МУЛЬТИВОЛНОВОЙ СПЕКТРОМЕТР С ФУНКЦИЕЙ ФИКСАЦИИ ПОТОКА ДАННЫХ

Полезная модель относится к устройствам для фотометрических измерений и технике измерения (спектрометрам) количественных значений характеристик различных видов излучения (естественного - Е), инфракрасного (ИК) и ультрафиолетового (УФ) и может быть использована при разработке устройств для непрерывного измерения дискретных и изменяющихся (потоковых) значений параметров нескольких видов излучения.
Одним из основных требований, предъявляемых при разработке данного вида устройств является наличие высокочувствительного входного датчика с возможностью фиксации параметров анализируемого излучения в нескольких диапазонах, оснащенного микропроцессором для первичной обработки и кодировки измеряемых данных, а также наличие блока анализа информации, поступающей от входного датчика, декодировки ее в вид, пригодный для представления и программного анализа. Статистические оценки точности (погрешности, доверительных интервалов и т.п.) количественных значений регистрируемых параметров излучения напрямую зависят от объема фиксируемых данных. Единичные измерения резко снижают точность результатов и не позволяют выявить временные зависимости регистрируемых параметров и их изменений. Для выполнения указанных требований необходимо разработать комплексное устройство, обеспечивающее регистрацию параметров анализируемого излучения различных видов с высокой точностью на базе фиксации больших массивов исходных данных.
Из существующего уровня техники известны (портативные, персональные) электронные детекторы (тестеры) УФ-излучения с датчиками УФ-излучения типа MGS-UV60, GY-8511 (например, миниатюрный детектор ультрафиолета Smart UV checker FUV-001 для телефона iphone /ipad/Android УФ-измеритель; карманный измеритель оптической мощности (РОМ-500 Pocket Optical Power Meter от OZ Optics) [1-4].
Из существующего уровня техники известны также спектрометры-люксметры, обладающие функциями измерения спектральной характеристики излучения и ее производных, а также характеристик, связанных с энергией источников излучения (яркость, освещенность). Примером может служить стационарный вакуумный оптико-эмиссионный спектрометр VELES CXR-9S0 (компания «Синеркон», synercon.ru).
Недостатками указанного оборудования являются его громоздкость, стационарность, наличие малочувствительных фотодатчиков входного излучения бытового назначения, ограниченность диапазонов измеряемых видов излучения, а также отсутствие возможности непрерывной фиксации изменяющихся потоковых значений характеристик (например, длины волны) различных видов излучения.
Известен мини-спектрометр для смартфона (RU (11) 184 760(13) U1, МПК G01J 3/18 (2006.01) G02F 1/00 (2006.01) G01T 7/00 (2006.01). Опубл. 07.11.2018. Бюл. №31), относящийся к измерительной технике, а именно к малогабаритным спектральным приборам, предназначенным для измерения характеристик спектра, определения длины волны источника излучения, и может быть использована в различных областях народного хозяйства, а также в гемологии, для оперативного контроля драгоценных камней [5].
Основным недостатком данного устройства является получение исключительно дискретных разовых данных параметров спектра, отсутствие возможности измерения характеристик нескольких видов излучения (Е, ИК и УФ), а также невозможность фиксации их потоковых значений, низкая точность и невозможность проведения выборочной по времени статистической обработки участков потока.
Известен также прибор спектрального разложения света и измерения длин волн, (RU №2472117, МПК G01J 3/18, G02F 1/00 опубл. 10.01.2013, Бюл. №1), состоящий из непрозрачного корпуса и диспергирующего элемента, в качестве компакт-диска, установленного внутри корпуса, отличающийся тем, что для регистрации спектра излучения использован расположенный вне корпуса цифровой фотоаппарат, к экрану которого прикреплена шкала измерения длин световых волн, объектив фотоаппарата вставлен в прикрепленную к внутренней стенке корпуса трубку, внутренний диаметр которой соответствует внешнему диаметру объектива [6].
Основным недостатком данного устройства является отсутствие возможности измерения характеристик нескольких видов излучения (Е, ИК и УФ), невозможность непосредственного визуального наблюдения количественных значений спектра излучения, а также невозможность фиксации их потоковых значений и проведения выборочной по времени статистической обработки участков потока, отсутствие блока обработки, низкая точность результатов, неудобство проведения измерений, громоздкость устройства.
Наиболее близким аналогом предлагаемой полезной модели является конструкция спектрометра для измерения излучения видимого диапазона с функцией определения местоположения (RU (11) 186164(13) U1. МПК G01J 3/00 (2006.01). Опубл. 11.01.2019 Бюл. №2). Полезная модель относится к устройствам для измерения функции распределения интенсивности излучения от длины волны излучения в видимой области спектра. Спектрометр для измерения функции распределения интенсивности излучения от длины волны излучения и характеристик, связанных со световой энергией источников света в видимом диапазоне, реализуется с помощью подключенных к соответствующим микроконтроллеру и микрокомпьютеру измерительных модулей [7].
Основным недостатком данного устройства является получение исключительно дискретных данных параметров только одного вида спектра излучения и отсутствие возможности фиксации потока указанных данных, а также, невозможность проведения выборочной по времени статистической обработки участков потока.
Общими недостатками приведенных спектрометров являются отсутствие в их конструкциях высокочувствительного универсального датчика входного излучения для измерения характеристик нескольких видов излучения (Е, ИК и УФ), а также отсутствие программно-связанного с ним управляемого микроконтроллером модуля анализа, позволяющего реализовать декодировку сигнала от входного датчика с последующей непрерывной его фиксацией и анализом изменяющихся фиксируемых потоковых значений характеристик (например, длины волны) различных видов излучения. Отсутствие перечисленных элементов существенно снижает точность оперативных и длительных (недели, месяцы) измерений, не позволяет использовать его в исследовательских целях и, в конечном счете, не обеспечивает объективность заключения о наличии-отсутствии колебательных изменений измеряемых характеристик в течении заданных временных интервалов.
Технической задачей заявляемой полезной модели является автоматизация высокопроизводительного процесса высокоточных измерений характеристик нескольких видов излучения (Е, ИК и УФ) как в дискретном, так и динамическом (потоковом) режимах, снижение погрешности измерений, визуальная и программная фиксация с последующей статистической обработкой больших массивов измеряемых величин в течении заданных временных интервалов, а также снижение габаритов устройства и повышение удобства пользования им.
Технический результат заключается в расширении возможностей предлагаемого спектрометра, повышении точности и производительности измерений за счет автоматизации процесса измерений характеристик нескольких видов излучения (Е, ИК и УФ) путем использования программно-объединенных в единую локальную вычислительную сеть входного измерительного модуля (мультиволнового автономного измерительного устройства - АИУ), анализирующего модуля, а также модуля питания и панели разъемов.
2
Технический результат предлагаемой полезной модели достигается конструкцией мультиволнового спектрометра, состоящего из размещенных в корпусе, выполненном в виде параллелепипеда размером 80×60×35 мм из диэлектрического пластика с цилиндрическим выступом высотой 33 и диаметром 22,5 мм для установки в нем измерительного модуля, и объединенных с помощью ПО и интерфейсов связи в единую локальную вычислительную сеть измерительного и анализирующего модулей, а также модуля питания и панели разъемов. Измерительный модуль установлен у входного отверстия тубуса корпуса и выполнен на базе АИУ типа si1145, включающего маломощный активный мультиволновой сенсорный модуль (мультиволновой оптический датчик) отражения рассеянного света и УФ-индекса со встроенным ИК-светодиодом, двумя дополнительными выходами драйвера светодиода, аналого-цифровым преобразователем, цифровым сигнальным процессором, цифровым интерфейсом IC и выходом прерывания с программируемым событием. С измерительным модулем с помощью интерфейсов связи последовательно соединен анализирующий модуль, выполненный в виде платы размером 70×50 мм с расположенным на ней микроконтроллером типа ATmega, функционирующим в интегрированной среде сверх высокого уровня Arduino IDE, имеющей существенные преимущества перед аналогичными средами (Code Vision Avr, Atmel Studion7) за счет использования посредством собственного языка на базе оптимизированного ассемблера удобных пользовательских функций (сверхвысокий уровень) вместо обращения к регистрам. Программатор usbasp v2.0 микроконтроллера ATmega позволяет Arduino IDE в отличиеот других сред обмениваться данными с ПК через usb и преобразователь ch340 usb-uart. Кроме этого, для Arduino IDE имеется обширная библиотека алгоритмов для использования при измерениях посредством микроконтроллера ATmega пользовательских функций.
Использование в измерительного и анализирующего модулей единой локальной вычислительной сети обеспечивает непрерывные автоматические измерения и первичную обработку параметров нескольких диапазонов излучения, а также декодировку измеряемой информации, ее окончательную обработку и представление на ПК в виде потока данных.
Использование АИУ типа si1145, микроконтроллера типа ATmega в среде Arduino IDE существенно улучшает пользовательский интерфейс и повышает производительность полезной модели в широком динамическом диапазоне и при анализе различных видов излучения, включая прямые солнечные лучи. Повышение точности в АИУ типа si1145 при высокоточных измерениях ИК излучения обеспечивается компенсацией на фотодиоде видимого излучения корректировкой по отдельному каналу с использованием различных алгоритмических решений, объединенных с библиотеками Arduino IDE. Наличие алгоритма ИК-коррекции, запущенного в хосте, обеспечивает гибкость при настройке на зависящие от системы переменные. Помимо этого, повышение точности измерения обеспечивается связанной с фотодиодом схемой цифрового преобразования, реализующей высокую невосприимчивость к шуму мерцания искусственного света и шуму мерцания естественного света. Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где
на фиг. 1 представлена структурная схема мультиволнового спектрометра;
на фиг. 2 и 3 - общий чертеж мультиволнового спектрометра и аксонометрический вид его корпуса;
на фиг. 4 - автономное измерительное устройство (АИУ) типа si1145 и плата Arduino IDE с микроконтроллером типа ATmega;
на фиг. 5 - компоновка АИУ типа si1145 и платы типа Arduino IDE с микроконтроллером типа ATmega в корпусе мультиволнового спектрометра;
на фиг. 6 - результаты фиксации спектрометром потока длин волн УФ(а) и ИК (б) излучений (в строках: 1- рассеянный свет (фоновое излучение), 2 - инфракрасный свет, 3 - УФ-индекс);
на фиг. 7 - агрегатирование мультиволнового спектрометра на металлографическом микроскопе МЕТАМ-РВ22. Мультиволновой спектрометр состоит из следующих элементов, выполняющих соответствующие функции:
1. корпуса, выполненного из диэлектрического пластика, внутри которого скомпонованы все модули спектрометра, имеющего цилиндрический выступ для установки измерительного модуля;
2. измерительного модуля на базе АИУ типа si1145;
3. анализирующего модуля, реализованного на базе одноплатной интегрированной среды Arduino IDE, имеющей необходимые проводные (USB, цифровые и аналоговые интерфейсы);
4. микроконтроллера типа ATmega, организующего совместную работу измерительного, анализирующего модулей, блока питания и обеспечивающим передачу данных в цифровом виде на ПК;
5. модуля питания модулей спектрометра;
6. панели разъемов для подключения необходимых интерфейсов внешних устройств. Спектрометр соединен с ПК-7.
Работа предлагаемой полезной модели осуществляется следующим образом. Корпус 1 спектрометра с измерительным 2 и анализирующим 3 модулями, а также модулем питания 5 и панелью разъемов 6 устанавливают так, чтобы корпус 1 с измерительным модулем 2 был расположен на входе источника излучения различных видов 8. Для достижения технического результата принимающую поверхность АИУ 2 располагают непосредственно перед потоком поступающего внешнего излучения различных видов, не допуская его рассеяния (например, вставляя тубус спектрометра в окулярный тубус оптического микроскопа). Излучение исследуемого источника попадает на чувствительную зону АИУ 2, с которой датчик типа si1145 считывает аналоговый сигнал излучения и преобразовывает его в интенсивность падающего рассеянного, инфракрасного излучения, а также УФ-индекса {Ambient light, Infrared light, UV-Index). После преобразования чипом АИУ 2 полученных данных они передаются в базу данных по i2s на микроконтроллер 4 типа ATmega, входящий в состав анализирующего модуля 3 (платы Arduino IDE). После перекодировки (из 8-битной в 10-битную) микроконтроллер 4 ATmega по USB (интерфейс UART), направляет полученные в ходе измерений данные, с АИУ 2 типа is1145 на драйвер чипа ch340 USB Serial. В предлагаемой полезной модели реализованы стандартные на для микроконтроллеров типа ATmega 4 в среде Arduino IDE интерфейсы UART или USB. Чип USB-UART CH340G обеспечивает связь микроконтроллера ATmega 4 платы 3 Arduino IDE и USB-порта ПК 7, загружая прошивку в плату и передавая данные на ПК 7 (рис. 3).
Мультиволновой спектрометр с функцией фиксации потока, был проверен экспериментально в комплекте с металлографическим микроскопом МЕТАМ-РВ22 (фиг. 7). Агрегатирование предлагаемой полезной модели, включающей объединенных в единую локальную вычислительную сеть автономное измерительное устройство (АИУ) 2 типа si1145 и плату Arduino IDE с микроконтроллером типа ATmega на металлографическом микроскопе МЕТАМ-РВ22 (ЛОМО) позволило выполнить фиксацию значений дискретных и потоковых (в заданные временные интервалы) значений длин волн и выполнить статистический анализ характеристик потока общих световых данных, ИК-излучения, УФ-индекса [8-12].
Представленный на фиг. 6 скрин-шот участка потока результатов, получаемых при помощи спектрометра (данные пропускной способности общего и ИК-излучения и УФ-индекса), характеризуют эффективность работы предлагаемой полезной модели (фиксацию с высокой степенью точности в режиме реального времени потока характеристик спектров источников излучения различных видов (Е, ИК, УФ) как в дискретном, так и динамическом режимах.
Источники информации
1. Миниатюрный детектор ультрафиолета Smart UV checker FUV-001 для телефона iphone /ipad/ Android /УФ-измеритель/ https://sbermegamarket.ru/catalog/details/detektor-ultrafioleta-smart-uv-check fuv-001-600001380739/ (дата обращения: 26.06.2022).
2. Датчик ультрафиолетового излучения MGS-UV60/https/labkabinet.ru/(датa обращения: 26.06.2022).
3. Датчик ультрафиолетового излучения G7-8511/https://roboshop.spb.ru/sensors/datchiki-sveta/ml8511-gy-851 1?yclid=3652393742754701615/ (дата обращения: 26.06.2022).
4. Карманный измеритель оптической мощности (РОМ-500 Pocket Optical Power Meter)/https://lenlasers.ru/product/karmannyy-izmeritel-opticheskoy-moshchnosti-serii-pom-500/sku/101656/ (дата обращения: 26.06.2022).
5. Даниловский М.Г., Винник Л.И., Стрещук В.А. Мини-спектрометр для смартфона (RU(ll) 184760(13) U1, МПК G01J 3/18 (2006.01) G02F 1/00 (2006.01) G01Т 7/00 (2006.01). Опубл. 07.11.2018. Бюл. №31.
6. Прибор спектрального разложения света и измерения длин волн (RU №2472117, МПК G01J 3/18, G02F 1/00). Опубл. 10.01.2013, Бюл. №1.
7. Ульянов Р.С., Шиколенко И.А. Спектрометр для измерения излучения видимого диапазона с функцией определения местоположения (RU (11) 186164(13) U1. МПК G01J 3/00 (2006.01). Опубл. 11.01.2019. Бюл. №2.
8. Чуканов А.Н., Моденов М.Ю., Терешин В.А., Цой Е.В. Оценка качества (дефектоскопия) оптически прозрачных кристаллов // «Управление качеством на этапах жизненного цикла технических и технологических систем», 4 ВНТК (27.05.2022 г. ). Сб. научн. статей; Курск: ЮЗГУ, 2022. - 257 с. С. 249-253.
9. Чуканов А.Н., Чуканов Е.А., Моденов М.Ю., Цой Е.В. Мультиволновая флюоресцентная микроскопия // «Современные инновации в науке и технике».- 12 ВНТК с межд. уч.- Сб. научн. статей (14-15.04.22 г. )/ Курск: ЮЗГУ, 2022. - 257 с. С. 237-242.
10. Чуканов А.Н., Моденов М.Ю., Терентии В.А., Цой Е.В. Анализ светодиодной системы освещения для микроструктурного анализа // 10 МНПК «Современные материалы, техника и технология (МТО-61)»: (30.12.21 г. ), Сб. статей., Курск: ЮЗГУ, 2021. С. 468-472.
11. Чуканов А.Н., Моденов М.Ю., Цой Е.В., Терёшин В.А. Модернизация светового тракта оптического микроскопа для оптимизации структурного анализа // «Современные проблемы и направления развития металловедения и термической обработки металлов и сплавов (СПМ-02)», 2 МНПК: (16.09.2021 г. ), Сб. статей, Курск, ЮЗГУ, 271 с. - С. 96-99.
12. Чуканов А.Н., Моденов М.Ю., Цой Е.В. Микропроцессорное управление работой мультиволнового комплекса микроструктурного анализа твердотельных и биологических объектов // «Интеллектуальные информационные системы: тенденции, проблемы, перспективы (ИИС-2020)»: 8 МНПК (18.12.2020).- Сб. научн. статей, г. Курск: ЮЗГУ, 2020. - 255 с. - С. 251 -253.