Светодиодный спектрофотометр: идея, способ реализации, использование Аппаратная часть Предлагаемый прибор представляет собой простое устройство измерения уровня пропускания света для исследуемого полупрозрачного вещества в диапазоне видимого электромагнитного излучения (780nm ― 405nm). Основа устройства ― камера измерения, состоящая из закрытой (от внешних источников света) полости для стеклянной кюветы, цветного светодиодного источника света и фотодатчика (фоторезистора). Излучение от светодиодного источника проходит через кювету с раствором или твердый образец вещества в форме кюветы, расположенный на ее месте. Фоторезистор освещается пропущенным светом и изменяет свое сопротивление. Являясь частью цепи генератора звуковой частоты, он изменяет ее эквивалентно полученному световому потоку. Выходной сигнал, то есть звуковая частота от генератора передается через звуковую карту в персональный компьютер для анализа. На персональном компьютере программное обеспечение "SvetSpec" обращаясь к звуковой карте, получает значение частоты сигнала, приходящего от генератора. Частота вычисляется методом быстрого преобразования Фурье (алгоритм которого получен из сторонних источников). Значение частоты по результатам калибровок и некоторым начальным данным преобразуется в значение светового потока в выбранном участке спектра, с учетом его интенсивности от используемого светодиода и чувствительности фоторезистора. Обработка на ПК создает условия для проведения мониторинга светопропускания среды с изменяющимся по времени и длинам волн показателем пропускания света. А спектральное разрешение достигается использованием светодиодов. Известно, что цветные светодиоды излучают в достаточно узком участке спектра. Примерно зная его для каждого светодиода, а также кривую чувствительности фоторезистора можно на основе данных по отдельным участкам спектра интерполировать общую картину в рассматриваемом диапазоне. Для монтажа в устройстве выбрано 7 светодиодов: 780nm ± 5nm ― пограничный красный/инфракрасный; 660nm ± 15nm ― красный; 635nm ± 15nm ― красно-оранжевый; 587nm ± 20nm ― желтый; 567nm ± 20nm ― зеленый; 468nm ± 40nm ― синий; 405nm ± 30nm ― фиолетовый. Выбор светодиодов, кроме спектральной характеристики обусловлен их доступностью для исполнителя данной работы. Рисунок 1 ― Спектры излучения светодиодов с наложением на кривую чувствительности измерительного фоторезистора. Процесс работы с прибором на практике происходит поэтапно, следующим образом: калибровка прибора с последовательным переключением светодиодов (измерение светопропускания кюветы с растворителем без исследуемого вещества или без кюветы вообще в случае исследования твердого образца); в ходе калибровки компьютерное программное обеспечение получает информацию о 100% (идеальных) уровнях пропускания света; установка контрольного (калибровочного) образца с известным программе спектром светопропускания и его измерение; установка и измерение исследуемого образца. В ходе исследования можно накопить значения за длительный период времени и автоматически отбросить отдельные величины (случайно/ошибочно полученные) с высоким отклонением от среднего, получив статистически значимый средний результат. Прибор может применяться для бытового анализа веществ или в учебных целях в учреждениях образования. Рисунок 2 ― Принципиальная электрическая схема прибора. Принципиальная электрическая схема устройства показывает, что электрическую структуру устройства можно разделить на 2 части: светопередающую и светоприемную. Питание обоих частей осуществлено от USB порта персонального компьютера напряжением 5 вольт. Светопередающая часть содержит согласующую и гальваническую развязку от выхода звуковой карты ПК, микросхемы счетчика и дешифратора, осуществляющие выбор 1 из 7 светодиодов подсветки кюветы. При поступающих на счетчик импульсах светодиоды последовательно переключаются. Нулевой выход дешифратора служит для индикации готовности к работе, это своеобразная обратная связь прибора. Светоприемная часть построена на мультивибраторе на транзисторах, в базу одного из которых включен фоторезистор, размещенный с обратной стороны кюветы и определяющий частоту генерации. Сигнал снимается с коллектора второго транзистора и подается на микрофонный вход звуковой карты ПК. Неиспользуемые контакты дешифратора 8 и 9 могут быть задействованы для дополнительно установленных светодиодов (ИК и УФ), тем самым расширяя исследуемый спектр. Рисунок 3 ― Внешний вид спектрофотометра Пример результатов измерения, полученных посредством прибора: Задача: измерить спектр светопропускания синего красителя из шариковой ручки. Цель: провести измерение спектра относительно воды, обработать полученные данные и представить их в виде графика спектра. Рисунок 4 ― График светопропускания синего красителя Программная часть Программный продукт "SvetSpec" ("СветСпек") представляет собой специальное программное обеспечение к прибору "Светодиодный спектрофотометр". Практически, это программа под ОС MS Windows для получения и предварительной обработки данных, а также управления прибором. ПО позволяет управлять спектрофотометром через интерфейс звуковой карты (проход по участкам спектра), получать данные об относительной интенсивности светового потока в текущем участке спектра (измерение частоты ГУНа прибора), обрабатывать данные ряда калибровочных и основных измерений, предоставляя пользователю готовую спектрофотометрию, пригодную для построения графика. Данный аппаратно-программный комплекс позволяет получать примерную спектральную характеристику светопропускания веществ посредством применения недорогого в изготовлении (в сравнении с промышленными аппаратами) прибора ― спектрофотометра на светодиодах. Это делает его доступным для применения и даже самостоятельного изготовления в школе или ВУЗе. Прибор актуален для сопровождения части учебного материала на уроках физики (тематика электромагнитного спектра, пропускание и поглощение света веществами) и химии (аналитическая химия, спектры веществ). Программа разработана на языке и в среде Borland Delphi, 7 версии с использованием стандартных визуальных компонентов. Состоит из 3х модулей, один из которых (fftspec.pas) взят со сторонних источников (библиотека для Фурье-обработки звукового потока). Модуль frmfft.pas - это основной рабочий модуль, а tone.pas является модулем кода генератора звука. Программа использует для формирования готового графика его шаблон в виде Excel файла xlstmplt.bin. Также необходим файл borlndmm.dll для решения проблем ошибок памяти. Эти файлы поставляются в комплекте программы. Исполняемый файл упакован утилитой UPX для уменьшения размера. Для функционирования программы необходим ПК оборудованный звуковой картой с частотой дискретизации не менее 32КГц. Звуковая карта должна иметь микрофонный вход и выход на наушники, удобно выведенные на панель ПК. Конечно, требуется и прибор "Светодиодный спектрофотометр". Он использует 1 свободный USB порт (питание). Однако возможно демонстрационное применение программы, не требующее наличия прибора. Работоспособность ПО проверена в операционных системах семейства Windows (2000, XP, 7-32bit, 7-64bit). Используемые ресурсы ПК: процессор не менее 1ГГц, доступно около 6Мб оперативной памяти и не менее 242Кб на жестком диске (без учета места для сохранения получаемых данных). Проект является призером городского, областного и республиканского этапа конкурса "Техноинтеллект" в Республике Беларусь, участник конкурса Союзного государства "Таланты 21 века". Опробован на практике в строительной организации для сравнительного анализа лакокрасочных материалов. Рисунок 5 ― Внешний вид ПО СветСпек Загрузить ПО СветСпек можно здесь (192KB). Дополнительно добавлю, зачем он может понадобится именно Вам: проверка идентичности напитков (на цвет одинаковые напитки, оригинальный и поддельный вполне будут различаться по спектральной картинке: соки, спиртные напитки и т.д.); проверка оригинальности средств гигиены (шампуни, мыла); сравнение растворимых продуктов питания; физические и химические опыты, подбор цветовых сочетаний красителей, определение оригинальности и разбавленности лекарственных (и не совсем) веществ. Ввиду мобильности (малые габариты и вес) прибор можно брать с собой в дорогу.
