BP:Wassertropfen fotografieren

In diesem Projekt soll ein Aufbau realisiert werden, bei dem in fallender Wassertropfen mit einer Lichtschranke detektiert wird. Die einzelnen Komponenten wie Lichtschranke und Auslöser sollen dabei von Hand aufgebaut werden.

Benötigtes Material

• Arduino Uno SMD Micro Controler
• Fotowiderstand
• Zwei Widerstände für die Schaltung
• Kamera Canon EOS 77D
• Transistor
• Blauer Laser
• Bürette
• Lense Tube
• Diverse Kabel
• Durchsichtige große Wasserschale
• Drei Stative mit Muffen
• Panzerband

Aufbau

Lichtschranke

Um die Lichtschranke zu realisieren werden ein Laser, eine Lense Tube, ein Fotowiderstand und ein weiterer Widerstand mit 100 Ω benötigt. Aus den beiden Widerständen wird, wie in der Abbidung dargestellt, ein Spannungsteiler aufgebaut. Dabei ist darauf zu achten, dass der Fotowiderstand flexibel und beweglich bleibt, da dieser noch oft bewegt werden muss. Die Flexibilität kann beispielsweise durch Krokodilklemmen oder andere Verlängerungen gewährleistet werden. Nun soll der Fotowiderstand an der Lense Tube so befestigt, dass er möglichst mittig in der Öffnung sitzt. Dazu eignet sich beispielsweise ein Streifen Panzerband. Dadurch soll möglichst wenig Streulich auf den Fotowiderstand fallen. Nun müssen Laser und die Konstruktion mit dem Fotowiderstand so aufgebaut werden, dass der Laserstrahl auf den Fotowiderstand trifft. Somit stellt sich ein relativ konstanter Widerstand und somit eine Konstante Spannung am Spannungsteiler ein. Tritt nun ein Tropfen durch den Laserstrahl wird etwas von dem Licht am Tropfen gestreut. Somit gelangt weniger Licht auf den Fotowiderstand und der Widerstand ändert sich und damit auch die Spannung am Spannungsteiler. Die Tropfen können dabei mit einer Bürette erzeugt werden.

Arduino

Um das Signal auszulesen, wird ein Arduino UNO verwendet. Dieser wird mit der Arduino Software programmiert, welche auf der zugehörigen Webseite heruntergeladen werden kann.

Auslöser

Tritt ein Tropfen durch die Lichtschranke, so verändert sich die Spannung am Spannungsteiler der Schaltung. Diese Änderung kann mit dem Arduino ausgelesen werden. Sobald der Aduino eine Änderung in der Spannung misst legt er eine Spannung am Gate der Transistorschaltung an. Die Schaltung ist in der Abbildung zu sehen. Die am Gate angelegte Spannung führt dazu, dass der Transistor durchschaltet und die Kamera kurzschließt, wodurch diese auslöst.

Kamera

Probleme und ihre Lösung

Das erste Problem das sich stellte war der Aduino selbst. Die Messungen die er durchführte schienen willkürlich zu sein. Nach langem Testen und Verbesserungen an Schaltung und Aufbau tauschten wir den Aduino, wodurch sich das Problem behob. Die Messwerte stabilisierten sich. Ein weiteres Problem bestand darin, dass wir zuerst einen Fotodiode anstatt eines Fotowiderstandes verwendeten. Diese ist jedoch für einen Spannungsteiler nicht gut geeignet weshalb wir sie durch einen Fotowiderstand ersetzten. Die Auslösedauer der Kamera erwies sich ebenfalls als problematisch. Obwohl der Aduino sehr schnell den Tropfen registrierte und das Signal weitergab löste die Kamera immer zu spät aus. Die Auslösedauer konnte zunächst verbessert werden, indem der Kameramodus von der digitalen Anzeige auf die analoge geändert wurde. Trotzdem musste zudem noch die Fallhöhe und die Höhe der Lichtschranke vergrößert werden.

Fotos

Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter CC BY-NC-SA 4.0