DIY低成本光谱仪

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简介:DIY低成本光谱仪

关于:我们是两个年轻的发明家,Kousheek Chakraborty和Satya Schiavina。我们喜欢使用数字制造,电子和各种其他领域的知识,创造项目,重点是简单,高效…

作为一个主题物理学的最后一年的本科学生,我相信实验室和实际实验与理论一样重要,当涉及物理学等受试者。实验室会议和实验提供了有形结果,这些结果通常有助于更有效地阐明概念而不是讲座。然而,由于全球大流行,我们现在没有一年多的实验室会议。

大多数实验,尤其是在大学物理课程的最后一年,都需要复杂、复杂、昂贵的仪器和设备。然而,在我们的课程中,分光镜实验吸引了我的眼球,我决定用家家户户都能买到的材料制作一个低成本的版本。

我也对计算机科学领域感兴趣,因此我决定使用网络摄像头制作一个光谱仪的数字版本,并创建一个程序来分析结果。

关注创建您自己的DIY低成本光谱仪,如果您喜欢该项目并决定建立自己的版本,请放弃收藏夹并按照此页面完成。我很乐意看到自己的版本,所以用“我做到了“部分。

第1步:分光光度法理论概述

光谱学的概念通常在本科物理课程中有详细的阐述,然而,这里对光谱学背后的理论和光谱仪做一个简要的解释。

分光计是用来测量光的性质的聪明仪器。这使得科学家们可以利用这个仪器进行大量的实验,比如确定日常生活中使用的物体中发现的物质,或者确定在遥远的恒星和行星上发现的元素。

光谱仪的基本概念是将“未知”光束闪烁到光学元件上,光学元件基于存在于“未知”光束中存在的波长来分割光束。每个波长偏离不同的量,因此通过测量偏差,可以确定“未知”光束中存在的波长,这可能提供关于光束源的更多信息,即使它源于数百万距离公里。

在早期时,科学家使用棱镜将光束分成其部件,以及枢转目镜以测量每个波长分量的角度偏差。然而,最近,棱镜被衍射光栅代替,该衍射光栅与棱镜的相同目的,并且目镜由连接到计算机的电子感光体阵列代替。

第二步:所需材料

以下是制造您自己的低成本光谱仪所需的所有组件和部件的列表。所有部件都应该常用且易于找到,您可能已经让他们躺在家里。

材料:

  • 硬纸板
  • 黑色海图纸
  • 旧DVD磁盘
  • 剃刀片
  • 摄像头
  • 胶水
  • 磁带

不包括网络摄像头的项目总成本不到5美元。

第3步:构建外壳件

可以使用任何类型的盒子进行机箱,但我决定从头开始创建一个,以使我使用的网络摄像头的完美大小。首先拍摄网络摄像头的测量:

  1. 高度
  2. 宽度
  3. 透镜高度

根据以下测量构建一个盒子:

  • 长度 - 20到25 CMS
  • 宽度 - 比网络摄像头的宽度大2厘米
  • 高度-比网络摄像头的高度高1厘米

根据尺寸在一块纸板上画出盒子的6个面,然后用小刀切下。在背面做一个插槽,通过它你可以通过摄像头的电缆,在正面上,在镜头的高度中间有一个2cm×1cm的插槽。

用胶水把所有的面粘在一张黑色的海图纸上,然后沿着纸板的边界剪纸。

笔记:为了避免混淆,用铅笔在脸上做记号可能是有用的。

第4步:组装外壳

抓住底面和两个侧面并排放置。用胶带把这三块连接起来。接下来,使用更多的胶带固定正面和背面,确保保持正面的方向。

顶面沿着单个边缘连接,使得我们可以使用像铰链盖子这样的顶面打开外壳,以防我们稍后需要进行任何调整。为了防止任何光线进入顶部,切割更多纸板以略微重叠。

通过一个插槽窥视外壳,确保没有光线进入盒子。可以使用一层额外的电工胶带或任何一种不透明胶带来覆盖小间隙。

第五步:让入口裂开

为了使入口狭缝垂直地塑造旋流阀之一,以掩盖前面的一部分间隙。通过使用单张纸将第二剃刀刀片粘贴在第一个纸张旁边,以在两个刀片之间产生薄的间隙。胶带第二刀片并使用电气胶带覆盖任何空隙以防止任何光线进入外壳。

步骤6:使衍射光栅制作

这一步骤是该项目最重要的部分。衍射光栅负责根据波长分割光束。一个选择是直接购买衍射光栅。这些通常在线提供约4到5美元。其他选项是使用旧DVD磁盘进行衍射光栅。两者都提供类似的结果。

首先用剪刀在圆盘上剪。当你深入磁盘时,你会注意到磁盘由两层组成,这两层将开始分裂。将两层完全分开,并丢弃由银涂层组成的那一半。

将四分之一的分号切出下半部分并使边缘平方形成一个小矩形,比镜头的宽度大。

接下来,使用一些胶水将此片段粘在镜头上。确保使用临时胶水,以便您可以删除衍射光栅,以防您想要重用网络摄像头。

笔记:用于工作的光谱仪的一个关键步骤是沿着盘的同心凹槽被排列起来,使得它们是垂直的,即,它们需要平行于狭缝。如果它们不平行于狭缝,则不会发生衍射。

第7步:安装相机

一旦衍射光栅粘附到网络摄像头,使用后槽通过外壳通过电缆,并以30度角度相对于前面将网络摄像头朝向外壳的后部放置,并与狭缝对齐正面。在将网络摄像头粘贴到位之前,将网络摄像头连接到计算机并打开相机应用程序。将光谱仪指向光源,并调整网络摄像头的位置,直到衍射光谱定位在图像的中心。

此时,您可以使用双面胶带将网络摄像头粘贴到底面。

第8步:测试

为了测试光谱仪是否正常工作,请将其指向光源,并调整光源的高度和光谱仪直到两者都对齐。您可以使用一堆书籍或其他东西来调整垂直对齐,我决定使用一些旧的3D打印机灯丝卷。

将网络摄像头连接到计算机并打开相机应用程序。图像应包括整洁的衍射光谱。

您可以进一步装饰和标签分光计使用打印输出。

第9步:使用分析仪软件

只需频谱的图片可能无法提供太多信息,因此我设计了在Python中的程序来绘制光的强度。这将提供“峰”之间的相对距离,其可以进一步用于确定光源中存在的波长。

要运行该程序,您需要在计算机上安装Python以及一些额外的开源库。可以使用以下链接下载Pythonhttps://www.python.org/

可以通过终端下载和安装附加库。下面提供了图书馆以及终端命令:

  1. OpenCV - PIP安装OpenCV-Contrien-Python
  2. numpy - pip安装numpy
  3. matplotlib - pip安装matplotlib

安装所有库后,您可以从以下GitHub Repo克隆Spectrum Analyzer程序:https://github.com/kousheekc/diy-pectrome-analyser.

运行程序,你应该看到网络摄像头饲料。将网络摄像头指向光源,然后按“R.“按钮来捕获提要的感兴趣区域。在光谱上单击并拖动鼠标,然后按进入。一旦选择了感兴趣区域,请按“S.“按钮捕获帧并使用图形可视化分析强度。您可以使用”问:”按钮退出程序。

第10步:最终结果

测试光谱仪和软件程序后,您可以开始实验。您可以将光谱仪指向各种光源,如CFL灯泡,霓虹灯,白炽灯泡,甚至是智能色彩变化的LED灯泡。您还可以步入外面并将光谱仪指向天空的清晰部分并探索结果。

为了测量某个光源的波长,您可以以具有已知波长的光源,例如激光,并确定峰值与波长之间的关系。

还有各种其他有趣的实验,您可以尝试检测和测量表盐中的钠和检测橄榄油中的叶绿素。通过这种低成本光谱仪,您可以从您的房子进行各种简单而有趣的实验。

希望你喜欢这个指导性的,它启发你建立自己的DIY低成本光谱仪。这原本是针对那些由于流感大流行而无法进行实际实验和实验室的大学物理系学生,不过这个过程对任何人来说都很简单,不需要正式的物理背景。我很想看到你自己的分光计版本,所以一定要用我做到了“部分。除此之外,反馈、问题、评论、关注点可以在下面的评论部分进行讨论。

幸福的制作!

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一个人做了这个项目!

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37评论

优秀,我一直在寻找数字光谱仪。我肯定会建立这个!非常感谢您的所有信息

0.
技术

回复5天前

谢谢!

0.
nzpntn.

6天前

非常好的工作!

0.
技术

6天前回复

非常感谢。

1
迪斯科舞厅956

问题7天前

好的项目。看起来很有用我的项目。

在你画的图上,有多条相同波长的线,比如说第一张图,蓝、黄、绿线的峰值在140nm左右,每一条线的强度不同。只是想知道不同的线代表什么,为什么它们都显示在同一个波长,而不是每个波长(一条线)的总强度?

感谢您花时间发布此项目

0.
技术

7天前回答

谢谢!黄线表示强度,蓝色,红色和绿线分别代表蓝色,红色和绿色光强度。它只是一个可以方便的添加功能来调试问题。

干得好!你有没有试过修改网络摄像头,使其包含红外光谱?卸下cmos传感器前面的红色盖板就可以了,然后你就可以用遥控器进行测试了(可能网络摄像头已经没有过滤了,所以请先试试遥控器。)

1
技术

7天前回复

感谢您的反馈!我还没有尝试从网络摄像头中删除IR过滤器,这绝对是我将在不久的将来尝试!

1
做2much.

8天前

太棒了,你想到了这一点,因为本科生就是更加特殊的

0.
技术

7天前回复

谢谢!

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Lorenkinzel.

8天前

很高兴看到一些人理解实验室是不是一个地方的东西。

1
技术

8天前回复

没错!

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异族科学

8天前

DVD的记录内容是否会影响其作为衍射光栅的精度?空白DVD会更好吗?

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技术

8天前回复

会建议你使用空白

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DOUGM95

问题8天前第10步

这是一个很棒的项目。但是你说了一些让我陷入困境的东西。您说切割CD上的同心环必须平行于狭缝。这是多么可能,因为同心环是弯曲的,并且狭缝是直的?

1
技术

8天前回答

谢谢!这是你注意到的一个很棒的点,我的意思是通过将同心环“平行”对齐的是,环形响应应该与狭缝相切而不是正常的。

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DOUGM95

8天前回复

你说的“切线”是指垂直的吗?我试图理解圆盘中的曲线是如何被“拉直”的。如果我有两个直的狭缝(其中一个没有曲线),那么我就可以理解一个狭缝是如何平行于另一个狭缝的,就像这样:I
但我听到你说的是:我)
你能进一步澄清吗?

0.
技术

8天前回复

我希望这幅插图能澄清你的疑虑