Фотометър за яркост на нощното небе TESS-W: 8 стъпки (със снимки)

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:52

TESS-W е фотометър, предназначен за измерване и непрекъснато наблюдение на яркостта на нощното небе за изследвания на замърсяването на светлината. Той е създаден по време на европейския проект STARS4ALL H2020 с отворен дизайн (хардуер и софтуер). Фотометърът TESS-W е проектиран да изпраща данни чрез WIFI. Данните се визуализират в реално време и се споделят (отворени данни). Прегледайте https://tess.stars4all.eu/ за повече информация.

Този документ съдържа някои технически подробности за фотометъра за яркост на нощното небе TESS-W и описва как да го изградите. Той включва електронни и оптични схеми на сензора, а също и защитен от атмосферни влияния корпус.

Повече информация за фотометъра TESS е представена в Zamorano et al. „Фотометър за яркост на нощното небе STARS4ALL“на среща с изкуствена светлина през нощта (ALAN2016) Клуж, Напока, Румъния, септември 2016 г.

TESS-W е разработен от екип и дизайнът е базиран на работата на Cristóbal García.

Това е първата работна версия на Instructables. Продължавайте.

Стъпка 1: Описание на TESS-W

Фотометърът е затворен в устойчива на атмосферни влияния кутия, която съдържа електроника и оптични части по поръчка. TESS има персонализирана печатна платка (PCB) с ESP8266. ESP8266 е евтин WIFI чип с пълен TCP/IP стек и възможност за микроконтролер. Електронният се използва за четене на честотата, осигурена от сензора за светлина TSL237 (за данни за яркостта на нощното небе), а също и от модула за инфрачервен термометър MLX90614ESF-BA (за информация за облачно покритие).

Детекторът за яркост на небето е фотодиод TSL237, който преобразува светлината в честота. Това е същият сензор, използван от фотометрите на SQM. Въпреки това, честотният обхват е по -разширен до червения диапазон с използването на дихроичен филтър (означен с UVIR на графиките) по отношение на цветния филтър BG38 на SQM.

Светлината от небето се събира с оптиката, която включва дихроичен филтър за избор на честотната лента. Филтърът покрива напълно колектора (1). Сензорът (не се вижда на тази снимка) се намира на печатна платка заедно с електрониката по поръчка (2). WIFI модулът (3) с антена вътре в кутията, която разширява обхвата на WIFI. Близо инфрачервен сензор (4) се използва за измерване на температурата на небето. Накрая нагревателят (5) се включва, когато е необходимо, за да се отърве от конденза на прозореца или дори да се стопи ледът или снегът (6). Зрителното поле (FoV) е FWHM = 17 градуса.

Спектралният отклик на TESS-W се сравнява с астрономическите фотометрични ленти на Johnson B, V и R и със спектрите на светлинно замърсеното небе на Мадрид и астрономическата обсерватория Calar Alto на тъмно небе.

Стъпка 2: Електроника на фотометъра TESS-W

Електронно табло

Основният компонент на TESS е електронна платка по поръчка (печатна платка, печатна платка).

Файлът, необходим за печатната платка, може да бъде изтеглен от

Печатната платка е проектирана така, че да се побира в избраната кутия на кутията (вижте по -късно).

Главни компоненти

Електронните части на печатните платки могат да се разглеждат върху придруженото изображение и във предоставения файл.

Стъпка 3: Оптика на фотометъра TESS-W

Дизайн и компоненти

Светлината от небето се събира с оптиката, която включва дихроичен филтър за избор на честотната лента. Филтърът покрива изцяло колектора. Корпусът на фотометъра има ясен прозорец, който позволява на небесната светлина да влезе във фотометъра. Вътрешната част е защитена със стъклен прозрачен прозорец.

Оптичният дизайн е изобразен на първата фигура. Светлината преминава през прозрачния прозорец на филтъра (1) и влиза през отвор (3) на капака на корпуса (2). Прозрачният прозорец е залепен към капака на кутията. Дихроичният филтър (4) е разположен отгоре на светлинния колектор (5). Детекторът (6) е поставен на изхода на колектора.

Чистият прозорец

Първият компонент е прозрачен прозорец, който пропуска светлината към останалите компоненти и запечатва фотометъра. Това е прозорец, изработен от стъкло (BAK7), защото трябва да устои на атмосферните влияния. Прозорецът е с дебелина 2 мм и диаметър 50 мм. Кривата на предаване е измерена на оптичната работна маса LICA-UCM. Той е почти постоянен ~ 90% в диапазона на дължините на вълните 350nm -1050nm, което означава, че прозрачният прозорец не въвежда промяна в цвета на светлината.

Дихроичният филтър

Дихроичният филтър е заоблен филтър с диаметър 20 мм, който покрива изцяло светлинния колектор. Това гарантира, че няма нефилтрирана светлина, достигаща до детектора. Това е важно, тъй като детекторът TSL237 е чувствителен в инфрачервения (IR). UVIR филтърът е проектиран да предава от 400 до 750 nm, т.е.прекъсва ултравиолетовата реакция на детектора под 400 nm и IR реакцията над 750 nm. Кривата на предаване е подобна на комбинация от дълъг и краткотраен филтър с почти плоска реакция, достигаща почти 100%, измерена в оптичната работна маса LICA-UCM (вижте графиките в описанието)

Светлинният колектор

За да събере светлината от небето, TESS използва светлинен колектор. Този колектор е много евтин, защото е направен от пластмаса с помощта на леене под налягане. Тези лещи се използват за излъчване на светлината във фенерчета. Вътрешната част е прозрачен параболоиден отражател. Черният държач предотвратява разсеяната светлина да достигне до детектора.

Използваме черни светлинни колектори с номинални 60 градуса FoV. Когато се използва в TESS, FoV се намалява поради позицията на детектора извън колектора. Крайният измерен FoV (включително възможното винетиране от капака на кутията) е измерен в оптичния работен плот. Ъгловата реакция е подобна на гауссова функция от 17 градуса пълна ширина при половин максимум (FWHM).

Кутията

Електрониката и оптиката на фотометъра TESS са защитени от обикновен корпус, базиран на търговска пластмасова кутия, която е подходяща да бъде на открито и да устои на атмосферните влияния.

Кутията е малка (отвън: 58 x 83 x 34 mm; отвътре: 52 x 77 x 20 mm). Кутията има капак с винт за достъп отвътре. Запечатаната конструкция осигурява достатъчно ниво на защита срещу навлизане на вода и прах. За да се предотврати ръждата на винтовете, оригиналните винтове са сменени с винтове от неръждаема стомана.

Стъпка 4: Корпус TESS-W

Кутията

Електрониката и оптиката на фотометъра TESS са защитени от обикновен корпус, базиран на търговска пластмасова кутия, която е подходяща да бъде на открито и да устои на атмосферните влияния.

Кутията е малка (отвън: 58 x 83 x 34 mm; отвътре: 52 x 77 x 20 mm). Кутията има капак с винт за достъп отвътре. Запечатаната конструкция осигурява достатъчно ниво на защита срещу навлизане на вода и прах. За да се предотврати ръждата на винтовете, оригиналните винтове са сменени с винтове от неръждаема стомана.

Обработка на кутии

Необходимо е да се извърши някаква проста обработка на кутията. Прозорецът, който позволява на светлината да достигне до светлинния колектор, е с ширина 20 мм в диаметър. Той е покрит с прозрачен прозорец, който трябва да бъде залепен с устойчив на атмосферни влияния силикон. Малкият отвор е портът на инфрачервения термометър и има диаметър 8,5 мм. От другата страна на кутията е необходим отвор от 12 мм за кабелния уплътнител. Двете перфорации от 2,5 мм се използват за закрепване на нагревателя към капака на кутията.

Стъпка 5: Монтиране на фотометъра TESS-W

1. Подготовка

1. Оцветете кутията вътре в черно.

Обработка на кутии

2. Пробиване:

● 1x 20 mm за прозореца ● 1x 12 mm за кабелния уплътнение ● 1x 8,5 mm за термопилата ● 2x 2,5 mm за нагревателя ● 2x 1 mm отстрани на кутията.

3. Пробийте алуминиевия дифузьор (с дебелина 1 мм) за съпротивлението на нагревателя, 4. Завийте съпротивлението и плочата към капака. Залепете 8 -милиметровите дистанционни елементи за печатната платка. Залепете прозрачния прозорец (нагревателят на съпротивлението трябва да се завинтва на място)

Термопила

7. Свалете регулатора на напрежението и свържете двата извода чрез запояване на мост. Запоявайте едноглав 4-пинов проводник към конектор с дължина 60 mm. Залепете термопилата към капака.

Антена

10. Пробийте дупка за закрепване на антената към кутията.11. Изрежете ъглите на антената. Отстранете керамичната антена на wifi модула, а също и антената и червения светодиод.

2. Монтаж

Моля, следвайте тази подредена последователност:

1. Закрепете антената към кутията с помощта на винт. Поставете кабелния уплътнител и захранващия кабел. Закрепете колектора (черен цилиндър) към печатната платка (два винта).4. Закрепете платката към кутията (два винта).5. Завийте захранващия кабел към конектора на зелената платка. (Червен проводник към положителен).6. Кабел за запояване на антена към wifi модул. Припой към резисторен нагревател 2-пинов кабел с една глава с конектор към платка от 55 мм. 8. Свържете термопилата и съпротивлението (внимавайте да не счупите печатната платка).

Съпротивлението действа като нагревател и е свързано с капака с алуминиева плоча. Снимките обясняват следните процеси: Антената трябва да се завинтва към кутията, регулаторът на термоустройството е заменен с мост, а двата дистанционера (в черно) за печатни платки трябва да бъдат залепени към кутията. Вътрешната страна на кутията е боядисана в черно.

Една от фигурите показва оригиналния WIFI модул, който има керамична антена и гнездо за свързване на допълнителна антена (отгоре). Използваме антена, чийто кабел е запоен към wifi модула (отдолу). Обърнете внимание, че керамичната антена, гнездото и червеният светодиод в близост до кабела са отстранени.

Стъпка 6: Фотометрично калибриране на TESS-W

Фотометрите трябва да бъдат калибрирани, за да се гарантира, че измерванията от различни устройства са последователни. TESS-W са кръстосано калибрирани спрямо главен фотометър в Laboratorio de Investigación Científica Avanzada (LICA) на Universidad Complutense de Madrid.

Настройката е интегрираща сфера, чиято вътрешност може да бъде осветена от източник на светлина и с няколко оптични порта за свързване на фотометрите. Използваният източник на светлина е светодиод от 596 nm с 14 nm FWHM.

Ако искате да калибрирате вашия фотометър TESS-W, можете да се свържете с LICA-UCM.

Стъпка 7: Софтуер TESS-W

Софтуер за WIFI модул

Комуникация и софтуер

Пълната система включва сензорна мрежа и софтуерен брокер, който посредничи между производителите на информация и потребителите, който е запазен за калибрирани сензори. След като сте калибрирали фотометъра си (вижте Стъпка 6), STARS4ALL ще ви предостави идентификационните данни, които да публикувате в брокера.

Разработен е примерен потребител в Python за съхраняване на данни в база данни SQLite. Този потребител може да бъде инсталиран на един или много компютри или сървъри. Основните характеристики на софтуера са изброени по -долу:

● Персонализиран софтуер за TESS, разработен в C.

● Софтуер за издатели на MQTT, разработен в библиотеките на Arduino IDE и ESP8266.

● MQTT брокер или при вътрешно внедряване, или при налична трета страна (т.е. тествайте mosquitto.org)

● Абонатен софтуер на MQTT, който получава данни от издатели и ги съхранява в релационна база данни (SQLite).

MQTT е лек протокол M2M / Интернет на нещата, подходящ за ограничени устройства, който изисква много по -малко режийни разходи от комуникации, базирани на

Всеки сензор изпраща периодично измервания до отдалечен MQTT сървър чрез локален рутер. Този сървър - наречен „брокер“в света на MQTT - получава данни от много сензори и преразпределя към всички абонирани страни, като по този начин отделя издателите от потребителите. Отдалеченият сървър може да бъде разположен или вътрешно в централно съоръжение за проекта. Като алтернатива можем да използваме налични, безплатни брокери на MQTT като test.mosquitto.org.

Всеки софтуерен клиент може да се абонира за брокера и да консумира информацията, публикувана от устройствата TESS. Ще бъде разработен специален MQTT клиент, който да събира всички тези данни и да ги съхранява в база данни SQLite.

Конфигурация на устройството

● Конфигурацията на инструмента ще бъде намалена до минимум, за да помогне за поддръжката.

● Всяко устройство се нуждае от тази конфигурация:

o WiFi SSID и парола.

o Константа за калибриране на фотометър.

o IP адрес и порт на MQTT Broker.

o Име на инструмента (уникално за всяко устройство)

o Име на MQTT канал (както е описано по -горе)

WiFi конфигурация

При първо свързване към захранването, TESS-W създава точка за достъп до WiFi. Потребителят попълва настройките, които включват името (SSID) и паролата на WiFi рутера, нулевата точка на фотометрията и интернет адреса и името на хранилището на брокера. След нулиране и изключване и включване на цикъла, фотометърът TESS започва да произвежда и изпраща данни.

При първо зареждане TESS стартира като точка за достъп с името TESSconfigAP. Към тази точка за достъп трябва да се свърже мобилен телефон.

● Прегледайте с интернет браузър следния URL адрес:

● Попълнете формуляра с параметрите, изброени в 2.3

● Рестартирайте устройството, което ще се свърже с локалния рутер.

Когато устройството загуби връзката с WiFi рутера, рестартирайте и се конфигурирайте отново като точка за достъп, което е удобно за промяна на конфигурацията.

Софтуер

Документацията за фърмуера на TESS-W може да бъде намерена в хранилището на github

github.com/cristogg/TESS-W

За ESP8266https://github.com/cristogg/TESS-W/blob/master/tess-w-v2_0/tess-w-v2_0.ino.generic.bin

За микропроцесора

Стъпка 8: Заключителни бележки

Фондация STARS4ALL е продължение на проекта STARS4ALL, който отговаря за работата на мрежата от фотометри TESS-W. Това е граждански научен проект, който произвежда данни от интерес за проучвания на светлинното замърсяване.

След като фотометърът ви е калибриран и конфигуриран, ще започне да изпраща измерванията до инфраструктурата STARS4ALL. Тези измервания могат да бъдат визуализирани от нашата платформа (https://tess.stars4all.eu/plots/). Освен това всички данни, генерирани в мрежата, могат да бъдат изтеглени от нашата общност Zenodo (https://zenodo.org/communities/stars4all)