5 Detektorsignalbestimmung

Ein durchschnittlicher Lichtdetektor oder ein photoaktives Gerät konvertiert auftreffende Photonen in Strom oder Spannung im Verhältnis zum Eingangssignal. Der Detektor wird an ein elektronisches Messgerät angeschlossen zum Zwecke der Verstärkung, einer möglichen Analog-Digital-Umwandlung des Signals, Kalibrierung und der Anzeige der Messergebnisse. Messgerät, Fotodetektor und Zubehör bilden zusammen ein Optometer, Radiometer, Photometer, Farb-, Laser- oder optisches Leistungsmessgerät und schließlich ein Reflexions- / Transmissionsmesssystem. Ein Radiometer besteht aus einem Spannungs- oder Strommesser mitsamt radiometrischem Detektor. Photometer weisen die gleichen Messer zusammen mit photometrischen Detektoren auf. Mehrkanälige Farbmessgeräte werden zusammen mit farbmetrischen Detektoren zur Anzeige mehrfacher Größen verwendet. Der Begriff des Optometers rührt da her, dass dieses Messgerät sowohl mitsamt radiometrischen als auch photometrischen Detektorköpfen verwendet werden kann. Mit Hilfe von mikroprozessor-gesteuerten Geräten können Ströme von Zehntel Pikoampere bis zu einigen Milliampere gemessen werden. Somit kann der Empfindlichkeitsbereich der meisten lichtempfindlichen Geräte ausgeschöpft werden. Bei dieser Messmethode kann mittels eines Analog-Digital-Wandlers ein Signal digitalisiert und mit 16 Bit dargestellt werden, die Abtastrate liegt dabei im Mikrosekundenbereich. Auswählbare Mittelwertberechnung der Abtastergebnisse von Mikrosekunden zu Sekunden räumt mehr Messflexibilität bei schnellen Ereignissen oder Signalen mit niedrigem Pegel ein. Die Bedienung des Geräts erfolgt über eine anwenderfreundliche Menüstruktur, bei dem die Eingabe des Benutzers über eine Tastatur im Bedienfeld des Geräts oder computergesteuert über eine RS232- oder IEEE-Schnittstelle getätigt wird.

Die zu messende Größe oder das zu messende optische Gerät hängen von der Art des Detektors, seiner Filter- und Eingangsoptikeinstellung sowie Kalibrierung ab. Radiometer gibt es in Form von tragbaren Geräten oder mit Tischgehäusen für den Laborgebrauch vor. Netzunabhängige kabellose Geräte dienen der dynamischen Fernüberwachung, wobei ein Standarddetektor, der via Kabelverbindung an das Messgerät angeschlossen ist, verschmutzt werden könnte. Leistungsumfang wie dynamischer Messbereich oder Betriebsarten (z. B. CW, Dosis oder Impulsenergie) und Funktionen (z. B. automatische Messbereichserkennung, beleuchteter Bildschirm, digitale Schnittstelle oder Datenaufzeichnung) variieren von Modell zu Modell. Die Art der Anwendung bestimmt normalerweise die spezifischen Leistungsmerkmale, die ein Radiometersystem aufweisen sollte. Bei Vorgängen zur UV-Aushärtung beispielsweise müssen mehrere Stationen überwacht werden und daher sind Mehrkanal-Radiometer mit einstellbarer Minimum- / Maximum-Ablesefunktion sowie RS232- oder IEEE-Schnittstelle und Mehrkanal-Detektoren zur Fernmessung empfehlenswert.


Abb 1: Aufbau eines Radiometers

Abb 1: Aufbau eines Radiometers

Quelle (Stand 2002): http://www.coolibar.com/skin-cancer-in-the-us.html


Nachfolgend ist eine Liste verschiedener Funktionen, Betriebsarten und Leistungsbeschreibungen von modernen Lichtmessgeräten gegeben. Hierbei ist zu beachten, dass die vorhandenen Funktionen und Eigenschaften vom jeweiligen Messgerät und Hersteller abhängen.

Betriebsarten und Funktionen

CW Im Dauerstrichbetrieb werden ununterbrochen verschiedene Messarten durchgeführt. Die Messfrequenz hängt dabei von der Integrationszeit und der maximalen Abtastrate des Messgeräts ab.
Min / Max CW Bei der CW-Messung wird der minimal oder der maximal erreichte CW-Wert, der während des Messlaufs auftauchte, angezeigt. Der minimal oder maximal erreichte CW-Wert kann mit Hilfe der RESET-Taste zurückgesetzt werden.
CW Level Check Bei der CW-Messung werden die Messwerte mit vorher definierten minimalen und maximalen Grenzwerten verglichen. Diese werden vom Benutzer in das Messgerät eingegeben.
CW Level Minimum / Maximum Menü zur Einstellung der Grenzwerte für den CW Level Check.
Run / Hold Hält einen Messwert auf dem Display fest und stoppt den Messlauf.
Relativ (%) Der Messwert ist das Verhältnis zu einem Bezugswert (gespeichert im Optometer) oder zu einem Bezugsmesswert (hierfür ist ein Zwei-Kanal-Optometer notwendig).
Relativ (Fact.) Messwert ist das Verhältnis zu einem Bezugswert und wird als Faktor angezeigt (gespeichert im Optometer) oder zu einem Bezugsmesswert (hierfür ist ein Zwei-Kanal-Optometer notwendig).
Relativ (Log.) Messwert ist die logarithmische Verhältnisfunktion (Dämpfung) zu einem Bezugswert, z. B. dBm (gespeichert im Optometer) oder zu einem Bezugsmesswert z. B. dB (hierfür ist ein Zwei-Kanal-Optometer notwendig).
Dosis Integration von CW-Messwerten im Messintervall der eingestellten Integrationszeit. Eine voreingestellte Messzeit der Dosismessung oder ein maximaler Dosiswert stoppen die Messung.
Data Logger Speichert Einzelmesswerte einer CW-Messung im Datenspeicher des Optometers. Jede Messung kann manuell oder automatisch durch eine voreingestellte Taktrate gesteuert werden. Die Messdaten können via computergestützter Schnittstelle ausgegeben werden.
Farbe Die Farbortkoordinaten (x, y und u', v') und die korrelierte Farbtemperatur werden anhand des Verhältnisses der Detektorsignale berechnet.
Peak Maximum Jedes CW-Messintervall besteht aus einer gewissen Anzahl an Abtastwerten (Anzahl ist von der Integrationszeit und Abtastrate abhängig). Peak Maximum ist der höchste positive Abtastwert eines Messintervalls. Für jedes Messintervall wird ein neuer Peak-Maximalwert berechnet und angezeigt
Peak Minimum Jedes CW-Messintervall besteht aus einer gewissen Anzahl an Abtastwerten (Anzahl ist von der Integrationszeit und Abtastrate abhängig). Peak Minimum ist der negativste Abtastwert eines Messintervalls. Für jedes Messintervall wird ein neuer Peak-Minimalwert errechnet und angezeigt.
Peak to Peak Jedes CW-Messintervall besteht aus einer gewissen Anzahl an Abtastwerten (Anzahl ist von der Integrationszeit und Abtastrate abhängig). Peak to Peak ist die Differenz zwischen dem höchsten und niedrigsten Abtastwert eines Messintervalls. Für jedes Messintervall wird ein neuer Peak-to-Peak-Wert berechnet und angezeigt.
I-Effective

Dieser Modus dient der Messung und Berechnung der Lichtstärke von Lichtblitzen gemäß der Formfaktormethode nach Schmidt- Clausen. Das Eingangssignal wird mit der maximalen Abtastrate für ein Messintervall abgetastet (Impuls-Messzeit). Zunächst wird die Impulsenergie durch Integrierung der Abtastwerte berechnet. Der Wert „I-Effective” wird dann mittels der Impulsenergie und des Spitzenwertes (peak-value) des Messintervalls errechnet. Folgende Formel bringt dies zum Ausdruck:

I-Effective = Spitzenwert * Impulsenergie / (Spitzenwert * C + Impulsenergie)

C = Zeitkonstante (zwischen 0,1 s und 0,2 s, je nach Anwendung)

Zeitkonstante Faktor C zur Berechnung von I-Effective (Schmidt-Clausen).
Impulsenergie Mit dieser wird die Lichtstärke von Lichtpulsen gemessen und berechnet. Das Eingangssignal wird mit der maximalen Abtastrate für ein Messintervall abgetastet (Impuls-Messzeit). Die Lichtstärke wird schließlich durch Integrierung dieser Abtastwerte berechnet.
Impuls-Messzeit Messintervall für I-Effectiveund Impulsenergiemessungen.
Remote RS232 Ermöglicht eine RS232-Schnittstelle mit dem Messgerät. RS232 ist eine Standardschnittstelle für asynchrone Übertragung zwischen computergestützter Ausstattung und Zubehör. Die Daten werden nacheinander Bit für Bit übertragen. Der RS232-Standard definiert die Funktion und den Gebrauch aller 25 Pole einer DB-25-Steckverbindung. Bei der Grundeinstellung werden 3 Pole (einer DB-9-Steckverbindung) benutzt: Boden-, Übertragungs- und Empfangsdaten. Bei Computern sind die RS-232-Anschlüsse entweder als „in Serie” oder „asynchron” gekennzeichnet und sind entweder 9- oder 25-polig.
Remote IEEE488 Ermöglicht die IEEE488-Schnittstelle des Geräts. IEEE488 dient als Standardschnittstelle für die parallele Datenübertragung zwischen computergestützter Ausstattung und Messinstrumenten. Die Daten werden mittels Parallelschaltung übertragen (max. Geschwindigkeit 1 MByte/s). Bis zu 31 Geräte (mit verschiedenen Adressen) können an ein computergestütztes System angeschlossen werden.
USB Hiermit wird ein Kommunikationsstandard bezeichnet, der serielle Datenübertragungen zwischen Computer mit USB-Schnittstelle und USB-fähigen Peripheriegeräten ermöglicht. USB-Spezifikationen legen eine Übertragungsrate von 12 Mbs für den Full-Speed-Modus fest. In der Theorie können 127 mit USB ausgestattete Peripheriegeräte an Computer mit USB-Schnittstelle angeschlossen werden. Die angeschlossenen Geräte beziehen dabei ihren Strom vom Computer.
Ethernet Dies ist eine Technologie, die Software (Protokolle usw.) und Hardware (Kabel, Verteiler, Netzwerkkarten usw.) für kabelgebundene Datennetze spezifiziert, welche ursprünglich für lokale Datennetze (LANs) gedacht war und daher auch als LAN-Technik bezeichnet wird. Sie ermöglicht den Datenaustausch in Form von Datenframes zwischen den in einem lokalen Netz (LAN) angeschlossenen Geräten (Computer, Drucker und dergleichen). Derzeit sind Übertragungsraten von 10 Megabit/s, 100 Megabit/s (Schnelles Ethernet), 1000 Megabit/s (Gigabit-Ethernet), 10 Gigabit/s, 40 Gigabit/s und 100 Gigabit/s spezifiziert.
Auto Range Ist dieser Modus aktiviert, wird der Messbereich vom Gerät automatisch auf einen optimalen Wert eingestellt (in Abhängigkeit vom Eingangssignal).
Manual Range Ist der Auto-Range-Modus deaktiviert, kann der Messbereich manuell auf einen festgelegten Wert eingestellt werden. Das Gerät schaltet hierbei nicht automatisch auf einen anderen Messbereich um. Die manuelle Einstellung ist besonders bei schnellen Veränderungen des Eingangssignals nützlich.
Kalibrierfaktor Optische Sensoren wandeln optische Signale in Strom um, welcher wiederum vom Messgerät gemessen wird. Mit dem Kalibrierfaktor wird das Verhältnis zwischen dem gemessenen Strom und dem berechneten und angezeigten Messergebnis (des optischen Signals) bestimmt.
Offset Der Offset-Wert wird zur Ermittlung des Ergebnisses vom gemessenen Signal subtrahiert. Hierbei kann der Offset-Wert auf null oder auf den gemessenen CW-Wert eingestellt werden. Diese Funktion kompensiert die Auswirkung von Umgebungslicht oder erweist sich bei einem sehr kleinen Messwert in Bezug auf den eingestellten Messbereich als nützlich.
Integrationszeit Innerhalb dieser Zeitspanne wird das Eingangssignal abgetastet und der Durchschnittswert des abgetasteten Werts ermittelt (> CW). Es gilt die Integrationszeit mir Sorgfalt auszuwählen. Werden etwa 20 ms (50 Hz) als Integrationszeit gewählt, können Fehler, verursacht durch den Einfluss einer Wechselstromleitung mit 50 Hz Wechselspannung, stark verringert werden.
Abtastrate Mit dieser Rate wird festgelegt, wie häufig das Eingangssignal gemessen (abgetastet) wird. Der CW-Wert berechnet sich hierbei aus dem Durchschnittswert aller Abtastwerte eines Messintervalls (Integrationszeit). Bei einer Abtastrate von 100 ms werden 10000 Abtastwerte pro Sekunde gemessen. Beträgt das Messintervall (Integrationszeit) 0,5 s, bedarf es 5000 Abtastwerte, um den CW-Wert zu ermitteln.

Tab. 1: Betriebsarten und Funktionen

Spezifikationen

Änderungsgeschwindigkeit Mit dieser wird die Änderungsgeschwindigkeit eines Signals angegeben. Eine Rate von 5 Volt/ms beispielsweise bedeutet, dass sich das Signal mit einem Wert von 5 Volt pro Millisekunde ändert.
Anstiegszeit In dieser Zeitspanne ändert sich das Signal von 10 % bis 90 % in Bezug auf seinen Endwert.
Abfallzeit In dieser Zeitspanne ändert sich das Signal von 90 % bis 10 % seines Anfangswertes.
Eingangsbereich / Messbereich Um ein dynamisches Messvermögen von mehr als sechs Dekaden zu erzielen, bedarf es verschiedener Stärken (Verstärkungen) in Bezug auf die Messbereiche, wobei ein „Strom-Spannungs-Eingangsverstärker” benötigt wird. Die Verstärkungen können von 1 V/10 pA bis zu 1 V/1 mA (je nach Gerät) reichen.
Linearität

Die Linearität eines Optometers lässt sich folgendermaßen beschreiben:


Bei einem Wert von 10 nA mit einem max. Verstärkungsfehler von 1 %, beläuft sich der mögliche Fehler auf ± 0,1 nA. Zusammen mit einem zusätzlichen Offset-Fehler von 0,05 nA beläuft sich die insgesamte Messunsicherheit auf 10 nA ± 0,15 nA oder 1,5 %.


Bei einem Messwert von nur 1 nA im gleichen Verstärkungsbereich beläuft sich der Verstärkungsfehler auf 1 % von 1 nA oder 0,01 nA. Der Offset-Fehler ist nach wie vor bei 0,05 % angesiedelt. Somit beträgt die insgesamte Messunsicherheit 1n A ± 0.06 nA oder 6 %. Der Offset- Fehler bei den Optometern von Gigahertz-Optik ist minimal gehalten, da diese Messgeräte einen internen Offset-Abgleich bieten bzw. der Offset- Wert im Menü auf null gestellt werden kann. Der einzige Offset-Fehler steht hierbei in Verbindung mit der Displayauflösung oder der Nichtlinearität des Analog-Digital-Wandlers.

Messgenauigkeit / Linearität Der größtmögliche Fehler eines Messergebnisses kann wie folgt ermittelt werden:
Gesamte Messfehler Verstärkungsfehler + Offset-Fehler
Verstärkungsfehler Angezeigtes (oder abgelesenes) Ergebnis X (Verstärkungsfehler (in Prozent) / 100).
Offset-Fehler

Konstanter und vom Messbereich abhängiger Wert.

Mittels Offset-Abgleich kann der Offset-Fehler behoben werden. Manche Fehler können nicht kompensiert werden, da sie in Verbindung mit der Nichtlinearität vom Analog-Digital-Wandler (ADC) und der Displayauflösung stehen.

Maximale Detektorkapazität Der zuvor genannte Strom-Spannungs-Eingangsverstärker ist gegenüber der Eingangskapazität empfindlich. Ist diese zu groß, kann es zu Schwingungen des Verstärkers kommen. Folglich ist die maximale Detektorkapazität der größtmögliche Kapazitätswert, bei dem keine Schwingungen des Verstärkers auftreten.
Messbereich Im Normalfall bemisst sich der Messbereich anhand der Auflösung und des max. Ablesewertes. Der Benutzer sollte hierbei doch beachten, dass bei einer Messung mit einer max. Messunsicherheit von 1 % der min. Messwert einen hundertfach größeren Faktor als die Auflösung aufweisen sollte. Andererseits kann der maximale Wert durch Bedingungen des Detektors wie max. Bestrahlungsstärke, max. Betriebstemperatur oder Sättigungsbegrenzungen eingeschränkt sein. Folglich sollten die vorgegebenen Messwerte des Herstellers eingehalten werden.

Tab. 2: Spezifikationen