Эмулятор фотоспектрометра

Полезная модель относится к области технических средств обучения и предназначена для приобретения компетенций в области изучения химического и элементного состава материалов методом спектроскопии квантовых потоков.
Аналогом заявленной полезной модели является Аппаратно-программный учебный комплекс (Пат. РФ 70394 от 24.08.2007 г., G09B 5/00), включающий набор информационно-коммутационных элементов, обеспечивающих расширение функциональных возможностей интерактивного учебного процесса.
Недостатком аналога является отсутствие возможности реализовывать процессы исследования свойств учебных образцов.
Прототипом заявленного устройства является спектрометр ФСМ (http://specs.nt-rt.ru/images/manuals/TH_infr_spect.pdf; http://techob.ru/katalog/katalog-priborov/spektralnyie-analizatoryi/4.6.-ik-fure-spektrometryi.html), включающий программную компоненту, корпус, имеющий секцию для установки держателя образцов с размещенным в ней узлом фиксации держателя образца, набор держателей образцов, устройство юстировки неподвижного зеркала и компьютер.
Недостатком прототипа является его низкая устойчивость к неквалифицированной эксплуатации, что снижает эффективность использования устройства в учебном процессе, где низкая квалификация студентов и отсутствие навыков работы с прецизионным аналитическим оборудованием, неминуемо приводят к быстрому выходу из строя этого самого оборудования. Кроме того, для обучения студентов требуется набор физических образцов, недостаточное разнообразие которых обусловливает ограниченность области применения устройства, а следовательно и эффективность процесса подготовки студентов. И наконец, процедура юстировки неподвижного зеркала в спектрометре осуществляется с помощью прецизионного привода, имеющего ограниченный ресурс наработки на отказ.
Задачей данной полезной модели является создание устройства, позволяющего эмулировать процедуру и режимы спектральных исследований различных материалов в отсутствии реальных образцов, при этом обладающего повышенной устойчивостью к неквалифицированному обслуживанию.
Ожидаемым техническим результатом использования заявленной полезной модели является повышение эффективности и упрощение процесса подготовки студентов. Эмулятор фотоспектрометра имеет высокую эффективность при его использовании в процессе обучения студентов благодаря тому, что он делает возможным проводить исследования виртуальных образцов, относящихся к самым разнообразным направлениям подготовки специалистов (материаловедение, химия, криминалистика, медицина и т.д.). При этом конструктив эмулятора позволяет проводить занятия, не подвергая оборудование риску быть выведенным из строя.
Технический результат достигается за счет того, что в известное устройство, состоящее из корпуса, имеющего секцию для установки держателя образцов с размещенным в ней узлом фиксации держателя образца, комплекта держателей образцов, компьютера и программного обеспечения, загруженного в ПК, в состав устройства введены набор радиометок, ридер радиометок и контроллер, снабженный USB-портом, причем радиометки механически прочно прикреплены к держателям образцов по одной к каждому держателю, ридер радиометок установлен вблизи секции для установки держателя образцов на расстоянии не превышающем радиус считывания кода радиометки, а угол между осью симметрии антенны ридера радиометок и осью симметрии антенны радиометки, размещенной в секции, менее 80°, при этом контроллер подключен к ПК через USB-порт, а вход 1 контроллера электрически связан с выходом 1 ридера радиометок, также выход 1 контроллера электрически связан со входом 1 ридера радиометок, кроме того вход 2 контроллера электрически связан с выходом модуля эмуляции юстировки неподвижного зеркала, к тому же по п. 2 модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала выполнен в виде параллельно расположенных поворотных валов, на каждом из которых закреплено по диску, имеющему несимметричный скос и выполненному из полупрозрачного материала, фото излучающего диода и соосного с ним фотоприемника, общая ось которых параллельна осям поворотных валов и расположена между ними, причем выходом узла, электрически соединенным с входом 2 контроллера, являются выходные контакты фотоприемника.
Совокупность заявляемых признаков позволяет повысить эффективность процесса подготовки студентов при одновременном упрощении этого процесса.
Заявляемое техническое решение обладает новизной, отличаясь от прототипа перечисленными выше признаками, и обеспечивает достижение заявленного технического результата.
Эмулятор фотоспектрометра может найти широкое применение в средних и высших учебных заведениях в качестве учебно-лабораторного оборудования для изучения физико-химических методов исследования состава газо-, жидко- и твердофазных материалов применительно к различным направлениям подготовки специалистов (материаловеды, технологи, механики, химики-аналитики, биологи, криминалисты и проч.). При подготовке специалистов использование эмулятора фотоспектрометра наиболее оправданно, так как резко упрощает процедуры освоение методик работы на столь дорогостоящем наукоемком оборудовании, каким являются фотоспектрометры. При этом нет ограничений в исследовании различных, подчас редких и дорогостоящих образцов. Отсутствие необходимости иметь на руках большой набор разнообразных материальных образцов увеличивает эффективность предлагаемой полезной модели, позволяя готовить специалистов в различных областях деятельности.
Полезная модель поясняется эскизами, на которых представлены:
Фиг. 1. Общий вид заявленного технического решения;
Фиг. 2 Структурная схема эмулятора фотоспектрометра;
Фиг. 3. Схема модуля эмуляции юстировки неподвижного зеркала
На фигурах отмечены:
1 - корпус, 2 - секция установки держателя образца, 3 - держатель образца с прикрепленной радиометкой 4 - ридер радиометки, 5 - модуль эмуляции юстировки неподвижного зеркала, 6 - узел фиксации держателя образца, 7 - контроллер, 8 - персональный компьютер (ПК), 9 - поворотные валы, 10 - полупрозрачные диски, 11 - фотоизлучающий диод, 12 - фотоприемник.
Эмулятор фотоспектрометра работает следующим образом: сначала осуществляется настройка эмулятора, которая начинается с операции юстировки неподвижного зеркала. С этой целью с помощью поворотных валов 9 добиваются максимума выходного сигнала на выходе модуля 5 (выходной сигнал фотоприемника 12) эмуляции юстировки неподвижного зеркала. Этот сигнал поступает на вход 2 контроллера 7. Анализ амплитуды указанного сигнала, поступающего через USB-порт контроллера 7, осуществляется с помощью ПК 8, например, в виде графика, выводимого на монитор, входящий в состав ПК 8. При этом добиваются максимального по амплитуде сигнала. Следующий этап предусматривает эмуляцию процедуры снятие спектра образца. Для этого в узел 6 фиксации держателя образца, размещенный в секции 2 установки держателя образца вставляют держатель образца 3 с прикрепленным учебным образцом. Ридер 4 радиометок считывает код радиометки, закрепленной на держателе 3 образца и передает на вход 2 контроллера 7. Последний, через USB-порт транслирует код в ПК 8 и далее с помощью программы, загруженной в ПК 8, начинают процедуру имитации спектральных исследований образца, свойства которого программно связаны с кодом радиометки установленного держателя 3 образца.
Признак, связанный с тем, что угол между осью симметрии антенны ридера радиометок и осью симметрии антенны радиометки, размещенной в секции, менее 80°, обусловлен тем фактом, что при приближении указанного выше угла разориентации к порогу 70-80°, чувствительность ридера резко падает и, при превышении этого порога, вероятность корректного считывания кода радиометки стремится к нулю.
В качестве фотоприемника может быть использовано любое устройства, какой-либо из измеряемых параметров которого, монотонно изменяется при изменении интенсивности фотоизлучения, попадающего на рабочую поверхность этого устройства. Например, фототранзистор, фотоэлектронный умножитель или фоторезистор.
В качестве контроллера 7 может быть использован контроллер серии Arduino, в качестве радиометки - бесконтактная карта EM-marine, взаимодействующая с ридером 4 радиометок Matrix-II.