des Breakout-boards die Befestigungslöcher verdeckte, wurde diese gegen eine gerade Buchse ausgetauscht.

CCD-Halterung03 CCD-Halterung04


Laserschutzschaltung

Bevor echte Laser an die Harfe angeschlossen wurden, wurde eine Schutzschaltung konzipiert, die die Laser gegen zu lange Einschaltzeiten schützen soll. Die Schaltung wurde ausgiebig getestet und ein Langzeittest (1h) mit einem Laser druchgeführt, um festzustellen ob dieser sich bei der eingestellten Frequenz erhitzt. Der Laser erwärmte sich bei einer Frequenz von 100 kHz (Über Frequenzwahlschalter der Breakout-Boards wählbar) nur um 2°C.

Versuchsaufbau_Laserschutzschaltung

Bei einer Frequenz von 100 kHz ergibt sich eine Periode von etwa 50Hz. 100000 Hz / 256 Impulse je Durchlauf / 8 Laser = 48,83 Hz.

safety_goiosig-normal_entladewiderstand_630Ohm-max_2ms_ON_time_at_100kHz


Justieren der Laser

Um die Laser exakt zu justieren wurde ein Metermaß an einer Latte befestigt. Mit Klebeband wurden die berechneten Abstände der Laserpunkte eingetragen, sodass diese beim justieren gut sichtbar waren. Der Mittelpunkt der Laser wurde hierbei mit einem Messlot (Schnur mit frei schwingendem Gewicht) bestimmt. Der Winkel der Laser wurde so gewählt, dass man, ohne sich mit dem Kopf über die Laser beugen zu müssen, noch die äußersten zwei Laser auf der obersten Oktave (bei 1,95m) erreichen kann.

Versuchsaufbau_Laserjustierung01 Versuchsaufbau_Laserjustierung02


Schaltplan und Platinendesign

Schaltplan

Datei:Laserharfe V1-2.pdf

Platinenlayout

Laserharfe_Board_colour

Laserharfe_Board_Top_Mirror Laserharfe_Board_Bottom

Hinweise zum Nachbau

Für jeden der diese Harfe gerne nachbauen möchte:

  • der Aluwinkel zur Befestigung der Laser kann ruhig 5 mm dick, oder dicker sein.
  • Ein längerer Zeilensensor vergrößert den bespielbaren Bereich um einige Meter. Im Idealfall wäre der Zeilensensor ca. 5 cm lang. (Der ILX535K wäre zwar so lange, benötigt aber mehr Elektronik zur Ansteuerung).
  • Hat man keinen längeren Zeilensensor kann man den Bereich durch ein anderes Weitwinkelobjektiv vergrößern. Im Idealfall nutzt man ein 180° Fischauge, statt dem hier verwendeten 114° Weitwinkelobjektiv. Wichtig bei der Auswahl des Objektives ist jedoch die Auflösung des CCD Sensors. Bei dem hier verwendeten 114° Objektiv bewegt sich der Reflektierte Strahl im bespielbaren Bereich etwa 5mm. Das entspricht Einer einer Handbewegung von etwa 1,20m und einer Granularität von etwa 80 Pixeln. Mit einem Fischauge müsste die Auflösung des Sensors entsprechend höher sein, was wiederum das Problem mit sich bringt, dass der Reflektierte Strahl im Brennpunkt streut und mit dem jetzigen Objektiv bereits ~100 µm breit ist (der Strahl würde durch das Fischauge natürlich enger gebündelt werden, es bliebe aber dennoch etwas experimentell).
  • Präzises arbeiten ist bei diesem Projekt sehr wichtig. Liegen die Laser nicht exakt auf einer Linie, funktioniert die Harfe nicht vollständig.