Спектрометры от Pyreos: готовое решение на кристалле

Спектральный анализ является важным элементом при решении самых разнообразных задач. Он используется для оценки качества нефтепродуктов, для бесконтактного измерения температуры, для контроля состава веществ в фармакологии и т.д. Если измерение отдельных составляющих спектра производить с помощью единственного приемника, то анализ занимает много времени. Для ускорения процесса измерений предлагаются различные альтернативные решения. Так, специализированные микросхемы спектрометров компании Pyreos объединяют в одном корпусе линейную сборку ИК-приемников и аналоговые цепи для нормирования, фильтрации и усиления сигналов с датчиков
2581
В избранное

Спектральный анализ является важным элементом при решении самых разнообразных задач. Он используется для оценки качества нефтепродуктов, для бесконтактного измерения температуры, для контроля состава веществ в фармакологии и т. д. Если измерение отдельных составляющих спектра производить с помощью единственного приемника, то анализ занимает много времени. Однако в последнее время для ускорения процесса измерений предлагаются различные альтернативные решения. В частности, компания Pyreos выпускает специализированные микросхемы спектрометров, которые объединяют в одном корпусе линейную сборку ИК-приемников и аналоговые цепи для нормирования, фильтрации и усиления сигналов с датчиков.

Электромагнитное излучение, проходя через вещество, частично поглощается. При этом степень поглощения оказывается неодинаковой для различных составляющих спектра. В спектроскопии обычно используется излучение ИК-спектра, так как именно этот диапазон позволяет судить о наличии в исследуемом образце тех или иных молекул, соединений и т. д. Таким образом, спектральный анализ позволяет решать различные задачи: оценивать качество нефтепродуктов, контролировать технологические процессы, измерять температуру, контролировать наличие примесей в веществах и т. д.

В простейшем случае для выполнения спектрального анализа потребуется один излучатель, один приемник, дифракционная решетка и система зеркал (рис. 1). К сожалению, такой метод измерений оказывается достаточно трудоемким и медленным, так как для каждой составляющей спектра придется выполнять перенастройку зеркал. Решить проблему можно несколькими способами.

Схема измерения спектральных составляющих с одним приемником

Рис. 1. Схема измерения спектральных составляющих с одним приемником

Недавно в статье «Технологии МЭМС в спектрофотометрии. Цифровое матричное зеркало DMD от Texas Instruments» мы уже рассказывали об интересной разработке от Texas Instruments – DMD-модулях. Поверхность DMD-модулей представляет собой матрицу из подвижных отражающих зеркальных МЭМС-элементов, положение которых задается с помощью цифрового управления. Поворачивая зеркала, можно либо отражать свет, либо пропускать его. В результате, в схеме измерений, представленной на рис. 1, можно отказаться от подвижных механических частей, а в качестве детектора по-прежнему использовать единственный фотоприемник. В штатном режиме на отражение настроена только одна колонка матрицы зеркал, и на фотоприемник попадает только узкий участок спектра, остальные части светового потока устраняются.

Другой вариант изменения схемы, изображенной на рис. 1, предлагает компания Pyreos. Суть решения заключается в замене единственного приемника на сборку ИК-датчиков (рис. 2). В таком случае спектральные составляющие светового потока попадают на различные ИК-датчики. Другим словами, каждый ИК-сенсор используется для измерения конкретной спектральной составляющей излучения. В данном случае удается вновь уйти от механических и подвижных элементов.

Применение линейной сборки ИК-датчиков от Pyreos

Рис. 2. Применение линейной сборки ИК-датчиков от Pyreos

В настоящий момент Pyreos предлагает пять вариантов микросхем спектрометров с различным числом ИК-сенсоров (пикселов): 128, 128 +1, 128+2, 255, 510. Они выпускаются в металлическом корпусе с окном (рис. 3). В качестве материала окна может выступать либо кремний с широким диапазоном пропускания, либо фильтр с ограниченным диапазоном пропускания.

С учетом различных исполнений к услугам пользователей предлагаются следующие модели спектрометров:

  • PY0722 – спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с кремниевым широкополосным окном;
  • PY0738 – спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с дополнительным фильтром 5,5…11 мкм;
  • PY1499 – спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с дополнительным фильтром 2…5 мкм;
  • PY2004– спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с дополнительным ИК-датчиком с повышенной чувствительностью для работы с жидкими образцами;
  • PY2004– спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с дополнительным ИК-датчиком с повышенной чувствительностью для работы с жирными пищевыми продуктами;
  • PY0716– спектрометр с 255-пиксельной сборкой и с кремниевым широкополосным окном;
  • PY0294 – спектрометр с 510-пиксельной сборкой и с кремниевым широкополосным окном.

Внешний вид ИК-датчиков от Pyreos

Рис. 3. Внешний вид ИК-датчиков от Pyreos

Стоит отметить, что термин «спектрометр» в отношении микросхем от Pyreos используется не просто так. Дело в том, что кроме самих линеек ИК-датчиков в состав микросхем входят аналоговые блоки, выполняющие полную аналоговую обработку сигналов от сенсоров, в том числе преобразование заряд-напряжение, фильтрацию, усиление и нормирование (рис. 4). В состав спектрометров также входит NTC-термистор ERTJZEG103FA от Panasonic. Он необходим для контроля температуры ИК-приемников и дополнительной калибровки.

Преобразование сигналов ИК-датчиков в микросхемах спектрометров

Рис. 4. Преобразование сигналов ИК-датчиков в микросхемах спектрометров

Как видно из рис. 4, усиленные и отфильтрованные сигналы датчиков поступают на общий выход (OUT). То есть опрос датчиков производится последовательно (рис. 5). Формируя тактовые сигналы, пользователь по цепочке подключает каждый сенсор к выходу. Далее выходное аналоговое напряжение считывается с помощью внешнего одноканального АЦП. В самом простом случае можно использовать встроенный АЦП управляющего микроконтроллера. Частота переключения между датчиками определятся скоростью работы аналоговых цепей. Рекомендуемая частота переключения между датчиками (CLK) составляет 69 кГц, полная частота опроса всей линейки составляет 10…1000 Гц (рекомендуемое значение 128 Гц).

Диаграмма опроса датчиков

Рис. 5. Диаграмма опроса датчиков

Все перечисленные спектрометры имеют одинаковое корпусное исполнение (рис. 6) и схожее расположение выводов, однако различия все-таки имеются, поэтому прямая замена возможна только при замене датчиков с одинаковым разрешением, например, спектрометры PY0722, PY0738 и PY1499 являются взаимозаменяемыми.

Все спектрометры от Pyreos имеют одинаковое корпусное исполнение

Рис. 6. Все спектрометры от Pyreos имеют одинаковое корпусное исполнение

Схема измерения, представленная на рис. 2, не является единственной. Линейные спектрометры от Pyreos могут использоваться совместно с другими методами измерений. Например, на рис. 7 представлена схема, в которой каждому пикселю ИК-линейки соответствует свой источник ИК-излучения. В данном случае система зеркал и дифракционная решетка отсутствуют.

Схема измерений, использующая линейку ИК-источников

Рис. 7. Схема измерений, использующая линейку ИК-источников

Линейные спектрометры от Pyreos могут быть использованы и в системах, использующих метод с нарушенным полным внутренним отражением (НПВО) (рис. 8).

Оптический путь ИК-излучения в кристалле НПВО

Рис. 8. Оптический путь ИК-излучения в кристалле НПВО

Для оценки возможностей спектрометров от Pyreos предлагается сразу два отладочных набора (рис. 9):

  • PY0727 – отладочный набор для выполнения спектрального анализа по схеме НПВО (рис. 8). В состав набора входит: источник питания 9 В, кабель Mini USB для подключения к ПК, CD-диск с ПО и сам отладочный модуль.
  • PY2463 – отладочный набор для выполнения спектрального анализа по пропускающей схеме (рис. 7). В состав набора входит: источник питания 9 В, кабель Mini USB для подключения к ПК, CD-диск с ПО и сам отладочный модуль.

Отладочные наборы для спектрометров от Pyreos

Рис. 9. Отладочные наборы для спектрометров от Pyreos

Если же требуется быстро организовать подключение спектрометра к ПК без дополнительных модулей и без привязки к методу измерения, тогда следует выбрать отладочный набор PY0429 (рис. 10). Данный набор представляет собой плату с ZIF-сокетом для установки спектрометров PY0738, PY1499, PY0722, PY0716, PY0294.

Внешний вид отладочной платы PY0429

Рис. 10. Внешний вид отладочной платы PY0429

В качестве заключения можно отметить, что по замыслу Pyreos новые интегральные спектрометры найдут свое применение в широком спектре областей: в фармакологии, в промышленности, в пищевой индустрии, в нефтегазовой отрасли и т.д.

Характеристики спектрометра PY0738:

  • Количество ИК-приемников: 128 пикселей;
  • Размер пиксела: 60 x 500 мкм;
  • Шаг расположения пикселов: 100 мкм;
  • Фильтр: 5,5…11 мкм;
  • Частота сканирования: 10…1000 Гц;
  • Датчик температуры: NTC-термистор ERTJZEG103FA от Panasonic;
  • Напряжение питания: 2,5В, 5 В;
  • Корпус: 32,32 x 22,32 x 8,68 мм.

 О производителе

Pyreos – компания, специализирующаяся на разработке и производстве ИК-сенсоров, в том числе спектрометров со встроенными ИК-сборками с различным числом датчиков. Компания была основана в Эдинбурге в 2007 году.

Производитель: Pyreos Ltd.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PY0722
PY0722
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199687 ИНФО PDF
828,48
Поиск
предложений
Спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с кремниевым широкополосным окном PY0722
PY0722 828,48
-
Поиск
предложений
PY0738
PY0738
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199688 ИНФО PDF
963,14
Поиск
предложений
Спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с дополнительным фильтром 5,5…11 мкм
PY0738 963,14
-
Поиск
предложений
PY1499
PY1499
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199689 ИНФО PDF
963,14
Поиск
предложений
Cпектрометр с 128-пиксельной сборкой и с дополнительным фильтром 2…5 мкм
PY1499 963,14
-
Поиск
предложений
PY2004
PY2004
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199690 ИНФО PDF
Поиск
предложений
Спектрометр с 128-пиксельной сборкой и с дополнительным ИК-датчиком с повышенной чувствительностью для работы с жидкими образцами
PY2004
-
Поиск
предложений
PY0716
PY0716
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199691 ИНФО PDF
1136,28
Поиск
предложений
Спектрометр с 255-пиксельной сборкой и с кремниевым широкополосным окном
PY0716 1136,28
-
Поиск
предложений
PY0294
PY0294
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199692 ИНФО PDF
1694,15
Поиск
предложений
Спектрометр с 510-пиксельной сборкой и с кремниевым широкополосным окном
PY0294 1694,15
-
Поиск
предложений
PY0727
PY0727
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199693 ИНФО
2037,86
Поиск
предложений
Отладочный набор для выполнения спектрального анализа по схеме НПВО. В состав набора входит: источник питания 9 В, кабель Mini USB для подключения к ПК, CD-диск с ПО и сам отладочный модуль
PY0727 2037,86
-
Поиск
предложений
PY2463
PY2463
Pyreos Ltd.
Арт.: 3199694 ИНФО
Поиск
предложений
Отладочный набор для выполнения спектрального анализа по пропускающей схеме. В состав набора входит: источник питания 9 В, кабель Mini USB для подключения к ПК, CD-диск с ПО и сам отладочный модуль
PY2463
-
Поиск
предложений

Сравнение позиций

  • ()