مقياس طيف ضوئي يمسح اللون بخطوة ميكانيكية: مشاريع تخرج Arduino في الفيزياء

دفتر بناء المقياس يبدأ بمرجع طيفي معروف، لا بمصدر أبيض مجهول. في مشاريع تخرج Arduino والفيزياء، يحول المشروع الذراع والمحزوز والكاشف إلى سجل معايرة قابل لإعادة المسح. سنبني ترتيباً أحادي الكاشف ونحدد كيف تتحول تدريجات الزاوية إلى تقدير طول موجي، ثم نفصل ذلك عن شدة طيف مطلقة لا يقيسها هذا النموذج.

سجل تركيب الشق والمحزوز والكاشف

سجل مواد البناء عند كل تعديل: عرض الشق، موضع المصدر، مسافة المحزوز، بعد الكاشف عن المحور، وموقع الدرع الداخلي. ثبت هذه العناصر على قاعدة واحدة قبل تركيب المحرك. اجعل فتحة الشق قابلة للتغيير بين قياسين فقط عندما تسجل ذلك؛ فالشق الأوسع يعطي ضوءاً أكثر لكنه قد يطمس فصل الأطوال القريبة.

يمكن استخدام BPW34 ككاشف سيليكون مع مضخم transimpedance يحول تياره الضوئي إلى جهد قابل للقراءة. ورقة Vishay تبين أن الحساسية تمتد عبر جزء مرئي وقريب من تحت الأحمر، لكنها ليست متساوية عند كل طول موجي. لذلك لا تمثل قراءة الجهد وحدها القدرة الضوئية عند المصدر. اضبط مقاومة التغذية الراجعة للمضخم بما يمنع التشبع، ولا توصل photodiode مباشرة إلى مدخل ADC وتتوقع قياساً مستقراً من دون دائرة انحياز مناسبة.

سجل الصفر ومسار الذراع

ابدأ بتشغيل آلية الذراع دون مصدر ضوء. عند مفتاح home سجل زاوية الصفر، ثم تحرك إلى علامتين ميكانيكيتين معلومتين وقارن خطوات المحرك بتدرج منقلة. افحص الرجوع للخلف لأن backlash قد ينتج زاوية مختلفة عند المسح صعوداً وهبوطاً. قرر أن المسح العلمي يبدأ دائماً من اتجاه واحد أو عالج الخلوص بعد قياسه.

مثال حسابي تعليمي: إذا كان محزوز معروف التباعد وتحرك الهدب من الصفر إلى زاوية 20 درجة في الرتبة الأولى، يحسب البرنامج λ=d sin(20°). اذكر قيمة d من مواصفة المحزوز الحقيقي، ولا تنقل قيمة قرص DVD مفترضة لجميع الأقراص. المثال طريقة حساب وليس نتيجة لهذا الجهاز. إذا كانت الزاوية مقاسة بالدرجات في مكتبة تتوقع راديان، يختبر الفريق التحويل بوحدة مستقلة قبل اعتماد الرسم.

معايرة الطول الموجي بمصادر معلومة

ضع LEDs مرجعية ذات أطوال موجية موثقة على حدة وسجل موضع قمة الاستجابة لكل منها. اجمع نقاط (زاوية، طول موجي اسمي)، ثم افحص هل يلائمها نموذج d sin θ للرتبة المختارة أم يحتاج تصحيح صفر. لا تستخدم قيم اللون المكتوبة على غلاف LED كمعايرة دقيقة دون ورقة بيانات. احجز مصدراً واحداً للتحقق ولا تستخدم جميع النقاط في ملاءمة ثم تزعم تحققاً مستقلاً.

معايير القبول تشمل عودة الذراع إلى صفر معروف، عدم بقاء الكاشف في التشبع، وإعادة تكرار منحنى المصدر نفسه بعد إعادة التشغيل ضمن نطاق يحدده الفريق. اختبر فتحة مسدودة: يجب أن تنخفض الإشارة قرب الخلفية. اختبر ضوءاً خارجياً عند فتح الصندوق: ينبغي أن يظهر أثره في الخلفية، لا أن يخفيه البرنامج تلقائياً. اختبر مسار الملف بحيث يبقى سجل الزاوية والإشارة الخام حتى إذا فشل رسم الواجهة.

الحساب من علاقة الحيود

بعد تحديد الصفر والرتبة، استخدم λ=d sin θ/m وحدد هل θ مقاس من العمود على المحزوز أم من امتداده. وثق تباعد الخطوط من بيانات القطعة، لا من تخمين عدد خطوط قرص DVD. قرص مستعمل قد يشوه المقياس ويولد بقعاً متعددة؛ إذا لم تعرف d جيداً فاعرض المحور بالزاوية فقط ولا تدع البرنامج يخترع نانومترات.

اختر مصدراً آمناً منخفض الجهد مثل لوحة LED بيضاء أو عدة LEDs ملونة ذات أطوال موجية اسميّة معلنة. أبعد مصابيح الليزر في النسخة الأولى، ولا توجه أي مصدر ضوئي مركز للعين. الهدف استجابة نسبية للمصدر في مسار بصري ثابت، وليس قياس الطيف المطلق أو تحديد تركيب مادة مجهولة. عينة LED واحدة لا تسمح بإنشاء ادعاء عن لون كل وحدات السوق.

مسح المصدر وفحص التكرار

لكل زاوية سجل عدة قراءات ADC بعد مهلة الاستقرار، مع إشارة الظلام وحرارة الكاشف إن أمكن. اطرح dark offset بطريقة معلنة ثم ارسم استجابة نسبية. ورقة BPW34 تبين تغير الحساسية بحسب الطول الموجي؛ لذا لا تفسر ارتفاع القمة وحده كطاقة طيفية حقيقية. كرر المسح واتجاهه الواحد، وقارن موقع القمم قبل مقارنة ارتفاعاتها.

اكتب اختباراً برمجياً لخطوط طيفية مصطنعة بزوايا معروفة، وتحقق من تعيين الحد الأقصى إلى النطاق المتوقع بعد تحويل الوحدات. هذا الاختبار لا يتحقق من المحرك ولا من المحاذاة. على المنصة الحقيقية قارن انعكاس اتجاه المسح؛ إذا اختلف المنحنى فقد يوجد backlash ميكانيكي أو تأخر ضوئي. أعد القياس من اتجاه واحد أو أصلح الحركة قبل جمع مجموعة المقارنة.

حدود الجهاز والتوثيق

دفتر البناء يشمل صورة كل مرحلة ومحاذاة خطوط الصفر، قائمة الإعدادات، بيانات LED المرجعي، معادلة الملاءمة والبواقي. أضف اختباراً لمصدر واحد خارج مجموعة الملاءمة لتقدير الخطأ، ولا تكتب دقة الجهاز من دقة منقلة النظرية. مقياس ACS التعليمي يثبت أن البنية ممكنة تعليمياً، لكنه لا يثبت جودة هذه النسخة.

يمكن لخدمة Arduino والأجهزة المتصلة أن تنظم الحركة والقراءة، بينما تساعد خدمة مشاريع التخرج في تضييق السؤال وتحديد مخرجات قابلة للتسليم. اقرأ مقالات ACS عن مقياس Lego الطيفي ومقياس الامتصاص منخفض التكلفة، ثم ورقة BPW34 قبل اختيار المضخم. لا توجد نتائج فعلية لهذا المقترح.