Kit experimental de polarização da luz com múltiplos polarizadores
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Descrição 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
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.
2. Retirar os suportes de impressão das polias com a ajuda de pinças ou de um X-Acto.
3. Colocar as correias nas polias.
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)
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.)
6. Cortar as camadas finas de suporte que tapam os furos das placas principais da estrutura.
7. Juntar dois dos quatro pilares e colocar as porcas nos buracos específicos no topo dos pilares.
8. Ligar os dois pilares colocando os parafusos nos furos específicos.
9. Juntar as placas principais nesta posição.
10. Colocar os pilares ligados no canto da junção das placas principais.
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.
12. Colocar as porcas nas "caixas" mais próximas da "parede" do suporte da corrente.
13. Colocar os parafusos nos pilares ligados para aparafusar os pilares às placas e ao suporte da corrente.
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.
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.
20. Ligar a corrente aos suportes da corrente, tanto ao aparafusado como ao solto.
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.
23. Escolher um dos pilares ainda não usados e colocar uma 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.
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.
28. Colocar as porcas dentro dessas "caixas".
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.
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.
33. Repetir o passo 32 para os outros quatro motor de passo.
34. Colocar a correia na polia.
35. Ligar a polia (com a correia) ao motor de passo.
36. Apertar a polia do motor de passo.
37. Ajustar a posição do suporte do motor de passo de modo a garantir que a correia está à tensão.
38. Apertar os parafusos do suporte do motor de passo de modo a fixá-lo.
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.
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.
3. Pegar na caixa do Arduino Mega (verificar a imagem abaixo) e aparafusá-la à base da componente eletrónica.
4. Usar um ferro de solda para inserir os insertos roscados nos furos da caixa, através do processo de inserção térmica.
5. Pegar num dissipador de calor.
6. Retirar a película de papel.
7. Colar o dissipador de calor ao driver do motor de passo.
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)
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).
11. Repetir os passos 5 e 6 para os cinco drivers.
12. Ligar os interruptores de curso aos cabos.
13. Colocar os interruptores de curso no segurador dos interruptores. Garantir que se houve um "click".
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.
15. Montar o circuito elétrico do fotodiodo e do detetor.
File:Photodiode circuit.jpg 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.
17. Repetir o passo 2 para a base direita.
18. Colocar a fonte de alimentação na base direita e aparafusá-la.
Drivers dos motores de passo
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:
| 5 | 3 | N/A |
| 1 | 2 | 4 |
Usando um cabo próprio, as ligações devem seguir as indicações da tabela em baixo:
| 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
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
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.
