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Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-12T15:28:53Z

Ist1102577: /* Firmware */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Pegar na parte de cima da caixa do Arduino Mega e aparafusá-la à parte de baixo (ter atenção aos cabos ao fechar a caixa).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Parte de cima da caixa do Arduino Mega.]]
|}

18. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

19. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

20. Pegar na parte de baixo da caixa do Raspberry Pi e repetir o passo 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Caixa do Raspberry Pi.]]
|}

21. Aparafusar o Raspberry Pi à caixa.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Prender a parte do meio da caixa do Raspberry Pi à parte de baixo.

23. Colocar a tampa para fechar a caixa.

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Software=
Para utilizar corretamente a experiência, é necessário que os comandos e a recolha de dados estejam devidamente configurados. Isto pode ser feito de duas formas através da ligação série ao Arduino Mega.

O firmware existente no Arduino é capaz de (i) configurar a experiência (ii) executar e recolher os dados gerados e (iii) executar algumas funções especializadas para testar, calibrar e manter a experiência. Para interagir com o firmware, pode-se usar (i) um código proxy em Python (camada de software de alto nível) capaz de interoperar com o servidor FREE ou (ii) um emulador de terminal como o Minicom, disponível para Linux, que permite enviar e receber dados através da ligação série.

==Proxy FREE do Raspberry==
O Raspberry Pi é responsável por transmitir o vídeo da experiência e estabelecer comunicação com o Servidor FREE utilizando uma interface proxy. O FREE aloja a interface gráfica do utilizador (GUI) para os clientes. Esta secção fornece uma visão geral do procedimento utilizado para controlar todos os componentes eletrónicos via Arduino, bem como dos protocolos de comunicação entre o Arduino e o Servidor FREE.

===Modelo de comunicação entre o Servidor FREE e o Raspberry Pi===
A comunicação entre o servidor e a experiência segue o protocolo estruturado do elab, que permite interação em tempo real e troca de dados. O servidor central, Exp Server, atua como intermediário entre os utilizadores e o equipamento experimental (RPi Server). Os utilizadores interagem com o Exp Server através de uma interface web feita com Django, um framework web de alto nível em Python, para configurar e controlar os parâmetros da experiência, enquanto o Exp Server transmite diretamente esses comandos para o sistema experimental. A comunicação entre o Exp Server e o RPi Server ocorre via internet, usando mensagens no formato JSON, garantindo flexibilidade entre diferentes configurações experimentais. A autenticação é realizada na fase de ligação, onde o RPi Server transmite um ID e uma chave secreta para verificação. Após a autenticação, o Exp Server envia um ficheiro de configuração específico da experiência para o RPi Server, que depois estabelece comunicação com o controlador local utilizando o protocolo pré-definido [7]. Ao longo da experiência, o RPi Server troca continuamente atualizações de estado, resultados experimentais e mensagens de erro com o servidor XP, assegurando uma operação sincronizada e acessibilidade em tempo real dos dados para os utilizadores.

===Modelo de comunicação entre o Raspberry Pi e o Arduino Mega===
Para permitir uma comunicação fluída entre o Arduino e o Raspberry Pi 4, foi implementado o protocolo ReC Generic Drive 11, permitindo ao utilizador externo ter controlo total sobre a experiência e o seu estado através de um conjunto de comandos. O ReC Generic Drive é um protocolo de comunicação genérico desenvolvido para laboratórios remotos, facilitando a interação entre um driver de software e o hardware experimental. Permite uma comunicação eficaz via portas série (RS232), usando mensagens estruturadas onde os comandos do driver são em minúsculas e as respostas do hardware em maiúsculas.

O protocolo garante sincronização através de um sistema de handshaking de mensagens e controlo de tempo limite, suportando funções como identificação, configuração, transmissão de dados, configuração da experiência e reporte de erros.

Fig. 11: Diagrama da máquina de estados do driver ReC Generic Drive [7]

Ao ler a porta série do Arduino a uma taxa de transmissão de 115200 bits por segundo, o utilizador envia uma cadeia de bits (terminando com o carácter ‘\r’). A mensagem de configuração está definida como:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
Onde p0 define o estado do LED (ligado ou desligado), p1 p2 p3 p4 e p5 definem o ângulo (em passos de 0,36º) no qual a experiência começará a varredura, p6 define qual polarizador será varrido (se não for fazer varredura, então p6 é 0) e p7 define o ângulo limite do polarizador a ser varrido (também em passos de 0,36º) no qual a experiência terminará.

==Firmware==
A programação foi feita utilizando a linguagem C++ sem quaisquer bibliotecas externas. Para declarar um componente no código, basta fornecer o pino de entrada correspondente e aceder à função enable para o inicializar, bem como à função ''isTrigger'' para verificar se o valor lógico lido corresponde ao estado de ativação do componente. Neste caso específico, o interruptor está ativo com um sinal LOW. Como todos os objetos e respetivos componentes precisam de ser inicializados e desligados, cada um tem funções enable/disable correspondentes. Os componentes ligados a pinos de leitura única, declarados com ''pinMode'' (como interruptores e fotodíodos), não requerem uma função disable, uma vez que o ''pinMode'' não impede a leitura dos pinos, mas sim ajuda a definir o tipo de entrada que está a ser processada.

Para rodar os motores de passos, a operação consiste em enviar um impulso sempre que se deseja uma rotação de 1,8º (0,36º efetivo). Como diferentes valores de RPM requerem diferentes intervalos entre impulsos, a frequência dos impulsos enviados deve ser calculada em conformidade. Para executar uma sequência discreta de passos com base num ângulo em graus, foi implementada a função rotate. O motor roda para o múltiplo inferior mais próximo de 1,8º do ângulo fornecido.

O intervalo de aquisição de dados é crucial para a experiência, uma vez que o objetivo é otimizar a experiência do utilizador minimizando o tempo de espera ao recolher os dados de intensidade da luz e do ângulo de varrimento. Para isso, foi utilizada uma velocidade global de 600 rotações por minuto. Com um limite de varrimento de 324º (como referido anteriormente na Secção III), o tempo de aquisição de dados medido experimentalmente para varrer um ou mais polarizadores em simultâneo foi de aproximadamente 40 segundos.

Para refinar ainda mais as leituras de tensão do fotodíodo, foi implementada uma média aritmética de N pontos na função de leitura da tensão. Ao calcular a média aritmética de 13 pontos do valor medido, o desvio padrão dessa média reduz o desvio padrão original em ≈ 27,14%. Esta redução foi considerada aceitável para a experiência, uma vez que o ajuste dos dados foi bem-sucedido, como será observado na Secção V).

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Imprime o teu kit experimental]

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-12T15:27:28Z

Ist1102577: /* Modelo de comunicação entre o Raspberry Pi e o Arduino Mega */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Pegar na parte de cima da caixa do Arduino Mega e aparafusá-la à parte de baixo (ter atenção aos cabos ao fechar a caixa).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Parte de cima da caixa do Arduino Mega.]]
|}

18. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

19. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

20. Pegar na parte de baixo da caixa do Raspberry Pi e repetir o passo 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Caixa do Raspberry Pi.]]
|}

21. Aparafusar o Raspberry Pi à caixa.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Prender a parte do meio da caixa do Raspberry Pi à parte de baixo.

23. Colocar a tampa para fechar a caixa.

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Software=
Para utilizar corretamente a experiência, é necessário que os comandos e a recolha de dados estejam devidamente configurados. Isto pode ser feito de duas formas através da ligação série ao Arduino Mega.

O firmware existente no Arduino é capaz de (i) configurar a experiência (ii) executar e recolher os dados gerados e (iii) executar algumas funções especializadas para testar, calibrar e manter a experiência. Para interagir com o firmware, pode-se usar (i) um código proxy em Python (camada de software de alto nível) capaz de interoperar com o servidor FREE ou (ii) um emulador de terminal como o Minicom, disponível para Linux, que permite enviar e receber dados através da ligação série.

==Proxy FREE do Raspberry==
O Raspberry Pi é responsável por transmitir o vídeo da experiência e estabelecer comunicação com o Servidor FREE utilizando uma interface proxy. O FREE aloja a interface gráfica do utilizador (GUI) para os clientes. Esta secção fornece uma visão geral do procedimento utilizado para controlar todos os componentes eletrónicos via Arduino, bem como dos protocolos de comunicação entre o Arduino e o Servidor FREE.

===Modelo de comunicação entre o Servidor FREE e o Raspberry Pi===
A comunicação entre o servidor e a experiência segue o protocolo estruturado do elab, que permite interação em tempo real e troca de dados. O servidor central, Exp Server, atua como intermediário entre os utilizadores e o equipamento experimental (RPi Server). Os utilizadores interagem com o Exp Server através de uma interface web feita com Django, um framework web de alto nível em Python, para configurar e controlar os parâmetros da experiência, enquanto o Exp Server transmite diretamente esses comandos para o sistema experimental. A comunicação entre o Exp Server e o RPi Server ocorre via internet, usando mensagens no formato JSON, garantindo flexibilidade entre diferentes configurações experimentais. A autenticação é realizada na fase de ligação, onde o RPi Server transmite um ID e uma chave secreta para verificação. Após a autenticação, o Exp Server envia um ficheiro de configuração específico da experiência para o RPi Server, que depois estabelece comunicação com o controlador local utilizando o protocolo pré-definido [7]. Ao longo da experiência, o RPi Server troca continuamente atualizações de estado, resultados experimentais e mensagens de erro com o servidor XP, assegurando uma operação sincronizada e acessibilidade em tempo real dos dados para os utilizadores.

===Modelo de comunicação entre o Raspberry Pi e o Arduino Mega===
Para permitir uma comunicação fluída entre o Arduino e o Raspberry Pi 4, foi implementado o protocolo ReC Generic Drive 11, permitindo ao utilizador externo ter controlo total sobre a experiência e o seu estado através de um conjunto de comandos. O ReC Generic Drive é um protocolo de comunicação genérico desenvolvido para laboratórios remotos, facilitando a interação entre um driver de software e o hardware experimental. Permite uma comunicação eficaz via portas série (RS232), usando mensagens estruturadas onde os comandos do driver são em minúsculas e as respostas do hardware em maiúsculas.

O protocolo garante sincronização através de um sistema de handshaking de mensagens e controlo de tempo limite, suportando funções como identificação, configuração, transmissão de dados, configuração da experiência e reporte de erros.

Fig. 11: Diagrama da máquina de estados do driver ReC Generic Drive [7]

Ao ler a porta série do Arduino a uma taxa de transmissão de 115200 bits por segundo, o utilizador envia uma cadeia de bits (terminando com o carácter ‘\r’). A mensagem de configuração está definida como:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
Onde p0 define o estado do LED (ligado ou desligado), p1 p2 p3 p4 e p5 definem o ângulo (em passos de 0,36º) no qual a experiência começará a varredura, p6 define qual polarizador será varrido (se não for fazer varredura, então p6 é 0) e p7 define o ângulo limite do polarizador a ser varrido (também em passos de 0,36º) no qual a experiência terminará.

==Firmware==
A programação foi feita utilizando a linguagem C++ sem quaisquer bibliotecas externas. Para declarar um componente no código, basta fornecer o pino de entrada correspondente e aceder à função enable para o inicializar, bem como à função isTrigger para verificar se o valor lógico lido corresponde ao estado de ativação do componente. Neste caso específico, o interruptor está ativo com um sinal LOW. Como todos os objetos e respetivos componentes precisam de ser inicializados e desligados, cada um tem funções enable/disable correspondentes. Os componentes ligados a pinos de leitura única, declarados com pinMode (como interruptores e fotodíodos), não requerem uma função disable, uma vez que o pinMode não impede a leitura dos pinos, mas sim ajuda a definir o tipo de entrada que está a ser processada.

Para rodar os motores de passos, a operação consiste em enviar um impulso sempre que se deseja uma rotação de 1,8º (0,36º efetivo). Como diferentes valores de RPM requerem diferentes intervalos entre impulsos, a frequência dos impulsos enviados deve ser calculada em conformidade. Para executar uma sequência discreta de passos com base num ângulo em graus, foi implementada a função rotate. O motor roda para o múltiplo inferior mais próximo de 1,8º do ângulo fornecido.

O intervalo de aquisição de dados é crucial para a experiência, uma vez que o objetivo é otimizar a experiência do utilizador minimizando o tempo de espera ao recolher os dados de intensidade da luz e do ângulo de varrimento. Para isso, foi utilizada uma velocidade global de 600 rotações por minuto. Com um limite de varrimento de 324º (como referido anteriormente na Secção III), o tempo de aquisição de dados medido experimentalmente para varrer um ou mais polarizadores em simultâneo foi de aproximadamente 40 segundos.

Para refinar ainda mais as leituras de tensão do fotodíodo, foi implementada uma média aritmética de N pontos na função de leitura da tensão. Ao calcular a média aritmética de 13 pontos do valor medido, o desvio padrão dessa média reduz o desvio padrão original em ≈ 27,14%. Esta redução foi considerada aceitável para a experiência, uma vez que o ajuste dos dados foi bem-sucedido, como será observado na Secção V).

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Imprime o teu kit experimental]

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-12T15:23:53Z

Ist1102577:

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Pegar na parte de cima da caixa do Arduino Mega e aparafusá-la à parte de baixo (ter atenção aos cabos ao fechar a caixa).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Parte de cima da caixa do Arduino Mega.]]
|}

18. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

19. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

20. Pegar na parte de baixo da caixa do Raspberry Pi e repetir o passo 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Caixa do Raspberry Pi.]]
|}

21. Aparafusar o Raspberry Pi à caixa.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Prender a parte do meio da caixa do Raspberry Pi à parte de baixo.

23. Colocar a tampa para fechar a caixa.

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Software=
Para utilizar corretamente a experiência, é necessário que os comandos e a recolha de dados estejam devidamente configurados. Isto pode ser feito de duas formas através da ligação série ao Arduino Mega.

O firmware existente no Arduino é capaz de (i) configurar a experiência (ii) executar e recolher os dados gerados e (iii) executar algumas funções especializadas para testar, calibrar e manter a experiência. Para interagir com o firmware, pode-se usar (i) um código proxy em Python (camada de software de alto nível) capaz de interoperar com o servidor FREE ou (ii) um emulador de terminal como o Minicom, disponível para Linux, que permite enviar e receber dados através da ligação série.

==Proxy FREE do Raspberry==
O Raspberry Pi é responsável por transmitir o vídeo da experiência e estabelecer comunicação com o Servidor FREE utilizando uma interface proxy. O FREE aloja a interface gráfica do utilizador (GUI) para os clientes. Esta secção fornece uma visão geral do procedimento utilizado para controlar todos os componentes eletrónicos via Arduino, bem como dos protocolos de comunicação entre o Arduino e o Servidor FREE.

===Modelo de comunicação entre o Servidor FREE e o Raspberry Pi===
A comunicação entre o servidor e a experiência segue o protocolo estruturado do elab, que permite interação em tempo real e troca de dados. O servidor central, Exp Server, atua como intermediário entre os utilizadores e o equipamento experimental (RPi Server). Os utilizadores interagem com o Exp Server através de uma interface web feita com Django, um framework web de alto nível em Python, para configurar e controlar os parâmetros da experiência, enquanto o Exp Server transmite diretamente esses comandos para o sistema experimental. A comunicação entre o Exp Server e o RPi Server ocorre via internet, usando mensagens no formato JSON, garantindo flexibilidade entre diferentes configurações experimentais. A autenticação é realizada na fase de ligação, onde o RPi Server transmite um ID e uma chave secreta para verificação. Após a autenticação, o Exp Server envia um ficheiro de configuração específico da experiência para o RPi Server, que depois estabelece comunicação com o controlador local utilizando o protocolo pré-definido [7]. Ao longo da experiência, o RPi Server troca continuamente atualizações de estado, resultados experimentais e mensagens de erro com o servidor XP, assegurando uma operação sincronizada e acessibilidade em tempo real dos dados para os utilizadores.

===Modelo de comunicação entre o Raspberry Pi e o Arduino Mega===
Para permitir uma comunicação fluída entre o Arduino e o Raspberry Pi 4, foi implementado o protocolo ReC Generic Drive 11, permitindo ao utilizador externo ter controlo total sobre a experiência e o seu estado através de um conjunto de comandos. O ReC Generic Drive é um protocolo de comunicação genérico desenvolvido para laboratórios remotos, facilitando a interação entre um driver de software e o hardware experimental. Permite uma comunicação eficaz via portas série (RS232), usando mensagens estruturadas onde os comandos do driver são em minúsculas e as respostas do hardware em maiúsculas.

O protocolo garante sincronização através de um sistema de handshaking de mensagens e controlo de tempo limite, suportando funções como identificação, configuração, transmissão de dados, configuração da experiência e reporte de erros.

Fig. 11: Diagrama da máquina de estados do driver ReC Generic Drive [7]

Ao ler a porta série do Arduino a uma taxa de transmissão de 115200 bits por segundo, o utilizador envia uma cadeia de bits (terminando com o carácter ‘\r’). A mensagem de configuração está definida como:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
Onde p0 define o estado do LED (ligado ou desligado), p1 p2 p3 p4 e p5 definem o ângulo (em passos de 0,36º) no qual a experiência começará a varredura, p6 define qual polarizador será varrido (se não for fazer varredura, então p6 é 0) e p7 define o ângulo limite do polarizador a ser varrido (também em passos de 0,36º) no qual a experiência terminará.

==Firmware==
A programação foi feita utilizando a linguagem C++ sem quaisquer bibliotecas externas. Para declarar um componente no código, basta fornecer o pino de entrada correspondente e aceder à função enable para o inicializar, bem como à função isTrigger para verificar se o valor lógico lido corresponde ao estado de ativação do componente. Neste caso específico, o interruptor está ativo com um sinal LOW. Como todos os objetos e respetivos componentes precisam de ser inicializados e desligados, cada um tem funções enable/disable correspondentes. Os componentes ligados a pinos de leitura única, declarados com pinMode (como interruptores e fotodíodos), não requerem uma função disable, uma vez que o pinMode não impede a leitura dos pinos, mas sim ajuda a definir o tipo de entrada que está a ser processada.

Para rodar os motores de passos, a operação consiste em enviar um impulso sempre que se deseja uma rotação de 1,8º (0,36º efetivo). Como diferentes valores de RPM requerem diferentes intervalos entre impulsos, a frequência dos impulsos enviados deve ser calculada em conformidade. Para executar uma sequência discreta de passos com base num ângulo em graus, foi implementada a função rotate. O motor roda para o múltiplo inferior mais próximo de 1,8º do ângulo fornecido.

O intervalo de aquisição de dados é crucial para a experiência, uma vez que o objetivo é otimizar a experiência do utilizador minimizando o tempo de espera ao recolher os dados de intensidade da luz e do ângulo de varrimento. Para isso, foi utilizada uma velocidade global de 600 rotações por minuto. Com um limite de varrimento de 324º (como referido anteriormente na Secção III), o tempo de aquisição de dados medido experimentalmente para varrer um ou mais polarizadores em simultâneo foi de aproximadamente 40 segundos.

Para refinar ainda mais as leituras de tensão do fotodíodo, foi implementada uma média aritmética de N pontos na função de leitura da tensão. Ao calcular a média aritmética de 13 pontos do valor medido, o desvio padrão dessa média reduz o desvio padrão original em ≈ 27,14%. Esta redução foi considerada aceitável para a experiência, uma vez que o ajuste dos dados foi bem-sucedido, como será observado na Secção V).

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Imprime o teu kit experimental]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-12T15:13:13Z

Ist1102577: /* Software */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electronic component assembly==

1. Check if all the parts needed for the electronic component assembly of the experiment are available.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Parts needed for the electronic component assembly.]]
|}

2. Get the left floor of the electronic component (see the image below) and use a soldering iron to insert the heat inserts in the floor's holes, through the thermal insertion process.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Left floor of the electronic component.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Thermal insertion.]]
|}

3. Get the Arduino Mega box (see the image below) and bolt it to the floor.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Arduino Mega box.]]
|}

4. Use a soldering iron to insert the heat inserts in the box holes, through the thermal insertion process.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Holes in the Arduino Mega box.]]
|}

5. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

6. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

7. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

8. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

9. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

10. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

11. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

12. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

13. Place the switches in the switch holder. Ensure you hear a "click" to confirm they are well positioned.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

14. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Switches' wires (green) and step-motor wires (blue) (software view).]]
|}

15. Assemble the detector and photodiode electric circuit.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Detector and photodiode electric circuit schematics.]]
|}

16. Place the electric circuit in the box corner, position it according to the holes, and bolt it.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Switchers positioning in the switch holder.]]
|}

17. Get the top part of the Arduino Mega box and bolt it to the bottom part (attention to the wires when closing the box).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Top part of the Arduino Mega box.]]
|}

18. Repeat the step 2 for the right floor.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Right floor of the electronic component.]]
|}

19. Place the power supply on the right floor and secure it with bolts.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Power supply.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Top view of the power supply.]]
|}

20. Get the bottom part of the Raspberry Pi box and repeat the step 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Raspberry Pi box.]]
|}

21. Bolt the Raspberry Pi to the box.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Connect the middle part of the Raspberry Pi box to the bottom part.

23. Place the cover to close the box.

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval have to be in place. This can be achieved in two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be used (i) a python proxy code (high-level software layer) capable of interoperating with the FREE server or (ii) a terminal emulator like Minicom available for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the Arduino, as well as the communication protocols between the Arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is performed at the connection stage, where the RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, the Exp Server sends an experiment-specific configuration file to the RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Throughout the experiment, the RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with the XP server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the Arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
Where p0 defines the state of the LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping (if does not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving the intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation by ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-12T15:07:08Z

Ist1102577: /* Electronic component assembly */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electronic component assembly==

1. Check if all the parts needed for the electronic component assembly of the experiment are available.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Parts needed for the electronic component assembly.]]
|}

2. Get the left floor of the electronic component (see the image below) and use a soldering iron to insert the heat inserts in the floor's holes, through the thermal insertion process.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Left floor of the electronic component.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Thermal insertion.]]
|}

3. Get the Arduino Mega box (see the image below) and bolt it to the floor.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Arduino Mega box.]]
|}

4. Use a soldering iron to insert the heat inserts in the box holes, through the thermal insertion process.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Holes in the Arduino Mega box.]]
|}

5. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

6. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

7. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

8. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

9. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

10. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

11. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

12. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

13. Place the switches in the switch holder. Ensure you hear a "click" to confirm they are well positioned.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

14. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Switches' wires (green) and step-motor wires (blue) (software view).]]
|}

15. Assemble the detector and photodiode electric circuit.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Detector and photodiode electric circuit schematics.]]
|}

16. Place the electric circuit in the box corner, position it according to the holes, and bolt it.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Switchers positioning in the switch holder.]]
|}

17. Get the top part of the Arduino Mega box and bolt it to the bottom part (attention to the wires when closing the box).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Top part of the Arduino Mega box.]]
|}

18. Repeat the step 2 for the right floor.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Right floor of the electronic component.]]
|}

19. Place the power supply on the right floor and secure it with bolts.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Power supply.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Top view of the power supply.]]
|}

20. Get the bottom part of the Raspberry Pi box and repeat the step 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Raspberry Pi box.]]
|}

21. Bolt the Raspberry Pi to the box.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Connect the middle part of the Raspberry Pi box to the bottom part.

23. Place the cover to close the box.

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval has to be in place. This can be achieved by two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be use (i) a python proxy code (high level software layer) capable to interoperate with the FREE server or a (ii) a terminal emulator like Minicom avaiable for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the arduino, as well as the communication protocols between the arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server which directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is
performed at the connection stage, where RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, Exp Server sends an experiment-specific configuration file to RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Through out the experiment, RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with xp Server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
where p0 defines the state of LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping
(if do not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation in ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-12T15:04:40Z

Ist1102577: /* Electronic component assembly */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electronic component assembly==

1. Check if all the parts needed for the electronic component assembly of the experiment are available.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Parts needed for the electronic component assembly.]]
|}

2. Get the left floor of the electronic component (see the image below) and use a soldering iron to insert the heat inserts in the floor's holes, through the thermal insertion process.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Left floor of the electronic component.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Thermal insertion.]]
|}

3. Get the Arduino Mega box (see the image below) and bolt it to the floor.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Arduino Mega box.]]
|}

4. Use a soldering iron to insert the heat inserts in the box holes, through the thermal insertion process.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Holes in the Arduino Mega box.]]
|}

5. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

6. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

7. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

8. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

9. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

10. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

11. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

12. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

13. Place the switches in the switch holder. Ensure you hear a "click" to confirm they are well positioned.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

14. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Switches' wires (green) and step-motor wires (blue) (software view).]]
|}

15. Assemble the detector and photodiode electric circuit.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Detector and photodiode electric circuit schematics.]]
|}

16. Place the electric circuit in the box corner, positioning it accordingly to the holes, and bolt it.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Switchers positioning in the switch holder.]]
|}

17. Get the top part of the Arduino Mega box and bolt it to the bottom part (attention to the wires when closing the box).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Top part of the Arduino Mega box.]]
|}

18. Repeat the step 2 for the right floor.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Right floor of the electronic component.]]
|}

19. Place the power supply on the right floor and secure it with bolts.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Power supply.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Top view of the power supply.]]
|}

20. Get the bottom part of the Raspberry Pi box and repeat the step 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Raspberry Pi box.]]
|}

21. Bolt the Raspberry Pi to the box.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Connect the middle part of the Raspberry Pi box to the bottom part.

23. Place the cover to close the box.

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval has to be in place. This can be achieved by two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be use (i) a python proxy code (high level software layer) capable to interoperate with the FREE server or a (ii) a terminal emulator like Minicom avaiable for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the arduino, as well as the communication protocols between the arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server which directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is
performed at the connection stage, where RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, Exp Server sends an experiment-specific configuration file to RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Through out the experiment, RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with xp Server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
where p0 defines the state of LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping
(if do not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation in ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-12T11:34:17Z

Ist1102577: /* Electronic component assembly */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electronic component assembly==

1. Check if all the parts needed for the electronic component assembly of the experiment are available.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Parts needed for the electronic component assembly.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Arduino Mega box.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

6. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

7. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

8. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

9. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

10. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

11. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

12. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

13. Place the switches in the switch holder. Ensure you hear a "click" to confirm they are well positioned.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

14. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Switches' wires (green) and step-motor wires (blue) (software view).]]
|}

15. Assemble the detector and photodiode electric circuit.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Detector and photodiode electric circuit schematics.]]
|}

16. Place the electric circuit in the box corner, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Get the top part of the Arduino Mega box and bolt it to the bottom part (attention to the wires when closing the box).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Top part of the Arduino Mega box.]]
|}

18. Repeat the step 2 for the right floor.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Right floor of the electronic component.]]
|}

19. Place the power supply on the right floor and secure it with bolts.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Power supply.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Top view of the power supply.]]
|}

20. Get the bottom part of the Raspberry Pi box and repeat the step 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Raspberry Pi box.]]
|}

21. Bolt the Raspberry Pi to the box.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Prender a parte do meio da caixa do Raspberry Pi à parte de baixo.

23. Colocar a tampa para fechar a caixa.

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval has to be in place. This can be achieved by two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be use (i) a python proxy code (high level software layer) capable to interoperate with the FREE server or a (ii) a terminal emulator like Minicom avaiable for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the arduino, as well as the communication protocols between the arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server which directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is
performed at the connection stage, where RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, Exp Server sends an experiment-specific configuration file to RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Through out the experiment, RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with xp Server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
where p0 defines the state of LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping
(if do not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation in ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-12T11:31:40Z

Ist1102577: /* Electonic component assembly */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electronic component assembly==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

6. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

7. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

8. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

9. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

10. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

11. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

12. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

13. Place the switches in the switch holder. Ensure you hear a "click" to confirm they are well positioned.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

14. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Switches' wires (green) and step-motor wires (blue) (software view).]]
|}

15. Assemble the detector and photodiode electric circuit.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Detector and photodiode electric circuit schematics.]]
|}

16. Place the electric circuit in the box corner, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Get the top part of the Arduino Mega box and bolt it to the bottom part (attention to the wires when closing the box).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Top part of the Arduino Mega box.]]
|}

18. Repeat the step 2 for the right floor.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Right floor of the electronic component.]]
|}

19. Place the power supply on the right floor and secure it with bolts.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Power supply.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Top view of the power supply.]]
|}

20. Get the bottom part of the Raspberry Pi box and repeat the step 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Raspberry Pi box.]]
|}

21. Bolt the Raspberry Pi to the box.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Prender a parte do meio da caixa do Raspberry Pi à parte de baixo.

23. Colocar a tampa para fechar a caixa.

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval has to be in place. This can be achieved by two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be use (i) a python proxy code (high level software layer) capable to interoperate with the FREE server or a (ii) a terminal emulator like Minicom avaiable for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the arduino, as well as the communication protocols between the arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server which directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is
performed at the connection stage, where RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, Exp Server sends an experiment-specific configuration file to RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Through out the experiment, RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with xp Server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
where p0 defines the state of LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping
(if do not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation in ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-12T00:17:54Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Pegar na parte de cima da caixa do Arduino Mega e aparafusá-la à parte de baixo (ter atenção aos cabos ao fechar a caixa).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Parte de cima da caixa do Arduino Mega.]]
|}

18. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

19. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

20. Pegar na parte de baixo da caixa do Raspberry Pi e repetir o passo 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Caixa do Raspberry Pi.]]
|}

21. Aparafusar o Raspberry Pi à caixa.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

22. Prender a parte do meio da caixa do Raspberry Pi à parte de baixo.

23. Colocar a tampa para fechar a caixa.

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Imprime o teu kit experimental]

File:Raspberry pi.jpg

2025-06-12T00:15:00Z

Ist1102577:

File:Raspberry pi case.jpg

2025-06-12T00:13:05Z

Ist1102577:

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-12T00:12:06Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Pegar na parte de cima da caixa do Arduino Mega e aparafusá-la à parte de baixo (ter atenção aos cabos ao fechar a caixa).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Parte de cima da caixa do Arduino Mega.]]
|}

18. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

19. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

20. Pegar na parte de baixo da caixa do Raspberry Pi e repetir o passo 4.
{|
|[[File:raspberry_pi_case.jpg|thumb|Caixa do Raspberry Pi.]]
|}

21. Aparafusar o Raspberry Pi à caixa.
{|
|[[File:raspberry_pi.jpg|thumb|Raspberry Pi.]]
|}

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Imprime o teu kit experimental]

File:Arduino top case.jpg

2025-06-12T00:05:15Z

Ist1102577:

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-12T00:04:48Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Pegar na parte de cima da caixa do Arduino Mega e aparafusá-la à parte de baixo (ter atenção aos cabos ao fechar a caixa).
{|
|[[File:arduino_top_case.jpg|thumb|Parte de cima da caixa do Arduino Mega.]]
|}

18. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

19. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Imprime o teu kit experimental]

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-11T23:33:48Z

Ist1102577: /* Links */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

18. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Imprime o teu kit experimental]

File:Power supply top view.jpg

2025-06-11T23:29:08Z

Ist1102577:

File:Power supply.jpg

2025-06-11T23:28:55Z

Ist1102577:

File:Electric assembly right floor.jpg

2025-06-11T23:28:34Z

Ist1102577:

File:Electric assembly left floor.jpg

2025-06-11T23:26:49Z

Ist1102577: 123

== Summary ==
123

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-11T23:26:07Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base esquerda da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_left_floor.jpg|thumb|Base esquerda da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

17. Repetir o passo 2 para a base direita.
{|
|[[File:electric_assembly_right_floor.jpg|thumb|Base direita da componente eletrónica.]]
|}

18. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
{|
|[[File:power_supply.jpg|thumb|Fonte de alimentação.]]
|[[File:power_supply_top_view.jpg|thumb|Vista de cima da fonte de alimentação.]]
|}

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]

File:Electric circuit.jpg

2025-06-11T23:07:36Z

Ist1102577:

File:Arduino case holes.jpg

2025-06-11T23:06:22Z

Ist1102577:

File:Arduino case.jpg

2025-06-11T23:06:02Z

Ist1102577:

File:Electric assembly 1st floor.jpg

2025-06-11T23:05:21Z

Ist1102577:

File:Insercao termica.jpg

2025-06-11T23:04:50Z

Ist1102577:

File:Electric assembly parts.jpg

2025-06-11T23:04:08Z

Ist1102577:

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-11T23:03:31Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

=Descrição do kit experimental=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Vista explodida do kit experimental.]]
|}

A montagem do kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores é composta por três componentes principais: (i) a componente mecânica composta por peças de plástico impressas em 3D, cujos desenhos técnicos estão disponíveis aqui, (ii) um raspberry Pi que executa o software de controlo através da internet e ainda realiza o streaming do vídeo, e (iii) a componente eletrónica do controlador escravo de baixo nível que está responsável pela deteção e motorização do kit experimental.

=Montagem Mecânica=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Vista de cima do kit experimental]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Vista frontal do kit experimental]]
|}

Nesta parte, a montagem mecânica do kit experimental é explicada em detalhe para poder ser corretamente montada.

==Ordem de Montagem==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem estão disponíveis.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Peças necessárias para a montagem]]
|}

2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Retirar os suportes]]
|}

3. Colocar as correias nas polias.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Correia na polia]]
|}

4. Ligar as polias aos suportes dos polarizadores. Ouvir um “click” para saber que estão bem ligados. Adicionalmente, colocar os polarizadores nos suportes. (Não esquecer de retirar as películas protetoras dos polarizadores, caso seja necessário)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de ligação das polias com os polarizadores]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Polia e polarizador ligados]]
|}

5. Repetir os passos 2, 3 e 4 até ter a corrente de polias e polarizadores completa. (Não esquecer de ter as correias nas polias, que não estão representadas na figura.)
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Corrente de polias e polarizadores]]
|}

6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Corte das finas camadas de suporte]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Placas principais depois de cortadas]]
|}

7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Porcas colocadas nos pilares]]
|}

8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Parafusos colocados]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pilares ligados]]
|}

9. Juntar as placas principais nesta posição.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento das placas principais (igual ao posicionamento da imagem do passo 1]]
|}

10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento dos pilares ligados na junção]]
|}

11. Colocar os suportes da corrente no outro lado das placas principais, de modo a que fiquem em lados opostos. Verificar se o suporte da corrente está colocado em cima dos furos hexagonais.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do suporte da corrente]]
|}

12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Posicionamento das porcas]]
|}

13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Colocar os parafusos nos furos destacados]]
|}

14. Colocar as porcas no resto das "caixas" do suporte da corrente.

15. Colocar os parafusos através das placas principais para aparafusar o suporte da corrente às placas.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os pilares às placas principais e ao suporte da corrente]]
|}

16. Repetir os passos 7 e 8.

17. Ir para o lado oposto das placas principais e colocar os pilares aparafusados debaixo dos furos circulares.

18. Colocar as porcas dentro das "caixas" superiores dos pilares aparafusados.

19. Colocar o parafuso através das placas principais de modo a aparafusá-las aos pilares aparafusados.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Aparafusar os outros pilares]]
|}

20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Posição da estrutura (corrente + suportes)]]
|}

21. Colocar as porcas dentro das "caixas" próprias do suporte da corrente que está solto.

22. Colocar os parafusos através dos furos das placas principais para ligar o suporte da corrente solto às placas principais.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Estrutura da corrente aparafusada]]
|}

23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma porca na "caixa" do meio.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Porca na "caixa" do meio]]
|}

24. Colocar o pilar debaixo das placas principais num dos cantos.

25. Colocar um parafuso através do furo nas placas principais para juntá-las ao pilar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do pilar no canto]]
|}

26. Repetir os passos 23, 24 e 25 até que os quatro cantos da estrutura estejam suportados.

27. Remover os pequenos pilares que tapam a entrada das porcas nas "caixas" da superfície inferior das placas principais.
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Remoção dos pequenos pilares]]
|}

28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação das porcas na placa principal]]
|}

29. Colocar o suporte do motor de passo por cima dos furos da placa principal onde se puseram as porcas.

30. Colocar os parafusos através dos furos do suporte do motor de passo de modo a ligá-lo à placa principal.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do suporte do motor de passo na placa principal]]
|}

31. Repetir os passos 28, 29 e 30 para os outros quatro suportes do motor de passo.

32. Colocar o motor de passo no suporte do motor de passo, pondo primeiro os cabos através do furo superior e inferior do suporte. Depois, apertar/colocar o motor de passo até se ouvir um click para garantir que este está fixo na posição correta. NOTA: a ligação dos cabos depende do driver, não é confiável usar as cores dos cabos.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posição de entrada dos cabos]]
|}

33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Posicionamento do motor de passo]]
|}

34. Colocar a correia na polia.

35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Colocação do motor de passo com a correia]]
|}

36. Apertar a polia do motor de passo.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Apertamento da polia]]
|}

37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Suporte do motor de passo demasiado perto da corrente (correia está com folga)]]
|}

38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Segurador do motor de passo na posição correta]]
|}

39. Repetir os passos 34, 35, 36, 37 e 38 para os outros quatro suportes dos motores de passo.

40. Montagem Completa.

=Circuito Eletrónico=

Este kit experimental tem duas componentes eletrónicas principais, (i) os drivers para os motores do motor de passo e (ii) a fonte de luz e deteção.

==Montagem da Componente Eletrónica==

1. Verificar se todas as peças necessárias à montagem da componente eletrónica estão disponíveis.
{|
|[[File:electric_assembly_parts.jpg|thumb|Peças necessárias para a montagem da componente eletrónica.]]
|}

2. Pegar na base da componente eletrónica (verificar a imagem abaixo) e usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da base, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:electric_assembly_1st_floor.jpg|thumb|Base da componente eletrónica.]]
|[[File:insercao_termica.jpg|thumb|Inserção térmica.]]
|}

3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
{|
|[[File:arduino_case.jpg|thumb|Caixa do Arduino Mega.]]
|}

4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
{|
|[[File:arduino_case_holes.jpg|thumb|Furos da caixa do Arduino Mega.]]
|}

5. Pegar num dissipador de calor.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Dissipador de Calor.]]
|}

6. Retirar a película de papel.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Retirar a película de papel.]]
|}

7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Colagem do dissipador de calor.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Colocação do dissipador de calor.]]
|}

8. Repetir os passos 1, 2 e 3 para os cinco drivers.

9. Colocar o driver do motor de passo na placa RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|Placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|Placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|}

10. Certificar que o driver fica bem colocado, ou seja que a ligação ao ground está como indicado na imagem e que o parafuso (potenciómetro) se encontra do lado oposto à fonte de alimentação (no caso dos drivers verdes ou encarnados) ou do lado da fonte de alimentação (no caso dos drivers roxos).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Modelos de drivers.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Colocação do driver roxo (vista do software).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Colocação do driver verde e roxo.]]
|}

11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 com os drivers colocados.]]
|}

12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Ligação dos interruptores de curso aos cabos.]]
|}

13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

14. Ligar os cabos dos motores de passo e dos interruptores de curso aos drivers através da placa RAMPS 1.4. Verificar a ligação dos cabos aos pinos da placa de acordo com a informação presente na subsecção [[#Drivers dos motores de passo|Drivers dos motores de passo]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Colocação dos cabos na placa RAMPS 1.4 (vista do software).]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Cabos dos interruptores de curso (verde) e cabos dos motores de passo (azul) (vista do software).]]
|}

15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
{|
|[[File:photodiode_circuit.jpg|thumb|Esquema do circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.]]
|}

16. Colocar o circuito elétrico no canto da caixa, posicionando-a de acordo com os furos, e aparafusá-la.
{|
|[[File:electric_circuit.jpg|thumb|Posicionamento dos interruptores no segurador.]]
|}

==Drivers dos motores de passo==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numeração das ligações a cabo do motor de passo|thumb|120px]]
Os drivers dos motores de passo podem ter múltiplos designs de output de acordo com cada produtor. Os pinos dos motores de passo estão numerados de 1 a 6, da esquerda para a direita da vista frontal (eixo do montor de frente e conector virado para baixo).
A posição dos drivers no arduino relaciona-se com os motores de passo de acordo com o seguinte esquema:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Ligação do driver para o motor de passo
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Ligações do driver para o motor de passo
|-
!Pinos da motherboard
!Cor dos cabos
!Pino do motor de passo (A4988)
!Pino do motor de passo (DRV8825)
|-
|2B
|Encarnado
|
|6
|-
|2A
|Verde
|
|3
|-
|1A
|Preto
|
|1
|-
|1B
|Azul
|
|4
|-
|}

==Fonte de luz e deteção==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Esquema para a ligação LED PWM com o pino A4 da placa de controlo e do filtro.]]

O LED encarnado é alimentado por um pino de output PMW (A4) da placa de controlo principal, o que permite uma intensidade da luz variável. O PWM padrão da placa tem uma modulação de 490Hz em passos de 1/256, permitindo uma resolução inferior a 0.5%.

Após passar pela cascata de polarizadores, o sinal é detetado por um fotodiodo. Este fotodiodo é polarizado inversamente com um resistor ligado ao ground para gerar um sinal nulo quando não há luz presente.

Esta frequência tem de ser filtrada por um filtro RC de primeira ordem passa-baixo. Como a constante do tempo é ~1s, é necessário adiar a primeira aquisição para a configuração das tensões do circuito. Assim sendo, o sinal varia suave e lentamente devido à rotação dos polarizadores, e a sobreamostragem está em vigor, é necessário um tempo de estabilização muito menor.

=Caminho Óptico=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Caminho óptico mostrando o sistema de colimação que permite que a luz passe através da cascata de polarizadores em raios paralelos.]]
O caminho óptico consiste numa fonte de luz (1) (LED encarnado) colocado no ponto focal de uma lente semiesférica (2) onde os raios de luz são colimados num feixe de luz paralelo.

Depois a luz é polarizada por um polarizador fixo (3) antes de entrar na cascata de polarizadores com inclinação variável (4). Esta cadeia escurece a luz de acordo com cada ângulo do polarizador e, em seguida, passa pela segunda lente para focalizar no detetor, um fotodiodo (6).

Antes de chegar ao fotodiodo, a luz pode passar por um filtro encarnado (5) para diminuir a largura de banda e limitar o ruído externo. Este filtro não é totalmente necessário e pode ser substituído por um papel celofane encarnado ou simplesmente retirado no caso de uma estrutura plástica totalmente opaca.

==Alinhamento do Caminho Óptico==
A estrutura principal do kit experimental tem a luz a propagar-se em raios paralelos através da cascata de polarizadores. Estes raios, posteriomente, são centralizados no sensor (fotodiodo). Para obter uma boa leitura da relação sinal-ruído é crucial ter esta estrutura perfeitamente alinhada. Assim sendo, a posição linear do LED emissor e do fotodiodo deve ser ajustada de acordo com o seguinte procedimento:

#Primeiramente, montar a fonte de luz (LED) e as lentes da estrutura;
#Alimentar o LED e seguir a imagem circular emergente do output, ex. projetá-la numa parede afastada um par de metros;
#Mover a posição do LED de modo a obter uma imagem de output o mais próxima do tamanho do círculo de saída possível (~30mm);
#Instalar a estrutura para a cascata de polarizadores sem colocar as lentes ou películas polarizadoras;
#Para focar a luz no fotodiodo, colocar a segunda lente de colimação;
#Usando um voltímetro para ler a intensidade da luz recebida pelos terminais do fotodiodo, mover para trás e para a frente a posição do fotodiodo a fim de maximizar o sinal;
#Colar firmemente a fonte de luz e o fotodiodo nas suas posições finais.

==Calibração do Caminho Óptico==

Assim que a montagem mecânica estiver completa, é necessário calibrar a posição absoluta de cada polarizador; efetivamente todos os polarizadores vão ter um pequeno offset, resultando num erro sistemático. Deste modo, é importante anotar os valores dos ângulos que maximizam a transmissividade.

O primeiro polarizador é fixo e deve ser posicionado com um pequeno offset com o intuito de evitar começar a experiência a partir de um máximo, permitindo uma fácil observação de tal máximo. Aconselha-se colocá-lo entre os 15 e os 30 graus e prendê-lo eficazmente, se necessário usando até cola.
Depois, começar o procedimento de calibração inserindo o segundo polarizador e rodando-o até que os máximos serem detetados e medidos (normalmente são dois). Anotar o seu valor e deixar o segundo polarizador nessa posição. De seguida, inserir o terceiro polarizador e repetir o procedimento de deteção e anotação dos máximos. Repetir este passo para todos os restantes polarizadores.
Todas as vezes que lentes ou películas polarizadoras são instaladas precisam de ser bem fixas ou coladas. No caso do uso da cola, ''garantir que não danifica as lentes/películas polarizadoras''.

No final, uma tabela com os máximos ângulos de transmissão é obtida, indicando o valor de referência para a intensidade máxima na cascata de polarizadores.

Posteriormente, ao realizar experiências, os valores de offset devem ser tidos em conta de modo a eliminar o erro sistemático do sistema.

=Links=

*[[Multiple polarizers experimental apparatus | Versão Inglesa (English Version)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Link direto à sala de controlo]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Referência teórica]]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-11T21:50:26Z

Ist1102577: /* Electonic component assembly */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electonic component assembly==

1. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

2. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

3. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

4. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

5. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

6. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

7. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

8. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

9. Place the switches in the switch holder. Ensure you hear a "click" to confirm they are well positioned.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

10. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Switches' wires (green) and step-motor wires (blue) (software view).]]
|}

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval has to be in place. This can be achieved by two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be use (i) a python proxy code (high level software layer) capable to interoperate with the FREE server or a (ii) a terminal emulator like Minicom avaiable for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the arduino, as well as the communication protocols between the arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server which directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is
performed at the connection stage, where RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, Exp Server sends an experiment-specific configuration file to RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Through out the experiment, RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with xp Server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
where p0 defines the state of LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping
(if do not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation in ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-11T21:48:38Z

Ist1102577: /* Electonic component assembly */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electonic component assembly==

1. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

2. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

3. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

4. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

5. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

6. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

7. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

8. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

9. Place the switches in the switches holder. Make sure you hear a "click" to ensure they are well placed.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

10. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|[[File:switches_wires_placement_software.png|thumb|Switches' wires (green) and step-motor wires (blue) (software view).]]
|}

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval has to be in place. This can be achieved by two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be use (i) a python proxy code (high level software layer) capable to interoperate with the FREE server or a (ii) a terminal emulator like Minicom avaiable for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the arduino, as well as the communication protocols between the arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server which directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is
performed at the connection stage, where RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, Exp Server sends an experiment-specific configuration file to RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Through out the experiment, RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with xp Server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
where p0 defines the state of LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping
(if do not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation in ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-11T21:46:31Z

Ist1102577: /* Electonic component assembly */

=Apparatus description=

{|
|[[File:exploded_kit_view.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|[[File:exploded_kit_view_1.png|thumb|x250px|Left|Exploded view of the experimental kit.]]
|}

The setup for the construction of the multiple polarizers twin experiment is composed of three main components: (i) the supporting 3D printed plastic parts whose schematics are available here, (ii) a Raspberry Pi running the control software over the internet and performing the video streaming and (iii) the low-level slave controller electronics comprising the sensing and the experiment motorisation.

=Mechanical Assembly=

{|
|[[File:Imagem_Experiência_1.jpg|thumb|x250px|Top|Top view of the experiment]]
|[[File:Imagem_Experiência_2.jpg|thumb|x250px|Top|Front view of the experiment]]
|}

In this section, the mechanical assembly of the experiment is explained in detail so that it can be used correctly.

==Order of assembly==

1. Check if all the parts needed to assemble the mechanical structure of the experiment are available.
{|
|[[File:parts_needed_.png|thumb|x400px|Top|Parts needed for the assembly]]
|}

2. Peel the supports of the pulleys using pliers or an X-Acto knife.
{|
|[[File:peeled_support_1.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|[[File:peeled_support_2.jpg|thumb|x250px|Top|Peeling the support]]
|}

3. Put the belt on the peeled pulleys.
{|
|[[File:belt_on_pulley.jpg|thumb|x250px|Top|Belt on pulley]]
|}

4. Connect the pulleys with the polarizer holders. Make sure to hear a “click” as only one side of the polarizer leads to this firm blockade. Additionally, place the polarizer inside the polarizer holder. (Don't forget to remove the polarizer protection if needed)
{|
|[[File:pulley_polarizer.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connection position]]
|[[File:pulley_polarizer_connected.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley and polarizer holder connected]]
|}

5. Repeat steps 2, 3 and 4 until a complete chain is achieved. You will get a cascaded polarizers set capable to move between each one. Do not forget to put the belts on, as they are not represented in the example picture.
{|
|[[File:pulley_polarizer_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Chain of connected pulleys and polarizers]]
|}

6. Cut the thin layers covering the holes of the main plates of the structure.
{|
|[[File:thin_layer_cutting_process.jpg|thumb|x250px|Top|Main plates thin layers cutting process]]
|[[File:thin_layer_cut.jpg|thumb|x300px|Top|Main plates thin layers cut]]
|}

7. Place two of the four pillars together and put the nuts in the specific holes on top of one of the pillars.
{|
|[[File:nuts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placed on the pillar]]
|}

8. Insert the bolts through the holes and bolt the two pillars together.
{|
|[[File:bolts_on_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolts placed on the pillar]]
|[[File:pillars_bolted_together.jpg|thumb|x250px|Top|Pillars bolted together]]
|}

9. Place the main plates next to each other.
{|
|[[File:main_plates_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the main plates (same as shown in the step 1 image)]]
|}

10. Place the bolted pillars on the side of the junction of the two plates.
{|
|[[File:junction_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the pillars]]
|}

11. Place the chain support on the other side of the main plates, so that they are in opposite positions. Check if the chain support is placed on top of the hexagonal holes.
{|
|[[File:chain_support_opposite_to_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|[[File:chain_support_in_position.jpg|thumb|x250px|Top|Placement of the chain support]]
|}

12. Place the nuts on the chain support inside the “boxes” closest to the chain support “wall”.
{|
|[[File:nuts_placement.png|thumb|x250px|Top|Chain support nuts placement]]
|}

13. Insert the bolts through the holes on the bolted pillars and bolt the pillars, the main plates and the chain support together.
{|
|[[File:bolts_placement.png|thumb|x250px|Top|Insert the bolts through the highlighted holes]]
|}

14. Insert the nuts inside the other holes of the chain support.

15. Insert the bolts through the main plates and fully bolt the chain support to the main plates.
{|
|[[File:bolt_chain_support.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the chain support to the main plates and the pillars]]
|}

16. Repeat steps 7 and 8.

17. Go to the opposite side of the main plates and place the bolted pillars under the circular holes.

18. Place the nuts inside the top holes of the bolted pillars.

19. Insert the bolt through the main plates and bolt them together with the pillars.
{|
|[[File:bolt_the_other_pillars.jpg|thumb|x250px|Top|Bolt the other pillars]]
|}

20. Connect the chain with the bolted chain support and with the loose one, as well.
{|
|[[File:chain_in_place.jpg|thumb|x250px|Top|Chain structure placement]]
|}

21. Place the nuts inside the specific “boxes” of the loose chain support.

22. Insert the bolts through the holes in the main plates to connect the loose chain support to the main plates.
{|
|[[File:fully_bolted_chain.jpg|thumb|x250px|Top|Bolted chain structure]]
|}

23. Pick one of the pillars and place the nut inside the middle “box”.
{|
|[[File:nut_middle_box.jpg|thumb|x250px|Top|Nut inside the middle "box"]]
|}

24. Place it beneath the main plates in one of the corners.

25. Insert the bolt through the main plates to bolt them to the pillar.
{|
|[[File:corner_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Corner placement]]
|}

26. Repeat steps 23, 24 and 25 until the four corners of the structure are supported.

27. Remove the small pillars on the surface facing downwards of the main plate to allow nuts to be inserted into those “boxes.”
{|
|[[File:remove_small_pillars_1.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|[[File:remove_small_pillars_2.jpg|thumb|x250px|Top|Small pillars removal]]
|}

28. Insert the nuts inside those “boxes”.
{|
|[[File:nuts_on_main_plate_1.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|[[File:nuts_on_main_plate_2.jpg|thumb|x250px|Top|Nuts placement on the main plate]]
|}

29. Place the stepper holder above the holes.

30. Insert the bolts through the holes of the stepper holder in order to connect it to the main plates.
{|
|[[File:stepper_holder_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder placement on the main plate]]
|}

31. Repeat steps 28, 29 and 30 for the other four stepper holders.

32. Place the stepper motor on the stepper holder by first putting the wires through the top and bottom holes. Then, hear a click to ensure the stepper motor is well fixed. NOTE: the cable connection may vary depending on the driver, it is not reliable to use cable colors.
{|
|[[File:wires_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Wires entering position]]
|}

33. Repeat step 32 for the other 4 stepper motors.
{|
|[[File:stepper_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper motor placement]]
|}

34. Place the belt in the pulley.

35. Connect the pulley (with the belt) to the stepper motor.
{|
|[[File:motor_placement.jpg|thumb|x250px|Top|Pulley placement with the belt on]]
|}

36. Tighten the pulley.
{|
|[[File:motor_tightened.jpg|thumb|x250px|Top|Tightening of the pulley]]
|}

37. Adjust the stepper holder position to ensure the belt is not loose.
{|
|[[File:adjust_stepper_holder_position.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder too close to the chain (Belt is loose)]]
|}

38. Tighten the bolts of the stepper holder to fix it.
{|
|[[File:stepper_holder_position_adjusted.jpg|thumb|x250px|Top|Stepper holder in the correct position]]
|}

39. Repeat steps 34, 35, 36, 37 and 38 for the other four stepper holders.

40. Assembly completed.

=Electronic circuit=

The experiment has two main electronic parts, the drivers (1) for the step-motors and the light source and detection (2).

==Electonic component assembly==

1. Select a heat sink.
{|
|[[File:Heat_Sink.jpg|thumb|Heat Sink.]]
|}

2. Remove the paper protection.
{|
|[[File:paper_protection_removal.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|[[File:paper_removed.jpg|thumb|Remove the paper protection.]]
|}

3. Glue the heat sink to the step-motor driver.
{|
|[[File:heat_sink_placement.jpg|thumb|Heat sink placement.]]
|[[File:heat_sink_placed.jpg|thumb|Heat sink placed.]]
|}

4. Repeat the steps 1, 2 and 3 for the other five step-motor drivers.

5. Place the step-motor driver on the RAMPS 1.4 (RepRap Arduino Mega Pololu Shield)
{|
|[[File:Placa_RAMPS.jpg|thumb|RAMPS 1.4.]]
|[[File:Placa_RAMPS_software.png|thumb|RAMPS 1.4 (software view).]]
|}

6. Check if the step-motor driver is well placed, meaning its ground connection is as shown in the image below and that the bolt (potentiometer) is on the opposite side of the power supply (in the case of the green and red step-motor drivers) or in the side of the power supply (in the case of the purple step-motor drivers).
{|
|[[File:drivers.png|thumb|Step-motor drivers models.]]
|[[File:driver_placement_software.png|thumb|Purple step-motor driver placement (software view).]]
|[[File:driver_placement_green.png|thumb|Purple and green step-motor driver placement.]]
|}

7. Repeat the steps 5 and 6 for the other five step-motor drivers.
{|
|[[File:driver_placement.jpg|thumb|RAMPS 1.4 with the step-motor drivers in place.]]
|}

8. Connect the switches to the wires.
{|
|[[File:switches_wires.jpg|thumb|Switches connection to the wires.]]
|}

9. Place the switches in the switches holder. Make sure you hear a "click" to ensure they are well placed.
{|
|[[File:switches_placement.png|thumb|Switches positioning in the holder.]]
|}

10. Connect the step-motor wires to the step-motor drivers through the RAMPS 1.4. Check the pinouts connection through its colour and according to the information provided in the subsection [[#Step-motor drivers|Step-motor drivers]].
{|
|[[File:stepper_wires_placement.jpg|thumb|Wires connection in the RAMPS 1.4.]]
|[[File:stepper_wires_placement_software.png|thumb|Wires and switches connection in the RAMPS 1.4 (software view) according to each step-motor.]]
|}

==Step-motor drivers==
[[file:StepMotorCable.jpg | Numbering of the step-motor cable connection|thumb|120px]]
The step-motor drivers can have multiple design outputs according to the producer. The stepper pin-outs are numbered from 1-6, from left to right from the front view (shaft pointing you, connector downwards).
The driver's location on the arduíno mezzanine relates to the step-motor according to the schema below:

{| border="1" style="width:150px; height:150px; text-align:center;"
|+ Driver to step-motor link
| style="width:66px; height:66px;" | 5
| style="width:66px; height:66px;" | 3
| style="width:66px; height:66px;" | N/A
|-
| style="width:66px; height:66px;" | 1
| style="width:66px; height:66px;" | 2
| style="width:66px; height:66px;" | 4
|}

By using a proper cable the connections should follow the table below:
{| border="1" style="text-align: center;"
|+ Driver to step-motor connections
|-
!Motherboard pin-out
!Cable color
!Step-motor pin (A4988)
!Step-motor pin (DRV8825)
|-
|2B
|Red
|
|6
|-
|2A
|Green
|
|3
|-
|1A
|Black
|
|1
|-
|1B
|Blue
|
|4
|-
|}

==Light source and detection==
[[File:NPolarizersElectronicCircuit.png|thumb|Schematic for the LED PWM connection to the A4 pin of the controller board and the filter for the photodiode detection circuit.]]

The red LED is fed by a PWM output pin (A4) from the main controller board, which allows for a variable light intensity. The default PWM from the board has a 490Hz modulation in steps of 1/256, giving a resolution of less than 0.5%.

After passing the cascade of polarizers, the signal is detected by a photodiode. This photodiode is inversely biased with a resistor to ground in order to have a zero signal when no light is present.

As the signal is modulated and its frequency has to be removed we use a low-pass first order RC-filter. As the time constant is ~1s, is necessary to delay the first acquisition for the settling of the circuit voltages. Then, as the signal varies smoothly and slowly due to the polarizer rotation, and oversampling is in place, a much lower settling time is needed.

=Optical path=
[[File:Polarizer optical circuit.png|thumb|x120px|Top|Optical path showing the collimating system to let the light pass through the cascade of polarizers in parallel rays.]]
The optical path consists of a light source (1) (red LED) placed in the focal point of a semi-spherical lens (2) where the light rays are collimated in a parallel beam of light.

Then it is polarized by the fixed polarizer (3) before entering the cascade of variable tilt polarizers (4). This chain will dim the light according to each polarizer angle and it passes the second lens in order to focus on the detector, a photodiode (6).

Before reaching the photodiode, light may pass a red filter (5) to narrow the bandwidth and limit external noise. This filter is not damned necessary and can be replaced by red cellophane paper or even absent in case of a fully opaque plastic structure.

==Optical path alignment==
The main body of the device has the light propagating in parallel rays through the cascade of polarizers. Those rays are later focused on the sensor (photo-diode). It is crucial for a good signal-to-noise reading to have the system perfectly aligned. For that end, the linear position of the emitting LED and the photo-diode receiver can be adjusted according to the following procedure:

#First assemble the system lens and the light source (LED);
#Energize the LED and follow the emerging circular image from the output, eg. projecting it in a wall a couple of meters apart;
#Move the LED position in order to have an output image closer to the size of the exit circle (~30mm);
#Install the structure for the cascade of polarizers without any lens or hard film in it;
#Put in place the second collimating lens in order to focus the light in the photo-diode;
#Using a voltmeter for reading the collected light intensity to the photo-diode terminals, move back and forward the photo-diode position in order to maximize the signal;
#Firmly glue the light source and photo-diode positions in their final position.

==Optical path calibration==

Once the support structure is in place, is necessary to calibrate the absolute position of each polarizer; effectively all the polarizers will have a small offset giving a systematic error. It is important to note these angular value that maximizes the transmissivity.

The first polarizer is fixed and shall be positioned with a couple of degrees in order to avoid starting the experiment from a maximum, allowing for easy observation of such maxima. Consider having it around ~15º to 30º and well secured, eventually with glue.
Then start the calibration procedure by inserting the second polarizer and rotating it until the maximums are detected and measured (usually two). Take note of their value and leave the second polarizer at rest in the measured position. Now insert the third polarizer and repeat the procedure for the detection of the maximums and do this for the rest of them.
Every time a hard film or lens is installed it has to be firmly fixed or glued. If glue is used it ''must not damage the polarizer film''.

You will end up with a table of maximum transmission angles, leading to the reference value of maximum intensity in the cascade of polarizers.

It is provided in the firmware a function able to rotate a set of polarizers in conjunction with each other. With this procedure local maximums can be inferred to confirm the previous determined values. In fact, if a group of the last polarizers are made to rotate in conjunction, the maximum is dictated by the first one to rotate in order to the last one fixed.

Later, when performing the experiments these values of offsets must be considered in order to eliminate the systematic error of the system.

=Software =
To properly use the experiment, commands and data retrieval has to be in place. This can be achieved by two ways acting through the serial connection to the Arduino Mega.

The firmware existing in the Arduido is able to (i) configure the experiment (ii) run and retrieve the generated data and (iii) execute some specialized function in order to test, calibrate and maintain the experiment. To interface with the firmware it can be use (i) a python proxy code (high level software layer) capable to interoperate with the FREE server or a (ii) a terminal emulator like Minicom avaiable for Linux that allows you to send and receive data over the serial connection.

==Raspberry FREE proxy==
The Raspberry Pi is responsible for transmitting the video feed of the experiment and establishing communication with the FREE-Server by using a proxy interface. The FREE hosts the graphical user interface (GUI) to the clients. This section provides a concise overview of the procedure used to control all electronic components via the arduino, as well as the communication protocols between the arduino and the FREE-Server.

===Communication model between the FREE-Server and the Raspberry PI===

The communication between the server and the experiment follows the elab’s structured protocol that enables real-time interaction and data exchange. The central server, Exp Server, acts as an intermediary between users and the experimental apparatus (RPi Server). Users interact with Exp Server via a web interface made with Django, a high-level Python web framework, to configure and control the experiment parameters, while Exp Server which directly relays these commands to the experimental setup. The communication between Exp Server and RPi Server occurs over the internet using JSON-formatted messages, ensuring flexibility across different experimental configurations. Authentication is
performed at the connection stage, where RPi Server transmits an ID and a secret key for verification. Once authenticated, Exp Server sends an experiment-specific configuration file to RPi Server, which then establishes communication with the local controller using the predefined protocol [7]. Through out the experiment, RPi Server continuously exchanges status updates, experimental results, and error messages with xp Server, ensuring synchronized operation and real-time data accessibility for users.

===Communication model between the Raspberry PI and the Arduino Mega===
To enable seamless communication between the Arduino and the Raspberry Pi 4, the protocol ReC Generic Drive 11 was implemented, allowing the external user to have full control over the experiment and its status through a set of commands. The ReC Generic Drive is a generic communication protocol designed for remote laboratories, facilitating interaction between a software driver and experimental hardware. It enables seamless communication over serial ports (RS232), using structured messages where driver commands are in lowercase and hardware responses in uppercase.

The protocol ensures synchronization through message handshaking and timeout handling, supporting functions like identification, configuration, data transmission, experiment configuration, and error reporting.

Fig. 11: ReC Generic Drive State-machine diagram of the driver [7]

By reading the arduino’s serial port at a baud rate of 115200 bits per second, the user sends a bit string (ending with the character ’\r’). The configuration message is defined as:
cfg p0 p1 p2 p3 p4 p5 p6 p7\r
where p0 defines the state of LED (on or off), p1 p2 p3 p4 and p5 define the angle (in steps of 0.36◦) at which the experiment will start the sweep, p6 defines what polarizer will be sweeping
(if do not pretend to sweep then p6 is 0) and p7 defines the limit angle of the polarizer being swept (also in steps of 0.36◦) at which the experiment will stop.

==Firmware==
The programming was done using the C++ language without any external libraries. To declare a component in the code, one simply provides the corresponding input pin and accesses the enable function to initialize it, as well as the
''isTrigger'' function to check whether the logical value read corresponds to the component’s trigger state. In this particular case, the switch is active on a LOW signal. Since all objects and respective components need to be initialized and turned off, each has corresponding enable/disable functions. Components connected to single read pins, declared as ''pinMode'' (such as switches and photodiodes), do not require a disable function since ''pinMode'' does not prevent reading the pins but rather helps define the type of input being processed.

In order to rotate the stepper motors, the operation consists of sending a pulse each time a rotation of 1.8◦ (0.36º effective) is desired.
Since different RPM values require different pulse intervals, the frequency of sent pulses must be calculated accordingly.
To execute a discrete sequence of steps based on a given angle in degrees, the rotate function was implemented. The motor rotates to the low nearest integer multiple of 1.8◦ to the provided angle.

The data acquisition interval is crucial for the final experiment since the goal is to optimize the user experience by minimizing waiting times when retrieving intensity of light and scanning angle data. To address this, a global RPM of 600 revolutions per minute was used. With a scanning limit of 324◦ (as previously mentioned in Section III), the experimentally measured data acquisition time for scanning one or more polarizers simultaneously was approximately 40 seconds.

To further refine the voltage readings from the photodiode, an arithmetic mean of N points was implemented in the photodiode voltage reading function. By computing the arithmetic mean over 13 points of the value being measured, the standard deviation of this mean reduces the original standard deviation in ≈ 27.14%. This reduction was deemed acceptable for the experiment, as the data adjustment performed was successful, as will be observed in Section V).

=Links=

*[[Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores | Portuguese version (Versão em Português)]]
*[https://elab.vps.tecnico.ulisboa.pt:8000/execution/create/33/14 Direct link for the control room]
*[[Light Polarization with multiple polarizers | Reference lesson]]
*[https://www.printables.com/model/1293618-multi_polarizer_experiment Print your experiment]

File:Switches wires placement software.png

2025-06-06T13:18:26Z

Ist1102577:

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T13:15:26Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T13:14:54Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T13:11:54Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

File:Switches placement.png

2025-06-06T13:09:56Z

Ist1102577:

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T13:09:33Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T13:07:02Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

File:Switches wires.jpg

2025-06-06T13:02:14Z

Ist1102577:

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T13:02:03Z

Ist1102577: /* Montagem da Componente Eletrónica */

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T12:28:44Z

Ist1102577: /* Drivers dos motores de passo */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:28:32Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T12:27:38Z

Ist1102577: /* Drivers dos motores de passo */

Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores

2025-06-06T12:26:40Z

Ist1102577: /* Drivers dos motores de passo */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:26:04Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:25:39Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:25:12Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:23:34Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:23:19Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:23:03Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */

Multiple polarizers experimental apparatus

2025-06-06T12:22:38Z

Ist1102577: /* Step-motor drivers */