Создаем спектрофотометр/спектрометр своими руками за 1000 р., часть №1

"Профессиональный" спектрофотомер/спектрометр своими руками за 10 $. (A simple DIY spectrophotometer for 10 $)

ВВЕДЕНИЕ

SBER: 5469060019644464

В последние годы идея самодельного или DIY спектрометра очень широко распространилась в сети, и можно найти массу любительских статей на данную тему. Читая подобные статьи, я и сам загорелся идеей создать персональный спектрофотометр своими руками. При этом я преследовал две цели. Первая цель - это чистое исследовательское любопытство в режиме хобби в выходной день - желание изучить спектры поглощения растворов различных веществ, выполнить высокоточное измерение концентрации веществ, изучить спектры ламп, особенно интересно было посмотреть на ртутную. Вторая цель - это исследование идеи удешевления дорого профессионального оборудования с целю сделать его доступным для любого пытливого ума.

Спектры различных ламп из второй части

АНАЛИЗ

Из анализа любительских статей про DIY (Do It Yourself) спектрометры я заметил, что ряд из них имеют сходный недостаток - это несфокусированное изображение. Из-за этого полученные результаты можно считать чисто демонстрационными, а их конструкции далеки от совершенства. С другой стороны я также внимательно изучил профессиональные КФК и OCEAN OPTICS USB2000+. В целом я пришел к выводу, что с инженерной точки зрения устройство профессиональных приборов достаточно простое и не стоит за них переплачивать. Более того, чувствительная линейка OCEAN OPTICS USB2000+ имеет размер 2048 элементов. На рынке легко найти камеру с превосходящими характеристиками. Таким образом проблем с изготовлением самодельного спектрофотометра сравнимого и даже превосходящего по ряду параметров дорогой профессиональный прибор я не наблюдал.

СИНТЕЗ

После тщательного анализа различных DIY конструкций, изучения конструкций коммерческих приборов и теории я был готов действовать. В качестве разминки и для понимания всех практических проблем самоделок я решил изготовить простейший papercraft ;-) (чудесное название, на мой взгляд) спектроскоп на основе телефона по следующим чертежам:

https://publiclab.org/wiki/papercraft-spectrometer

Выбора пал на него по причине простоты конструкции и наличия чертежей. Изготовив за пару часов данный спектрометр из картонной коробки из-под чая и куска расщепленного диска DVD-R.

Рисунок 1 - Простейший DIY спектрометр

Я получил первое изображение спектра.

Рисунок 2 - Спектр LED лампы, полученный с помощью простейшего спектрометра

Рисунок 3 - Спектр фито-лампы

После того как я поиграл с первым вариантом, я понял все недостатки собранного устройства:

1-я проблема - несфокусированное изображение, 2-я нерациональное использование матрицы, 3-е - это хлипкость конструкции, поэтому калибровка такого прибора затруднена, 4-е это невозможность регулировать угол положения дифракционной решетки, в моем приборе спектр попадал на край изображения, поэтому я корректировал угловое положение решетки пластилином. В целом получившийся прибор игрушка и не более. Однако в этом и заключалась цель первой попытки - быстро понять в чем проблема простых DIY спектрометров.

После эскизного проекта я перешел к изготовлению DIY спектрофотометра сравнимого с профессиональным. Первым делом стало ясно, что самой главной основной успеха DIY спектрофотометра, с помощью которого можно делать какие-то измерения сопоставимые с профессиональными приборами, - это жесткость конструкции, возможность фокусировки на близком расстоянии, возможность регулировать угол матрицы приемника по отношению к дифракционной решетке. Похожим путем пошли ученые из Бразилии, которые задались целью построить простой дешевый высокоточный прибор. Ученые изготовили спектрофотометр на базе web камеры Panasonic. Со статьей можно ознакомиться по ссылке https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/acs.jchemed.0c01085. Конструкция бразильских ученых выглядит следующим образом:

Рисунок 4 - A) Спектрофотомер на основе веб камеры и его компоненты: лампа (источник света), держатель кюветы, дифракционная решетка, веб камера. B) Устройство с закрытой крышкой и зафиксированной щелью на торце.

Как можно заметить бразильские ученые тоже уделили внимание прочному корпусу и изготовили его из древесноволокнистой плиты. Данную статью я уже обнаружил в процессе изготовления своего прибора, и она укрепила меня в мысли, что цель достижима. В отличие от бразильцев я принял решение изготавливать корпус не из дерева, а из толстого картона и это было правильным решением т.к. в процессе изготовления конструкция несколько раз претерпевала изменения. Вот таким получился финальный вариант:

Рисунок 5 - Самодельный спектрофотометр.

СПЕЦИФИКАЦИЯ:

1. Толстый картон;
2. Универсальный прозрачный клей "Мастер клей супер";
3. Черная матовая краска;
4. Лезвие канцелярского ножа;
5. Металлическая пластина;
6. Винт м4- 2 шт., гайка м4 - 2шт.;
7. DVD-R;
8. Фотоаппарат Panasonic Lumix TZ-10;
9. Кварцевые кюветы.

Рисунок 6 - Картон, кюветы и толщиномер

Перечень инструментов:

1. Ножницы;
2. Канцелярский нож;
3. Ножовка по металлу;
4. Тиски;
5. Толщиномер.

Толстый картон и клей обеспечивают простоту и быстроту изготовления корпуса, а также достаточную его прочность. При этом не требуется сложного оборудования, картон может быть разрезан ножницами. Для надежной фиксации фотоаппарата по отношению к корпусу использовалась металлическая пластина из строительного магазина. Пластина и корпус скрепляются двумя винтами м4. Камера крепится к пластине при помощи стандартного винта крепления к штативу в 1/4 дюйма. Основным отличием от большинства DIY спектрометров это применение зеркальной дифракционной решетки, а не прозрачной. К такому техническому решению я пришел по причине того, что получить качественную прозрачную дифракционную решету из расщепленного DVD-R достаточно сложно. Т.к. при расщеплении диска напыление распределяется неравномерно и такая решетка очень легко повреждается и забивается грязью, протирать ее ни в коем случае нельзя даже ваткой смоченной в спирте т.к. сразу появляются царапины. Единственным плюсом этих царапин является то, что автоматическая фокусировка работает гораздо лучше. В большинстве DIY спектрометров эти царапины не заметны т.к. изображение не сфокусировано и их не видно из-за размытости. Как можно видеть на рисунке с прозрачной решеткой от DVD как правило изображение спектра получается неравномерными и некачественными,

Рисунок 7 - Царапины и прочие изъяны прозрачной дифракционной решетки при получении ее расщеплением DVD-R диска.

а вот с зеркальной решеткой результат получается намного лучше.

Рисунок 8 - Изображение, получаемое с отражающей дифракционной решеткой из того же DVD-R диска с LED лампы СТАРТ ECO LEDGLSE2727 15W

С целью получить хорошую фиксацию фотоприемника я решил использовать фотоаппарат Panasonic Lumix TZ-10 с винтом, по одной простой причине - он у меня был. Это хорошая старенькая "мыльница". У фотоаппарата отличная оптика для наших целей и потрясающее разрешение в 4000x3000 (это больше чем у OCEAN OPTICS USB2000+ - 2048). К недостаткам можно отнести отсутствие ручной фокусировки и невозможность получать изображения в реальном времени. Фотоаппарат имеет узкий спектр поскольку в ИК области стоит фильтр, а стеклянная оптика не пропускает УФ лучи, все это будет видно на полученных спектрах ламп. В части фокусировки, поиграв с настройками я добился надежной автоматической фокусировки в режиме "МАКРО ЗУМ". Я не стал удалять ИК фильтр фотоаппарата т.к. пожалел его и свое время, да и проверить получившийся прибор можно в оптическом спектре.

Вместо фотоаппарата даже лучше использовать недорогую web камеру или какую-либо камеру с aliexpress с возможностью программно управлять фокусировкой и с такими камерами гораздо легче экспериментировать в плане удаления фильтра. Практически любая современная камера имеет великолепное разрешение за копейки, в этом преимущество DIY спектрофотометров. Такую камеру можно настроить и делать снимки в программе Microsoft Amcap или если вы умеете программировать можно написать собственное простое ПО, например, с применением библиотеки OpenCV.

Во второй части я проведу эксперименты по определению спектра различных ламп и спектра поглощения моносаллицилата железа, а также построю кривую зависимости оптической плотности от концентрации.

Если вам было интересно и вам понравился проект, то можете поддержать его развитие:

SBER: 5469060019644464

#спектрофотометр #фотометр #DIY спектрометр #своими руками #спектрофотометр своими руками #DIY спектрофотометр