図に示すような加速管の中で高速で移動している物体を、測定地点を３点設け

質問

図に示すような加速管の中で高速で移動している物体を、測定地点を３点設けて、その３点を通過する時間を計りたいと思っています。
考えているものとして、２つのレーザーと１つのパルスレーザーを設置し、２つのレーザーを照射していて、物体が横切ればレーザーを横断するわけになり、そこからパルスレーザーまでの到達位置・時刻aを出します。
a点に到達する時にパルスレーザーによるパルスに信号を送り最初のパルスからのパルス数により時間を算出しようと思っています。
これと同じものをb、c２点設置し最終的に何秒でどこに行き着くかを見たいというものです。
はっきりしない上に、わかりにくい説明だとは思うのですが解説・指摘お願いします

回答No.3

tance · ベストアンサー

時間分解能は1nsecが必要なのでしょうか。1nsecのクロックとは1GHzですから
相当大変です。これをカウントするカウンタもありますが、安くはないです。

でもその分解能が必要なら仕方ないですね。カウンタは例えばアジレントの
53131Aだと約24万円です。測定値はGPIBを使って数値で得られます。

クロックは例えば、クリステック社の CCSO-914X-1000.000なんかは約5000円です。

受光素子は浜松フォトニクスのG10447-51などは多分数万円以下でしょう。
波長は850nm用です。レーザの方はコリメートレンズ等でビームにして
ください。もっと安そうなものもあるのですが、赤外線用です。目でビームが
見えた方が良いと思ってこれを挙げました。

ただし、これらは周波数が高いので、ただつなげば動くという訳には
いきません。専門知識が必須です。

お礼

とりあえず、ものを買ってみてブレッドボード上に差込んだりしてみます。
また、わからないことがあったら質問すると思うので、その時は指摘などをお願いします。

inara1さんとtanceさんお二人にお世話になったので前回の質問ではinara1さんをベストアンサーに今回の質問ではtance参をベストアンサーにさせていただきます。

本当に参考になる意見ばかりでした。ありがとうございました。

補足

毎日の質問に対し回答ありがとうございます。

時間分解能1 [ns]という数字をなめていました。素人発言で申し訳ないです。
今回は加速管の長さが10 [m]で測定地点を3点設けて（測定間隔2 [m]）で、物体が初速度100 [m/s]で打ち出されるというものを仮定したいと思います。
上記の条件だとしたら機材も安く済むのでしょうか？
参考になるサイトなどがあれば紹介お願いします。

毎日質問ばかりして恐縮なんですが、回答・解説・指摘をお願いします。

回答No.7

inara1

＞LM6365 DIPモジュールというのがクロック周波数の役割をする？
このモジュールはフォトダイオードの信号を増幅して、PICマイコンで扱える0V-5V振幅の信号にしているだけです。クロック周波数はPICマイコン側です。

＞アンプはPDを含めて全てブレッドボード上で配線する？
低速の物体で動作確認するだけならブレッドボードで配線してもかまいません。その場合、PD（フォトダイオード）もブレッドボード上に差して、配線をなるべく短くしてください。

PICマイコンの質問（http://sanwa.okwave.jp/qa6233502.html）は一旦締め切って、技術者向コンピューター > プログラミング > その他(プログラミング) のカテゴリで再質問したほうがいいと思います（同じ質問文でいいです）。検索してみると、PICマイコンに関する適切な回答は「その他(プログラミング) 」が多いようです。

お礼

回答ありがとうございます。
毎日の質問にも答えてくださり感謝しています。

PICの質問は今日中に再質問してみます。わざわざ調べてくださりありがとうございます。

とりあえず、ものを買ってみてブレッドボード上に差込んだりしてみます。
また、わからないことがあったら質問すると思うので、その時は指摘などをお願いします。

inara1さんとtanceさんお二人にお世話になったので前回の質問ではinara1さんをベストアンサーに今回の質問ではtance参をベストアンサーにさせていただきます。

本当に参考になる意見ばかりでした。ありがとうございました。

回答No.6

inara1

ANo.5の波形が違ってました。
物体がないときは 5V (Hレベル）、光が遮られたときが0V (Lレベル）です。

PD1とPD2の表記も間違ってます。抵抗値も正しくは 47kΩ でした。

回答No.5

inara1

フォトデテクタ周辺の回路は添付図のようになります。図ではPD2側の回路しか描いてませんが、PD1も同じ回路です（電源の±5Vは共有できます）。赤色で示した配線は極力短くしてください。遅い物体で（手を動かすなどして）動作確認するのならブレッドボードでも動作すると思います。コンデンサは高周波特性の良い積層セラミックコンデンサ（http://akizukidenshi.com/catalog/g/gP-02211/）を使ってください。4.7kΩの抵抗を変えると、フォトダイオードにレーザ光が照射されているときの出力電圧が変わります（抵抗が大きいほど電圧が高くなる）。実際に光を当ててみて、LM6365 DIPモジュールの出力が3V以上となるような抵抗値としてください(3V以上の電圧が出ていないとPICマイコンで検出できないので）。

[2]のフォトダイオードの3本足のどれがアノードかカソードか分からないので、付属のデータシートで確認してください。

PICマイコンの質問はまだ回答がついてませんが、[技術者向] コンピューター > プログラミング > その他(プログラミング) のカテゴリのほうが良いかもしれません（2重質問はしないほうがいいです）。

補足

回答ありがとうございます。

わかりやすい図ありがとうございます。実際の器具の型番まで表記ありがとうございます。実際に購入します。

また質問になっちゃうんですが、LM6365 DIPモジュールというのがクロック周波数の役割をするのでしょうか？
また、アンプはPDを含めて全てブレッドボード上で配線するということなのでしょうか？
本当に何度も申し訳ないのですが、回答・解説・指摘お願いします。

回答No.4

inara1

1ns という時間はとんでもなく短い時間です（この時間に光は 30cm しか進みません）。速度をどれくらいの精度で測定したいかによって、必要な時間分解能（クロック周波数）を決めたほうがいいです。その結果から、フォトデテクタに必要な応答速度も決まります。

秒速 v (m/s) の速度を測定するために、距離が L (m) 離れた２つのフォトデテクタを置いたとき、フォトデテクタからの信号の遅延時間（ANo.2のΔt）は
　　　Δt = L/v
となります。このΔt を相対誤差 1% 未満精度で測定したいとき、必要な基準クロック（CLK）の周期を Δt の1% 未満にします。例えば、v = 300 m/s、L = 10cm のとき、Δt = 0.1/300 = 333μs なので、Δt を相対誤差 1% 未満の精度で測定するには、基準クロックの周期を 333μs の1%の 3.33μs 未満とします（1ns という短い基準時間は全く必要ありません）。この周期を周波数に換算すると 1/3.33μs = 300kHz になります。一般的な周波数カウンタの基準クロックは 10MHz ですから、v = 300 m/s、L = 10cmのとき、0.0003% の誤差で速度を測定できることになります。普通の物体の速度計測なら、基準クロックは 10MHz で充分だと思いますが、実際にどれくらいの速度を計測したいのでしょうか。

時間差データをＰＣに取り込むにはPICマイコンを使うのがいいと思います。PICの割り込み機能を使って、2つの入力信号が変化した時間差を測定できます。私はPICマイコンに詳しくないので、その部分は別質問してください（以下のような質問文はどうでしょうか。数字は適当に書き換えてください）。

↓ここから
PICマイコンを使った分解能1μsの時間差測定とPCへのデータ取込み方法について
PICマイコンを使って、レベル0-5Vの2つの信号A、Bの立ち上がり時間の差を、分解能1μs・最大時間100ms程度で測定し、USBコネクタでPCに時間差データを転送する方法を教えてください。

信号A、B は通常はLレベルで、Hレベルのパルス幅が10μsから1ms程度の単発パルスです。信号A、B のパルス幅は同じですが、Bのほうが数μs から数十msの遅延があります。

マイコンのクロックに10MHzとか20MHzなどの切りのいい周波数を使い、PICマイコンの割り込みを使う方法があるようなのですが、適切なPICマイコンの型番とプログラミング法、PCとインターフェースの方法などが書かれたサイトなど紹介して頂けると助かります。
↑ここまで

光源は [1] のような安価な赤色レーザでいいと思います（可視光なら光軸合わせも簡単）。フォトデテクタは [2] 、フォトデテクタの信号を増幅するオペアンプは [3] がいいでしょう。フォトデテクタの信号を増幅する回路（PICマイコン手前まで）なら提示できます。

[1]　赤色レーザー発光モジュール（500円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-00765/
[2]　超高速ＰＩＮフォトダイオード（5個200円）　http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-02984/
[3]　LM6365 DIPモジュール（400円） http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-03112/

補足

毎日の質問に対し回答ありがとうございます。

時間分解能1 [ns]という数字をなめていました。素人発言で申し訳ないです。
今回は加速管の長さが10 [m]で測定地点を3点設けて（測定間隔2 [m]）で、物体が初速度100 [m/s]で打ち出されるというものを仮定したいと思います。

具体的な計算法や質問文まで考えてくださって本当にありがとうございます。
早速inara1さんのもので質問したいと思います。

また、上記のシステムの設定について追加の回答・解説・指摘があればお願いします。

回答No.2

inara

何をしたいかは理解しました。
tanceさんの測定法は添付図のようなものだと思います。
市販の周波数カウンタには、時間差（タイムインターバル）の測定機能がついているので、２つのPD（フォトデテクタ）の信号の立下り時間の差を測定することが可能です。この時間差測定の単位時間は、周波数カウンタに内蔵された基準クロックの周期になりますが、この周波数は窒素レーザの繰り返し周波数（数十Hz）よりはるかに高いので高い精度での時間計測ができます。窒素レーザの繰り返しパルスで速度を計測するというのは、高速で運動する物体に対しては適切ではないと思いますが。

補足

質問に対して何度も回答ありがとうございます。
パルスレーザーを使う必要はないですよね。パルスレーザーにこだわりすぎていました。

また質問になってしまうのですが、貼り付けてくださった画像の回路でクロックの周期1 [ns]と仮定し、レーザーは半導体レーザーを使用するとして、PDは何を買えばいいのでしょうか？そして値段はいくらくらいのものなのでしょうか？
周波数カウンタは何を使えばいいでしょうか？手作りで周波数カウンタのシステムを作るとしたらどのように作るのでしょうか？
そしてどのような方法でパソコンに結果を出力するのでしょうか？（パソコンへの配線など）
また、パソコンに出力された結果は波形として出力されるのでしょうか？数字として出力されるのでしょうか？
最終的に図のシステムを作るとしたら、いくらくらいになるのでしょう？（レーザーを除いて）
本当に毎日、質問ばかりで申し訳ないのですが回答、解説、指摘お願いします。

回答No.1

tance

どうしてパルスを計数する方法を考えたのでしょうか。必要な場所に
CWのレーザと受光素子を設置しておけば、物体が横切るタイミングで
受光素子の信号が出るので、基準位置, a, b, c の各信号間隔を計測
すれば良いのではないでしょうか。

物体の速度が変動するか、速度の絶対値がどのくらいか、測定地点間の
距離はどのくらいかによっては信号の時間間隔測定が難しくなることも
ありますが、パルス間隔を測る測定器は非常にポピュラーですので
難しいことはないでしょう。（安い周波数カウンタにもたいていこの
機能は付いている）

測定器等がないときは何か自作する必要がありますが、パルスレーザを
使うよりは簡単だと思います。

位置検知レーザは紫外線などでなく、赤外線の半導体レーザで十分だし、
それなら応答速度が0.1nsec以下の受光素子が売られています。フォト
ダイオードとTIAと呼ばれるアンプが一体になっている素子です。
（通信用）

このようなものを使い、周波数カウンタとかタイムインターバルアナライザ
などを使えば、最高分解能100psecくらいの時間差測定ができます。
結果をPCに取り込むこともできます。

システムの制限事項などが不明なので回答が的を射ていないかもしれません。

でももし、より詳細な内容がお知りになりたければ、追加質問をしてみてください。

補足

質問に対して何度も回答ありがとうございます。
パルスレーザーを使う必要はないですよね。パルスレーザーにこだわりすぎていました。

また質問になってしまうのですが、inaraさんの画像の回路でクロックの周期1 [ns]と仮定し、レーザーは半導体レーザーを使用するとして、PDは何を買えばいいのでしょうか？そして値段はいくらくらいのものなのでしょうか？
周波数カウンタは何を使えばいいでしょうか？手作りで周波数カウンタのシステムを作るとしたらどのように作るのでしょうか？
そしてどのような方法でパソコンに結果を出力するのでしょうか？（パソコンへの配線など）
また、パソコンに出力された結果は波形として出力されるのでしょうか？数字として出力されるのでしょうか？
最終的に図のシステムを作るとしたら、いくらくらいになるのでしょう？（レーザーを除いて）
本当に毎日、質問ばかりで申し訳ないのですが回答、解説、指摘お願いします。