Ардуино спектрометр: создаем своими руками из светодиодов

Профессор химии Александр Щилин (Alexander Scheeline) из Университета Иллинойса сделал из мобильного телефона спектрометр, чтобы увлечь школьников аналитической химией.

Профессор собрал основной научный инструмент химика из недорогих материалов и цифровой камеры. Спектрофотометрия

является одним из наиболее широко используемых средств для идентификации и определения количества материалов. Если, например, нужно измерить количество протеина в мясе, воды в зерне или железа в крови – нужен
спектрометр
.

Студент не может оценить работу спектрофотометрии, если пользуется загадочным «ящиком» лабораторного спектрометра. Он не понимает, что происходит внутри и просто меняет образцы и записывает результаты, – объясняет Александр Щилин. – Это не помогает учебному процессу. Если вы хотите научить кого-то творчески использовать инструмент и улучшать его, нужно что-то попроще и понятнее».

Рис. 1. Это все, что нужно для изготовления спектрометра.

Если вы хотите обратить внимание на недостатки инструмента, намного проще, когда эти недостатки очень большие и не компенсируются сложностью устройств и настройкой», – объясняет Александр Щилин.

В спектрометре белый свет проходит сквозь образец материала, который поглощает определенные длины волн света. Затем дифракционная решетка раскладывает свет на цвета, и химики могут анализировать спектр, определяя свойства образца.

Рис. 2. Собранный спектрометр. Светодиод просвечивает кювету прямо напротив решетки, которая закреплена прозрачным скотчем.

В качестве источника света профессор Щилин использовал один светодиод

, питаемый 3-вольтовой батарейкой. Дифракционную решетку, кюветы для образцов в США купить несложно и в итоге все оборудование стоит менее 3 долл. Осталось найти подходящую цифровую камеру, и тут ученый вспомнил, что у каждого школьника и студента есть мобильный телефон. После этого осталось только решить проблему обработки данных. Для этого профессор написал программу анализа спектров по фотографиям в формате jpeg и выложил ее в свободный доступ в интернет вместе с исходными кодами.

Впервые Александр Щилин продемонстрировал свое изобретение во время работы по программе обмена в Ханое (Вьетнам). Вьетнамские студенты не имели опыта работы с научными приборами, но с энтузиазмом приступили к экспериментам с сотовым телефоном-спектрометром.

Рис. 3. Мобильный телефон не заменит в серьезных научных исследованиях точный спектрометр, но не у каждого школьника есть 3000 долл. карманных денег для хобби.

В Соединенных Штатах профессор использовал самодельный спектрометр в ходе уроков в средней школе. К концу 45-минутного урока ученики усвоили вещи, которые ускользают от большинства учеников, использующих только учебники. Например, один ученик спросил о влиянии рассеянного света на чувствительность камеры и ее способность считывать спектр.

Старшеклассник, который еще час назад почти ничего не знал о спектрофотомерии, обнаружил основную проблему всех спектрометров, – радуется Александр Щилин. – С тех пор, как я начал преподавать, я пытался объяснить своим студентам концепцию воздействия рассеянного света на спектрометр и влияние этой проблемы на качество работы оборудования. И вдруг я увидел, как школьник сам понял суть этой проблемы и задал мне правильный вопрос!»

Ученый с радостью делится своим изобретением со школьными учителями и преподавателями ВУЗов на различных семинарах и с помощью интернета. Он надеется, что его изобретение усовершенствуют, например, напишут программу обработки изображений для смартфонов, что позволит избавиться от необходимости использовать компьютер. Мобильный телефон-спектрометр может увлечь массу людей аналитической химией, которая многим кажется сложной и непонятной наукой. Однако изобретение Александра Щилина демонстрирует, что врожденную любознательность человека легко пробудить – достаточно предложить простые, понятные и увлекательные творческие эксперименты.

На схеме: 1 — источник излучения, 2,4 — колиммирующая оптика, 3 — входная диафрагма, 5 — неподвижное зеркало, 6 — подвижное зеркало, 7 — привод зеркала, 8 — светоделительная пластинка, 9 — лазер опорного канала, 10 — фотоприемник опорного канала, 11 — фокусирующая оптика, 12 — фотоприемник сигнала.

Для того, чтобы стабилизировать скорость движения подвижного зеркала, и обеспечить «привязку» спектрометра к абсолютным значениям длин волн, в спектрометр вводят опорный канал, состоящий из лазера и его фотоприемника (9 и 12 на схеме). Лазер в таком случае выступает эталоном длины волны. В высококачественных спектрометрах для этих целей используют одночастотные газовые лазеры. В результате точность измерения длин волн получается очень высокой.

Фурье-спектрометры обладают и другими преимуществами по сравнению с классическими спектрометрами. Важная особенность Фурье-спектрометров — при использовании даже одного фотоприемника, одновременно регистрируются все спектральные элементы, что дает энергетический выигрыш по сравнению с поэлементным механическим сканированием (выигрыш Фэлжетта).

Фурье-спектрометры не требуют использования оптических щелей, которые задерживают большую часть светового потока, что дает большой выигрыш в светосиле (выигрыш Жакино).

В Фурье-спектрометрах нет проблемы наложения спектров, как в спектрометрах с дифракционными решетками, за счет чего спектральный диапазон исследуемого излучения может быть очень широким, и определяется параметрами фотоприемника и светоделительной пластины.

Разрешающая способность Фурье-спектрометров может быть намного выше, чем в традиционных спектрометрах. Она определяется разностью хода подвижного зеркала Δ. Разрешаемый интервал волн определяется выражением: δλ = λ^2/Δ

Однако есть и важный недостаток — большая механическая и оптическая сложность спектрометра. Для возникновения интерференции оба зеркала интерферометра должны быть очень точно выставлены перпендикулярно друг другу. При этом одно из зеркал должно совершать продольные колебания, но перпендикулярность должна сохраняться с той же точностью. В высококачественных спектрометрах в некоторых случаях для компенсации наклона подвижного зеркала в процессе движения при помощи пьезоэлектрических приводов наклоняют неподвижное зеркало. Для получения информации о текущем наклоне измеряются параметры опорного луча от лазера.

Практика

Я абсолютно не был уверен в том, что можно сделать Фурье-спектрометр в домашних условиях, не имея доступа к нужным станкам (как я уже упоминал, механика — самая сложная часть спектрометра). Поэтому спектрометр делался поэтапно.
Одна из наиболее важных частей спектрометра — узел неподвижного зеркала. Именно его нужно будет юстировать (плавно перемещать) в процессе сборки. Нужно было обеспечить возможность наклонять зеркало по двум осям, и точно перемещать его в продольном направлении (зачем — ниже), при этом зеркало не должно наклонятся.

Основой узла неподвижного зеркала стал одноосевой столик с микрометрическим винтом. Эти узлы у меня уже были, нужно было только соединить их вместе. Для безлюфтовой связи я использовал простой прижим столика к микрометрическому винту пружиной, находящейся внутри основания столика.

Его я сделал, используя три юстировочных винта, снятых со сломанного теодолита. Металлическая пластина с приклеенным зеркалом прижимается пружинами к торцам этих винтов, а сами винты закреплены в металлическом уголке, прикрученном к столику.

Конструкция понятна из фотографий:

Видны юстировочные винты зеркала и микрометрический винт.

Спереди видно само зеркало. Оно взято из сканера. Важная особенность зеркала — зеркальное покрытие должно быть спереди зеркала, и для того, чтобы интерференционные линии не были кривыми, поверхность зеркала должна быть довольно качественной.

Вид сверху:

Видны пружины, прижимающие столик в микрометрическому винту и крепление пластины с зеркалом к уголку.

Как видно из фотографий, узел неподвижного зеркала прикреплен к доске из ДСП. Деревянное основание интерферометра — явно не лучшее решение, но из металла в домашних условиях его было сделать проблематично.

Теперь можно проверить возможность получить интерференцию в домашних условиях — то есть собрать интерферометр. Одно зеркало уже есть, поэтому нужно добавить второе тестовое зеркало и светоделитель. У меня был светоделительный кубик, и я использовал именно его, хотя кубик в интерферометре работает хуже, чем светоделительная пластинка — его грани дают дополнительные переотражения света. Получилась такая конструкция:

На одну из граней кубика, не обращенную к зеркалу, нужно направить свет, а через другую можно наблюдать интерференцию.

После сборки зеркала расположены слишком не перпендикулярно, и поэтому нужно выполнить первичную юстировку. Ее я делал при помощи маломощного лазерного диода, соединенного с коллимирующей линзой достаточно большого диаметра. На лазер нужно подать очень маленький ток — такой, чтобы можно было смотреть прямо на кристалл. В результате получается точечный источник света.

Лазер устанавливается перед интерферометром, и его отражения в зеркалах наблюдаются через кубик. Для удобства наблюдения я приставил к кубику призму, направляющую вышедшее из кубика излучение вверх. Теперь, поворачивая юстировочные винты зеркала, нужно совместить два видимых отражения лазера в одно.

К сожалению, фотографий этого процесса у меня нет, и выглядит он не очень понятно — из-за бликов в кубике видно много светящихся точек. Все становится значительно понятней, когда начинаешь поворачивать юстировочные винты — часть точек начинает перемещаться, а часть остается на месте.

После того, как зеркала выставлены вышеописанным образом, достаточно увеличить мощность лазера — и вот она, интерференция! Выглядит она практически так же, как и на фотографии в начале статьи. Однако излучение лазера глазами наблюдать опасно, так что чтобы увидеть интерференцию, нужно установить после кубика какой-либо экран. Я использовал простой листок бумаги, через который видно интерференционные полосы — мощности и когерентности лазера хватает, чтобы создать достаточно контрастное изображение. Поворачивая юстировочные винты зеркала, можно изменять ширину полос — очевидно, что слишком узкие полосы наблюдать проблематично. Чем лучше интерферометр отъюстирован, тем шире полосы. Однако, как я уже упоминал, малейшие отклонения зеркал приводят к разъюстировке, и следовательно, линии становятся слишком узкими и неразличимыми. Чувствительность получившегося интерферометра к деформациям и вибрациям огромная — достаточно нажать на доску-основание в любом месте, и линии начинают перемещаться. Даже шаги в комнате приводят к дрожанию линий.

Однако интерференция когерентного лазерного света — это еще не то, что нужно для работы Фурье-спектрометра. Такой спектрометр должен работать с любым источником света, в том числе и белым. Длина когерентности белого света — около 1 мкм. У светодиодов эта величина может быть больше — несколько десятков микрометров. Интерферометр формирует интерференционную картину только тогда, когда разность хода световых лучей для между каждым из зеркал и светоделителем меньше длины когерентности излучения. У лазера, даже полупроводникового, она большая — больше нескольких миллиметров, поэтому интерференция возникает сразу после юстировки зеркал. А вот даже от светодиода интерференцию получить в разы сложнее — перемещая зеркало в продольном направлении микрометрическим винтом, нужно добиться того, чтобы разность хода лучей попала в нужный микронный диапазон.

Однако, как я уже говорил, при перемещении, особенно достаточно большом (сотни микрон), из-за недостаточно качественной механики столика, зеркало может немного поворачиваться, что приводит к тому, что условия для наблюдения интерференции исчезают. Поэтому часто приходится вновь устанавливать вместо светодиода лазер и поправлять юстировку зеркала винтами.

В конце-концов, после получасовых попыток, когда уже казалось, что это совсем не реально, мне удалось получить интерференцию света от светодиода.

Как оказалось немного позже, вместо того, чтобы наблюдать интерференцию через бумажку на выходе кубика, лучше установить матовую пленку перед кубиком — так получается протяженный источник света

. В результате интерференцию можно наблюдать непосредственно глазами, что заметно упрощает наблюдение. Получилось вот так (видно отражение кубика в призме):

Потом удалось получить и интерференцию в белом свете от светодиодного фонаря (на фотографии видно матовую пленку — она обращена торцом к фотоаппарату и на ней видно тусклое пятно света от фонаря):

Если потрогать любое из зеркал, то линии начинают перемещаться и тускнеть, пока не исчезнут совсем. Период линий зависит от длины волны излучения, как показано на синтезированной картинке, найденной на просторах интернета:

Теперь, когда интерферометр сделан, нужно сделать узел подвижного зеркала взамен тестового. Изначально я планировал просто приклеить небольшое зеркало к динамику, и подавая на него ток, изменять положение зеркала. Получилась такая конструкция:

После установки, потребовавшей новой юстировки неподвижного зеркала, оказалось, что зеркало слишком сильно качается на диффузоре динамика и его несколько перекашивает при подаче тока через динамик. Тем не менее, изменяя ток через динамик, можно было плавно перемещать зеркало.

Поэтому я решил сделать конструкцию попрочней, используя механизм, который применяют в некоторых спектрометрах — пружинный параллелограмм. Конструкция понятна из фотографии:

Получившийся узел оказался значительно прочней предыдущего, хотя жесткость металлических пластинок-пружин вышла несколько высокой.

Слева — доска из оргалита, с отверстием-диафрагмой. Защищает спектрометр от внешних засветок.

Между отверстием и светоделительным кубиком установлена коллимирующая линза, приклеенная к металлической оправе:

На оправе виден специальный пластиковый держатель, в который можно вставлять матовую пленку (лежит в правом нижнем углу).

Установлен объектив для фотоприемника. Между объективом и кубиком установлено маленькое зеркало на поворачиваемом креплении. Оно заменяет призму, которая использовалась ранее. Фотография в начале статьи сделана именно через него. При повороте зеркала в положение для наблюдения оно перекрывает объектив, и регистрация спектрограммы становится невозможной. При этом нужно прекращать подавать сигнал на динамик подвижного зеркала — из-за слишком быстрых колебаний линии глазом не видны.

Внизу в центре виден еще один одноосевой столик. Изначально на нем был закреплен фотодатчик, но особых преимуществ столик не давал, и позже я его снял.

Спереди установил фокусирующий объектив от фотоаппарата:

Для упрощения юстировки и тестирования спектрометра установил красный фотодиод около диафрагмы.

Диод установлен на специальном поворотном держателе, так что его можно использовать как источник тестового излучения для спектрометра, поток света от объектива при этом перекрывается. Управляется светодиод выключателем, установленным под держателем.

Теперь стоит немного подробнее рассказать про фотодатчики. Изначально планировалось использовать только один обычный кремниевый фотодиод. Однако первые попытки сделать качественный усилитель для фотодиода оказались провальными, так что я решил использовать фотодатчик OPT101, который уже содержит в в себе усилитель с коэффициентом преобразования 1000000 (1 мка -> 1В).

Этот датчик работал довольно хорошо, особенно после того, как я снял вышеупомянутый столик, и точно выставил датчик по высоте.

Однако кремниевый фотодиод способен принимать излучение только в диапазоне длин волн 400-1100 нм. Линии поглощения различных веществ обычно лежат дальше, и для их обнаружения нужен другой диод. Для работы в ближней ИК области есть несколько типов фотодиодов. Для простого самодельного прибора наиболее подходят германиевые фотодиоды, способные принимать излучение в диапазоне 600 — 1700 нм. Эти диоды выпускались еще при СССР, поэтому они относительно дешевы и доступны.

Чувствительность фотодиодов:

Мне удалось достать фотодиоды ФД-3А, и ФД-9Э111. В спектрометре я использовал второй — он обладает несколько большей чувствительностью. Для этого фотодиода пришлось все же собрать усилитель. Он сделан с использованием операционного усилителя TL072. Для того, чтобы усилитель заработал, понадобилось обеспечить ему питание напряжением отрицательной полярности. Чтобы получить такое напряжение, я использовал готовый DC-DC преобразователь с гальванической развязкой.

Фотография фотодиода вместе с усилителем:

На обоих фотодиодах должен быть сфокусирован поток света из интерферометра. Для того, чтобы разделить поток света от объектива, можно было бы использовать светоделительную пластинку, однако это привело бы к ослаблению сигналов с диодов. Поэтому после объектива было установлено еще одно поворотное зеркало, при помощи которого можно направлять свет на нужный диод. В результате получился такой узел фотодатчиков:

В центре фотографии находится объектив, сверху на нем закреплен лазер опорного канала. Лазер тот же, что в дальномере , взятый из DVD привода. Лазер начинает формировать качественное когерентное излучение только при определенном токе. Мощность излучения при этом достаточно высокая. Поэтому, чтобы ограничить мощность луча, мне пришлось закрыть объектив лазера светофильтром. Справа закреплен датчик на OPT101, внизу — германиевый фотодиод с усилителем.

В опорном канале для приема излучения лазера используется фотодиод ФД-263, сигнал от которого усиливается операционным усилителем LM358. В этом канале уровень сигнала очень большой, так что коэффициент усиления — 2.

Получилась вот такая конструкция:

Под держателем тестового светодиода находится маленькая призма, направляющая луч лазера в сторону фотодиода опорного канала.

Пример осциллограммы, получаемой со спектрометра (источником излучения служит белый светодиод): Желтая линия — сигнал, подаваемый на динамик подвижного зеркала, голубая линия — сигнал с OPT101, красная — результат Фурье-преобразования, выполняемого осциллографом.

Программная часть

Без программной обработки Фурье-спектрометр невозможен — именно на компьютере проводится обратное Фурье-преобразование, преобразовывающее интерферограмму, полученную от спектрометра, в спектр исходного сигнала. В моем случае особую сложность создает то, что я управляю зеркалом синусоидальным сигналом. Из-за этого зеркало также движется по синусоидальному закону, и это значит, что его скорость постоянно меняется. Получается, что сигнал с выхода интерферометра оказывается промодулирован по частоте. Таким образом, программа должна производить еще и коррекцию частоты обрабатываемого сигнала.
Вся программа написана на C#. Работа со звуком производится при помощи библиотеки NAudio. Программа не только обрабатывает сигнал от спектрометра, но и формирует синусоидальный сигнал частотой 20 Гц для управления подвижным зеркалом. Более высокие частоты хуже передаются механикой подвижного зеркала.

Процесс обработки сигнала можно разделить на несколько этапов, и результаты обработки сигнала в программе можно просматривать на отдельных вкладках.

Сначала программа получает массив данных от аудиокарты. Этот массив содержит данные от основного и опорного каналов:

Вверху — опорный сигнал, внизу — сигнал от одного из фотодиодов на выходе интерферометра. В качестве источника сигнала в данном случае используется зеленый светодиод.

Обработка опорного сигнала оказалась довольно непростой. Приходится искать локальные минимумы и максимумы сигнала (отмечены на графике цветными точками), вычислять скорость движения зеркала (оранжевая кривая), искать точки минимума скорости (отмечены черными точками). Для этих точек важна симметричность опорного сигнала, так что они не всегда точно совпадают с реальным минимумом скорости.

Один из найденных минимумов скорости принимается за начало отсчета интерферограммы (отмечен красной вертикальной линией). Далее выделяется один период колебания зеркала:

Число периодов колебаний опорного сигнала за один проход зеркала (между двумя черными точками на скриншоте выше) указано справа: «REF PERIODS: 68». Как я уже упоминал, полученная интерферограмма промодулирована по частоте, и ее нужно скорректировать. Для коррекции я использовал данные о текущем периоде колебаний сигнала в опорном канале. Коррекция проводится путем интерполяции сигнала методом кубических сплайнов. Результат виден ниже (отображается только половина интерферограммы):

Интерферограмма получена, теперь можно выполнять обратное Фурье-преобразование. Оно производится при помощи библиотеки FFTW. Результат преобразования:

В результате такого преобразования получается спектр исходного сигнала в области частот. На скриншоте он пересчитан в обратные сантиметры (СМ^-1), которые часто используются в спектроскопии. Но мне все же больше привычна шкала в длинах волн, поэтому спектр приходится пересчитывать:

Видно, что разрешение спектрометра падает с ростом длины волны. Немного улучшить форму спектра можно, добавив в конец интерферограммы нули, что равносильно проведению интерполяции после выполнения преобразования.

Примеры полученных спектров

Излучение лазера:
Слева — на лазер подается номинальный ток, справа — значительно меньший ток. Как видно, при уменьшении тока когерентность излучения лазера падает, увеличивается ширина спектра.

В качестве источников использовались: «ультрафиолетовый» диод, синий, желтый, белый диоды, и два ИК диода с разными длинами волн.

Спектры пропускания некоторых светофильтров:

Показаны спектры излучения после интерференционных светофильтров, снятых с денситометра. В правом нижнем углу — спектр излучения после ИК фильтра, снятого с фотоаппарата. Стоит отметить, что это не коэффициенты пропускания этих фильтров — для измерения кривой пропускания светофильтра нужно учитывать форму спектра источника света — в моем случае это лампа накаливания. С такой лампой у спектрометра оказались определенные проблемы — как оказалось, спектры широкополосных источников света получаются как-то коряво. Я так и не смог выяснить, с чем это связано. Возможно проблема связана с нелинейным движением зеркала, возможно — с дисперсией излучения в кубике, либо плохой коррекцией неравномерной спектральной чувствительности фотодиода.

А вот и полученный спектр излучения лампы:

Зубцы на спектре справа — особенность работы алгоритма, компенсирующего неравномерную спектральную чувствительность фотодиода.

В идеале, спектр должен выглядеть вот так:

Испытывая спектрометр, нельзя не посмотреть спектр лампы дневного света — он имеет характерную «полосатую» форму. Однако при регистрации спектра Фурье-спектрометром спектра обычной лампы на 220В возникает проблема — лампа мерцает. Тем не менее, Фурье преобразование позволяет выделить более высокочастотные колебания (единицы кГц), даваемые интерференцией, из низкочастотных (100 Гц), даваемых сетью:

Спектр люминесцентной лампы, полученный промышленным спектрометром:

Все спектры выше были получены с использованием кремниевого фотодиода. Теперь приведу спектры, полученные с германиевым фотодиодом:

Первым идет спектр лампы накаливания. Как видно, он не очень-то похож на спектр реальной лампы (уже приведенный ранее).

Правей — спектр пропускания раствора медного купороса. Интересно, что он не пропускает ИК излучение. Небольшой пик на 650 нм связан с переотражением излучения лазера из опорного канала в основой.

Вот так снимался спектр:

Ниже идет спектр пропускания воды, справа от него — график реального спектра пропускания воды. Дальше идут спектры пропускания ацетона, раствора хлорного железа, изопропилового спирта.

Напоследок приведу спектры солнечного излучения, полученные кремниевым и германиевым фотодиодами:

Неровная форма спектра связана с поглощением солнечного излучения веществами, содержащимися в атмосфере. Справа — реальная форма спектра. Форма спектра, полученного германиевым фотодиодом, заметно отличается от реального спектра, хотя линии поглощения находятся на своих местах.

Таким образом, несмотря на все проблемы, мне все же удалось получить в домашних условиях интерференцию белого света и сделать Фурье-спектрометр. Как видно, он не лишен недостатков — спектры получаются несколько кривые, разрешение получилось даже хуже, чем у некоторых самодельных спектрометров с дифракционной решеткой (в первую очередь это связано с малым ходом зеркала подвижного зеркала). Но тем не менее — он работает!

Теги: Добавить метки

Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр. Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение. Внимание! Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.

Человек и спектроскоп

Я буду повествовать вам в том порядке, в котором проходил все этапы сам, можно сказать от худшего к лучшему. Если кто-то нацелен сразу на более ли менее серьезный результат, то половину статьи можно смело пропустить. Ну а людям с кривыми руками (как у меня) и просто любопытным будет интересно почитать про мои мытарства с самого начала. В интернете гуляет достаточное количество материалов о том, как собрать спектрометр/спектроскоп своими руками из подручных материалов. Для того чтобы обзавестись спектроскопом в домашних условиях, в самом простом случае понадобится совсем не много — CD/DVD болванка и коробка. На мои первые опыты в изучении спектра меня натолкнул этот материал — Спектроскопия

Собственно благодаря наработкам автора, я собрал свой первый спектроскоп из пропускающей дифракционной решетки DVD диска и картонной коробки из под чая, а еще ранее до этого мне хватило плотного куска картона с прорезью и пропускающей решетки от DVD болванки. Не могу сказать, что результаты были ошеломляющие, но первые спектры получить вполне удалось, чудом сохраненные фотографии процесса под спойлером

Фото спектроскопов и спектра

Самый первый вариант с куском картона

Второй вариант с коробкой из под чая

И отснятый спектр

Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:

фото спектрометра

Сразу скажу, эта модификация избавила меня от необходимости пользоваться камерой мобильного телефона, но был один недостаток камеру не удалось откалибровать под настройки сервиса Spectral Worckbench (о котором пойдет ниже речь). Поэтому захват спектра в режиме реального времени мне осуществить не удалось, но распознавать уже собранные фотографии вполне.

Итак допустим вы купили или собрали спектроскоп по указанной выше инструкции. После этого создайте учетную запись в проекте PublicLab.org и переходите на страницу сервиса SpectralWorkbench.org Дальше я опишу вам ту методику распознавания спектра, которой пользовался сам. Для начала нам надо будет откалибровать наш спектрометр, Для этого вам будет необходимо получить снимок спектра люминесцентной лампы, желательно — большой потолочной, но подойдет и энергосберегающая лампа. 1) Нажимаем кнопку Capture spectra 2) Upload Image 3) Заполняем поля, выбираем файл, выбираем new calibration, выбираем девайс (можно выбрать мини спектроскоп или просто custom), выбираем какой у вас спектр вертикальный или горизонтальный, чтобы было понятно спектры на скриноте предыдущей программы — горизонтальные 4) Откроется окно с графиками. 5) Проверяем, как повернут ваш спектр. Слева должен быть синий диапазон, справа — красный. Если это не так выбираем кнопку more tools – flip horizontally, после чего видим, что изображение повернулось а график нет, так что нажимаем more tools – re-extract from foto, все пики снова соответствуют реальным пикам.

6) Нажимаем кнопку Calibrate, нажимаем begin, выбираем синий пик прямо на графике (см. скриншот), нажимаем ЛКМ и открывается всплывающее окно еще раз, теперь нам надо нажать finish и выбрать крайний зеленый пик, после чего страница обновиться и мы получим откалиброванное по длинам волн изображение. Теперь можно заливать и другие исследуемые спектры, при запросе калибровки нужно указывать уже откалиброванный нами ранее график.

Скриншот

Вид настроенной программы

Внимание! Калибровка предполагает, что вы в дальнейшем будите делать снимки на тот же самый аппарат, который калибровали изменение аппарата разрешения снимков, сильное смещение спектра на фото относительно положения на откалиброванном примере, может исказить результаты измерения. Честно признаюсь я свои снимки слегка правил в редакторе. Если где была засветка, затемнял окружение, иногда немного поворачивал спектр, чтобы получить прямоугольное изображение, но еще раз повторюсь размер файла и расположение относительно центра снимка самого спектра лучше не менять. С остальными функциями вроде макросов, авто или ручной подстройки яркости я предлагаю вам разобраться самостоятельно, на мой взгляд они не так критичны. Полученные графики потом удобно переносить в CSV, при этом первое число будет дробной (вероятно дробной) длинной волны, а через запятую будет усредненное относительное значение интенсивности излучения. Полученные значения красиво смотреться в виде графиков, построенных например в Scilab

У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу.

Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья.

Чтобы узнать, какой спектр цвета излучает та или иная лампочка в доме, потребуется использовать прибор под названием спектрометр. Заводские модели стоят очень дорого, поэтому можно смастерить самодельный вариант из подручных материалов. Сделать его очень просто, поскольку в данном случае не потребуется особой точности.

Комплектующие

Перечислим все комплектующие, которые нам пригодятся для создания Ардуино спектрометра и используемые в этом проекте:

Компоненты оборудования

Arduino Uno × 1
Макетная плата (без пайки) × 1
ИК светодиод × 1
5 мм светодиод: красный × 1
5 мм светодиод: зеленый × 1
Светодиод, синий × 1
УФ светодиод × 1
Резистор 10 Ом × 5
Перемычки × 7
Наждачная бумага × 1
Кабель USB-A to B × 1

Программное обеспечение

Arduino IDE
Microsoft Excel
Microsoft Data Streamer

И если вы дойдете до конца нашего объемного материала, то вам еще пригодится кроме Микроконтроллера детали от Microbit:

коннектор (на фото выше слева вверху)
Microbit (на фото слева посередине)
USB-кабель icrmo (на фото слева внизу)

Дополнительные источники света:

комнатный свет
солнечный свет через окно
солнечный свет снаружи
изменяющийся свет
лампа для лака для ногтей
УФ-фонарик (или УФ-светодиод, подключенный к батарейке типа «таблетка»)
ИК-фонарик (или ИК-светодиод, подключенный к батарее типа «таблетка»)

Важно! Пожалуйста, надевайте соответствующие средства защиты глаз при выполнении любых инженерных проектов или лабораторных работ.
Для создания аналогового спектрометра нам понадобятся следующие детали, опционально:

Призма (необязательно) (A)
УФ шарики (бисер, бусинки) одного цвета (B)
Картонная коробка (С)

Портативные и стационарные аппараты

Портативные (мобильные, карманные) устройства внешне напоминают небольшие тестеры или мультиметры. Это компактные аппараты, которыми можно контролировать цвета на поверхностях со сложной геометрией, где невозможно применение стационарного оборудования. Приборы такого типа эффективно справляются с анализом разных покрытий.

Стационарный спектрометр – это более функциональный аппарат, обеспеченный мощными оптическими элементами и средствами обработки данных. Он имеет собственный микропроцессор с системой визуального представления зарегистрированных спектров. Пользователь может работать с собственным LCD-дисплеем и клавиатурой оборудования.

Идея проекта

Находясь на орбите Земли на высоте 250 миль или более 400 км экипаж на борту Международной космической станции подвергается воздействию более высоких уровней радиации чем на Земле, поскольку они находятся за пределами защитного магнитного поля Земли.

Для людей на Земле и в космосе радиация может быть страшно опасной. Большинство видов излучения невидимы для наших глаз, а некоторые из них могут нанести вред человеческому организму. Однако не вся радиация вредна и нам иногда нужна радиация. В рамках этого проекта нашей целью было научить студентов всех возрастов тому, что такое электромагнитное излучение, как мы его измеряем, а также разницу между безвредным и вредным излучением.

Этот недорогой спектрометр сделан из инфракрасных, красных, зеленых, синих и ультрафиолетовых светодиодов. Имея спектрометр в руках, вы можете исследовать различные источники света и обнаруживать различные длины волн в этих источниках света. Затем вы можете определить, какие источники света содержат ультрафиолетовые волны, а какие материалы блокируют ультрафиолетовые волны, чтобы вы знали, когда и где наносить солнцезащитный крем. Но начнем мы с простых примеров для работы в классе.

Методы спектроскопии и спектрометрия для измерения спектров

Спектроскопия относится к разделу физики изучающей данные о строении и свойствах материи полученные путем анализа спектров электромагнитного излучения. Данные используются для решения задач широкого применения.
Термин является производным от латинского слова “spectron”, что означает дух или призрак, и греческое слово “skopein”, что означает смотреть на мир.

Спектроскопия занимается измерением и интерпретацией спектров, которые возникают в результате взаимодействия электромагнитного излучения (в виде энергии распространяемой путем электромагнитных волн) с веществом. Это касается поглощения, излучения или рассеяния электромагнитного излучения атомами или молекулами.

Следовательно, большинство инженеров и ученых прямо или косвенно в какой-то момент в своей карьере включали области электромагнитного спектра в свои работы.

Спектрометрия как область физической науки разрабатывает приборы и устройства для измерении спектров. Одним из сложных вопров являются методы измерения спектров.

Основные ограничения методов спектроскопии связаны с трудностями приготовления эталонных растворов с учетом влияния третьих компонентов. Поэтому для получения достоверных результатов должны применяться растворы для спектрометрического анализа особой чистоты. Данные измерения широко используется для количественного анализа в различных областях (например, химия, физика, биология, биохимия, материалы и химическая инженерия, клинические применения, промышленный комплекс).

Процесс обучения

Создание и обучение

Учащиеся строят простой спектрометр, используя светодиоды в качестве датчиков света для пяти различных цветов или длин волн видимого и невидимого для человека света: инфракрасного (ИК), красного, зеленого, синего и ультрафиолетового (УФ). Учащиеся подключают свой спектрометр к микроконтроллеру для обнаружения различных длин волн, присутствующих в различных источниках света, чтобы увидеть, как свет излучает различные длины волн и для определения источников ультрафиолетового света.

Подключение комплектующих

Студенты подключают свой спектрометр к Excel через микроконтроллер. Студенты используют графику в «рабочей тетради» Excel для визуализации и наблюдения за изменениями длин волн света в разных источниках света.

Визуализация данных

Студенты используют цифровой спектрометр для визуализации и сравнения интенсивности и типа длин волн, излучаемых различными источниками света. Урок позволяет учащимся стать на время учеными, проводящими тесты, которые исследуют длины волн, присутствующие в разных источниках света, для сравнения тестируемых источников света и выявления источников длин УФ волн.

Спектроскоп своими руками из веб камеры. Самодельный фурье-спектрометр

Человек и спектроскоп

Фото спектроскопов и спектра

Самый первый вариант с куском картона

Второй вариант с коробкой из под чая

И отснятый спектр

Единственное для моего удобства, он модифицировал данную конструкцию USB видеокамерой, получилось вот так:

фото спектрометра

Скриншот

Вид настроенной программы

У SpectralWorkbench.org есть приложения для смартфонов. Я ими не пользовался. поэтому оценить не могу.

Красочного вам дня во всех цветах радуги друзья.

В предыдущих статьях я описывал, как тестировал различные светодиоды для растений. Для анализа спектра я и взятые у знакомого учителя физики.

Но потребность в таком приборе появляется периодически и спектроскоп, а еще лучше спектрометр хотелось бы иметь под рукой.

Мой выбор — ювелирный спектроскоп с дифракционной решеткой

Раз вещь для ювелиров — то в комплекте шел «кожаный» чехол

Размеры у спектроскопа маленькие

Что в прочем было ясно из описания магазина Собрано все крепко, так что расчлененки не будет. Поверим и так, что с одной стороны трубки стоит объектив-линза, с другой дифракционная решетка и защитное стекло.

А внутри красивая радуга. Налюбовавшись ею вволю стал искать, а что бы такое посмотреть на спектре. К сожалению, по прямому назначению спектроскоп применить не удалось, так как вся моя коллекция брильянтов и драгоценных камней ограничилась обручальным кольцом, совершенно непрозрачным и не дающим никакого спектра. Ну разве что в пламени горелки))). Зато ртутная люминисцентная лампа честно дала много красивых полосок. Вволю налюбовавшись различными источниками света озадачился вопросом, что нужно картинку как то зафиксировать и спектр измерить.

Немного DIY

В голове уже давно крутилась картинка насадки на фотоаппарат, а под столом стоял , не прошедший еще последней модернизации, но вполне успешно справляющийся с ПВХ пластиком.

Конструкция получилась не очень красивой. Все таки люфты по X и Y я победил не до конца. Ничего ШВП уже лежат в сборе и ждут, когда опорные линейные рельсы приедут.

А вот функциональность получилось вполне приемлемой, чтобы радуга отобразилась на стареньком Canon, давно лежащем без дела.

Правда тут меня ждало разочарование. Красивая радуга становилась какой то дискретной.

Всему вина — RGB матрица любого фотоаппарата и камеры. Поигравшись с настройками баланса белого цвета и режимами съемки, я смирился с картинкой. Ведь преломление света не зависит от того, каким цветом фиксировать изображение. Для спектрального анализа подошла бы и черно-белая камера с максимально равномерной чувствительностью по всей ширине измеряемого диапазона.

Методика спектрального анализа.

Путем проб и ошибок нарисовалась такая методика 1. Рисуется картинка шкалы видимого диапазона света (400-720нм), на ней обозначаются основные линии ртути для калибровки.

2. Снимается несколько спектров, обязательно с эталонным ртутным. В серии съемок нужно зафиксировать положение спектроскопа на объективе, чтобы исключить сдвиг спектра из серии снимков по горизонтали.

3. В графическом редакторе шкала подгоняется под ртутный спектр, а все остальные спектры масштабируются без горизонтального сдвига в редакторе. Получается что-то вроде этого

4. Ну а потом все загоняется в программу анализатор Cell Phone Spectrometer из этой статьи

Проверяем методику на зеленом лазере, у которого длина волны известна — 532нм

Погрешность получилась около 1% что при ручной методике подгона ртутных линий и рисования шкалы практически от руки очень даже неплохо. Попутно узнал, что зеленые лазеры не прямого излучения, как красные или синие, а используют твердотельную диодную накачку (DPSS) с кучей вторичных излучений. Век живи — век учись!

Измерение длины волны красного лазера тоже подтвердило правильность методики

Для интереса померил спектр свечки

и горящего природного газа

Теперь можно мерить спектр светодиодов, например «полный спектр» для растений

Спектрометр готов и работает. Теперь буду готовить с его помощью следующий обзор — сравнение характеристик светодиодов разных производителей, дурят ли нас китайцы и как сделать правильный выбор.

Вкратце, полученным результатом доволен. Может быть имело смысл подключить спектроскоп к веб камере для непрерывного измерения спектра, как в этом проекте

Тестирование спектрометра моим помощником

Обязательно посмотрите видео на каналах (есть тематические плейлисты):

https://www.youtube.com/channel/UCn5qLf1n8NS-kd7MAatofHw

https://www.youtube.com/channel/UCoE9-mQgO6uRPBQ9lsPZXxA

Пожалуйста, помогите набрать 1000 подписчиков на первом канале и не менее 4000 часов просмотров за последний год на каждом из них , для этого посмотрите полностью не менее одного видео!

Эта красивая картинка является фотографией светового и инфракрасного спектра, излучаемого натриевой лампой высокого давления НЛВД типа ДНаТ (Дуговые Натриевые Трубчатые). Для просмотра и фотографирования различных спектров достаточно иметь цифровой фотоаппарат и специально подготовленный CD-R или DVD-R . Последний, занижает яркость, особенно красного. CD-R снижает яркость синего и даёт меньшее разрешение. Первая фотография сделана через DVD-R.

Две жёлтые линии — это дублет натрия с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм. Второй дублет — инфракрасный 818,3 и 819,4 нм.

График спектра .

Теперь несколько слов о подготовке дисков. Из диска нужно вырезать часть, позволяющую полностью закрыть объектив.

На фото DVD-R фиолетового цвета. Нам нужна прозрачная дифракционная решётка , поэтому на CD-R наклеиваем широкий скотч со стороны надписей. Отрываем его и вместе со скотчем снимается покрытие диска. С DVD-R ещё проще, вырезанный кусок легко расслаивается на две части, одна из которых нам и нужна.

Теперь с помощью двухстороннего скотча нужно приклеить дифракционную решётку к объективу, как на фото ниже. Клеить нужно на сторону, противоположную той, с которой оторван слой, т.к. поверхность под слоем легко загрязнится от объектива, а после очистки качество изображения спектра будет хуже.

Получился простейший спектроскоп, подходящий лучше всего для исследования источников света с некоторого расстояния.

Если мы хотим исследовать не только видимый спектр, но и инфракрасный, а в некоторых случаях ультрафиолетовый, то необходимо удалить из фотоаппарата фильтр, блокирующий ИК лучи. Стоит отметить, что часть спектра ИК и УФ видима глазом при достаточно большой интенсивности излучения (точки лазеров 780 и 808 нм, кристалл светодиода 940 нм в темноте). Если необходимо обеспечить одинаковое зрительное ощущение для длин волн 760 нм и 555 нм, то поток излучения для 760 нм должен быть в 20 000 раз мощнее. А для 365 нм в миллион раз мощнее.

Вернёмся к фильтру, который называется Hot Mirror и находится перед матрицей. Нужно открыть корпус фотоаппарата, открутить шурупы, прикрепляющие матрицу к объективу, вытащить фильтр, собрать фотоаппарат в обратной последовательности. Выглядит Hot Mirror так:

2 левых фильтра из фотоаппаратов. У них розовый блеск, а бирюзовый цвет проявляется под другим углом. Кроме ИК, они ещё могут частично или полностью задерживать ультрафиолетовые лучи. Поэтому их удаление открывает возможности не только инфракрасной съёмки, но и ультрафиолетовой , если позволяет оптика и матрица фотоаппарата. Для УФ фотографии используют UV-pass фильтры , блокирующие видимый свет.

Теперь переходим к самому процессу фотографирования спектров. Помещение должно быть тёмное, дополнительно можно использовать чёрный экран около фотоаппарата, источник света точечный или щелевой, минимально освещающий комнату. Включив фотоаппарат, мы увидим такое изображение на примере лазера 405 нм , светящего через узкую щель между двух лезвий:

Центральная точка — это сам лазер. Две линии — его спектр. Можно использовать любую из них. Для это нужно повернуть фотоаппарат и приблизить. Если продолжать двигать фотоаппарат, то мы увидим несколько других линий второго, третьего и т.д. порядков спектра. В некоторых случаях они будут мешать, например зелёная линия второго порядка будут накладываться на инфракрасную линию 1064 нм. Это происходит в спектре зелёного лазера, если в нём не установлен фильтр, отсекающий ИК излучение. Он правый нижний на фотографии фильтров. Чтобы убрать наложение, я использовал красный светофильтр. Фото этого примера с подписанными длинами волн:

Как видно, зелёная линия второго порядка полностью закрыла линию 1064 нм. А следующее фото с заблокированным зелёным светом, где остаются только две ИК линии 808 нм и 1064 нм. Подписывать не стал, т.к. расположение идентично предыдущему фото.

По изображению, где присутствует источник излучения, одна известная длина волны и несколько неизвестных, их легко можно определить. Для примера открываем фото с подписями в фотошопе. С помощью инструмента «Линейка» измеряем расстояние от лазера до линии 532. Оно равно 1876 пикселей. Измеряем расстояние от лазера до линии, длину волны которой хотим узнать, до 808. Расстояние 2815 п. Считаем 532*2815/1876=798 нм. Неточность происходит из-за искажения оптики объектива. При максимальном оптическом приближении ошибка уменьшается. Также было замечено, что лазер 808 нм излучает более короткую волну, около 802 нм, и у него уменьшается длина волны при уменьшении питающего тока.

И без источника излучения на фото можно определить, зная две другие длины волны. Измеряем длину от линии 532 до 1064, там 1901 п. От 532 до 808 получается 939 п. Считаем (1064-532)/1901*939+532=795 нм.

Но проще всего фотографию с двумя известными линиями сопоставить со шкалой . В этом случае ничего считать не нужно.

Далее спектр лампы накаливания , который очень похож на спектр Солнца, но не содержит Фраунгоферовы линии . Интересно, что инфракрасное излучение до 800 нм фотоаппарат отображает как оранжевое, а более 800 нм выглядит как фиолетовый цвет.

Спектр белого светодиода также непрерывный, но имеет провал перед зелёной областью и пик в синей области 450-460нм, который вызван использованием соответствующего синего светодиода, покрытого жёлтым люминофором. Чем выше цветовая температура светодиода, тем выше синий пик. В нём отсутствует ультрафиолет и инфракрасные лучи, которые присутствовали в спектре лампы накаливания.

А вот спектр лампы с холодным катодом из подсветки монитора. Он линейчатый и точно повторяет спектр люминесцентной лампы . ИК часть спектра взята от КЛЛ для получения лучшего качества изображения.

Теперь переходим к ультрафиолетовой лампе чёрного света , или, как её ещё называют, лампе Вуда . Она излучает мягкий длинноволновый ультрафиолет. Фотография получилась такая:

Спектр инфракрасного излучения у люминесцентных ламп, CCFL, Вуда практически одинаковый. Только у последней отсутствует несколько линий, наиболее близких к видимому диапазону. ИК лучи наиболее интенсивно излучаются из тех частей ламп, где находятся нити накала. Фотография сделана через бумажный спектроскоп, подробнее о котором ниже.

Спектроскоп из бумаги.

Такой спектроскоп хорошо подходит для просмотра спектра глазом. Также его можно использовать с разными камерами, например телефонной. Существуют две разновидности.

1. Работает на просвет через дифракционную решётку. Для него нужно подготавливать диски, как было описано выше. Файл содержит чертёж, который нужно распечатать на принтере, вырезать, сложить и склеить. Картинки по сборке можно посмотреть .

2. Работает на отражение от дифракционной решётки. Можно не расслаивать диски, но тогда рядом с яркими линиями от лазеров будут появляться бледные дублирующие, из-за переотражений внутри диска, которых в спектре не должно быть. Перенести блестящий слой CD на другую поверхность, чтобы он остался таким же гладким очень сложно. Поэтому нужно использовать CD, обладающий одинаковой радужной поверхностью с двух сторон. Со стороны, где на обычных дисках надписи, с помощью скотча нужно оторвать прозрачный слой. Важно, чтобы блестящий слой остался на диске. У меня получилось так сделать с половиной диска (от края к центру), этого хватило для спектроскопа. Если не оторвать прозрачный слой, то равномерный спектр будет казаться прерывистым с чередующимися тёмными полосами.

Файл для печати . Помощь по сборке .

На спектроскоп приклеено дополнительное кольцо , с помощью которого он держится на объективе фотоаппарата. Между источником света и спектроскопом рекомендуется ставить матовую плёнку или призму с двумя матовыми гранями, как на фото, для лучшего распределения света. Внутренняя часть спектроскопа из чёрной бумаги без блеска, второй слой из фольги, а сверху обычная бумага, на которой распечатан чертёж. Сторону, в которую поступает свет, можно покрасить в чёрный цвет, чтобы УФ и фиолетовое излучение не вызывали белое свечение бумаги, искажающее картинку.

С помощью этого спектроскопа удалось чётко и ярко сфотографировать спектр неоновой индикаторной лампы . Их используют для подсветки выключателей, в индикаторах работы чайников, плит и других приборах.

Одну тонкую линию спектра дают не только лазеры. Если проволоку опустить в раствор соли NaCl , а потом внести в огонь газовой турбо горелки или зажигалки, то появится жёлтое свечение с длинами волн 588,995 и 589,5924 нм .

В некоторых турбо зажигалках есть пластина, содержащая литий . Он окрашивает пламя в красный цвет с линией 670,78 нм .

Ниже фотография этих спектральных линий вместе с линиями лазеров: зелёного 532 нм, красного 663 нм, инфракрасных 780 нм и 808 нм.

Удобно использовать описанный выше жёлтый свет для определения периода дифракционной решётки при отсутствии лазера, и вычисления длины волны источников света . Простейшее устройство на рисунке ниже состоит из двух линеек, на одной из которых закреплена дифракционная решётка, а над второй возвышается узкая щель из двух лезвий. Используются расстояния в миллиметрах от дифракционной решётки до экрана (линейки) с щелью и от щели (максимума нолевого порядка) до максимума первого порядка. На первом рисунке нужно смотреть через дифракционную решётку на источник света с известной длиной волны. Таким образом можно посчитать период дифракционной решётки формулой под этим изображением, а потом, этим же способом можно определять длину волны, но по формуле из под второго рисунка. На нём показано определение длины волны лазера немного другим способом: лазер светит через дифракционную решётку на линейку. В этом случае щель не нужна. Я использовал дифракционную решётку из насадки «Звёздное небо», которая шла в комплекте с лазерной указкой. Там две решётки, но насадка разбиралась и вытаскивалась одна решётка. Дифракционная решётка из CD совершенно не подошла, т.к. давала огромную ошибку в 100 нм.

Следующая фотография редкого источника света — молнии . Спектр заходит в УФ диапазон примерно до 373 нм, что является пределом для этого фотоаппарата.

Спектр белой газоразрядной лампы, которая освещает футбольное поле.

Фотография спектра ультрафиолетового светодиода 365 нм 3 Вт KW-UV-3WS-B KonWin.

Светодиод с длиной волны 365 нанометров имеет такой кристалл :

Он излучает ультрафиолет вместе с белым светом. Если на выключенный светодиод светить лампой чёрного света, то кристалл начинает флуоресцировать таким же лунным белым светом, как и при работе самого светодиода, но с меньшей яркостью. Похоже, что из-за этого эффекта не получается сделать светодиод с чистым излучением 365 нм — 370 нм.

Измерение ультрафиолетового света с помощью бус и призмы (по желанию)

1. Поместите призму по прямой линии яркого солнечного света (это работает еще лучше, если вы выйдете на улицу).

2. Поворачивайте призму до тех пор, пока вы не преломите свет и не создадите радугу.

3. Поместите картонную коробку так, чтобы радуга попадала внутрь коробки.

4. Поместите одну бусинку в каждую полосу света, а также одну за фиолетовым и одну за красным.

5. Подождите две минуты, а затем заблокируйте свет. Запишите цвет бисера в вашей лабораторной тетради.

Рентгенофлуоресцентный

Аппарат «Спектроскан» относится к приборам для рентгенофлуоресцентного анализа (РФА). Это означает, что в нем используется источник первичного рентгеновского излучения – рентгеновская трубка – для облучения анализируемого образца, в результате чего сам образец начинает излучать (флуоресцировать) в рентгеновском диапазоне длин волн электромагнитного излучения. Излучаемый спектр является характеристическим и однозначно соответствует элементному составу анализируемого образца. Атомы каждого химического элемента имеют свой набор спектральных линий в указанном диапазоне, который характерен только для данного элемента. Поэтому по наличию или отсутствию во вторичном спектре излучения образца конкретных линий (так называемых характеристических линий того или иного элемента) можно судить о наличии или отсутствии данного элемента в составе образца, а по амплитуде (то есть «яркости») соответствующих линий – о количественном содержании (концентрации) данного элемента.

Измерение ультрафиолета с использованием бисера

1. Соберите УФ шарики и разделите их на три группы по десять шариков.

2. Поместите одну группу УФ-шариков внутрь рядом с окном.

3. Поместите вторую группу УФ-шариков под внутренний источник света.

4. Поместите третью группу УФ-шариков снаружи на улице.

5. Подождите пять минут, затем наблюдайте за изменениями в трех разных группах ультрафиолетовых шариков. Опишите свои наблюдения в своей лабораторной тетради.

Делаем спектрометр

1. Удерживая один светодиод за лампочку, отшлифуйте его, пока его верхняя часть не станет плоской.

2. Повторите это для всех светодиодных лампочек.

Почему мы шлифуем верхушки светодиодов?

Скорее всего вы подумали, что шлифуя верхнюю часть светодиодов вы мешаете свету достигать сенсора, и вы правы, часть света будет заблокирована.

Шлифовка делает свет, который проходит через светодиод, более рассеянным, поэтому в этом случае больше света попадет на сенсор, чем тогда когда светодиод чистый.

Это облегчает для вашего спектрометра обнаружение изменений в свете, падающем на него. Если у вас есть дополнительное время, попробуйте шлифовать под разными углами, чтобы увидеть, как это повлияет на ваши измерения.

Что такое спектрометр?

Спектрометр позволяет измерять различные цвета или длины волн света в разных источниках света.

Для этого проекта мы используем микроконтроллер для измерения энергии, генерируемой нашими светодиодами, когда на них падает свет.

Другими словами, мы используем светодиод в качестве датчика для определенных длин волн света.

Как сделать спектрометр из мобильника? Есть простой рецепт

Войдите , пожалуйста. Хабр Geektimes Тостер Мой круг Фрилансим. Войти Регистрация. Спектральный анализ в домашних условиях DIY или Сделай сам Tutorial Друзья приближается вечер пятницы, это прекрасное интимное время, когда под покровом манящего сумрака можно достать свой спектрометр и всю ночь, до первых лучей восходящего солнца мерить спектр лампы накаливания, а когда взойдет солнце померить и его спектр. Как у вас все еще нет своего спектрометра? Не беда пройдемте под кат и исправим это недоразумение. Данная статья не претендует на статус полноценного туториала, но возможно уже через 20 минут после её прочтения вы разложите свой первый спектр излучения.

Схема соединения цифрового спектрометра

Подсоедините перемычку между контактом 3,3 В и контактом AREF на Arduino.
Подсоедините перемычку между более длинной ножкой светодиода и контактом А0.
Подсоедините перемычку между контактом GND и отрицательной шиной на макете.
Подсоедините 10 ом резистор между более короткой ножкой светодиода и отрицательной шиной макета.
Вставьте светодиод в макет так, чтобы оба провода были в двух разных рядах. Начните с инфракрасного (ИК) светодиода.

Контрольная точка

Убедитесь, что светодиод подключен правильно и отправляет данные в Excel.

Подключите Arduino к вашему компьютеру, подключите его к Data Streamer и проверьте, что данные печатаются в Radiation.

Убедитесь, что показания светодиодов меняются, поместив их под источник света. Лучший способ увидеть изменения — выйти на улицу! Даже если облачно, светодиоды лучше всего реагируют на солнечный свет.

До того, как все светодиоды будут подключены, могут быть ошибочные данные, поступающие из каналов с неподключенными светодиодами. Подключаем оставшиеся светодиоды.

Повторите шаги выше для всех оставшихся светодиодов. Не забудьте подключить сигнальный провод обратно к аналоговым контактам Arduino!
Красный светодиод подключается к контакту A1. Зеленый светодиод подключается к контакту A2. Синий светодиод подключается к контакту A3. Ультрафиолетовый (УФ) светодиод подключается к контакту А4.

Финальная схема выше, нарисованная в программе Fritzing для 5-светодиодного спектрометра: ИК, красный, зеленый, синий и УФ.

Интересный факт. Тонкий слой золота на козырьке шлема астронавта защищает от опасного воздействия солнечного излучения.

Кристалл-дифракционный

В аппарате «Спектроскан» реализован один из нескольких известных способов выделения характеристических линий того или иного элемента из вторичного спектра флуоресцентного излучения, а именно кристалл-дифракционный. «Спектроскан» использует волновые свойства электромагнитного излучения, а именно его способность преломляться (дифрагировать) на прозрачных или непрозрачных для него препятствиях (призмах, дифракционных решетках). Поскольку рентгеновское излучение имеет длины волн, измеряемые ангстремами, что сравнимо с межатомноми расстояниями в кристаллах, в качестве преломляющих (дифракционных) решеток для него возможно использовать некоторые монокристаллы. Дифракция рентгеновского излучения происходит на узлах кристаллической решетки такого монокристалла.

Код проекта

Скопировать или скачать код проекта вы можете ниже:

// ———————HackingSTEM EM Spectrum——————————- // This project is for use with the EM spectrum lesson plan // available from Microsoft Education Workshop at https://aka.ms/hackingSTEM // // Overview: // This sketch uses LEDs as light sensors (photodiode) to detect and measure // different wavelengths in various types of light sources. // // Pins: // Pin A0: IR LED // Pin A1: Red LED // Pin A2: Green LED // Pin A3: Blue LED // Pin A4: UV LED // // This project uses an Arduino UNO microcontroller board. More information can // be found by visiting the Arduino website: // https://www.arduino.cc/en/main/arduinoBoardUno // // Comments, contributions, suggestions, bug reports, and feature requests // are welcome! For source code and bug reports see: // https://github.com/ // // Copyright 2022, Jen Fox, Microsoft EDU Workshop — HackingSTEM // MIT License terms detailed in LICENSE.txt // —————————————————————————- // Program variables for project sensors ————————————— const int kNumberOfLeds = 5; int kledPins[kNumberOfLeds] = {A0, A1, A2, A3, A4}; // Excel variables for storing data sent to Excel —————————— int colorSensors[kNumberOfLeds] = {1, 2, 3, 4, 5}; //Serial data variables const char kDelimiter = ‘,’; const int kSerialInterval = 50; unsigned long serialPreviousTime; // SETUP ———————————————————————- void setup() { // Initializations occur here Serial.begin(9600); _SFR_IO8(0x35) |= 0x10; // A condensed method for disabling the internal // pull up resistors in the Arduino. // This function changes the reference voltage for measuring the analog voltage // of the LEDs to a 3.3V reference. This is why we added the jumper cable // between 3.3V to AREF! analogReference(EXTERNAL); } // START OF MAIN LOOP ——————————————————— void loop() { // Process sensors processSensors(); // Process and send data to Excel via serial port (Data Streamer) processOutgoingSerial(); } // SENSOR INPUT CODE———————————————————— void processSensors() { // Read analog value of LED inputs for(int i = 0; i < kNumberOfLeds; i++){ colorSensors
= analogRead(kledPins); } delay(10); //short delay to prevent the Arduino from overclocking } // Add any specialized methods and processing code here // OUTGOING SERIAL DATA PROCESSING CODE—————————————- void sendDataToSerial() { // Send data out separated by a comma (kDelimiter) for(int i = 0; i < kNumberOfLeds; i++){ Serial.print(colorSensors); Serial.print(kDelimiter); } Serial.println(); // Add final line ending character only once } //—————————————————————————— // DO NOT EDIT ANYTHING BELOW THIS LINE //—————————————————————————— // OUTGOING SERIAL DATA PROCESSING CODE—————————————- void processOutgoingSerial() { // Enter into this only when serial interval has elapsed if((millis() — serialPreviousTime) > kSerialInterval) { serialPreviousTime = millis(); // Reset serial interval timestamp sendDataToSerial(); } }

Загрузка кода Arduino

1. Установите Arduino IDE. Вы можете по ссылке или даже через Магазин Microsoft. Следуйте инструкциям для завершения установки.

2. Скачайте или скопируйте код, который мы привели выше. Также актуальную версию можно взять по этой ссылке на сайте Microsoft.

3. Откройте загруженный файл, чтобы запустить приложение Arduino IDE.

4. В приложении Arduino выберите: Инструменты -> Порт -> COM 3 (Arduino / Genuino Uno), для английской версии программы: Tools -> Port -> COM 3. Ваш порт может отличаться от COM3.

5. Затем выберите Инструменты -> Плата: Arduino / Genuino Uno. На английском: Tools -> Board: Arduino/Genuino Uno.

6. Нажмите на круглую кнопку со стрелкой вправо, чтобы загрузить код.

Создание спектрометра для micro:bit

Вставьте ваш micro:bit в коннектор, затем вставьте его в макет, как показано на схеме выше.
Подключите соединительный провод между длинной светодиодной ножкой и контактом 0.
Подключите соединительный провод от контакта GND на вашем micro:bit к отрицательной шине на макете.
Подсоедините резистор между короткой ножкой светодиода и отрицательной шиной.
Вставьте светодиод в макет так, чтобы оба провода были в двух разных рядах. Начните с инфракрасного (ИК) светодиода.

Контрольная точка

Убедитесь, что светодиод подключен правильно и отправляет данные в Excel. Подключите micro:bit к компьютеру, подключите его к Data Streamer (инструкция ниже) и проверьте, что данные печатаются в Radiation.

До того, как все светодиоды будут подключены, могут быть ошибочные данные, поступающие из каналов с неподключенными светодиодами. Продолжаем с оставшимися светодиодами.

Повторите шаги предыдущие шаги для всех оставшихся светодиодов.
Второй светодиод подключается к контакту 1. Третий светодиод подключается к контакту 2. Четвертый светодиод подключается к контакту 3. Пятый светодиод подключается к контакту 4.

Спектрометр тогда и сейчас

В прежние времена учёные использовали призмы для разделения луча света на составляющие и поворотный окуляр для измерения углового отклонения длины волны каждой составляющей. Однако совсем недавно призму заменили дифракционной решёткой, которая служит той же цели, что и призма, а окуляр заменили подключённым к компьютеру электронным фоторецепторным блоком.

Материалы

Все материалы довольно легко найти, и, возможно, они уже есть у вас дома):

чёрная картографическая бумага;

Без веб-камеры обошёлся дешевле 5 долларов.

Расчёт корпуса

Корпус мог быть изготовлен с использованием любого вида коробки, но я решил сделать его с нуля, чтобы он идеально подходил по размеру для моей веб-камеры. Начните с измерения веб-камеры. Сложите коробку в соответствии со следующими измерениями:

длина — от 20 до 25 см;

ширина — на 2 см больше ширины веб-камеры;

высота — на 1 см выше, чем высота веб-камеры.

Загрузка кода micro:bit

1. Перейдите по этой ссылке, чтобы загрузить файл кода .hex.

2. Подключите micro:bit к компьютеру с помощью USB-кабеля. Установите драйвер mbed. Если вы сделали это раньше, вам больше не придется делать это снова. Если нет, то следуйте инструкции ниже.

Серийный (последовательный) драйвер Windows

Вы можете подключить свою плату к компьютеру через USB. Всё должно работать «из коробки» в Linux и Mac OS X, но для Windows более ранней, чем Windows 10, вам, вероятно, потребуется установить драйвер последовательного порта:

Загрузите драйвер последовательного порта Arm Mbed для Windows.
Подключите устройство Arm Mbed через USB. Он монтируется как диск Mbed.
Закройте все окна проводника, в которых отображается диск Mbed.
Запустите установщик. Может занять некоторое время или отобразить несколько предупреждений о «неподписанном драйвере» или без цифровой подписи (англ. — unsigned driver).

Возможные проблемы

Если у вас есть несколько устройств Mbed, но последовательный порт отображается только для одного из них: убедитесь, что вы запускаете установщик для каждого устройства (подключите устройство через USB и снова запустите установщик); Windows загружает драйвер на основе серийного номера, поэтому его необходимо запускать для каждого устройства отдельно.
Если программа установки не работает из-за отсутствия микроконтроллеров mbed: проверьте, правильно ли подключено устройство через USB.
Если установщик сообщает, что mbedWinSerial_nnnnn.exe не является допустимым приложением Win32: если вы загрузили установщик с помощью Internet Explorer, попробуйте другой браузер (Firefox, Chrome).
Если установщик зависает: проверьте, отображает ли Windows окно «unsigned driver/permission»; они часто скрываются за другими окнами, и на панели задач ничего не указывается. Установщик продолжит работу, как только вы нажмете ОК.

3. В проводнике перейдите к micro:bit. Он будет выглядеть как внешнее запоминающее устройство (например, флэш-накопитель, жесткий диск и т.д.).

4. Откройте второе окно проводника и перейдите в папку загрузок. Убедитесь, что вы видите оба окна.

5. Выберите файл .hex в загрузках и перетащите его в окно micro:bit.

6. Когда светодиод перестает мигать, код загружен в micro:bit.

Спектральный анализ в домашних условиях

Человек и спектроскоп

Откройте Excel и включите Data Streamer

Data Streamer с Excel 365. Подписка на 365 включает Excel и бесплатную надстройку Data Streamer.

1. Откройте Excel 365.

2. Нажмите Файл (File) и выберите Параметры (Options), расположенные внизу панели.

3. Выберите Надстройки (Add-ins) в открывшемся диалоговом окне.

4. В меню «Управление» (Manage) в нижней части открывшегося диалогового окна выберите «Надстройки COM» (COM Add-Ins) и нажмите «Перейти» (Go).

5. Установите флажок (отметьте чекбокс) для Microsoft Data Streamer в открывшемся диалоговом окне и нажмите OK.

6. Вы должны увидеть новую вкладку Data Streamer в меню Excel.

Data Streamer с настольной версией Excel 365. В течение ограниченного времени Data Streamer можно использовать с настольной версией Excel 2016. Загрузите Data Streamer из Microsoft Store (Магазин Майкрософт). После установки Data Streamer будет автоматически включен в Excel.

Получение данных в Excel

Откройте книгу Excel Radiation. Если вы еще этого не сделали, загрузите книгу Excel по ссылке. Чтобы увидеть данные в реальном времени, выполните следующие действия:

Подключите микроконтроллер к USB-порту вашего компьютера.
Нажмите Подключить устройство (Connect), чтобы подключить микроконтроллер к Excel.
Откройте вкладку «Data Streamer» в меню Excel.
Нажмите Start Data, чтобы начать чтение данных в Excel

Чтобы подключить устройство, подключите его к компьютеру через USB и нажмите «Подключить устройство» (Connect a Device).
Если вы записали и сохранили файл данных (.csv), вы можете импортировать его с помощью этой кнопки (Import Data File).
После подключения устройства выберите «Start Data», чтобы начать потоковую передачу данных в Excel. Если вы не нажмете «Start Data», когда ваше устройство подключено, вы не увидите никаких активных данных.

Устранение неисправностей Arduino

Ваша плата Arduino подключена, но вы не получаете никаких данных или данные не отвечают? Выполните следующие действия, чтобы устранить проблему.

Убедитесь, что Arduino считывает данные в Data Streamer:

На вкладке Data Streamer нажмите «Подключить устройство» и выберите плату Arduino.
Нажмите «Start Data» и перейдите на вкладку «Данные в» (Data In). Если она успешно подключена, вы увидите цифр на экране.

Убедитесь, что код Arduino был успешно загружен на плату. Программа Arduino должна сказать «Uploaded Successful» в нижней строке состояния, и вы должны увидеть мигание индикаторов Arduino на плате.

Убедитесь, что все провода заземления (GND) подключены к одной точке.

Проверьте полярность или ориентацию ваших светодиодов. Более длинный светодиодный провод должен быть подключен к контактам аналогового входа.

Сигнал от датчика обычно не возникает, когда сигнальный провод подключен к земле. Убедитесь, что выводы светодиодов находятся в двух разных рядах макета и что резистор подключен к более короткому выводу светодиода.

Убедитесь, что все детали правильно подключены к макету. Проверьте один светодиод за одним. После того, как вы проверили электрические соединения светодиодов, проверьте показания в Excel и посмотрите, не изменятся ли показания на солнце.

Устранение неисправностей micro:bit

Ваша плата micro:bit подключена, но вы не получаете никаких данных или данные не отвечают? Выполните следующие действия, чтобы помочь устранить проблему.

Убедитесь, что micro:bit выполняет чтение в Data Streamer.

На вкладке Data Streamer нажмите «Подключить устройство» и выберите плату Arduino.
Нажмите «Start Data» и перейдите на вкладку «Данные в» (Data in). Если всё успешно, вы увидите печать цифр на экране.

Убедитесь, что код micro:bit был успешно загружен на плату.

Перетащите код (.hex файл) в micro:bit (смотрите выше) и проверьте, что индикаторы платы мигают. Когда индикаторы остановятся, код загружен.

Убедитесь, что все отрицательные или заземляющие провода подключены к одной точке.

Убедитесь, что все детали правильно подключены к макету.

Проверьте один светодиод за одним. После того, как вы проверили электрические соединения светодиодов, проверьте показания в Excel и посмотрите, не изменятся ли показания на солнце.

Сбор данных спектрометра

Скачайте настроенную книгу Excel по этой ссылке. Ниже на скриншоте примерный вид — нажмите для увеличения.

Текущие данные видны на левом графике. Здесь мы также калибруем или обнуляем наши датчики. Гистограмма показывает средние показания датчиков, а линия показывает мгновенные показания. Для калибровки датчиков поместите спектрометр в коробку и закройте крышку. Разрешить считывание показаний в течение 10 секунд, а затем нажмите кнопку калибровки.

Вы, вероятно, заметите, что измерение показаний датчика занимают некоторое время. При измерении данных обязательно ждите от 5 до 10 секунд, чтобы получить точные показания.

Получив показания для определенного источника света, нажмите «Сохранить пробу» (Save trial) на нужной диаграмме, чтобы сохранить текущие данные в диаграмме для сравнения с другими источниками света. Пометьте источник света для каждого испытания в верхней части таблицы.

Виды спектрометров

Блескомер. Это спектрометр, ориентирующийся на измерение блеска.
Спектрофотометр. С помощью этого устройства анализируется спектральный состав посредством определения длины электромагнитного излучения в оптическом диапазоне. Выходные данные представляются в виде фотометрии и могут применяться для контроля печати.
Колориметр. Это прибор для измерения интенсивности и температуры оттенков с поправкой на контрольную цветовую шкалу.
Экспонометр. Определяет экспозицию в фотографии и кинематографии.
Спектрорадиометр. В его основе — оптическая система, накапливающая спектры и производящая их подсчет.
Яркометр. Устройство, определяющее яркость световых источников.
Люксметр. Этот аппарат представляет сведения об освещенности.

Многофункциональные промышленные спектрометры способны работать со светом, красками и другими рабочими средами в контексте изучения разных параметров.

Измерение света с помощью спектрометра

1. Пока спектрометр все еще подключен к вашему компьютеру и передает данные в Excel, собирайте данные от тех же источников света, которые вы использовали с бисером.

2. Поместите спектрометр на подоконник, подождите 10 секунд и сохраните данные.

3. Поместите спектрометр под тот же внутренний источник света, который вы использовали для УФ бисера, подождите 10 секунд и сохраните данные.

4. Выведите спектрометр и компьютер наружу, подождите 10 секунд и сохраните последнюю пробу.

На этом всё. Материал получился большим, но надеемся, что очень полезным.

Дифракционный спектрометр

Дифракционный спектрометр ДФС-12 ( рис. 278) относится к однолучевым приборам. Основой спектрометра является двойной монохроматор со сложением дисперсии.

Дифракционные спектрометры высокого разрешения — это уникальные приборы, разработанные и построенные в крупных научных учреждениях. В табл. 1 дан их перечень на настоящее время.

Жираром , представляет собой обычный дифракционный спектрометр ( схема Литтрова), в котором входная и выходная щели заменены растрами — системами прозрачных и непрозрачных полос, ограниченных равноотстоящими гиперболами. Затем пучки падают на внеосевое параболическое зеркало 6, разлагаются в спектр дифракционной решеткой 7 и фокусируются зеркалом 6 на поверхности выходного растра 8, проектируя на него поочередно два изображения растра 5 ( в проходящем и отраженном свете), являющиеся дополнительными друг к другу — светлым полосам одного изображения соответствуют темные полосы второго, и наоборот.

Голей предложил увеличить светосилу дифракционного спектрометра, заменив щели растрами. Сохраняя привычную и хорошо разработанную конструкцию обычных дифракционных приборов, растровые спектрометры по способу регистрации, виду аппаратной функции сходны с сисамами.

В последние годы наряду с усовершенствованием обычных приз-менных и дифракционных спектрометров для дальней инфракрасной области успешно развивается принципиально иной экспериментальный метод — интерферометрия. В практике химических исследований для абсорбционных измерений используют интерферометры различных типов, например интерферометр Фабри-Перо и ламеллярные решетки, однако наибольшее распространение, пожалуй, получили варианты интерферометра Майкельсона.

Оценим эту величину, когда сканирующий прибор — щелевой дифракционный спектрометр.

Преимущество в светосиле интерферометра Ф — П перед дифракционным спектрометром связано с тем.

Расположение электродов в рентгеновской трубке для получения пучка под скользящим углом.

Экспериментальная установка для наблюдения рентгеновской дифракции по существу аналогична оптическому дифракционному спектрометру, но, так как для рентгеновских лучей нельзя использовать линзы и зеркала, внешне она сильно отличается от оптического прибора.

За нормали I класса принимают такие точно измеренные на дифракционном спектрометре линии испускания или отдельные полосы поглощения, которые являются одиночными, симметричными и достаточно узкими. Первому требованию удовлетворяют те линии и полосы, структура которых не может быть выявлена призменным прибором из-за его ограниченной разрешающей способности. Последнее требование означает, что максимум линии или полосы должен быть настолько острым, чтобы определение его положения не вносило дополнительной ошибки.

Запись интерферограммы с помощью вспомогательного источника. I, — источник света. L, — коллиматорная линза. Mt, Мг — зеркала интерферометра. М3 — светоделительное зеркало. L, — линза. S, — диафрагма. Р — при-емьик излучения. 12 — вспомогательный управляемый источник света. S2 — щель. F — фотопластинка.

Суть метода состоит в том, что в фокальной плоскости обычного дифракционного спектрометра помещается многощелевая диафрагма, ширина которой равна удвоенному спектральному интервалу ДА, ограниченному выходным отверстием прибора. Иначе говоря, отдельные прозрачные и непрозрачные элементы диафрагмы перекрывают спектральные интервалы, меняющиеся в пределах от б А, до / сбА, где k — небольшое целое число.

Аппаратура спектральной регистрации свечения удаленной лазерной искры включает фокусирующую линзу, дифракционный спектрометр, многоканальное координатное устройство с коллекторным световодом и блоком ФЭУ с усилителями.

В связи с этим приведенный пример может служить образцом рационального совместного использования классического дифракционного спектрометра и перестраиваемого диодного лазера для получения прецизионной количественной спектральной информации.

Майкельсона и Фабри — Перо в несколько сот раз больше, чем светосила дифракционного спектрометра равной разрешающей силы.