Goniophotometer selber bauen?

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Moderator: T.Hoffmann

dieterr
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Sa, 02.04.22, 12:23

Für erste Tests hätte ich ein digitales Winkelmessgerät verfügbar. Das hat 0,1° Auflösung (und 0,00° Anzeige) und scheint ausreichend genau zu sein, ein 90° Stahl-Winkel zeigt es mit 89,9° an.
Ein Servo hätte ich auch gefunden, leider mit separater Ansteuerelektronik aber ohne Doku, so weiß ich nicht welches Kabel im Servo wohin muss :(
Und die Motoransteuerung komplett in den Arduino zu verlegen, also bis auf die Vollbrücke, habe ich gerade nicht so Lust darauf. Aber dann hätte man auch das bei RC-servos problematische Thema Totzeit in der eigenen Hand.
Borax
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Sa, 02.04.22, 23:53

Soo...
Nägel mit Köpfen. Ich habe das Servo: https://www.amazon.de/FEICHAO-Coreless- ... B08CS9K33L getestet (ich schicke es gleich am Montag zurück). Kräftig ist es. Aber das war es auch schon.
Minimaler fahrbarer Winkel: Etwa 1° (drunter reagiert es nicht). Ergebnisse: Irgendwo zwischen 0.3 und mehr als 3° (!); stark schwankend. Vorwärts und rückwärts völlig ungleich (und damit auch nicht reproduzierbar). => Für unsere Zwecke absolut unbrauchbar.
Schrittmotor (200 Schritte/Umdrehung mit 1/16 Step): Minimaler fahrbarer Winkel: 0.11°. Ergebnisse: Zwischen 0.07° und 0.15°. Nicht perfekt aber IMHO sehr brauchbar. Vorwärts und rückwärts völlig identisch. Reproduktionsgenauigkeit: Hervorragend (< 1mm Abweichung siehe unten)
Wie habe ich das gemessen?
Auf dem Servo / Schrittmotor einem Laserpointer befestigt und in 2 m Entfernung die Punkte auf einem Brett aufgezeichnet. Es gilt: Tan(1°)=0,017455; in 2 m Entfernung also 3,5cm (0.1° = 3.5 mm). Bilder habe ich angehängt (passt nicht ganz - es waren auch etwas weniger als 2m)
Servomotor ist/war ein Nanotec_4T5618S2404-A (den gibt / gab es bei Pollin für 8€ pro Stück: https://www.pollin.de/p/schrittmotor-na ... 4-a-310727 ) Treiber: DRV8825 https://www.makershop.de/module/motosteuerung/drv8825/ (die passen zugegebenermaßen nicht gut zusammen - aber die hatte ich halt da).
Dateianhänge
Stepper_1_16.jpg
Servo_Test1.jpg
dieterr
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So, 03.04.22, 08:16

Borax hat geschrieben: Sa, 02.04.22, 23:53 Minimaler fahrbarer Winkel: Etwa 1° (drunter reagiert es nicht). Ergebnisse: Irgendwo zwischen 0.3 und mehr als 3° (!); stark schwankend.
Das ist vermutlich die angesprochene Totzeit. Für Hobbyservos ist imho die Methode mit wiederholt um 1° weiterzufahren ungeeignet.
Ich hatte erste Tests gemacht mit einem RS-60 aus den 80er Jahren und angepfriemelter Steuerung eines anderen Servos und kam mit etwas wackligem Testaufbau auf Wiederholgenauigkeit ~0.1° bei 10 Messungen, also Messgenauigkeit des Winkelmeters.
Im meinem Testmodus habe ich den Endpunkt aber immer vom Nullpunkt aus angefahren, siehe oben. Test auf verschiedene Winkel steht noch an.
JackyDean
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So, 03.04.22, 09:07

Super! Vielen Dank für den Test.
Dann würde sich das mit dem decken, was im Arduino-Forum geschrieben wurde. Also das ein Schrittmotor hier geeigneter wäre.

Ich habe mir mal zum Test einen NEMA 17 mit 0,9°, 2A bestellt und auch den BH1750.
Borax
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So, 03.04.22, 11:34

Ich habe mir mal zum Test einen NEMA 17 mit 0,9°, 2A bestellt und auch den BH1750.
Welche Spannung (oder welcher Widerstand)? Mit Treiber (falls ja, welcher)?
JackyDean
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So, 03.04.22, 16:28

Steht 2,8V. 1,4 Ohm. Hoffe, das war jetzt nicht der falsche :?

Treiber war noch keiner dabei.
dieterr
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So, 03.04.22, 18:52

Zur Ehrenrettung des Servos und um zu zeigen, dass er für diesen Zweck absolut brauchbar wäre, auch wenn er nicht mehr zur Diskussion steht:
die Ergebnisse sind sehr gut reproduzierbar, mit obiger Pendelmethode. Über einen Winkel von 20° und bei dreimaliger Wiederholung ergibt sich im Schnitt eine Abweichung von 0.2°, im Maximum 0.5° vom Sollwert.
Borax
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Mo, 04.04.22, 10:39

Steht 2,8V. 1,4 Ohm. Hoffe, das war jetzt nicht der falsche
Nein. Ist nicht 'falsch'. Es geht nur darum dann auch den richtigen Treiber dafür zu verwenden. In dem Fall:
https://eckstein-shop.de/PololuDRV8834L ... berCarrier (die sind halt etwas teurer als die mit höherer Spannung wie der von mir verwendete DRV8825) Dann brauchst Du noch ein Netzteil mit 3.3V und 2A (5V und 2A geht auch). Einen 100µF Kondensator (16V oder mehr). Und einen ESP8266 z.B.: https://eckstein-shop.de/NodeMCUESP8266 ... iFIWLanIoT . Der Controller und der Schrittmotor (+ Treiber) sollten nicht mit dem gleichen Netzteil betrieben werden.
Über einen Winkel von 20° und bei dreimaliger Wiederholung ergibt sich im Schnitt eine Abweichung von 0.2°, im Maximum 0.5° vom Sollwert.
Damit wäre ich auch völlig einverstanden. Ich hätte nicht gedacht, dass die 'normalen' RC Servos so schlecht sind. Und ebenso hätte ich nicht gedacht, dass Schrittmotoren im Mikroschritt-Betrieb so gut sind.

Erstes Ergebnis:
Funktioniert IMHO prima. Ich habe mal eine COB LED auf dem Schrittmotor montiert (ist ja quasi ein typischer Lambert Strahler) und über 200° mit 0.11 Grad Schritten mit dem BH1750 gemessen (Abstand: 45cm). In dem Fall ist eine Winkelauflösung mit 0.11 Grad massiv übertrieben. 1° wäre locker genug.
Goniophotometer_Test1.png
Goniophotometer_Test1.png (16.83 KiB) 2448 mal betrachtet
Ergebnisdatei habe ich angehängt.
Dateianhänge
output_2022-04-03_23-31-07.zip
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JackyDean
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Mo, 04.04.22, 11:56

Genial! Das sieht absolut so aus, wie es aussehen soll. Bei engen Spots u.ä. benötigt man dann ggf. kleinere Winkel oder wenn man schauen will, welchen Schatten ein Aluprofil wirft (häufig Thema bei mir, da ich viel indirekte Beleuchtung mache).

In einer ELUMDAT werden die Werte dann immer in Candela pro 1.000 Lumen angegeben. Die Candela kann man über die Entfernung zum Messsensor leicht berechnen und mit der pro 1.000 Lumen Angabe kann man dann später die Lichtstärke-Verteilung leicht auch stärkere oder schwächere Leuchtmittel anpassen. Also wenn man z.B. eine LED mit nur halbem Lichtstrom hat.

Ich habe vom früheren Rumprobieren noch A4988 Treiber (und auch so ein CNC Shield V3) hier. Könnte ich diese auch mit dem NEMA 17 verwenden? Hatte mich etwas an dem hier orientiert, aber dann doch den NEMA mit 0,9° genommen:
https://www.az-delivery.de/blogs/azdeli ... ano-teil-1
Borax
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Mo, 04.04.22, 12:24

Danke für das Lob! Einen A4988 Treiber kannst Du schon auch nehmen, hast aber dann das gleiche Problem wie ich mit dem DRV8825: Der Treiber braucht mind. 8.2V und dein Motor braucht nur 2.8V. D.h. der Treiber muss sehr viel Strom verbraten und wird schnell heiß. Bei mir (da ist es allerdings noch schlimmer weil der Nanotec_4T5618S2404-A nur 1.25V braucht) kann ich maximal mit 0.3A arbeiten, sonst überhitzt der DRV8825 in wenigen Sekunden. Für erste Tests geht das natürlich trotzdem, aber das Drehmoment leidet dabei sehr...
Ebenso kannst Du mit Arduino arbeiten (statt ESP). Auf dem CNC Shield ist der oben angesprochene Kondensator schon mit drauf (ansonsten enthält das quasi nur Verdrahtung und Kontakte). 'Final' würde ich aber den ESP empfehlen, weil dann braucht das Goniophotometer nur Strom (und WLAN) und kann mit einem Web-Browser von jedem beliebigen Rechner aus bedient werden (sogar mit dem Smartphone).
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Mo, 04.04.22, 13:37

Hmm ... dann hole ich mir lieber doch noch den DRV8834 und auch diesen ESP.

Es ist bestimmt am besten, wenn ich es soweit es geht, identisch zu deinem Aufbau nachbaue. Dann musst du nicht für 2 Setups mitdenken. Aber den NEMA mit 0,9° würde ich weiter gern verwenden, wenn das geht.

Was bräuchte ich noch (außer BH1750, Netzteile natürlich und das mechanische - werde hier wohl mit Alu-Standardprofilen arbeiten)?
Borax
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Mo, 04.04.22, 14:21

Den Schrittmotor mit 0,9° kannst Du gern verwenden. Was hat der eigentlich für ein Drehmoment? Mein Nanotec_4T5618S2404-A hat ja immerhin 0.8Nm (bei 1.25V und 3.5A). Mit 0.3A sind das vmtl. immer noch mehr als 5Ncm. Er 'hält' auf alle Fälle recht gut. Und der Aufbau ist bei mir sehr leicht... Holzscheibe mit 55mm Durchmesser + kleiner Stahlwinkel (zusammen etwa 60g). Hier mal 2 Bilder von meinem Testaufbau:
20220404_145404.jpg
20220404_145404.jpg (61.86 KiB) 2431 mal betrachtet
20220404_145413.jpg
20220404_145413.jpg (81.37 KiB) 2431 mal betrachtet
Brauchen (außer ESP + Treiber + BH150 + Netzteil für den Motor) nur Verkabelung, ein 100µF Kondensator und halt Mechanik. Der ESP wird mit einem USB Kabel (Micro B Stecker - altes Handy Kabel reicht) am Rechner angeschlossen (ähnlich wie beim Arduino). Das reicht auch zunächst für die Stromversorgung. 'Final' z.B. altes Handy-Netzteil nehmen. Zum Programmieren brauchst Du die Arduino IDE, (mit installiertem ESP8266 Board) und den CH340 USB Treiber ( http://ecksteinimg.de/Datasheet/CH341SER.zip ). Anleitung dafür gibt es z.B. hier: https://www.electronicshub.org/getting- ... h-nodemcu/
JackyDean
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Mo, 04.04.22, 15:15

Das ist der Stepper, den ich gekauft habe:
https://www.amazon.de/STEPPERONLINE-Sch ... ast_sto_dp

46Ncm steht da. Könnte nicht behaupten, dass ich wüsste, was Ncm hier bedeuten :-)
JackyDean
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Mo, 04.04.22, 15:20

Ah, hab's mir gerade mal durchgelesen. 46 Ncm sollte ja recht gut & kräftig genug sein für die Zwecke hier.
https://rn-wissen.de/wiki/index.php/Dre ... Radius%20r.
Borax
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Mo, 04.04.22, 17:39

Yep. Das passt. Wir drehen ja nur horizontal (und eher langsam), daher ist es in erster Linie das Massenträgheitsmoment was hier (je nach Größe und Gewicht des zu drehenden Objekts) 'kritisch' werden könnte. Die Zusammenhänge sind mathematisch recht anspruchsvoll (auch weil der 'Aufbau' ja kein rotationssymmetrischer Körper ist). Sprich wenn das Massenträgheitsmoment des Aufbaus (Drehteller + Halterung + LED) zu groß wird, können ggf. Schritte verloren gehen. Kleine Schritte (= langsamere Beschleunigung) sind hier also hilfreich.
Hier ist mal eine Überschlagsrechnung: https://www.mikrocontroller.net/topic/428552
Was da auch noch beschrieben ist: Die maximale axiale Belastung (ist im Datenblatt von deinem Motor nicht angegeben). Also das max. Gesamtgewicht des Aufbaus. Bei einem dort verlinkten Motor https://de.nanotec.com/produkte/250-st4 ... or-nema-17 beträgt die nur 0,7 Kg. Also auf alle Fälle den Aufbau so leicht wie möglich planen.
JackyDean
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Di, 05.04.22, 06:47

Okay. 700g ist nicht viel. Bespreche das mal mit meinem Metallbauer.

Der meinte auch, dass man für eine spielfreie Übersetzung (wenn mal kleinere Grad-Zahlen erreichen möchte) ein Riemengetriebe verwenden sollte. Jetzt dachte ich, mit dem 0,9° Stepper kann ich mir das Riemengetriebe bestimmt sparen, aber eventuell ist es für diese max. axiale Last wieder ein Thema. Mal schauen ...

Für kleinere Messungen kommt man mit den 700g sicher gut hin.
Borax
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Di, 05.04.22, 10:16

Ist ja auch nur ein Beispiel. Möglicherweise vertragen andere Motoren auch problemlos 2Kg. Mal sehen ob ich heute dazu komme, das mit meinem Testaufbau mal zu probieren. Beim einsetzen der Holzscheibe habe ich wesentlich höhere Kräfte verwendet. Aber da war der Motor natürlich in Ruhe.
Aber wir sollen wenigstens eine Ahnung haben, wie viel Last Du brauchst.
Die hier: https://www.google.com/url?q=https://ww ... XT8h-9J5kb haben 1,5 Kg

Getriebe würde ich auch eher vermeiden. Wenn es um viel Last geht, besser einen Motor mit 2 Wellenenden https://www.cncprofi.eu/de/Schrittmotor ... 57-mm.html und ein Radialkugellager nehmen
Borax
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Di, 05.04.22, 15:48

Ich habe es mal mit meinem Aufbau getestet: 1,6 Kg (alter Eisenkerntrafo) sind kein Problem.
JackyDean
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Di, 05.04.22, 19:25

Mein Metallbauer will so einen Flanschlager nutzen, dass die Last für den Motor abfängt.

Sowas hier:
https://www.motedis.com/shop/Dynamik/Tr ... :5213.html
Borax
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Di, 05.04.22, 23:40

Das geht natürlich auch. Ist halt mechanisch noch schwieriger zu verbauen, wenn man keine Metallwerkstatt hat.
JackyDean
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Mi, 06.04.22, 09:12

Für die allermeisten Messungen sollte man mit den 1,5kg und selbst den 700g auch gut hinkommen, denke ich.

Die typischen zu vermessenden Leuchtmittel wiegen ja nicht allzu viel. Was man dann noch benötigt ist eine mechanische Aufnahme für die Leuchtmittel (orientiere mich da an dem Aufbau von VISO SYSTEM) und eine flexible Positionierung, so dass man das Leuchtmittel immer auf den Mittelpunkt der Drehachse ausrichten kann. Ich dachte da in Richtung so eines 20mm Standard-Profils:
https://www.myaluprofil.de/aluminiumpro ... i-typ.html

Da wiegen 20cm dann 100g und 20cm zum Verschieben sollten für meine Zwecke schon genügen. Es muss noch eine Aufnahme für die Welle des Motors dran (wiegt ja auch nicht viel) und dann vielleicht noch mal ein 10cm hoher vertikaler Schaft (vielleicht auch direkt ein 20mm Profil) an dem ich Leuchtmittel (bei mir meist andere Aluprofile mit LED-Streifen dann) befestigen kann oder man macht so eine Langlochplatte, wie bei VISO SYSTEM. Aber natürlich nicht so groß.

Diese Aufnahme für die Leuchtmittel muss in der Vertikalen nicht verstellbar sein, da der Lichtsensor sich in der Vertikalen (und Horizontalen) ausrichten lässt.

Wenn mein Metallbauer aber da direkt so einen Flanschlager nutzen möchte, kann es natürlich nicht schaden.
Borax
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Mi, 06.04.22, 18:58

Denke ich auch. 1,5 Kg sind schon ziemlich viel. Ich habe mal eine Nichia NSPG300D, 3mm-LED, 36100mcd, grün (bei Dunkelheit) damit vermessen (macht Spaß). Das war die LED mit dem engsten Abstrahlwinkel (15°) in meinem Fundus. Die 15° finde ich nicht ganz wieder (Max = 127 Lux bei 0° und 62 Lux bei -4° und +3,5° also viel enger). Die 'Nebenbeams' bei +/- 10° sind auch wesentlich ausgeprägter als im Datenblatt angegeben. Sieht man aber auch auf dem Foto vom Beamshot.
NSPG300D_Beamshot.jpg
NSPG300D_Beamshot.jpg (82.3 KiB) 2304 mal betrachtet
NSPG300D_Messung.png
NSPG300D_Messung.png (18.35 KiB) 2304 mal betrachtet
NSPG300D_Datasheet.png
NSPG300D_Datasheet.png (27.19 KiB) 2304 mal betrachtet
JackyDean
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Mi, 06.04.22, 19:33

Ja, das sieht nach einer ziemlich wilden Lichtverteilung aus.

Was man bei präziseren Messungen halt immer noch berücksichtigen muss, sind eventuelle Reflektionen an Materialien in der Umgebung. Das kann z.T. ziemlich heftige Messfehler geben, wenn z.B. eine Reflektion der Lichtquelle an irgendeinem Teil des Messaufbaus dann mit auf den Sensor kommt.

Wir hatten bei ARRI einen komplett schwarzen Lichtmesstunnel und haben da alle möglichen Scheinwerfer gemessen. Irgendwann nach Jahren haben wir dann mal festgestellt, dass trotz komplett schwarzen PVC-Fußbodens da noch einiges an Reflektion von diesem Boden auf den Sensor kommt. Weil der Boden nicht richtig matt war. Da lagen einige Scheinwerfer bis zu 10% über der richtigen Helligkeit. Wir haben dann auch den kompletten Boden noch mit Molton ausgelegt.
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Do, 07.04.22, 06:44

Das mit den Reflektionen habe ich auch schon bemerkt. Da kommt auch die Asymmetrie bei den Messungen her: Auf der einen Seite ist Wand die eben reflektiert...
JackyDean
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Do, 07.04.22, 07:31

Am besten ist immer. wenn man da eine einfache Hülle mit schwarzem, blickdichten Molton drum baut. 2 Holzlatten, wo man den Molton drüber legt, sollten schon genügen.

Ich bin jetzt am überlegen wegen dem NodeMCU und dem DRV8834. Gibt es da auch so Shields, dass man das gleich so fertig zusammenstecken kann, wie beim Arduino mit dem CNC Shield? Konnte da nichts finden für den NodeMCU. Der Lichtsensor muss natürlich auch noch mit angeschlossen werden. Für den Test kann ich es natürlich alles mit Steckbrett aufbauen, aber ich überlege, ob ich es gleich so bestellen kann, dass es in ein kleines Gehäuse passt, dass dann an den Messaufbau mit dran kann.

Oder soll ich es besser erstmal nur mit Steckbrett aufbauen zum Testen? Wie bekommt man das am Ende alles in ein Gehäuse, wo ich dann ggf. nur noch Netzteil und Lichtsensor anstecken muss?
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