Um scanner e um motor de passo (intro)

Esqueletos de scanner

Para o que nos interessa, veremos nesta seção como é a parte de dentro de um scanner, ou seja a anatomia do equipamento.

Se você for curioso (o que recomendamos grandemente, por sinal - hehe!), você pode ver como o scanner é por dentro ao desmontar um que esteja fora de uso (isso porquê não indicamos que você inutilize o que tem em casa, claro...A não ser que você seja bom o suficiente...), embora aqui não mostraremos como... 

...

OBS1: Na imagem acima, a montagem que tínhamos no início. No lado direito da imagem temo um scanner que desmontamos e utilizamos sua estrutura mecânica para rodar fazer o movimento de ida e volta do experimento.

Mas vamos ao que interessa: 

Em geral, um scanner (de mesa) típico apresenta um sensor do dispositivo de carga acoplado (CCD - charge coupled device), espelhos, bandeja de vidro, lâmpada, lente, tampa (óbvio), filtros, barra estabilizadora, fonte, porta(s) de interface, circuitos de controle, e a parte física responsável pela movimentação:

• cabeça de leitura
• cinta
• motor de passo

• ou pode-se optar por coletar pelo próprio motor de passo, e para isso você tem de saber as relações entre as voltas das polias que conectam a conta ao motor de passo;
• ou você pode usar um ultrassom, que veremos seu funcionamento em outra seção, que estamos a montar, ainda

Mas, então você observa e pensa: para que tudo isso...Se eu posso usar somente a cabeça de leitura (que é presa ao motor de passo por cintas) e o motor de passo? Afinal, eu posso ter um robozinho, sem ter que comprar um! (sim, não gostamos muito de sair gastando...)

O motor é este aqui, um MITSUMI Electronics, modelo M35SP-7:

Motor visto por cima, perceba as polia acoplando a cinta do scanner ao motor com a barra estabilizadora passando por cima. 

OBS2: Percebe-se também os cabos que saem do motor - estes cabos serão ligados ao Arduino.

E o scanner, a propósito, que utilizamos no experimento é este (PLUSTEK OpticPro 4831P):

 

visto no início

visto depois das montagens dos sensores*

(*é a peça próxima dos cabos coloridos, no canto superior scanner dentro do scanner).

OBS3: os sensores, scanner, fonte de luz, Cd, e etc.., estão dentro de uma caixa que usamos para tornar o ambiente no scanner escuro o suficiente para captação dos sinais das raias do espectro eletromagnético.

Foi mais ou menos assim o porque de usarmos um scanner para fazer o movimento de ida e volta do sensor para captar os dados de irradiância...

Fora que, com o próprio movimento do scanner se coleta os dados de comprimento de onda.

Bom na seção a seguir veremos o funcionamento do motor de passo. Até lá!

Espectrofotômetro: Análise de Feixe - Refletido vs Transmitido

Feixe Refletido e Transmitido: Difração e o Comprimento de Onda

Para calcular o Comprimento de Onda pelo Motor de Passo, primeiramente devemos saber como o feixe da luz visível (o que vem da lâmpada) é decomposto nas cores do espectro e que formaram as raias visíveis no anteparo. Ou seja, antes de saber como calcular o comprimento de onda, devemos saber:

"como e porque as raias, que são definidas pelos comprimentos de onda estam ali"

(e depois de saber, calculamos o dito!)

Análise do Feixe: Transmitido vs Refletido

Assim, agora estudaremos como calcular os comprimentos de onda das raias que formam o espectro do feixe que sofreu difração, e de que modo este "desvio" resultará nas raia do espectro. Acontece que a análise do espectro do feixe difratado pode ocorrer com dois tipos de "arquitetura":

• Análise por Feixe Transmitido: 

• o feixe de luz sai da fonte, é convergido por uma lente, e sofre difração em uma rede de difração, a partir do qual será transmitido, até que as raias formadas sejam detectadas pelo sensor (um conversor de frequência, no nosso caso), e sabendo os parâmetros geométricos da montagem (como indicado no esquema da figura, o triângulo retângulo DxL), é possível se calcular os valores angulares, e consequentemente, o comprimento de onda.

Ou

• Análise por Feixe Refletido

• feixe de luz sai da fonte, é convergido por uma lente (na imagem ão está representada, embora seja usada para convergir o feixe), e sofre difração na rede de difração (na imagem, representada por um CD). Esta rede é girada (a partir de um motor, ou em um goniômetro nos equipamentos educacionais), de forma a observarmos o ângulo de difração para cada linha. Com posse deste valor se calcula os valores de comprimento de onda, com o veremos no próximo item.  

Agora sabemos as montagens que podemos utilizar. Devido a questões da estrutura do scanner para ser melhor aproveitado, de forma a se mover o sensor e não a rede de difração, preferimos adotar o primeiro esquema, fazendo a análise do espectro via feixe transmitido. Assim, vamos, ENFIM, aos cálculos do comprimento de onda do espectro.

Cálculo do Comprimento de Onda

No esquema, ponto F representa a fenda, θ representa o ângulo de projeção do feixe difratado, x é a distância entre o ponto central (máximo da interferência construtiva) e as raias do espectro (na região de primeira ordem), e D é a distância entre o CD e o CF-TSL235R. Do ângulo formado entre as distâncias D e L:

senθ = x/L

Pela figura acima, e como mostrado na figura do primeiro esquema (do feixe transmitido), temos:

L = (x² + D²)^1/2

Substituindo na equação do senθ:

senθ = x/(x² + D²)^1/2

E como vimos na seção anterior:

dsenθ =  Nλ
↓
Nλ = d.[x/(x² + D²)^1/2]

Como veremos apenas as raias de primeira ordem, N = 1, ou seja:

λ = d.[x/(x² + D²)^1/2]

Desta forma, basta que saibamos as distâncias x e que seja medido os parâmetros d e D. 

• As distâncias x são obtidas por meio das contagens do giro do motor de passo, e podem ser calculadas também por meio de um ultrassom colocado na posição da cabeça de leitura do scanner: 

ultrassom posicionado na cabeça de leitura, associado ao arduino. Também verifica a posição que se encontra o sensor, apartir do qual se determina a função na programação que começará, se encontra a fenda ou se faz a coleta de dados.

motor de passo, comanda a movimentação da cabeça de leitura, podendo através dele calcular os valores de comprimento de onda. Também associado ao arduino.

• Por sua vez, o parâmetro D  é obtido via medição com régua
• E o parâmetro da rede, d, é obtido via calibração do sistema, como na imagem a seguir:

Em (A), ponteira LASER, (B), o CD, (C) o trilho para ajuste da base do CD, (D) Cabeça de Leitura, (E) Suporte com o Sensor Conversor de Frequência, e (F) Anteparo para visualização dos pontos do feixe LASER que foram difratados (adotamos o central e o da direita da imagem) 

Na etapa de calibração do sistema, se utiliza a mesma ideia apresentada no cálculo de comprimento de onda, porém, para obtendo-se o valor de d, já que nesta etapa de calibração é utilizada uma ponteira LASER, com comprimento de onda conhecido (cor vermelha, cerca de 650nm).

Assim, calculando o valor de d, sabendo o valor D e coletando-se os valores de  x, se calcula (via programação noa arduino), os valores de comprimento de onda λ.

Agora, sabendo como calcular os valores de comprimento de onda, coletando-se os valores de irradiância e sabendo como e o que é difração, difração com muitas fendas e rede de difração, podemos partir para estudar o funcionamento de um espectrofotômetro, suas aplicações e que tipos existem.

Exemplo de espectros coletados por um espectrofotôemtro

OBS: por exemplo, os que funcionam analisando espectro de emissão e outros que analisam o espectro de absorção, mais presente na área comercial, devido ao interesse pela caracterização espectral de certas substâncias. 

Espectrofotômetro de Absorção e Emissão Atômica

Por agora, é só...

Até lá!

Componentes de um espectrofotômetro: Rede de difração

Introdução

Difração a partir de fonte de luz branca

Difração a partir de fonte LASER

Mas como acontece a formação espectral a partir de uma rede de difração?

Primeiramente, REDES DE DIFRAÇÃO são arranjos com muitas fendas, em geral,
Para encurtarmos, o post, vamos começar pela equação presente na página de blog, Teoria com Simuladores (aproveita a estadia lá, e veja mais sobre simuladores de interferometria e difração da luz, e veja mais a respeito do comportamento da luz).

Rede de Difração

  (1)

Esta equação se traduz neste gráfico:

Parece meio complicado mas o gráfico nos diz que todo o ponto de máximo de Intensidade I/Io:

• se situará dentro da curva pontilhada, 
• e dentro dos respectivos máximos dos picos azuis. 

Deste modo no ponto que a curva pontilhada passar pelos picos azuis, este será o ponto de máxima intensidade I/Io, o que significa dizer que:

• este máximo será o produto entre o fator da curva pontilhada e o fator dos máximos primários dos picos azuis, ou seja, a equação (1).

E, pela eq. (1), na componente com o termo g verificamos que os máximos principais ocorrem quando o termo for igual a N, isto é para:

g = 0, ±p, ±2p,..., np

Assim, de acordo com a Eq. 1, teremos:

dsen(q) = nl  (n=1, 2, 3,...)          (2)

Onde n é um número inteiro, que se designamos por ordem espectral, e d é o parâmetro da rede (o tamanho de cada linha, antes da fenda).

Assim, um feixe de luz que incide nesta rede de difração é difratado (IF - UFRGS, 2011) e os raios provenientes das diversas fendas interferem formando uma figura de intensidade variável. 

É como se cada ponto de cada frente de onda (dado pela diferença de caminho óptico, dsenq) fosse formando padrões de interferferência, ou seja, um frente de onda forma um padrão claro e escuro. 

Deste modo que ao se passar pelo conjunto de fendas (rede de difração), e portanto cada onda sofrendo sucessiva interferência construtiva e destrutivas, forma-se a figura como esta a seguir:

Link: http://www.ifi.unicamp.br/~hugo/apostilas/diffraction.pdf

Ou, em forma do gráfico:

Difração por uma rede de N fendas, de largura b e separação h (neste exemplo h = 3b e N = 10). Os máximos de interferência, com largura δy, ficam cada vez mais finos à medida que aumenta N.

Perceba que esta figura apresenta máximos de intensidade em diversas posições sempre que a diferença de caminho ótico d.sen(θ) entre os raios provenientes de duas fendas adjacentes,  distantes d entre si, for igual a um número inteiro (n = 0, 1, 2,...) de comprimentos de onda λ. 
Portanto, ocorrem máximos de intensidade quando θ é o ângulo de difração, para o máximo de ordem n.

Rede de Difração e Feixe Contínuo

Ao incidirmos um feixe de luz composto por vários comprimentos de onda (feixe contínuo) em uma rede de difração teremos a sua decomposição. A informação espectral se repete para cada valor de N (ordem do espectro). À medida que aumentamos o valor de N, temos um ganho na resolução da medida efetuada, porém reduzimos a intensidade espectral (ou seja, a raia de ordem N+1 será melhor definida, embora menor, do que a mesma raia de N).

Na imagem a seguir, você poderá notar a contribuição visível para o espectro de Hidrogênio obtido com uma rede de difração de 600 linhas/mm. Observa-se um maior espaçamento entre as linhas para a 2ª ordem espectral, porém uma redução considerável para a intensidade.

Espectro do Hidrogênio mostra a contribuição visível do espectro do Hidrogênio, obtido a partir de uma rede de difração.

Nesta figura, mostramos o espectro de 1ª ordem, em que observam-se duas linhas violetas, uma azul e uma vermelha. Já para a 2ª ordem espectral não conseguimos observar a linha Hδ, devido a sua baixa intensidade. 

(Link para imagem: Física Moderna Experimental.)

E, lembrando, quanto maior for o número de fendas da rede de difração, ou seja, se N (onde N = 1/d) é muito grande (como da rede ao lado, de 1000 traços/mm), os máximos de intensidade que definem as raias espectrais são estreitos e bem definidos de modo a se calcular os l com boa precisão.

Bom, com isso, vimos como é formado o espectro de raias, formado pela difração de um espectro contínuo (fonte de luz branca).

...

No próximo item veremos o que podemos usar como um elemento de rede de difração, e que custa bem menos que uma comercial (!): 

o CD! 

(a parte transparente dele, que é responsável por difratar o feixe que chega a ele) 

(e, sim, você deverá depenar um CD...)

OBS: em geral, os CDs apresentam 500 a 700 linhas/mm, o que faz dele um bom objeto para ser usado como rede de difração.

Início de tudo

Ah, mais um projeto se desenvolvendo...

Este blog se destina aos textos de referencias conceituais, teóricas, e resultados do projeto, além de descrições sobre funcionamento de cada componente do espectrofotômetro montado.

Aqui será postado informações úteis sobre o espectrofotômetro, seu funcionamento e uso; também, sobre como se pode automatizá-lo para adequação em um laboratório remoto, do qual estará disponível graças a equipe formada por alunos da Física e Ciências da Computação, PUC-SP. Este laboratório será utilizado não somente para o experimento aqui descrito, mas também para vários outros experimentos, desenvolvidos pelos próprios alunos componentes da equipe.

Todas as características referentes ao uso do laboratório remoto, suas aplicações e possibilidades estarão descritas nas páginas específicas, com explicações, vídeos e textos, creio, com uma linguagem de fácil assimilação.

Nas primeiras postagens serão destinadas atenções especiais ao funcionamento do espectrofotometro e breve descrição dos fenômenos físicos que ocorrem. Maiores informações estarão disponíveis nas páginas "Espectrofotômetro:O que é?" e "Espectrofotômetro: Componentes". A parte teóricas, com simulações, animações e textos, está disponível na página "Teoria com simuladores". E não somente isso, como, em paralelo, breves textos explicativos sobre o uso de laboratórios remotos, com links interessantes para o que vem sendo utilizado e realizado com experimentos de física, com acesso remoto, ao longo das universidades deste país (como o RExLab, da UFSC) e de outros lugares.

Como este blog também será uma parte do (meu) TCC, deve-se adequar a teoria com uma justificativa do porque se utilizar esta metodologia, com laboratório remoto. Portanto, também haverá uma página "Ensino com projetos", referente as implicações, benefícios e características do Estudo orientado com Projetos (como o espectrofotômetro, por exemplo, que atende usuários e alunos a lugares muito distantes, e com possibilidade de aprendizagem desde conteúdos teóricos, até um banco de dados, onde se é possível levantar caracterísitcas dos componentes de comprimentos de onda, levantamentos estatísticos, desvios, etc.)

E já que é um TCC, também serão colocados resultados do experimento (página "Resultados"), com um link para o endereço onde estará disponível a visualização do equipamento automatizado, desde a varredura do sensor (na ida e na volta), até movimentação da rede de difração; também estará disponível visualizações de gráficos, em tempo real, com os dados sendo repassados para um banco de dados com todas as medidas realizadas.

Finalmente, também serão colocadas as referências de textos, links, vídeos, figuras que aqui foram utilizadas (página "Referências e Conclusões")

BOM, já nos apresentamos, então, vamos ao que interessa: informações e desenvolvimentos do projeto!


Lá vamos nós!