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Desarrollo de un Espectrómetro de Bajo Costo con una Rejilla Ajustable y Control Electrónico Inalámbrico
(2016) Iván Terceros; Omar Ormachea; Oscar Urquidi; Alex Villazón
Resumen: Se presenta la implementación de un sistema mecánico que permite el posicionamiento angular de la rejilla de difracción de un espectrómetro óptico permitiendo ampliar su rango espectral. Se desarrollaron los circuitos electrónicos para un micro-servomotor controlado por un microcontrolador. Este microcontrolador PIC interacciona con un módulo bluetooth (HC-06) que permite la comunicación inalámbrica hacia el software de control instalado en una computadora portátil. Para el desarrollo del espectrómetro, se utilizaron elementos ópticos comerciales de bajo costo y para su posicionamiento se diseñaron y construyeron piezas en una impresora 3D. Además se utilizaron objetivos de cámaras fotográficas comerciales “CANON”, una rejilla de difracción en reflexión de 1200 l/mm y como sensor óptico una cámara Chameleon monocromática CCD de 1.2 MP. El software desarrollado, permite la adquisición y procesamiento en tiempo real de datos del espectrómetro, calibración y control inalámbrico del posicionamiento del micro-servomotor con una resolución de 0.3nm. El espectrómetro fue desarrollado para su uso en sistemas LIBS y fue validado comparando espectros referenciales de bases de datos oficiales del NIST Atomic Spectra Database y de OSCAR Dellaware State University, con los datos obtenidos por el espectrómetro en esta aplicación. Abstract: We present the implementation of a mechanical system which enables angular positioning of the diffraction grating of an optical spectrometer to extend its spectral range. An electronic circuit for a micro-servo motor controlled by a microcontroller was developed. This PIC microcontroller interacts with a Bluetooth module (HC-06) that allows wireless communication with the control software installed on a laptop. For the development of the spectrometer, low cost optical materials were used and for positioning were designed and built pieces in a 3D printer. Furthermore we used the objectives of CANON commercial cameras, a diffraction grating of 1200 l / mm, and as optical sensor a Chameleon monochromatic CCD camera of 1.2 MP for this system. The software developed for this application allows acquisition and processing of real-time data from the spectrometer, and also the calibration and control of the wireless positioning of the micro-servo motor with a resolution of 0.3nm. The spectrometer was developed to be used with LIBS systems and was validated by comparing reference spectra from the official databases NIST Atomic Spectra Database and OSCAR (Dellaware State University), with the data obtained by the spectrometer in this application.
DESARROLLO DE UN ESPECTRÓMETRO DE DIFRACCIÓN PARA APLICACIONES LIBS
(2012) Oscar Urquidi; Omar Ormachea
Se presenta el diseño y construcción de un espectrómetro óptico para su uso en sistemas LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), basado en una rejilla de difracción por reflexión y elementos ópticos comerciales. Se usaron objetivos fotográficos de 50 mm f 1.4 y 135 mm f 2.8 como lente de colimación y objetivo de cámara, respectivamente. También se desarrollaron los sistemas mecánicos de posicionamiento y sujeción, necesarios para el sistema de rotación de la rejilla y rendija ajustable. Como elemento de detección óptica se usó una cámara CCD monocromática con capacidad de coordinación temporal por disparador externo. El espectrómetro construido fue diseñado para obtener una resolución espectral de 0.27 nm y un ancho de banda espectral máximo de 76.9 nm en la región visible. Se desarrolló un programa de procesamiento para la conversión de las imágenes en espectros, añadiendo la posibilidad de reducción de ruido por medio del procesamiento de imágenes, el resultado fue satisfactorio, incrementando en 13 veces el SNR (relación entre señal y ruido) de los espectros. El programa numérico de procesamiento comprende rutinas para la calibración del espectrómetro. Debido a que el espectrómetro tiene la posibilidad de cambiar la zona observada del espectro, se desarrolló un algoritmo que permite calibrar el espectrómetro, tomando como referencia diferentes líneas de emisión del Hg.
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE ANÁLISIS FISICOQUÍMICO BASADO EN ESPECTROSCOPÍA DE EMISIÓN ATÓMICA INDUCIDA POR RADIACIÓN LÁSER
(2013) Oscar Urquidi; Omar Ormachea
Se presenta el desarrollo de un sistema de análisis fisicoquímico basado en espectroscopia de emisión atómica inducida por radiación láser, o LIBS por sus siglas en ingles. Se desarrolló el sistema LIBS compuesto de un láser Nd:YAG +++ portátil de una potencia estimada de 10 MW/cm2, un espectrómetro de difracción de 0.27 nm de resolución y 76.9 nm de ancho espectral, un sistema de entrega y recolección de luz, un sistema de coordinación y el programa de análisis espectral para el análisis de los datos obtenidos por el espectrómetro, todos estos elementos desarrollados en el CIO. El sistema de entrega y recolección de luz es el encargado de focalizar la radiación láser para producir el plasma y luego recoger la luz emitida y enviarla por una fibra óptica hacia el espectrómetro. Este último se desarrolló en base a una lente focalizadora de radiación láser, una lente colectora acoplada a una fibra óptica y los elementos optomecánicos para un posicionamiento preciso del área de medición. El programa de análisis espectral basado en Matlab permitió realizar comparaciones con espectros LIBS conocidos, buscar coincidencias y establecer la presencia de distintos elementos en los espectros analizados. Los resultados fueron satisfactorios, logrando la identificación de Cu y Li en distintas muestras analizadas. Finalmente, se elaboró una propuesta para una versión portátil del sistema desarrollado, demostrando su capacidad para realizar trabajos de campo en las áreas de minería y geoquímica.
DESARROLLO DE UN SISTEMA DE MONITOREO DE RADIACIÓN SOLAR BASADO EN UN ESPECTRÓMETRO DE AMPLIO ESPECTRO
(2011) Faviola Romero; Oscar Urquidi; Omar Ormachea; A. P. J. Abrahamse; Joshua M. Pearce; Rob W. Andrews; Matthew de Vuono
La eficiencia cuántica de materiales fotovoltaicos depende de la longitud de onda de la radiación incidente, el espectro solar influye en la producción de energía producida por estos sistemas. En el presente trabajo, se diseñó y construyó un prototipo funcional de un sistema de medición de radiación solar (global y difusa) basado en un espectrómetro de amplio espectro para el monitoreo solar en Cochabamba, Bolivia, conjuntamente con un sistema similar instalado en Kingston, Ontario. Los datos obtenidos en dos regiones con características geográficas muy distintas ayudarán en el estudio y optimización de materiales fotovoltaicos, para su implementación en diferentes partes del mundo, con características particulares de radiación incidente. Los resultados obtenidos serán publicados para que otras regiones también se beneficien de sistemas fotovoltaicos con materiales optimizados según las características geográficas.Para la construcción mecánica del sistema, se utilizaron perfiles de aluminio de 60x30 mm. Esta estructura metálica sujeta a una fibra óptica de cuarzo lleva la radiación solar al espectrómetro Ocean Optics USB4000 (200-900 nm). La electrónica del sistema de control, está gobernada por un microcontrolador Arduino UNO, el cual se encarga de sincronizar el movimiento de dos motores PAP bipolares y la toma de datos en el espectrómetro que se activa con un trigger externo. La característica principal del sistema es permitir la medición del espectro de los componentes global y difuso de la radiación solar en diferentes ángulos de incidencia. El sistema mecánico ajusta un extremo de una fibra óptica de 0 a 90 grados en dirección norte, cada nueve grados, midiendo la radiación global y mediante una banda mecánica que produce sombra sobre la fibra óptica, mide la radiación difusa. Las medidas son tomadas cada hora y el rango espectral abarcado es del UVA, VIS y parte del IR cercano. Se realizaron pruebas preliminares en dos ciudades de Bolivia y se demostró que la cantidad de radiación UVA es mayor en el El Alto (4062 msnm), la ciudad con mayor elevación, en comparación con Cochabamba que se encuentra a 2570 msnm.
Development of A Diffraction Spectrometer and its Control Program Using Commercial, Low-Cost Elements
(2013) Omar Ormachea; Oscar Urquidi; José Luis Cisneros
A diffraction spectrometer was developed, based on low cost commercial elements. The spectrometer was designed with the configuration of a transmission diffraction grating spectrometer with adjustable entrance slit. It was built with com-mercial elements like a holographic grating, collimator lens and a digital projector lens. For detection, a webcam CMOS sensor was used. A MATLAB based program was developed for the equipment, allowing the acquisition and processing of spectra. The optical defects were corrected using a non linear wavelength calibration. The SNR of final spectrum was increased in 14 times by processing the data. The Spectrometer showed an effective resolution of 1.4 nm and a precision of ±0.28nm in final tests, showing to work properly with a cost 10 times lower (in materials) to the commercial price of a similar equipment (Ocean Optics USB4000).
Development of a portable low-cost LIBS system
(SPIE, 2013) Omar Ormachea; Oscar Urquidi; D. Casazola
This article reports the construction of a portable, low-cost LIBS (Light Induced Breakdown Spectroscopy) system for use in the Bolivian mining industry for the qualitative and quantitative analysis of the composition of mineral samples. The device consists of a portable laser, a medium-resolution spectrometer and an optomechanical light collection system. The laser developed for the device is a YAG:Nd+++ with an estimated power output of 10 MW/cm2. Weighing approximately 3 kg and powered by lithium ion batteries, it is easily carried and can be used in remote locations. The spectrometer has a resolution of 0.3 nm allowing the detection fine spectral features, while its range of 80 nm is broad enough to simultaneously show many of the principal spectral lines of the element of interest. A monochromatic CCD camera was used as the detector of the spectrometer and was fitted with an external trigger to coordinate the camera frames with the firing of the laser. The light emitted by the plasma is collected with a photographic objective and is transmitted to the spectrometer via a fiber optics cable. A mechanical system was incorporated to make, both the laser beam and the receptor positionable. In the preliminary tests of the prototype, a LIBS spectrum of a Bolivian copper coin was obtained. Analysis showed that the spectral lines obtained coincide with those of a copper reference spectrum and demonstrate the capacity of the device to perform qualitative analysis of materials.
ESPECTROSCOPIA RAMAN DE COSTO REDUCIDO PARA LA IDENTIFICACIÓN DE LÍQUIDOS TRANSPARENTES
(2019) Oscar Urquidi
El trabajo presenta el desarrollo de un sistema de espectroscopia Raman de costo reducido (menor a 1000 USD), destinando a la detección de líquidos transparentes no identificables por métodos colorimétricos. Dadas las necesidades (en Bolivia) de control y fiscalización de compuestos químicos en productos locales e importados, el desarrollo de sistemas espectroscópicos moleculares se perfila como una solución accesible. El sistema desarrollado se basó en un espectrómetro clásico modificado, con una resolución de 2 nm y un ancho espectral de 200 nm. Para la generación de la dispersión Raman se usó un diodo láser de 405 nm y 5mW acoplado a un recipiente transparente y una lente auxiliar para la proyección de la luz sobre el plano de entrada. Como detector se usó una cámara CCD con refrigeración termoeléctrica, cuyas imágenes se integraron verticalmente para la obtención de los espectros. Como parte de las pruebas de validación, se obtuvieron espectros Raman de agua, etanol y acetato de etilo. Así mismo, se obtuvo el espectro de una mezcla de etanol y agua. En todos los casos se observó coincidencia entre los espectros obtenidos y los de referencia, validando su correcta detección. Como punto de mejora, se identificó la adición de filtros de corte específicos para mejorar el contraste y la resolución del sistema. Dados estos resultados, el sistema mostró un gran potencial como una herramienta analítica de bajo costo para compuestos moleculares.
Installation of a variable-angle spectrometer system for monitoring diffuse and global solar radiation
(SPIE, 2013) Omar Ormachea; A. P. J. Abrahamse; N. Tolavi; Faviola Romero; Oscar Urquidi; Joshua M. Pearce; Rob W. Andrews
We report on the design and installation of a spectrometer system for monitoring solar radiation in Cochabamba, Bolivia. Both the light intensity and the spectral distribution affect the power produced by a photovoltaic device. Local variations in the solar spectrum (especially compared to the AM1.5 standard) may have important implications for device optimization and energy yield estimation. The spectrometer system, based on an Ocean Optics USB4000 (300-900nm) spectrometer, was designed to increase functionality. Typically systems only record the global horizontal radiation. Our system moves a fiber-optic cable 0-90 degrees and takes measurements in 9 degree increments. Additionally, a shadow band allows measurement of the diffuse component of the radiation at each position. The electronic controls utilize an Arduino UNO microcontroller to synchronizes the movement of two PAP bipolar (stepper) motors with the activation of the spectrometer via an external trigger. The spectrometer was factory calibrated for wavelength and calibrated for absolute irradiance using a Sellarnet SL1-Cal light source. We present preliminary results from data taken March-June, 2013, and comment on implications for PV devices in Cochabamba.
PROYECTO DE UN SISTEMA LIDAR TROPOSFÉRICO EN COCHABAMBA, BOLIVIA
(2010) Omar Ormachea; Oscar Urquidi; Oscar Claure; Alejandro Durandal; Joseth Yavé; Gonzalo Conde; Andrea Cruz
En el presente artículo se presenta los avances en la construcción de un sistema LIDAR monostático coaxial para el estudio de las partículas contaminantes existentes en la capa troposférica sobre la ciudad de Cochabamba – Bolivia y que son producto de la actividad agraria en regiones aledañas, muy intensas principalmente en época seca de poca lluvia y que empañan completamente el cielo. El proceso de construcción de este sistema ha incluido el diseño, ajuste y prueba de la óptica de envío y recolección de la luz láser retrodispersada. El sistema usa dos láseres continuos semiconductores de longitudes de onda λ=655 nm y λ=532nm, un telescopio newtoniano de 114mm de diámetro y 1 metro de distancia focal y una cámara digital Canon Xsi como sensor óptico.