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Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?



  1. #1
    nlbmoi

    Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?


    ------

    Bonjour,

    J'aimerai étudier la loi de Malus () avec comme source lumineuse un laser ; les données sont récupérées par un capteur de lumière branché sur le microcontrôleur Arduino.

    Quel type de capteur est le plus adapté pour cela : LDR ? Photodiode ? Phototransistor ?

    merci pour vos conseils

    -----

  2. #2
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Bonjour,

    Il faut un capteur linéaire ce qui n'est pas le cas de LDR.

    Les deux autres peuvent être linéaires. L'avantage du transistor est qu'il inclut l'amplification donc le montage est plus simple.
    Si c'est avec un Arduino, il doit y avoir des composants tout prêts avec le bon montage.
    Il faudra élargir le faisceau laser sinon vous risquez d'endommager votre polariseur et d'aveugler votre capteur.

  3. #3
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    D'accord.

    Pour le branchement ; +5V --> collecteur --> emetteur --> résistance 1k (?) --> GND ?

  4. #4
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Oui c'est le montage le plus simple. Voir :

    light-sensitive

    des détails sur la comparaison photodiode/phototransistor :

    digikey

  5. A voir en vidéo sur Futura
  6. #5
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Merci pour les infos.

    Le courant qui sort de l'émetteur est bien proportionnel à l'intensité lumineuse (dans une plage) ? Donc normalement, la tension aux bornes de la résistance doit varier proportionnellement avec l'intensité lumineuse reçue ?

  7. #6
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    C'est bien cela, il faut quand même lire la datasheet du composant ...

  8. #7
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Malheureusement, je n'ai aucune info sur le phototransistor.

    Les mesures obtenues :

    La source est une diode laser 650 nm suivie d'une lentille convergente pour élargir le faisceau et éviter la saturation du phototransistor.
    La résistance connectée à l'emetteur est de 4.4k


    Globalement, je trouve bien une évolution : quand le polariseur et l'analyseur sont croisés, j'obtiens bien l'extinction ; quand ils sont alignés, le signal lumineux est le plus important. Toutefois, la modélisation en cos² est assez éloignée des valeurs expérimentales de la tension aux bornes de la résistance.
    Images attachées Images attachées
    Dernière modification par nlbmoi ; 08/12/2020 à 11h22.

  9. #8
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Une petite erreur s'est glissée dans la pièce jointe : la bonne est celle qui est la moins proche des points expérimentaux !

  10. #9
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    J'arrive à trouver la loi de Malus à condition de :

    - faire un décalage d'origine de 18°
    - "oublier" les points au-delà de 90°
    - appliquer un facteur d'échelle de 1,35 sur les angles

    Nom : Capture d’écran.png
Affichages : 309
Taille : 88,0 Ko

    C'est tout plat entre 90 et 120 et au-delà de 120 cela a du mal à décoller, je ne vois pas trop comment expliquer
    Comment mesurez-vous l'angle (pour expliquer le facteur d'échelle) ?

  11. #10
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Nettement mieux cos(\theta)^4,7

    Nom : Capture d’écran.png
Affichages : 271
Taille : 125,3 Ko

    Donc capteur non linéaire ?
    Référence de votre phototransistor ?

  12. #11
    Antoane
    Responsable technique

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Bonjour,

    Une photo-diode est bien plus linéaire qu'un photo-transistor, sur une gamme bien plus large en particulier lorsqu'elle est intégrée dans un amplificateur à transimpédance - qui peut fonctionner en 0/5V si l'AOP est bien choisi et que la photodiode n'a pas besoin d'etre polarisée, comme c'est le cas ici.
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.

  13. #12
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Mais cela demande un montage un peu plus complexe, et pour vérifier un cos^2 \theta, une linéarité sur deux décades suffit.

    Question à @nblmoi : ordre de grandeur des différentes tensions ?

  14. #13
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Merci à tous les 2,

    Mes polariseur et analyseur sont gradués sur un support tournant : la valeur de l'angle correspond à l'angle lu sur le polariseur, l'analyseur restant sur 0 (c'est d'ailleurs là que je me suis rendu compte que le fournisseur n'avait pas calibré les 2 ...).
    j'ai également vu, par hasard, qu'en passant par cos^4 déjà les points étaient beaucoup mieux aligné : je me suis dit que le phototransistor n'était pas linéaire selon la polarisation de la lumière incidente.

    Je n'ai pas de référence sur le phototransistor utilisé : il était dans la collection !


    J'ai par ailleurs testé avec un montage similaire mais en utilisant une photodiode (BPW34) amplifiée à l'aide d'un LM358AN avec une résistance de 100k, alimenté directement avec Arduino) : on retrouve à peu près ls mêmes courbe et écarts (bon les courants à faible intensité lumineuse sont tous identiques)
    Nom : Annotation 2020-12-08 142019.png
Affichages : 405
Taille : 14,7 Ko

  15. #14
    Antoane
    Responsable technique

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Citation Envoyé par nlbmoi Voir le message
    J'ai par ailleurs testé avec un montage similaire mais en utilisant une photodiode (BPW34) amplifiée à l'aide d'un LM358AN avec une résistance de 100k, alimenté directement avec Arduino) : on retrouve à peu près ls mêmes courbe et écarts (bon les courants à faible intensité lumineuse sont tous identiques)
    Pièce jointe 427146
    Le LM358 n'est pas le plus adapté, sa tension de sortie ne peut pas descendre en deca de 100 ou 200 mV, d'où la saturation que tu observes.

    Avec seulement un photo transistor et une resistance, il faudrait s'arranger pour laisser au moins 1 ou 2 V au transistor, et donc ne choisir la resistance de manière à ne pas avoir plus de 3 ou 4 V à ses bornes.
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.

  16. #15
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Je me doute bien que l'aop n'est pas très adapté mais c'est le seul que j'avais sous la main : as-tu un (ou plusieurs) modèles à me proposer ?

    Pour le phototransistor, comment je peux calculer la résistance (à priori, puisque là je n'ai pas la référence de mon phototransistor) ? Faut-il un modèle particulier de phototransistor plus adapté à ma manip ?

  17. #16
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Sans référence, on voit quand même que Vmax est supérieur à 4V avec une alimentation à 5V, il faut diminuer ce Vmax, donc essayer avec une résistance plus faible.

  18. #17
    gts2

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Peut-être un problème optique : tu parles d'une lentille donc faisceau non parallèle. Quand je parlais d'élargir je pensais élargisseur de faisceau mais en restant parallèle donc système afocal.

  19. #18
    RomVi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Bonjour

    Il faudrait plutôt utiliser un véritable capteur, comme le tsl235R.

  20. #19
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Bonjour,

    Ce capteur combine tout dans un seul bloc mais pédagogiquement, c'est moins intéressant :
    - on perd l'explication capteur de lumière (ça ne fait qu'une seule boîte noire)
    - le principe de mesure (et par suite la mesure dans le programme Arduino) est plus complexe

    Mais je garde la référence pour des mesures sans doute plus propre in fine

  21. #20
    Antoane
    Responsable technique

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Citation Envoyé par nlbmoi Voir le message
    Je me doute bien que l'aop n'est pas très adapté mais c'est le seul que j'avais sous la main : as-tu un (ou plusieurs) modèles à me proposer ?
    A peu prés n'importe quel AOP :
    - rail to rail en sortie, ou du moins avec une tension de saturation au niveau bas proche de zèro
    - rail to rail en entrée, ou du moins avec un common mode range d'entrèe descendant à zèro
    - avec un courant de biais raisonnable si tu travailles à faible luminausité,
    devrait convenir.
    L'un de ceux-là devrait faire l'affaire (mais il faudrait vèrifier au cas par cas si tu veux passer une commande) :
    https://www.ti.com/amplifier-circuit...3295typ=-1;400
    https://www.analog.com/en/parametricsearch/11095#/

    Mais, comme l'indique gts2, cela ne se justifie probablement pas ici (même si c'est plus propre ).
    Deux pattes c'est une diode, trois pattes c'est un transistor, quatre pattes c'est une vache.

  22. #21
    RomVi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Citation Envoyé par nlbmoi Voir le message
    Bonjour,

    Ce capteur combine tout dans un seul bloc mais pédagogiquement, c'est moins intéressant :
    - on perd l'explication capteur de lumière (ça ne fait qu'une seule boîte noire)
    - le principe de mesure (et par suite la mesure dans le programme Arduino) est plus complexe

    Mais je garde la référence pour des mesures sans doute plus propre in fine
    Ça n'a rien de compliqué, l'arduino peut lire directement une fréquence par comptage. Il existe également une variante de ce composant avec sortie tension, que l'on pourra lire avec une entrée ana.
    J'ai déjà utilisé ce type de capteur pour des mesures spectrométriques, il est sensible, précis, avec une grande amplitude de mesure et très linéaire.

  23. #22
    nlbmoi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Citation Envoyé par RomVi Voir le message
    Ça n'a rien de compliqué, l'arduino peut lire directement une fréquence par comptage. Il existe également une variante de ce composant avec sortie tension, que l'on pourra lire avec une entrée ana.
    J'ai déjà utilisé ce type de capteur pour des mesures spectrométriques, il est sensible, précis, avec une grande amplitude de mesure et très linéaire.
    je suis intéressé par plus de précision ou de documents !
    Quand je parle de pédagogique, ce n'est pas tant pour moi mais pour les élèves/étudiants voire collègues un peu moins aguerris dans la programmation

  24. #23
    RomVi

    Re : Loi de Malus : quel capteur de luminosité ?

    Tu as toutes les infos sur la fiche technique :
    https://www.sparkfun.com/datasheets/...TSL235R-LF.pdf

    Pour effectuer une mesure il faut compter le nombre d'impulsions sur une durée déterminée. On peut aussi faire une moyenne sur plusieurs mesures.

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