Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Spektrometer digitalisieren


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von Malte21 (Gast)


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Moin,
und zwar habe ich folgende Aufgabe:

Ich soll ein analoges Spektrometer, mithilfe eines Schrittmotors und 
CCD-Sensors digitalisieren. Dabei soll an Bild 1) der Sensor angebaut 
werden. Zudem müsse dieser Bereich lichtdicht gebaut werden, da sonst 
das Streulicht und nicht das Spektrum gemessen wird. (schwarze Folie 
oder sonstiges).
An Bild 2) soll ein Schrittmotor angebracht werden. Dieser soll per 
Programm so eingestellte werden, dass er nach dem elektrischen Signal 
durch den Sensor, das Spektrum genau messen kann.
Nun meine Frage: Hätte jemand eine Ahnung wie man hierbei am besten 
vorgeht, was beachtet werden muss, welcher CCD-Sensor sich eignet, 
welche Platine oder aber auch welches Programm zur Steuerung gut 
ist....?

Danke schonmal für euere Überlegungen. Bei Fragen einfach schreiben ;)

von Malte21 (Gast)


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Das Bild in der Mitte ist Bild 1), Das letzte ist Bild 2) und das erste 
in der komplette Apparat

von Pandur S. (jetztnicht)


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Ja, ich wuerde einen Trinamic Stepper verwenden. Der kann das schon.
zB einen Pandrive PD20-1-1210 Allerdings sollte man irgendwo eine Null 
haben, oder einen Referenzpunkt.

von Wolfgang (Gast)


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Malte21 schrieb:
> ... mithilfe eines Schrittmotors und CCD-Sensors

Wofür brauchst du einen Schrittmotor und einen CCD-Sensor?

von Marcus (Gast)


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Malte21 schrieb:
> Hätte jemand eine Ahnung wie man hierbei am besten
> vorgeht,

In deinem Fall: wegschmeißen und gleich fertig (neu/gebraucht) kaufen

von Georg (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Wofür brauchst du einen Schrittmotor und einen CCD-Sensor?

Doppelt gemoppelt hält besser...

Georg

von Malte21 (Gast)


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An die mechanische Stellschraube einen Schrittmotor anbauen, der dann 
über ein Programm gesteuert wird. Je nach Position weiß das Programm, an 
welcher Stelle sich der Schrittmoto befindet. Dies Stelle beschreibt die 
Wellenlänge der gemessenen Spektrallinie. An die Optik müsste eine 
CCD-Kamera oder eine fotosensitive Diode gebaut werden, die ebenfalls 
ihre Signale an  das Programm sendet.

Wäre jetzt mein Vorschlag

von Malte21 (Gast)


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Danke für diesen doch sehr unnötigen Kommentar ;)

von interWebz (Gast)


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Ahoi,

um zu entscheiden was für einen CCD Sensor du verwenden willst musst du 
wissen was für Licht (welchen Wellenlängenbereich) den abgebildet wird. 
Dazu solltest du nocht weitere Infos über Strahlengang, Fokus, Größe der 
Abbildung und viele andere Dinge haben die mit reinspielen.

Der Motor soll offensichtlich den aktuell abgebildeten 
Wellenlängenbereich einstellen. Vermutlich wird einfach das Grating 
weitergedreht. Heißt der mus in seiner Schrittweite fein genug auflösen 
können.
Für dich wird dabei wohl eine möglichst einfache Integration in deine 
Steuerung wichtig sein, Motoren die das können gibts wie Sand am Meer.

Abschlußarbeit? Praxissemester? Azubi-Projekt?

Stichworte:
https://de.wikipedia.org/wiki/Monochromator
Czerny-Turner
Raman

Für mehr lass eine Email Adresse hier.

von Wolfgang (Gast)


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Malte21 schrieb:
> ... Dies Stelle beschreibt die Wellenlänge der gemessenen Spektrallinie.
Eine CCD-Kamera misst nicht nur eine Spektrallinie

> An die Optik müsste eine CCD-Kamera oder eine fotosensitive Diode
> gebaut werden, die ebenfalls ihre Signale an  das Programm sendet.

Der Unterschied zwischen Photodiode und CCD-(Zeilen)-Kamera ist, dass 
die Kamera bereits ein Spektrum misst, ganz ohne sie zu bewegen.

von interWebz (Gast)


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ok, Raman ist vielleicht etwas weit weg, aber viele Raman-Mikroskope 
sind als dispersive Systeme ausgeführt.

von Malte21 (Gast)


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interWebz schrieb:
> Ahoi,
>
> um zu entscheiden was für einen CCD Sensor du verwenden willst musst du
> wissen was für Licht (welchen Wellenlängenbereich) den abgebildet wird.
> Dazu solltest du nocht weitere Infos über Strahlengang, Fokus, Größe der
> Abbildung und viele andere Dinge haben die mit reinspielen.
>
> Der Motor soll offensichtlich den aktuell abgebildeten
> Wellenlängenbereich einstellen. Vermutlich wird einfach das Grating
> weitergedreht. Heißt der mus in seiner Schrittweite fein genug auflösen
> können.
> Für dich wird dabei wohl eine möglichst einfache Integration in deine
> Steuerung wichtig sein, Motoren die das können gibts wie Sand am Meer.
>
> Abschlußarbeit? Praxissemester? Azubi-Projekt?
>
> Stichworte:
> https://de.wikipedia.org/wiki/Monochromator
> Czerny-Turner
> Raman
>
> Für mehr lass eine Email Adresse hier.






Moin,
erstmal Vielen Dank für die Rückmeldung.
Es handelt sich hierbei um eine Facharbeit, die in der 12.Klasse 
geschrieben wird.
Zum CCD-Sensor: Wichtig ist welche Wellenlänge das Spektrometer angibt, 
Fokus und Größe der Abbildung..?
Also müsste ich die oben genannten Infos nochmal erfragen..

Genau, der Motor dient dafür, den Wellenbereich fein einzustellen. Das 
würde ich denke ich mal per Arduino ansteuern...

Email: Jump1887@web.de

Ich werden mich nochmal reinlesen! Danke

von Wolfgang (Gast)


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Malte21 schrieb:
> Genau, der Motor dient dafür, den Wellenbereich fein einzustellen. Das
> würde ich denke ich mal per Arduino ansteuern...

Damit schwenkst du das Gitter

von Malte21 (Gast)


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Wolfgang schrieb:
> Malte21 schrieb:
>> Genau, der Motor dient dafür, den Wellenbereich fein einzustellen. Das
>> würde ich denke ich mal per Arduino ansteuern...
>
> Damit schwenkst du das Gitter

Ok, danke!

von Wolfgang (Gast)


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Malte21 schrieb:
> Zum CCD-Sensor: Wichtig ist welche Wellenlänge das Spektrometer angibt,
> Fokus und Größe der Abbildung..?

Das misst du am einfachsten aus, indem du eine Linienlichtquelle mit 
bekannten Spektrallinien verwendest, z.B. eine Hg-Lampe.

Über das Gitter solltest du Gitterlinienabstand, Breite und evtl. 
Blazewellenlänge in Erfahrung bringen.

von Mikrowilli (Gast)


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Dein Spektrometer ist offenbar kein Einzelstück; Schau mal unter 
http://astronomie.aeg-buchholz.de/data/dl/facharbeiten/Catch%20a%20star%2005-Beta%20Aurigae-The%20magic%20of%20dancing%20spectral%20lines.pdf 
- dort ist ein gleiches oder zumindest ähnliches Gerät im Einsatz.

Als Detektor für den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts kommt am 
ehesten eine Silizium-Photodiode vor einem Transimpedanzverstärker in 
Betracht. Die Empfindlichkeit der Photodiode ist wellenlängenabhängig; 
das läßt sich aber durch rechnerische Korrektur ausgleichen, schließlich 
ist die Wellenlänge des auf die Diode fallenden Lichts bekannt (durch 
die Winkeleinstellung des Gitters, also die Position des Schrittmotors).

Interessantes Projekt - viel Spaß damit, und vor allem: viel Erfolg!

von Didi S. (kokisan2000)


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Iat ja nett - das letzte Spektrometer dieser Art habe ich vor dreeissig 
Jahren verschrotten lassen. Es handelt sich um ein Bausch & Lomb 
Spektromter aus den 50-60er Jahren. Ein absolut solides Spektrometer in 
Fastie-Ebert Konfiguration mit einem großflächigen planen 1200 Linien/mm 
Reflexions Gitter. Es gab das Gerät damals mit unterschiedlichen Blaze 
Winkeln. Die Mechanik ist denkab simpel.

Die Ausgangsöffnung des Spektrometers ist recht groß, da damals ein 
Photomultiplier in die Öffnung geschoben wurde.

In den 80er Jahren standen diese Geräte noch an vielen Hochschulen und 
wurden mit vorliebe automatisiert, exakt so, wie Du es jetzt vorhast.

Googel mal nach diesem Spektrometer und Du wirst so einige Anleitungen 
finden.

Hier ein ähnliches Projekt, aber mit einem anderen Spektrometer:
http://fred.unis.no/Spec4Xp/Spec4Xp.pdf

Gruß
Didi

von Malte 2. (malte21)


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Didi S. schrieb:
> Iat ja nett - das letzte Spektrometer dieser Art habe ich vor dreeissig
> Jahren verschrotten lassen. Es handelt sich um ein Bausch & Lomb
> Spektromter aus den 50-60er Jahren. Ein absolut solides Spektrometer in
> Fastie-Ebert Konfiguration mit einem großflächigen planen 1200 Linien/mm
> Reflexions Gitter. Es gab das Gerät damals mit unterschiedlichen Blaze
> Winkeln. Die Mechanik ist denkab simpel.
>
> Die Ausgangsöffnung des Spektrometers ist recht groß, da damals ein
> Photomultiplier in die Öffnung geschoben wurde.
>
> In den 80er Jahren standen diese Geräte noch an vielen Hochschulen und
> wurden mit vorliebe automatisiert, exakt so, wie Du es jetzt vorhast.
>
> Googel mal nach diesem Spektrometer und Du wirst so einige Anleitungen
> finden.
>
> Hier ein ähnliches Projekt, aber mit einem anderen Spektrometer:
> http://fred.unis.no/Spec4Xp/Spec4Xp.pdf
>
> Gruß
> Didi
Moin,
danke für die Info!
Habe jetzt mal danach gegooglet aber nicht über das Spektrometer 
gefunden. Hast du vielleicht nähere Informationen?
...Nach welchen Prinzip funktioniert das Spektrometer?
... Auflösevermögen?

Danke ;)

von MaWin (Gast)


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Malte21 schrieb:
> Ich soll ein analoges Spektrometer, mithilfe eines Schrittmotors und
> CCD-Sensors digitalisieren

Das ist Unsinnig, wie schon geschrieben wurde, denn ENTWEDER ein 
Schrittmotor dreht das Grating damit nacheinander jeder 
Wellenlängebereich am Loch in dem zuvor eine PMT Photomultiplier-Röhre 
steckte vorbei kommt ODER eine CCD-Liniensensor erfasst das ganze 
Spektrum auf ein Mal, mit feststehendem Grating.

Da dein Loch wohl mit einer Blende nur 1 Wellenlänge erfasst, nicht 
breit genug für ein CCD wäre, bleibt der Schrittmotor, und in das Loch 
kommt eine Photodiode an einem TIA Transimpedanzverstärker, aber das 
Spektrometer wird dadurch schlechter, unempfindlicher und weniger 
breites Spektrum, selbst wenn man eine SiPM verwendet.

Der Vorteil: du musst kein CCD bedienen, das ist je nach Modell 
nichttrivial, der Schrittmotor hingegen ein Kinderspiel.

von my2ct (Gast)


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Didi S. schrieb:
> Spektromter aus den 50-60er Jahren

Malte 2. schrieb:
> Habe jetzt mal danach gegooglet aber nicht über das Spektrometer
> gefunden.

Kein Wunder - weder Google noch das Internet waren damal verfügbar.

von Malte 2. (malte21)


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Moin,
genau in die "Röhre" kommt eine Fototransistor: Muss dieser wirklich 
noch an einen Verstärker angeschlossen werden?
Ob am Grating wird dann der Schrittmotor befestigt.

von Malte 2. (malte21)


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Das ist mit bewusst, nur es wurde ja explizit geschrieben, dass man 
etwas bei Google finden könne

von Falk B. (falk)


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Malte 2. schrieb:
> Moin,
> genau in die "Röhre" kommt eine Fototransistor:

Naja, wenn man schon was gescheit machen will, dann hier besser eine 
Photodiode. Die liefert zwar weniger Strom, dafür aber mehr Linearität, 
weniger Rauschen und Offset (Dunkelstrom).

> Muss dieser wirklich
> noch an einen Verstärker angeschlossen werden?

Ja, siehe Lichtsensor / Helligkeitssensor

> Ob am Grating wird dann der Schrittmotor befestigt.

Ja. Der braucht einen passenden Treiber mit Mikroschrittbetrieb, ggf. 
sogar einen Schrittmotor mit Untersetzungsgetriebe, je nach dem, 
wieviele Schritte du bei welchem Drehwinkel auflösen willst.

von MaWin (Gast)


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Malte 2. schrieb:
> Moin,
> genau in die "Röhre" kommt eine Fototransistor: Muss dieser wirklich
> noch an einen Verstärker angeschlossen werden?

Phototransistoren arbeiten unlinear und sind zum Messen nicht geeignet.
Ein Photodiode ist besser und muss verstärkt werden. Auch bei ihr muss 
man aber die Empfindlichkeit über die Wellenlänge korrekturrechnen, und 
sie möglichst kühlen damit Rauschen und Dunkelstrom gering werden .
Trotzdem bleibt das Spektrometer unempfindlicher als damals, vor 50-60 
Jahren als es vielleicht gebaut wurde.
Aber: Wenn man vorne hell genug reinleuchtet, mag es ja reichen.

von Falk B. (falk)


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MaWin schrieb:
> Trotzdem bleibt das Spektrometer unempfindlicher als damals, vor 50-60
> Jahren als es vielleicht gebaut wurde.

Muss der Op halt nen Photomultiplier anflanschen, so wie im Original. 
Auch die kann man automatisch auslesen. Aber es ist fraglich, ob er die 
maximale Empfindlichkeit des Photomultiplier überhaupt braucht.

von Wolfgang (Gast)


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Malte 2. schrieb:
> Das ist mit bewusst, nur es wurde ja explizit geschrieben, dass man
> etwas bei Google finden könne

Was brauchst du denn für Informationen, die du nicht selber raus kriegen 
kannst?
Soetwas wie die Fastie-Ebert Konfiguration findet man beschrieben, z.B.
https://www.horiba.com/de/scientific/products/optics-tutorial/monochromators-spectrographs/
Hast du schon mal in den Spektrograph rein geguckt? Dann siehst du den 
Aufbau. An dem Handrad hast du eine grobe Skala und kannst dann anhand 
einer Linienquelle Auflösung und Wellenlängenkalibierung angucken. Du 
brauchst nur einen Detektor und vernünftig eingestelle Spalte.

von Malte 2. (malte21)


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Moin,
danke für die Nachricht. In unser Spektrogramm konnte ich bisher noch 
nicht reinschauen!

von Falk B. (falk)


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Malte 2. schrieb:
> danke für die Nachricht. In unser Spektrogramm konnte ich bisher noch
> nicht reinschauen!

Dort sollst du ja auch nicht reinsehen, sondern ins Spektrometer!
Das liefert ein Spektogram!

von Malte 2. (malte21)


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Sorry, war auch gemeint.. zu schnell getippt und währenddessen schon was 
gelesen

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