Centro Universitário Positivo - UnicenP
Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação
Vanessa Lamoglia
Espectrômetro Acadêmico
Curitiba
2005
Centro Universitário Positivo - UnicenP
Núcleo de Ciências Exatas e Tecnológicas – NCET
Engenharia da Computação
Vanessa Lamoglia
Espectrômetro Acadêmico
Monografia apresentada à disciplina
de Projeto Final de Curso, como
requisito parcial à conclusão do
Curso
de
Engenharia
da
Computação. Orientador: Prof. José
Carlos da Cunha.
Curitiba
2005
ii
TERMO DE APROVAÇÃO
Vanessa Lamoglia
Espectrômetro Acadêmico
Monografia aprovada como requisito parcial à conclusão do curso de
Engenharia da Computação do Centro Universitário Positivo, pela seguinte banca
examinadora:
Prof. José Carlos da Cunha
Prof. Valfredo Pilla Junior
Prof. Alessandro Zimmer
Curitiba, 28 de novembro de 2005.
iii
iv
AGRADECIMENTOS
Ao meu orientador Prof. José Carlos da Cunha, pelo apoio científico e
metodológico na implementação deste projeto; ao Prof. Dr. Nestor Saavedra, pelas
sugestões que contribuíram ao desenvolvimento do projeto; a Haroldo Piazzetta,
pela execução das peças em madeira; a Martin Habner, da Artimar pelas amostras
de fotodiodos; a Maurício Perretto, pela orientação no desenvolvimento do hardware;
a Maurício Cunico, pelo trabalho de tornearia; a Sergio Rolanski, pela orientação no
desenvolvimento do software.
v
vi
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ..................................................................................... 20
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ................................................................ 22
2.1. Espectrofotometria................................................................................... 22
2.1.1. Subsistemas....................................................................................... 23
2.1.1.1. Fonte de Energia ..................................................................... 24
2.1.1.2. Seletor de Comprimento de Onda ........................................... 24
2.1.1.3. Filtro Óptico ............................................................................. 24
2.1.1.4. Sistema Fotométrico................................................................ 25
2.1.1.5. Sistema de Leitura................................................................... 25
2.2. O Estudo da Luz ....................................................................................... 25
2.2.1. A Luz como uma Onda....................................................................... 25
2.2.2. Ondas Eletromagnéticas .................................................................... 26
2.2.3. Reflexão e Refração........................................................................... 28
2.2.4. Reflexão Interna Total ........................................................................ 30
2.2.5. Luz Polarizada.................................................................................... 31
2.2.6. Interferência ....................................................................................... 32
2.2.7. Difração .............................................................................................. 32
2.2.8. Dispersão Cromática .......................................................................... 33
2.2.9. Transmitância..................................................................................... 34
2.2.10.
Absorbância ................................................................................ 34
2.2.11.
Refletância .................................................................................. 35
2.3. Fontes de Energia .................................................................................... 35
2.3.1. Curvas de Distribuição Espectral ....................................................... 35
2.3.2. Lâmpadas de Tungstênio ................................................................... 37
2.4. Monocromador ......................................................................................... 38
2.4.1. Redes de Difração.............................................................................. 39
2.4.1.1. Posições dos Máximos ............................................................ 41
2.4.1.2. Largura das Linhas .................................................................. 42
2.4.1.3. Dispersão ................................................................................ 42
2.4.1.4. Resolução................................................................................ 43
2.5. Motores de Passo..................................................................................... 44
2.5.1. Sistema Básico................................................................................... 45
2.5.2. Operação Open-loop .......................................................................... 46
2.5.3. Tipos de Motor de Passo.................................................................... 46
2.5.3.1. Motores Unipolares de Magneto Permanente ......................... 47
2.6. Dispositivos Ópticos................................................................................ 49
2.6.1. Lentes................................................................................................. 50
2.6.2. Filtros Ópticos .................................................................................... 50
2.6.3. Fibras Ópticas .................................................................................... 51
2.6.3.1. Teoria da Propagação ............................................................. 54
2.6.3.2. Tipos de Fibras Ópticas........................................................... 55
2.6.3.3. Perdas em Fibras Ópticas ....................................................... 56
2.6.3.4. Espalhamento de Rayleigh...................................................... 57
2.6.3.5. Absorção ................................................................................. 57
2.6.3.6. Microbend................................................................................ 58
2.6.3.7. Dispersão ................................................................................ 58
2.7. Fotodiodos ................................................................................................ 58
2.7.1.1. Aplicações ............................................................................... 59
2.7.1.2. Características da Resposta Espectral.................................... 60
2.8. Sistemas de Leitura.................................................................................. 63
3. ESPECIFICAÇÃO ................................................................................. 66
3.1. Especificação do Hardware..................................................................... 66
3.1.1. Funções.............................................................................................. 66
3.1.2. Componentes ..................................................................................... 66
3.1.3. Ambiente de Desenvolvimento........................................................... 68
3.1.4. Requisitos........................................................................................... 68
3.1.5. Diagrama em Blocos .......................................................................... 69
3.2. Especificação do Software ...................................................................... 71
3.2.1. Funções.............................................................................................. 71
3.2.2. Ambiente de Desenvolvimento........................................................... 71
3.2.3. Requisitos........................................................................................... 71
3.2.4. Fluxograma ........................................................................................ 71
3.2.5. Protótipos de tela da interface............................................................ 74
3.3. Calibração ................................................................................................. 75
3.4. Validação................................................................................................... 79
3.5. Resultados ................................................................................................ 81
4. PROJETO........................................................................................... 84
4.1. Projeto de Hardware................................................................................. 84
4.1.1. Sinais de Interface.............................................................................. 84
4.1.2. Lista de Materiais ............................................................................... 85
4.2. Projeto de Software.................................................................................. 85
4.2.1. Lógica................................................................................................. 85
4.2.1.1. Diagrama de Casos de Uso..................................................... 85
4.2.1.2. Diagramas de Seqüência ........................................................ 86
4.2.1.3. Diagrama de Classes .............................................................. 88
4.2.2. Firmware ............................................................................................ 89
4.2.2.1. Diagrama de Estados .............................................................. 90
4.2.2.2. Fluxograma.............................................................................. 91
5. CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO ................................................. 94
6. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA .................................... 96
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ........................................................... 98
8. ANEXOS .......................................................................................... 102
8.1. Esquemáticos ......................................................................................... 104
8.2. Placa de circuito impresso .................................................................... 112
8.3. Lista de componentes............................................................................ 113
9. GLOSSÁRIO ..................................................................................... 114
x
LISTA DE FIGURAS
Figura 2.1 - Esquema de um espectrofotômetro .................................................................. 23
Figura 2.2 - Propagação de uma onda plana no espaço livre, de acordo com o princípio de
Huygens .............................................................................................................................. 26
Figura 2.3 - Escala de comprimento de onda....................................................................... 27
Figura 2.4 - Curva de sensibilidade do olho humano ........................................................... 27
Figura 2.5 - Onda eletromagnética ...................................................................................... 28
Figura 2.6 - Reflexão e refração de um feixe de luz incidente.............................................. 29
Figura 2.7 - Reflexão interna total da luz ............................................................................. 30
Figura 2.8 - A luz não-polarizada se torna polarizada depois de passar por um filtro
polarizador........................................................................................................................... 31
Figura 2.9 - Figura de difração............................................................................................. 33
Figura 2.10 - Dispersão cromática da luz branca................................................................. 34
Figura 2.11 - Curva de distribuição espectral da luz solar.................................................... 36
Figura 2.12- Curva de distribuição espectral de lâmpada incandescente............................. 36
Figura 2.13 - Curva de distribuição espectral de lâmpada fluorescente ............................... 36
Figura 2.14 - Curva de distribuição espectral de lâmpada de descarga de alta intensidade 36
Figura 2.15 – Resposta espectral do tungstênio(W) ............................................................ 37
Figura 2.16 - Rede de difração constituída por cinco fendas ............................................... 40
Figura 2.17 - Interferência entre ondas luminosas ............................................................... 40
Figura 2.18 - Gráficos de intensidade .................................................................................. 44
Figura 2.19 - Sistema básico de um motor de passo ........................................................... 45
Figura 2.20 - Esquema de motor de passo unipolar............................................................. 48
Figura 2.21 - Seqüência de pulsos aplicada em motor unipolar, sendo metade de cada
bobina energizada por vez................................................................................................... 48
Figura 2.22 - Seqüência de pulsos aplicada em motor unipolar, sendo as duas metades de
cada bobina energizada por vez .......................................................................................... 48
Figura 2.23 - Seqüências combinadas permitem ao motor dar meio-passo......................... 49
Figura 2.24 - Sistema com dispositivos ópticos ................................................................... 49
Figura 2.25 - Filtro HOYA UV-22 ......................................................................................... 52
Figura 2.26 - Filtro HOYA G-550.......................................................................................... 52
Figura 2.27 - Filtro HOYA IR-76........................................................................................... 53
Figura 2.28 - A fibra óptica................................................................................................... 53
Figura 2.29 - Seção transversal da fibra óptica mostrando o principio do confinamento da luz
através dos diversos ângulos de entrada dos raios de luz................................................... 55
Figura 2.30 - Perfis do índice de refração dos principais tipos de fibras............................... 55
Figura 2.31 – Curva de atenuação para uma fibra óptica monomodo. ................................. 57
xi
Figura 2.32 - Corte transversal de um fotodiodo típico......................................................... 59
Figura 2.33 - Link de fibra ótica ........................................................................................... 60
Figura 2.34 - Circuito equivalente de um fotodiodo .............................................................. 61
Figura 2.35 - Resposta angular ........................................................................................... 64
Figura 2.36 - Sistema de leitura através de software ........................................................... 64
Figura 3.1 - Espectrofotômetro Coleman modelo 6|20 ......................................................... 67
Figura 3.2 - Motor de passo................................................................................................. 67
Figura 3.3 - Fotodiodo TCS230............................................................................................ 68
Figura 3.4 - Diagrama em blocos do hardware .................................................................... 70
Figura 3.5 – Fluxograma...................................................................................................... 72
Figura 3.6 - Tela inicial do software ..................................................................................... 74
Figura 3.7 – Opção Arquivo ................................................................................................. 75
Figura 3.8 – Opção Porta..................................................................................................... 75
Figura 3.9 – Gráfico de transmitância .................................................................................. 75
Figura 3.10 – Gráfico passo do motor x transmitância para o fotodiodo nos modos R, G, B e
clear .................................................................................................................................... 76
Figura 3.11 - Gráfico de transmitância fornecido pelo datasheet ......................................... 77
Figura 3.12 - Gráfico de transmitância para o fotodiodo nos modos R, G, B e clear ............ 78
Figura 3.13 - Espectrofotômetro Varian Cary 50 Bio............................................................ 79
Figura 3.14 – Curva de transmitância para filtro passa - alta 475 nm gerada pelo
espectrofotômetro Varian..................................................................................................... 79
Figura 3.15 – Curva de transmitância para filtro passa-alta 475 nm gerada pelo
Espectrômetro Acadêmico................................................................................................... 80
Figura 3.16 – Curva de transmitância para filtro vermelho gerada pelo espectrofotômetro
Varian .................................................................................................................................. 80
Figura 3.17 – Curva de transmitância para filtro vermelho gerada pelo Espectrômetro
Acadêmico........................................................................................................................... 81
Figura 3.18 – Curva de transmitância de filtro passa-faixa verde......................................... 82
Figura 3.19 – Curva de transmitância de filtro passa-faixa verde corrigida .......................... 82
Figura 4.1 - Diagrama de Casos de Uso.............................................................................. 85
Figura 4.2 - Diagrama de seqüência "Adquirir Curva".......................................................... 87
Figura 4.3 - Diagrama de seqüência "Abrir Curva"............................................................... 87
Figura 4.4 - Diagrama de seqüência "Salvar Curva" ............................................................ 87
Figura 4.5 - Diagrama de seqüência "Imprimir Curva" ......................................................... 88
Figura 4.6 - Diagrama de seqüência "Definir Porta"............................................................. 88
Figura 4.7 - Diagrama de Classes ....................................................................................... 89
Figura 4.8 - Diagrama de Estados do Motor ........................................................................ 90
Figura 4.9 - Diagrama de Estados do Fotodiodo.................................................................. 91
xii
Figura 4.10 - Fluxograma do Firmware ................................................................................ 92
Figura 8.1 - Esquemático do bloco Conversor Analógico-Digital........................................ 104
Figura 8.2 - Esquemático do bloco Conversor Freqüência-Tensão.................................... 105
Figura 8.3 - Esquemático do bloco Fotodiodo.................................................................... 106
Figura 8.4 - Esquemático do bloco Microcontrolador ......................................................... 107
Figura 8.5 - Esquemático do bloco Monocromador............................................................ 108
Figura 8.6 - Esquemático dos blocos Interface do Motor e Motor de Passo....................... 109
Figura 8.7 - Esquemático do Regulador de Tensão ........................................................... 110
Figura 8.8 - Esquemático do bloco Serial .......................................................................... 111
Figura 8.9 - Placa de circuito impresso .............................................................................. 112
xiii
LISTA DE SÍMBOLOS
Ω - Ohm
A – Ampére
cm2 – Centímetros quadrados
dB - Decibel
F - Farad
Hz - Hertz
K – Kelvin
mA - Miliampére
mm - Milímetro
nm - Nanometro
µm - Micrometro
µW - Microwatt
V - Volt
W – Watt
xiv
xv
RESUMO
Este trabalho detalha a construção de um espectrômetro bem como a
implementação de um software que, integrados, possibilitam o levantamento de
curvas de transmitância para filtros ópticos. A faixa de operação do sistema está
entre os limites de 325 nm a 825 nm, que contém o espectro eletromagnético visível.
O hardware é composto basicamente por um monocromador, um fotodiodo e
um microcontrolador. O monocromador realiza a dispersão cromática de uma fonte
de luz branca, o fotodiodo transforma o sinal luminoso em um sinal digital e o
microcontrolador gerencia a atividade do hardware.
Através da interface serial do microcontrolador os dados são transmitidos
para o microcomputador, que executa um software desenvolvido especificamente
para lê-los e tratá-los. Como resposta, são gerados gráficos com a curva de
transmitância do filtro óptico sendo analisado.
Para validar o sistema foram utilizados um espectrofotômetro profissional e
filtros ópticos com resposta fotométrica conhecida. Obteve-se um sistema estável
que gera curvas de transmitância com precisão de 2 nm.
Palavras-chave: Espectrômetro; filtros ópticos; transmitância.
xvi
xvii
ABSTRACT
This work details the construction of a spectrometer as well as the
implementation of a software that, integrated, makes possible the survey of
transmittance curves for optical filters. The system operation bandwidth ranges from
325 nm to 825 nm which contains the visible electromagnetic spectrum.
The hardware is basically composed of a monochromator, a photodiode and a
microcontroller. The monochromator carries through the chromatic dispersion of a
source of white light, the photodiode transforms the luminous signal into a digital
signal and the microcontroller manages the hardware activity.
Through microcontroller serial interface data is transmitted to microcomputer,
which executes a software developed specifically to read and treat them. As a reply,
graphics whose content is the optical filter transmittance curve are generated.
The system validation will be carried through using a professional
spectrophotometer and optical filters with known photometric reply. A steady system
was achieved which generates transmittance curves with precision of 2 nm.
Keywords: Spectrometer; optical filters; transmittance.
xviii
xix
20
1. INTRODUÇÃO
Os primeiros estudos sobre a natureza da luz tiveram início na Grécia, no
século V a.C. (O'CONNOR; ROBERTSON, 2005). Muito se descobriu desde que
Empédocles postulou que tudo era composto de fogo, ar, terra e água. Ele
acreditava que Afrodite havia construído o olho humano com estes quatro elementos
e que ela havia iluminado o olho com fogo, que brilhava, fazendo a visão possível.
Dentre as contribuições mais importantes para o estudo da luz desde então,
estão as de Isaac Newton, que descobriu que a luz branca era composta por raios
de luz de diversas cores.
Atualmente, as propriedades das radiações eletromagnéticas, dentre elas a
luz, que se constitui no espectro eletromagnético visível, são conhecidas e utilizadas
para os mais diversos fins. Em equipamentos de análise clínica, como o
espectrofotômetro, as propriedades de comprimento de onda e intensidade da
radiação eletromagnética são utilizadas para se obter curvas de transmitância – que
vem a ser a razão entre a intensidade do feixe de luz depois de passar por uma
amostra em relação à intensidade do feixe de luz original -, a partir do
comportamento transmissivo da amostra analisada.
Equipamentos como os espectrofotômetros podem ser usados também para a
análise de materiais que modificam diretamente as propriedades da luz incidente
sobre eles, cujo exemplo mais conhecido são os filtros ópticos. Neste caso, é mais
adequado o uso de um espectrômetro, que varre o espectro eletromagnético visível
para uma análise completa da amostra.
Instrumentos para este tipo de análise possuem internamente dispositivos
ópticos com ranhuras nanométricas e características nominais precisas, pois a
exatidão é essencial para diagnósticos corretos. Esse é um dos fatores que
encarece o equipamento, além da necessidade constante de calibração.
No ambiente acadêmico, a existência de um equipamento como este para
demonstrações em aulas de Física, por exemplo, é bastante útil, mas as
funcionalidades do equipamento são excessivamente complexas para o fim ao qual
ele se destina.
Levando-se em consideração custos e funcionalidades, tomou-se por objetivo
deste projeto construir um espectrômetro para a análise de filtros ópticos e estudo
do espectro eletromagnético visível no ambiente acadêmico, cujo custo final seja
viável e cujas funcionalidades sejam adequadas à complexidade exigida. O
21
equipamento opera em conjunto com um programa de software através do qual é
possível construir gráficos de transmitância do filtro sendo analisado.
O principal dispositivo óptico do equipamento é um monocromador com grade
de difração extraído de um espectrofotômetro antigo que estava fora de uso. Neste
equipamento antigo, a seleção do comprimento de onda era feita de forma manual e
a indicação da intensidade da luz sendo transmitida era feita através de um
galvanômetro. Neste projeto, a varredura do espectro eletromagnético visível é feita
automaticamente, e a intensidade da luz pode ser visualizada através do gráfico
plotado na tela do microcomputador.
O projeto está descrito em detalhes nos próximos capítulos. Neste primeiro
capítulo é feita uma introdução ao objeto de estudo do projeto. No segundo capítulo,
é feito um estudo sobre o funcionamento e características dos principais
componentes de hardware empregados no projeto, além da teoria de software. No
terceiro capítulo, as funções, componentes e requisitos de hardware e software são
especificados. No quarto capítulo, é feito o detalhamento do projeto. No quinto
capítulo é apresentado um cronograma de desenvolvimento do projeto e no sexto
capítulo é apresentado um estudo de viabilidade técnico-econômica.
22
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1. Espectrofotometria
Na Física, a espectrofotometria é o estudo quantitativo do espectro e envolve
o uso de um espectrofotômetro, instrumento que mede a intensidade da radiação
eletromagnética em função do comprimento de onda.
A espectrofotometria se baseia no fato de que as substâncias de interesse
clínico absorvem ou emitem energia eletromagnética seletivamente em diferentes
comprimentos de onda (WEBSTER, 1998). Para a maioria das aplicações de
laboratório, os comprimentos de onda dentro do ultravioleta (200 a 400 nm), do
visível (400 a 700 nm) ou do infravermelho próximo (700 a 800 nm) são utilizados. A
maioria dos instrumentos ópticos opera na faixa do visível.
A Figura 2.1 mostra o diagrama de um instrumento do tipo de um
espectrofotômetro. A lâmpada fornece a energia radiante utilizada para analisar a
amostra. O seletor de comprimento de onda permite que a energia relacionada a
uma banda de comprimento de onda alcance a cubeta que contém a amostra a ser
analisada. O detector produz uma saída elétrica proporcional à quantidade de
energia que recebe, e o dispositivo de leitura indica a energia recebida ou alguma
grandeza como função dela (como concentração na amostra de uma substância de
interesse).
Neste projeto, dado que o objetivo é analisar a resposta de filtros ópticos, a
cubeta contendo a amostra foi substituída por um componente óptico e o sistema de
leitura foi substituído pelo microcomputador.
O
princípio
básico
de
um
espectrofotômetro
é
usar
uma
porção
suficientemente pequena do espectro eletromagnético, normalmente selecionada
manualmente, para medir a intensidade da energia radiante transmitida por uma
substância ou material, conhecendo-se as suas propriedades de absorção ou
transmissão. Já um espectrômetro varre todo o espectro, dentro dos limites préestabelecidos, para avaliar a resposta de uma determinada substância de interesse
aos diferentes comprimentos de onda.
Neste projeto, o mecanismo de seleção de comprimento de onda é
automatizado, de forma a varrer o espectro dentro dos limites de 325 a 825 nm, que
contém o espectro visível e, por isso, pode ser caracterizado como um
espectrômetro.
23
Figura 2.1 - Esquema de um espectrofotômetro
2.1.1. Subsistemas
Nos próximos tópicos, os principais subsistemas de um espectrofotômetro,
ilustrados na Figura 2.1, serão explicados de forma sucinta e também serão citados
os dispositivos a serem empregados para compor tais subsistemas.
24
2.1.1.1.
Fonte de Energia
Lâmpadas de descarga de hidrogênio ou deutério são usadas para prover
energia entre os limites de 200 a 360 nm, e as lâmpadas de filamento de tungstênio
são usadas para os valores entre os limites de 360 a 800 nm (YOUNG, 1998).
A lâmpada utilizada no projeto tem um filamento de tungstênio que, ao
contrário das lâmpadas comuns, é vertical. A lâmpada tem uma tensão nominal de 8
V e uma corrente nominal de 4,5 A.
2.1.1.2.
Seletor de Comprimento de Onda
Uma variedade de dispositivos é usada para selecionar as bandas do
espectro de energia que serão utilizadas para analisar a amostra. Estes dispositivos
podem ser divididos em duas classes: filtros e monocromadores (YOUNG, 1998).
Neste projeto, o dispositivo de seleção é um monocromador.
Os monocromadores são dispositivos que utilizam prismas e redes de
difração. Estes provêm larguras de banda muito estreitas e tem comprimentos de
onda nominais ajustáveis. O princípio básico de operação destes dispositivos é a
dispersão do feixe de entrada espacialmente como função do comprimento de onda.
Um dispositivo mecânico é então utilizado para permitir que comprimentos de onda
na banda de interesse passem através de uma fenda.
O monocromador utilizado no projeto é composto por duas lentes, uma
côncava e outra convexa, entremeadas por uma rede de difração, e por um motor de
passo acoplado ao eixo do monocromador, que rotaciona o excêntrico de
comprimento de onda, permitindo que o espectro seja varrido automaticamente. O
monocromador está ilustrado na Figura 2.1.
2.1.1.3.
Filtro Óptico
Os filtros são freqüentemente inseridos no sistema óptico para controlar a
distribuição de energia radiante ou o comprimento de onda. Neste projeto, os filtros
são os objetos de análise.
25
2.1.1.4.
Sistema Fotométrico
O sistema fotométrico inclui detectores para medir a quantidade de energia
que deixa o filtro óptico e circuitos para a amplificação das baixas correntes
produzidas pelos detectores.
É utilizado neste projeto um fotodiodo de silício, sensibilizado pela energia
radiante proveniente do monocromador. Os sinais produzidos pelo fotodiodo são
tratados por um conversor freqüência-tensão e um conversor analógico-digital.
2.1.1.5.
Sistema de Leitura
O sistema de leitura pode ser composto por galvanômetros, displays ou
outros dispositivos de indicação. No projeto, a leitura dos dados e sua exibição
através de valores e gráficos são feitas pelo microcomputador, executando um
software específico.
2.2. O Estudo da Luz
Para que se possa discutir o funcionamento de dispositivos que fazem uso da
energia luminosa como lentes, redes de difração e fotodiodos, faz-se necessário
rever alguns conceitos de óptica.
A seguir estão descritos fenômenos importantes para o entendimento do
projeto como reflexão, refração e difração.
2.2.1. A Luz como uma Onda
A primeira pessoa a apresentar uma teoria ondulatória convincente para a luz
foi o físico holandês Christian Huygens, em 1678. Suas grandes vantagens são
explicar as leis da refração e reflexão em termos de ondas e atribuir um significado
físico ao índice de refração (HALLIDAY, 1991). Huygens enunciou um princípio
fundamental da óptica ondulatória, ainda hoje em uso, que pode ser descrito como:
26
“Todos os pontos de uma frente de onda se comportam como fontes pontuais
para ondas secundárias. Depois de um intervalo de tempo t, a nova posição da
frente de onda é dada por uma superfície tangente a estas ondas secundárias”.
Assim, é possível prever onde estará uma dada frente de onda em qualquer
instante futuro se sua posição atual for conhecida. A Figura 2.2 mostra a propagação
de uma onda plana no espaço livre, de acordo com o princípio de Huygens.
Figura 2.2 - Propagação de uma onda plana no espaço livre, de acordo com o
princípio de Huygens
A teoria de Huygens não foi aceita de imediato pelos cientistas, por não estar
de acordo com a teoria de Newton de que a luz era feita de partículas, embora esta
não fosse capaz de explicar satisfatoriamente uma série de fenômenos.
2.2.2. Ondas Eletromagnéticas
Um raio luminoso é uma onda eletromagnética e a óptica, o estudo da luz
visível, é uma parte do eletromagnetismo. Na escala de comprimento de ondas da
Figura 2.3, as extremidades são abertas; o espectro eletromagnético não tem limites
definidos. Todas as ondas eletromagnéticas, não importa onde se situem no
espectro, se propagam no vácuo com a mesma velocidade de aproximadamente
c = 3.108 m/s.
27
Figura 2.3 - Escala de comprimento de onda
A região visível do espectro é de particular interesse para o projeto. Os limites
do espectro visível não são bem definidos, já que a curva de sensibilidade do olho,
mostrada na Figura 2.4, tende assintoticamente para a linha de sensibilidade zero,
tanto para grandes quanto para pequenos comprimentos de onda.
Figura 2.4 - Curva de sensibilidade do olho humano
As ondas eletromagnéticas apresentam algumas características:
&
&
• Os campos elétrico Ε e magnético Β são perpendiculares à direção de
propagação da onda. Isto significa que a onda é transversal.
•
•
O campo elétrico é perpendicular ao campo magnético.
& &
O produto vetorial Ε × Β aponta no sentido de propagação da onda.
28
•
Os campos variam senoidalmente, com a mesma freqüência e fase.
Tais características podem ser demonstradas pelas equações de Maxwell
(HALLIDAY, 1991), que regem todo o eletromagnetismo clássico.
A Figura 2.5 ilustra uma onda eletromagnética propagando-se, representada
por um raio (a) e duas frentes de onda (b).
Figura 2.5 - Onda eletromagnética
2.2.3. Reflexão e Refração
Algumas superfícies metálicas bem polidas e outras interfaces conseguem
refletir toda ou quase toda a luz que nelas incide (HALLIDAY, 1991). Os vidros
transparentes comuns refletem uma porcentagem pequena da luz incidente e
transmitem o resto. Na Figura 2.6, um feixe luminoso incidente, proveniente da
esquerda, se propagando no ar, encontra uma superfície plana de vidro. Parte da luz
é refletida pela superfície, formando um feixe que se propaga para cima e para a
direita. Um pouco da luz é absorvida e o restante da luz penetra no vidro, formando
um feixe que se propaga para baixo e para a direita. A passagem da luz por uma
superfície que separa dois meios diferentes é chamada de refração.
Os feixes luminosos da Figura 2.6 estão representados por um raio incidente,
um raio refletido e um raio refratado. A orientação destes raios é medida em relação
a uma direção, conhecida como normal, que é perpendicular à interface no ponto em
que ocorre a reflexão e a refração. O ângulo de incidência θ 1 , o ângulo de reflexão
θ 1' e o ângulo de refração θ 2 são medidos em relação à normal. O plano que contém
29
o raio incidente e a normal é o plano de incidência. Os raios refletidos e refratados
também pertencem a este plano.
Figura 2.6 - Reflexão e refração de um feixe de luz incidente
A reflexão e a refração obedecem as seguintes leis:
Lei da reflexão: O raio refletido está no plano de incidência e tem um ângulo
de reflexão igual ao ângulo de incidência.
θ 1' = θ 1
Equação 2.1 - Lei da reflexão
Lei da refração ou lei de Snell-Descartes: O raio refratado está no plano de
incidência e tem um ângulo de refração θ 2 que está relacionado com o ângulo de
incidência θ 1 através da equação
n 2 sen θ 2 = n1 sen θ 1
Equação 2.2 - Lei da refração
onde n1 e n 2 são constantes adimensionais denominadas índices de refração, que
são a razão entre a velocidade da luz no vácuo e a velocidade da luz no meio em
questão.
30
2.2.4. Reflexão Interna Total
A Figura 2.7 mostra raios provenientes de uma fonte puntiforme S, no vidro,
incidindo sobre a interface vidro-ar. Para o raio a , perpendicular à interface, parte da
luz se reflete e parte passa través da superfície, sem mudar a direção.
Figura 2.7 - Reflexão interna total da luz
Os raios b até e , que têm, progressivamente, maiores ângulos de incidência
na interface, também sofrem reflexão e refração na interface. À medida que o ângulo
de incidência aumenta, o ângulo de refração também aumenta, sendo de 90º para o
raio e, o que significa que o raio refratado é tangente à interface. Nessa situação, o
ângulo de incidência é chamado de ângulo crítico θ c . Para ângulos de incidência
maiores do que θ c , como os raios f e g , não há raio refratado, e toda a luz é
refletida, efeito conhecido como reflexão interna total.
Para calcular θ c , usamos a Equação 2.2: associamos arbitrariamente o
subscrito 1 ao vidro e o subscrito 2 ao ar, substituímos θ1 por θ c e θ 2 por 90º,
obtendo
n1 sen θ c = n 2 sen 90º
Equação 2.3 - Substituições para cálculo do ângulo crítico
31
encontrando, então:
θ c = sen −1
n2
n1
Equação 2.4 - Cálculo do ângulo crítico
Como o seno de um ângulo não pode ser maior do que 1, n2 não pode ser
maior do que n1 . Isso nos diz que a reflexão interna total não pode ocorrer quando a
luz incidente está num meio que tem o menor índice de refração. Se a fonte S
estivesse no ar, todos os raios incidentes na superfície ar-vidro (incluindo f e g )
seriam refletidos e refratados.
A reflexão interna total é aplicada no funcionamento de fibras ópticas, assunto
que será tratado mais adiante.
2.2.5. Luz Polarizada
Uma onda eletromagnética polarizada tem seu campo elétrico oscilando em
somente uma direção (HALLIDAY, 1991). As ondas eletromagnéticas emitidas por
uma fonte de luz comum, como o Sol ou uma lâmpada elétrica, são polarizadas
aleatoriamente ou não-polarizadas. Isto significa que a direção do campo elétrico
muda aleatoriamente com o tempo, embora se mantenha perpendicular à direção de
propagação da onda.
É possível transformar a luz não-polarizada em polarizada, fazendo-a passar
por um filtro polarizador, como mostra a Figura 2.8.
Figura 2.8 - A luz não-polarizada se torna polarizada depois de passar por um
filtro polarizador
32
O filtro é composto por moléculas longas que, ao serem esticadas se alinham
dotando o filtro de uma direção de polarização, ao longo da qual as componentes do
campo elétrico são transmitidas. Assim, o campo elétrico da luz que emerge do filtro
consiste apenas nas componentes paralelas à direção de polarização do filtro; isto
significa que a luz está polarizada nesta direção.
2.2.6. Interferência
A interferência de ondas luminosas é um fenômeno de superposição. As
ondas refletidas por uma superfície se combinam de modo a reforçar ou suprimir
certas cores do espectro da luz incidente, através de interferências construtivas e
destrutivas, que são determinadas pela diferença de fase das ondas que estão
sendo superpostas.
2.2.7. Difração
A Figura 2.9 ilustra uma figura de difração. Uma figura como esta não pode
ser explicada pela óptica geométrica, na qual as ondas eletromagnéticas são
representadas por raios. Quando tentamos formar um raio fazendo passar a luz por
uma fenda estreita ou por uma série de fendas estreitas, a difração faz a luz se
espalhar. Quanto mais se reduz a largura da fenda, maior é o alargamento causado
pela difração. Assim, a óptica geométrica só é válida quando as fendas que a luz
tem de atravessar têm dimensões menores que o comprimento da onda da luz.
A óptica ondulatória explica o fenômeno: quando uma onda eletromagnética
encontra um obstáculo que possui uma abertura de dimensões comparáveis ao
comprimento de onda, a parte da frente de onda que passa pela abertura é
espalhada - difratada - na região que fica do outro lado do obstáculo. Este
espalhamento ocorre de acordo com o Princípio de Huygens.
Quando a luz monocromática de uma fonte distante passa por uma fenda
estreita, e é interceptada por uma tela de observação, aparece nesta tela uma figura
de difração, formada por um máximo central largo e intenso e uma série de máximos
mais estreitos e menos intensos dos dois lados do máximo central, como ilustrado
na Figura 2.9. Os máximos são separados por mínimos, que são regiões de baixa
33
intensidade, provenientes de interferência destrutiva.
Figura 2.9 - Figura de difração
2.2.8. Dispersão Cromática
O índice de refração n para a luz em qualquer meio, exceto o vácuo,
depende do comprimento de onda. Isto significa que quando um feixe luminoso é
formado por raios de luz de diferentes comprimentos de onda, o ângulo de refração
é diferente para cada raio; em outras palavras, a refração espalha o feixe incidente.
Este espalhamento da luz é conhecido como dispersão cromática.
Em geral, o índice de refração de um meio é maior para pequenos
comprimentos de onda (correspondente à cor azul) do que para grandes
comprimentos de onda (correspondente à cor vermelha). Essa variação significa
que, quando um feixe luminoso que contém raios de luz azul e de luz vermelha é
refratado por uma superfície como o vidro, os raios de luz azul sofrem um desvio
maior do que os raios de cor vermelha como mostra a Figura 2.10.
Os dispositivos que realizam a dispersão cromática da luz como prismas e
redes de difração serão discutidos mais adiante.
34
Figura 2.10 - Dispersão cromática da luz branca
2.2.9. Transmitância
A transmitância pode ser definida como a razão entre a intensidade do feixe
de luz depois de passar por uma amostra em relação à intensidade do feixe de luz
original.
As curvas de transmitância são geradas medindo-se a transmitância de um
filtro
em
uma
série
de
comprimentos
de
onda
dentro
dos
limites
do
espectrofotômetro. Os dados são então plotados com a transmitância no eixo das
ordenadas expressa em % e o comprimento de onda como abscissa expresso em
nm.
O principal propósito da curva é indicar em quais comprimentos de onda
determinado material ou filtro transmite a energia radiante com maior ou menor
intensidade.
2.2.10.
Absorbância
A absorbância pode ser definida como a razão entre a energia radiante
absorvida por uma amostra e a energia radiante incidente sobre ela.
Em termos de transmitância (T), a absorbância (A) é dada por:
A = − log T
Equação 2.5 - Cálculo da absorbância em termos de transmitância
35
As curvas de absorbância são geradas medindo-se a absorbância de um filtro
em uma série de comprimentos de onda dentro dos limites do espectrofotômetro. Os
dados são então plotados com a absorbância no eixo das ordenadas expressa em %
e o comprimento de onda como abscissa expresso em nm.
O principal propósito da curva é indicar em quais comprimentos de onda
determinado material ou filtro absorve a energia radiante com maior ou menor
intensidade.
2.2.11.
Refletância
A refletância pode ser definida como a razão entre a intensidade do feixe de
luz refletido pela amostra em relação à intensidade do feixe de luz original.
As curvas de refletância são geradas medindo-se a refletância de um filtro em
uma série de comprimentos de onda dentro dos limites do espectrofotômetro. Os
dados são então plotados com a refletância no eixo das ordenadas expressa em % e
o comprimento de onda como abscissa expresso em nm.
O principal propósito da curva é indicar em quais comprimentos de onda
determinado material ou filtro reflete a energia radiante com maior ou menor
intensidade.
2.3. Fontes de Energia
Para selecionar a fonte de luz mais adequada para sofrer o processo de
dispersão cromática, informações como temperatura de cor e índice de reprodução
de cor são úteis, mas não suficientes; os dados mais precisos são obtidos através
da análise da curva de distribuição espectral da fonte de luz.
2.3.1. Curvas de Distribuição Espectral
As curvas de distribuição espectral fornecem um perfil visual das
características de cor de uma fonte de luz (PERKIN ELMER INC, 2005). Mostram a
36
energia radiante emitida pela fonte em cada comprimento de onda ou faixas de
comprimentos de onda na região do visível (380 a 760 nm).
A luz natural e lâmpadas incandescentes produzem um espectro suave e
contínuo (Figura 2.11 e 2.12). As lâmpadas de descarga de alta intensidade (HID)
produzem luz em linhas ou faixas discretas (Figura 2.13). As lâmpadas fluorescentes
produzem um espectro combinado – um espectro contínuo ou amplo produzido por
seu fósforo, mais o espectro em linhas da descarga de mercúrio (Figura 2.14). Em
geral, o espectro contínuo produz menos distorção nas cores dos objetos do que o
espectro em linhas discretas.
Figura 2.11 - Curva de distribuição espectral
Figura 2.12- Curva de distribuição espectral
da luz solar
de lâmpada incandescente
Figura 2.13 - Curva de distribuição espectral Figura 2.14 - Curva de distribuição espectral
de lâmpada fluorescente
de lâmpada de descarga de alta intensidade
Analisando-se as curvas de distribuição espectral, optou-se pela utilização de
uma lâmpada incandescente com filamento de tungstênio devido à continuidade do
espectro.
37
2.3.2. Lâmpadas de Tungstênio
As lâmpadas com filamento de tungstênio são as fontes de radiação mais
comumente utilizadas (YOUNG, 1998). Sua resposta radiante varia com a
temperatura e o comprimento de onda. Para λ<1µm, o tungstênio tem uma
emissividade de aproximadamente 0.4 e assim emite aproximadamente 40% do que
emitiria se a emissividade fosse de 1.0. O espectro relativo de resposta mostrado na
Figura 2.15 é levemente alterado. Para temperaturas mais altas, λm, o comprimento
de onda máximo das curvas de resposta, desloca-se para um comprimento de onda
menor.
Na Figura 2.15 pode-se observar que o tungstênio (W) a 3000 K tem uma
resposta espectral ampla. A 2000 K, a saída é menor em todos os comprimentos de
onda e a resposta de pico desloca-se para comprimentos de onda maiores. Os leds
produzem uma resposta espectral estreita com GaAs no infravermelho, GaP no
vermelho e GaAsP no verde. As respostas monocromáticas de lasers comuns são
mostradas por linhas pontilhadas: Ar, 515 nm, HeNe, 633 nm, rubi, 693 nm, Nd,
1024 nm.
Figura 2.15 – Resposta espectral do tungstênio(W)
A Lei de Wien estabelece que o comprimento de onda no qual um corpo
irradia mais intensamente é inversamente proporcional à temperatura do corpo.
Temperaturas baixas, então, produzem uma cor avermelhada (lâmpadas de luz
infravermelha), e altas temperaturas produzem uma cor azulada (luz de flash).
38
As lâmpadas com filamento de tungstênio, quando alimentadas, têm
temperatura de cor de 3000 K, emitindo radiação na região espectral do
infravermelho/visível. O espectro é contínuo; mas um problema com estas fontes de
energia é que produzem aproximadamente 90% da sua energia na região do
infravermelho. A saída nas regiões do ultravioleta e visível pode ser aumentada
operando-se a lâmpada em tensões acima do valor recomendado, mas este
estratagema reduz significantemente a vida útil da lâmpada.
Outro problema com estas lâmpadas é que, durante a operação, o tungstênio
progressivamente vaporiza dos filamentos e condensa no bulbo. Esta camada, que é
geralmente irregular, altera as características espectrais da lâmpada e pode causar
erros em determinações.
2.4. Monocromador
Um espectrômetro é um dispositivo utilizado para produzir luz colorida de
qualquer comprimento de onda selecionado (dentro do espectro visível) e, quando
utilizado como parte de um espectrofotômetro tal unidade é chamada de
monocromador e é geralmente calibrada para expressar a cor da luz monocromática
que ele produz em termos de comprimento de onda.
Como seletor de comprimento de onda, foi utilizado neste projeto um
monocromador com rede de difração, cujo eixo do braço da lâmpada é rotacionado
por um motor de passo.
O monocromador possui uma lâmpada, alimentada por uma fonte externa de
8 V. Seu filamento é uma espiral fina e reta, com aproximadamente 76 mm de
comprimento e exatamente posicionada em respeito à base de pré-foco da lâmpada
(COLEMAN INSTRUMENTS CORPORATION, 1966). Esta base é registrada por
três pinos localizados no braço da lâmpada, de forma que o filamento ocupe uma
posição exata no sistema óptico do monocromador. É importante citar que a
calibração da leitura do instrumento é totalmente dependente do posicionamento
exato do filamento.
O processo descrito a seguir refere-se ao esquema da Figura 2.1. A luz
proveniente da lâmpada penetra no sistema de lentes duplas do monocromador
formando uma imagem branca nítida no plano da fenda de saída. No entanto, uma
rede de difração está interposta entre as duas lentes condensadoras. Esta rede tem
39
a característica peculiar de desviar a luz transmitida, sendo o ângulo do desvio
diretamente proporcional ao comprimento de onda. Como resultado da ação da
rede, a imagem branca anteriormente citada sofre dispersão cromática e na fenda
de saída aparece um espectro brilhante. A maior parte desta imagem espectral é
bloqueada pelas bordas laterais da fenda de saída; a estreita porção do espectro
que incide diretamente na fenda não é interceptada e emerge da parte oposta da
fenda como um feixe monocromático.
A posição do filamento da lâmpada pode ser alterada movendo-se o braço da
lâmpada sob compulsão do excêntrico de comprimento de onda. Assim, enquanto o
eixo do braço da lâmpada é rotacionado pelo motor de passo, o filamento da
lâmpada é rotacionado ao redor do eixo do monocromador resultando em um
deslocamento correspondente da imagem espectral. A porção da luz que de fato
passa através da fenda tem exatamente o valor de comprimento de onda indicado
pelo sistema de leitura.
Como já foi citado, o monocromador pode utilizar prismas ou redes de
difração para realizar a dispersão monocromática do feixe de luz branca. Neste
projeto, o monocromador utiliza uma rede de difração.
2.4.1. Redes de Difração
As redes de difração são construídas gravando-se um grande número de
linhas paralelas, muito próximas umas às outras, em materiais como vidro ou metal.
Neste dispositivo, o número de fendas, no caso chamadas de ranhuras, pode chegar
a milhares por milímetro.
Uma rede funciona com base no fato de que os raios de luz defletem em torno
de cantos definidos. O grau de deflexão é uma função do comprimento de onda. Isto
resulta na dispersão cromática da luz.
A Figura 2.16 mostra uma rede constituída por cinco fendas. Quando as
fendas são iluminadas com luz monocromática, aparecem franjas de interferência
(máximos) que podem ser usadas para determinar o comprimento de onda da luz.
A Figura 2.17 mostra como se forma o padrão de interferência em um
anteparo C quando a luz é difratada por uma fenda S0 no anteparo A, e depois pelas
fendas S1 e S2 no anteparo B. As fendas do anteparo B podem ser comparadas às
ranhuras de uma rede de difração.
40
Enquanto as frentes de onda geradas por cada ranhura da rede movem-se e
superpõe-se, ocorrem interferências construtivas e destrutivas, devido às diferenças
de fase entre elas. A luz emergindo de uma rede é resolvida espacialmente de uma
forma linear, diferentemente da luz de um prisma, na qual a separação dos
comprimentos de onda é menor em comprimentos de onda maiores.
Figura 2.16 - Rede de difração constituída por cinco fendas
Figura 2.17 - Interferência entre ondas luminosas
Uma fenda é usada para selecionar a largura de banda desejada. A mecânica
do posicionamento da fenda de uma rede de difração é menos complicada que
aquele do prisma por causa da linearidade da separação espacial dos comprimentos
41
de onda. As redes podem resolver comprimentos de onda até 0.5 nm e podem
operar acima dos limites de 200 a 800 nm. A rede de difração utilizada no projeto
resolve comprimentos de onda de até 20 nm e opera nos limites de 325 a 825 nm
(COLEMAN INSTRUMENTS CORPORATION, 1974).
Nos próximos tópicos, serão abordados conceitos sobre redes de difração e
formas de se obter os seus parâmetros a partir de informações tais como número de
fendas por milímetro e as dimensões da rede.
2.4.1.1.
Posições dos Máximos
Para determinar as posições dos máximos na tela de observação, partindo-se
da Figura 2.16, supõe-se que a tela esteja suficientemente afastada da rede para
que os raios que chegam a um ponto P da tela sejam aproximadamente paralelos ao
deixarem a rede de difração. A distância d entre duas ranhuras vizinhas é chamada
de espaçamento da rede. Se N ranhuras ocupam uma largura total w, d =w/N. A
diferença percorrida por dois raios vizinhos é d sen θ , onde θ é o ângulo entre o eixo
central da rede (reta que liga o centro da rede ao centro da figura de difração) e a
reta que liga a rede ao ponto P. Haverá uma linha em P se a diferença entre as
distâncias percorridas por raios vizinhos for igual a um número inteiro de
comprimentos de onda, ou seja, se
d sen θ = mλ , para m = 0, 1, 2,...,
Equação 2.6 - Equação da rede de difração
onde λ é o comprimento de onda da luz. A cada número inteiro a partir de m = 1,
correspondem duas linhas diferentes, simetricamente dispostas em relação à linha
central. O valor m é chamado de número de ordem e as linhas correspondentes são
chamadas de linha de ordem zero (m = 0), linhas de primeira ordem, linhas de
segunda ordem e assim por diante.
Para uma dada rede de difração, o ângulo entre o eixo central e qualquer
linha depende do comprimento de onda da radiação utilizada. Assim, quando a rede
é iluminada com uma luz cujo comprimento de onda é desconhecido, a medida da
posição das linhas pode ser usada para determinar o comprimento de onda. Até
42
mesmo a luz que contenha uma mistura de comprimentos de onda pode ser
analisada desta forma.
2.4.1.2.
Largura das Linhas
A capacidade de uma rede de difração de resolver linhas de diferentes
comprimentos de onda depende da largura das linhas. De acordo com a Equação
2.7, a luz de um determinado comprimento de onda λ de uma rede de difração com
um dado espaçamento d entre as ranhuras, a largura das linhas ∆θ é inversamente
proporcional ao número N de ranhuras, sendo cos θ o co-seno do ângulo formado
entre o raio que incide em uma das bordas da ranhura e a normal à superfície.
∆θ =
λ
Nd cos θ
Equação 2.7 - Largura de linhas
Assim, se tivermos duas redes de difração com a mesma distância entre
ranhuras, a que tiver maior número de ranhuras permitirá separar melhor os
diferentes comprimentos de onda da radiação incidente, já que as linhas de difração
serão mais estreitas e, portanto haverá menos superposição.
2.4.1.3.
Dispersão
Para poder separar comprimentos de onda próximos, uma rede de difração
deve espalhar as linhas de difração associadas aos vários comprimentos de onda
(NUSSENZVEIG, 1997). Este espalhamento, conhecido como dispersão, é definido
através da Equação 2.8,
D=
∆θ
∆λ
Equação 2.8 – Definição de dispersão
onde ∆θ é a separação angular entre duas linhas cujos comprimentos de onda
43
diferem de ∆λ . Quanto maior o valor de D, maior a distância entre duas linhas de
emissão cujos comprimentos de onda diferem de ∆λ .
A dispersão de uma rede de difração para um ângulo θ é dada por
D=
m
d cos θ
Equação 2.9 - Dispersão de uma rede
Assim, para conseguir uma maior dispersão, deve-se usar uma rede de
difração com um espaço menor d entre as ranhuras e trabalhar com ordens maiores
m de difração (NUSSENZVEIG, 1997).
2.4.1.4.
Resolução
Para resolver linhas muito próximas é preciso que elas sejam suficientemente
estreitas, ou seja, a rede de difração deve ter uma alta resolução, definida através
da Equação 2.10.
R=
λ med
∆λ
Equação 2.10 - Definição de resolução
onde λ med é a média dos comprimentos de onda de duas linhas que mal podem ser
distinguidas e ∆λ é a diferença entre os comprimentos de onda das duas linhas.
Quanto maior o valor de R, mais próximas podem estar duas linhas sem que se
torne impossível distingui-las. A resolução de uma rede de difração e dada por
R= Nm
Equação 2.11 - Resolução de uma rede
Assim, para conseguir uma maior resolução, deve-se usar um número maior N
de ranhuras e trabalhar com ordens maiores m de difração.
44
A resolução de uma rede de difração não deve ser confundida com sua
dispersão (HALLIDAY, 1991). A Figura 2.18 mostra curvas de intensidade luminosa
que seriam produzidas pelas redes A, B e C quando uma luz com dois
comprimentos de onda - λ1 e λ2 –, próximos a λ = 598 nm é usada para iluminá-las.
Na Tabela 2.1, estão os dados referentes a cada uma das três redes, para m=1.
Figura 2.18 - Gráficos de intensidade
Tabela 2.1 - Parâmetros das redes de difração A, B e C
Rede
A
B
C
N
10000
20000
10000
d(mm)
2540
2540
1370
θ
13,4°
13,4°
25,5°
D(°/µm)
23,2
23,2
46,3
R
10000
20000
10000
A rede B possui maior resolução e pode distinguir linhas muito mais próximas
do que aquelas que aparecem na figura referente à rede B na Figura 2.18. A rede C
tem maior dispersão produzindo, portanto maior separação angular entre as linhas.
2.5. Motores de Passo
Os motores convertem energia elétrica em energia mecânica (HAYDON
SWITCH & INSTRUMENT, 2005). Um motor de passo converte pulsos elétricos em
45
movimentos rotacionais específicos. O movimento criado por cada pulso é preciso,
sendo este o motivo de os motores de passo serem tão efetivos para aplicações de
posicionamento.
O eixo ou fuso de um motor de passo gira em incrementos discretos quando
pulsos de comando são aplicados na seqüência correta (ERICSSON, 2005). A
rotação dos motores tem diversas relações diretas com os pulsos de entrada
aplicados. A seqüência de pulsos aplicada é diretamente relacionada com a direção
de rotação do eixo do motor. A velocidade com que o eixo do motor gira é
diretamente relacionada com a freqüência dos pulsos de entrada e a extensão da
rotação é diretamente relacionada ao número de pulsos de entrada aplicados.
2.5.1. Sistema Básico
A Figura 2.19 mostra um típico sistema baseado em motor de passo. Todas
estas partes devem estar presentes de uma forma ou outra (NMB TECHNOLOGIES
CORP, 2005). O desempenho de cada componente afetará o desempenho do outro.
Figura 2.19 - Sistema básico de um motor de passo
O gerador de pulso, também, conhecido como controlador, gera pulsos de
comando que o motor seguirá. Alterando-se a freqüência do trem de pulsos, o
gerador de pulsos pode instruir o motor a acelerar, a manter uma velocidade,
desacelerar ou parar.
A interface tem a função de controlar a magnitude e direção do fluxo de
corrente nos enrolamentos do motor. Esta recebe os pulsos do gerador de pulsos e
determina como e quando os enrolamentos devem ser energizados. Os
enrolamentos devem ser energizados em uma seqüência específica para gerar
movimento.
O motor de passo tem duas partes principais: o rotor, a peça que se move e o
estator, a peça estática (ADVANCED MICRO SYSTEMS INC, 2005). O estator
46
contém espirais de fio chamadas bobinas. O rotor gira sobre suportes ou mancais
dentro do estator. Todos os motores de passo operam com o rotor seguindo um
campo magnético criado através do seqüenciamento da corrente que flui através das
bobinas do estator.
Cada motor de passo tem duas ou mais fases, que são grupos de bobinas
eletricamente conectadas. Enquanto a corrente passa através de cada fase, o motor
dá passos para se manter em sincronismo com o campo magnético. O grau de
rotação por passo depende da interface utilizada e da construção do motor.
2.5.2. Operação Open-loop
Uma das vantagens mais significativas de um motor de passo é sua
habilidade de ser precisamente controlado em um sistema open-loop. Controle
open-loop significa que nenhuma informação de realimentação sobre a posição é
necessária. Este tipo de controle elimina a necessidade de sensoriamento e
dispositivos de realimentação tais como encoders ópticos. A posição é conhecida
simplesmente mantendo-se as informações sobre os pulsos de entrada
2.5.3. Tipos de Motor de Passo
Existem três tipos básicos de motor de passo:
•
Resistência variável;
•
Magneto permanente;
•
Híbridos.
O estator possui múltiplas bobinas. O arranjo destas bobinas é o principal
fator que distingue os diferentes tipos de motor de passo de um ponto de vista
elétrico.
Do ponto de vista elétrico e de controle do sistema, os motores de resistência
variável são distantes dos outros tipos. Os outros dois tipos podem ser girados
utilizando-se
enrolamentos
unipolares,
bipolares
ou
bifilares
(MICROCHIP
TECHNOLOGY INC, 2005).
O motor utilizado no projeto é do tipo magneto permanente com enrolamentos
47
unipolares. Os detalhes sobre sua implementação e funcionamento serão discutidos
a seguir. Os detalhes sobre os outros tipos serão omitidos visto que não têm
interesse para o projeto.
2.5.3.1.
Motores Unipolares de Magneto Permanente
Este tipo de motor tem magnetos permanentes adicionados à sua estrutura. O
rotor não possui dentes e é magnetizado com pólos sul e norte alternantes situados
em uma linha reta paralela ao eixo do motor. Estes pólos magnetizados do rotor
provêm um aumento na intensidade do fluxo magnético.
Motores de passo unipolares são compostos por duas bobinas, cada uma
com uma derivação central. As derivações centrais são trazidas para fora do motor
como dois fios separados, como mostra a Figura 2.20, ou conectados um ao outro
internamente e trazidos para fora do motor como um único fio. Como resultado, os
motores unipolares, tem 5 ou 6 fios. Independente do numero de fios, os motores
unipolares são utilizados da mesma forma. A derivação central é conectada à
alimentação e as terminações das bobinas são alternadamente aterradas.
Os motores de passo unipolares operam atraindo os pólos norte ou sul do
rotor permanentemente magnetizado para os pólos do estator. Assim, nestes
motores, a direção da corrente através das bobinas do estator determina quais pólos
do rotor serão atraídos para quais pólos do estator. A direção da corrente nos
motores unipolares é dependente de que metade de uma bobina está energizada.
Fisicamente, as metades das bobinas agem como pólo sul ou norte dependendo de
qual metade é energizada.
A Figura 2.20 mostra a seção transversal de um motor unipolar com 30º por
passo. A bobina 1 é distribuída entre os estatores do topo e da base, enquanto a
bobina 2 é distribuída entre os pólos esquerdo e direito do motor. O rotor é um
magneto permanente com seis pólos, três norte e três sul.
48
Figura 2.20 - Esquema de motor de passo unipolar
Abaixo, está um exemplo de como uma seqüência de pulsos é aplicada em
um motor unipolar. Somente metade de cada bobina é energizada por vez, desta
forma o motor gira em sentido horário por 12 passos ou uma revolução.
Figura 2.21 - Seqüência de pulsos aplicada em motor unipolar, sendo metade
de cada bobina energizada por vez
No próximo exemplo, diferentemente da primeira seqüência, duas metades de
uma bobina são energizadas de uma só vez. Isto dá ao motor mais torque, mas
também aumenta o consumo de energia.
Figura 2.22 - Seqüência de pulsos aplicada em motor unipolar, sendo as duas
metades de cada bobina energizada por vez
49
Nas duas seqüências citadas acima, o motor dá um passo completo. A
combinação das duas seqüências acima permite ao motor dar meio-passo. A
seqüência combinada é mostrada no exemplo abaixo (24 passos por revolução).
Este método move o motor em passos que são metade de um passo
completo. É importante notar que o torque gerado pelo motor durante esta
seqüência não é constante, pois passos alternados têm uma e duas metades de
uma bobina energizadas, respectivamente.
Figura 2.23 - Seqüências combinadas permitem ao motor dar meio-passo
2.6. Dispositivos Ópticos
Existe um número de fatores geométricos que podem modificar a energia
transmitida entre a fonte e o detector (WEBSTER, 1998).
Na Figura 2.24, os
elementos ópticos mais conhecidos são os filtros e as lentes.
Figura 2.24 - Sistema com dispositivos ópticos
Na Figura 2.24, as lentes são utilizadas para colimar (isto é, deixar os raios
paralelos) a energia radiante e os filtros são utilizados para selecionar uma banda
50
estreita de radiação.
O objetivo do sistema projetado é analisar a resposta espectral de dispositivos
ópticos como filtros, utilizando lentes como elemento colimador. Além disso, a
transmissão do feixe luminoso monocromático da saída do monocromador até o
filtro, e do filtro até o fotodetector é feita através de fibras ópticas. As principais
características destes dispositivos são descritas nos tópicos abaixo.
2.6.1. Lentes
Uma lente é um dispositivo para realizar a convergência ou a divergência da
luz, geralmente formado por uma placa de vidro, ou outro material opticamente
transparente, com duas superfícies com curvatura particular. É o índice de refração
do material da lente e a curvatura das duas superfícies que dão à lente suas
propriedades particulares.
Na Figura 2.24, para que a primeira lente à esquerda colete o maior ângulo
sólido de radiação da lâmpada, a lente deve ter uma razão pequena entre seu raio
focal e seu diâmetro. A primeira lente é geralmente posicionada uma distância focal
para longe da lâmpada para que a radiação resultante seja colimada. Assim, para
uma fonte pontal, a segunda lente pode ser posicionada a qualquer distância sem
que se perca radiação.
A segunda lente foca a radiação em uma pequena área de amostra na
cubeta. Como a radiação agora diverge, a terceira e a quarta lentes são usadas para
coletar toda a radiação e focá-la no detector. Alguns espectrofotômetros transmitem
radiação colimada através da seção da amostra. As lentes podem ser cobertas com
uma camada que tem a espessura de um quarto do comprimento de onda para
prevenir perdas refletivas na superfície ar-vidro.
2.6.2. Filtros Ópticos
Os filtros são freqüentemente inseridos no sistema óptico para controlar a
distribuição de energia radiante ou o comprimento de onda. Para reduzir a energia
radiante somente, filtros com densidade neutra são utilizados. Quando o vidro é
parcialmente metalizado, a maior parte da energia é refletida e a fração desejada da
51
energia é transmitida. Quando partículas de carbono estão suspensas no plástico, a
maior parte da energia é absorvida.
Dois filtros Polaroid podem também ser usados para atenuar a luz. Cada filtro
transmite somente aquela porção de luz que está num estado particular de
polarização. Quando uma delas é rotacionada, em respeito à outra, a transmissão
óptica da combinação varia.
Os filtros de cores transmitem certos comprimentos de onda e rejeitam outros.
Filtros de gelatina são os tipos mais comuns de filtros de absorção. Um corante
orgânico é dissolvido em uma solução aquosa de gelatina, e um filme fino é colado a
um substrato de vidro. Os filtros de vidro, feitos combinando-se aditivos com o vidro
em seu estado fundido, são extensivamente utilizados. Eles provêm particularmente
amplas bandas de passagem.
Os filtros de interferência são formados depositando-se camadas refletivas
superpostas em ambos os lados de uma camada espaçadora fina. Esta construção
sanduíche provê reflexão múltipla e efeitos de interferência.
Os filtros de interferência são normalmente utilizados com radiação colimada
e custam mais do que aqueles acima mencionados. As camadas de interferência
são utilizadas em espelhos dicróicos, que refletem a radiação visível de lâmpadas de
projeção. A radiação infravermelha não-util é transmitida através da cobertura e
espelhada para fora do sistema óptico. Isto reduz o calor dentro do sistema óptico
sem sacrificar a luz útil.
A Figura 2.25 mostra a curva de transmitância de um filtro que atenua a
passagem de energia luminosa em comprimentos de onda abaixo de 300 nm.
A Figura 2.26 mostra a curva de transmitância de um filtro que atenua a
passagem de energia luminosa até 440 nm, deixando passar energia luminosa nos
comprimentos de onda correspondentes a cor verde.
A Figura 2.27 mostra a curva de transmitância de um filtro que atenua a
passagem de energia luminosa até 760 nm, deixando passar energia luminosa nos
comprimentos de onda a partir do infravermelho.
2.6.3. Fibras Ópticas
A fibra óptica é uma estrutura projetada para levar a luz de um ponto a outro
através de um caminho não necessariamente reto (WERNECK, 1996). O
52
confinamento da luz dentro da fibra óptica é efetivado mediante reflexão total na
interface entre a casca e o núcleo da fibra óptica.
Figura 2.25 - Filtro HOYA UV-22
Figura 2.26 - Filtro HOYA G-550
53
Figura 2.27 - Filtro HOYA IR-76
Uma fibra óptica, ilustrada na Figura 2.28, é um capilar formado por dois
materiais cristalinos e homogêneos. O material que ocupa o centro da fibra é
denominado núcleo e o externo é denominado casca, o qual possui um índice de
refração menor que o do núcleo para possibilitar o fenômeno da reflexão total e,
conseqüentemente, a propagação da luz. Por fora da fibra óptica ainda existe um
revestimento plástico de metacrilato de metila que atua apenas para proteção
mecânica. Ele é chamado de revestimento primário.
Figura 2.28 - A fibra óptica
54
A diferença do índice de refração entre o núcleo e a casca é relativamente
pequena, variando de centésimos de unidades.
2.6.3.1.
Teoria da Propagação
A propagação da luz numa fibra óptica é baseada no princípio da reflexão
total. Se tivermos um sanduíche de meios com índices de refração diferentes, sendo
o meio interno o de índice de refração maior, poderemos ter um raio luminoso que
se propaga ao longo do meio interno, desde que seu ângulo de incidência na
fronteira entre os meios seja maior do que o ângulo crítico.
A fibra óptica é formada por um núcleo de índice de refração n1 envolto pela
casca, de índice de refração n2 .
Na Figura 2.29, o raio de luz 1 incide no ar, de índice de refração n0 , na fibra
óptica com um ângulo de incidência igual a θ 0 . Esse raio de luz gera dois outros, um
refletido (2) e outro refratado (3). O ângulo do raio refletido é igual ao do raio
incidente ( θ 0 ) e o ângulo do raio refratado θ1 , de acordo com a lei de Snell. O raio 3,
já dentro da fibra óptica, incide na interface do núcleo e a casca com ângulo de
incidência θ i e gera mais dois raios, um refletido (4) com um ângulo igual ao de
incidência θ i e outro refratado (7) com ângulo θ 2 que se perde dentro da casca. O
raio 4 reflete-se novamente mais além, sempre perdendo parte de sua energia
através da refração, até finalmente morrer dentro da fibra óptica e nunca alcançar o
final.
Como a casca tem um índice de refração menor do que o do núcleo, se o
ângulo de incidência θ i aumenta o ângulo de refração θ 2 aumenta também, fazendo
o raio refratado aproximar-se mais e mais de 90º. Quando θ i for maior ou igual ao
ângulo crítico a reflexão será total e a luz não perderá mais energia através da
refração. Para se obter o anglo crítico, a luz deve incidir na fibra óptica percorrendo
o caminho 5 com ângulo de incidência na fibra óptica menor ou igual a θ máx , que é o
ângulo máximo de aceitação da luz. Qualquer raio de luz que incida na fibra óptica
dentro desse cone de aceitação será guiado pela fibra óptica sem perdas até o seu
final.
55
Figura 2.29 - Seção transversal da fibra óptica mostrando o principio do
confinamento da luz através dos diversos ângulos de entrada dos raios de luz
2.6.3.2.
Tipos de Fibras Ópticas
Classificação quanto ao número de modos
•
Multimodo: permite mais de um modo de propagação, que são os caminhos
percorridos pelos raios luminosos;
•
Monomodo: permite somente um modo de propagação.
Classificação quanto ao índice de refração do núcleo
•
Índice degrau: Índice de refração é o mesmo em todo o núcleo;
•
Índice gradual: índice de refração do núcleo é variável.
A Figura 2.30 mostra alguns perfis do índice de refração dos principais tipos
de fibras ópticas.
Figura 2.30 - Perfis do índice de refração dos principais tipos de fibras
56
2.6.3.3.
Perdas em Fibras Ópticas
As perdas ópticas em fibras podem ser intrínsecas, como, por exemplo,
devido ao dopante utilizado, ou extrínsecas, como, por exemplo, devido a dobras
(WERNECK, 1996). Portanto, a potência óptica pode ser absorvida, transmitida ou
refletida. A parte transmitida pode ser modelada pela lei de Lambert:
T = T0 e −αx
Equação 2.12 - Lei de Lambert
onde
T = potência transmitida numa fibra óptica de comprimento x;
T0 = potência efetivamente aceita no início da fibra óptica quando x = 0;
α = coeficiente de absorção do material;
x = comprimento de onda ou distância percorrida pela luz na direção axial da fibra
óptica.
As perdas devido à absorção ou espalhamento são referidas como atenuação
e esta última é expressa em termos de perda de energia por unidade de
comprimento através da equação:
T
 10 
A = −  log10  in
L
 Tout

[dB / km]

Equação 2.13 - Cálculo da atenuação
onde
A = atenuação;
L = comprimento da fibra óptica em quilômetros,
Tin = potência óptica de entrada em watts,
Tout = potência óptica de saída em watts,
Como a atenuação é uma escala logarítmica, temos que 90% de transmissão
correspondem a 0,5 dB de perdas, 50% de transmissão correspondem a 3 dB de
perdas e 10% de transmissão correspondem a 10 dB de perdas.
A Figura 2.31 mostra a curva de atenuação para uma fibra óptica monomodo.
57
Outros tipos de perdas são descritos abaixo.
Figura 2.31 – Curva de atenuação para uma fibra óptica monomodo.
2.6.3.4.
Espalhamento de Rayleigh
O espalhamento está associado à interação da luz com uma variação de
densidade do material da fibra óptica. Se o tamanho do defeito é menor do que um
décimo do comprimento de onda da luz, o fenômeno é chamado de espalhamento
de Rayleigh. Este é o principal mecanismo de perdas ópticas em fibras ópticas
operando em comprimentos de onda desde 800 a 1600 nm. O processo de perda
ocorre quando raios de luz colidem com os defeitos e parte de sua energia reflete-se
em ângulos menores do que o ângulo crítico daquela fibra óptica perdendo-se para a
casca.
2.6.3.5.
Absorção
A absorção é a segunda maior causa de perdas ópticas em fibras e ocorre
devido ao material utilizado na fabricação da fibra. Em fibras ópticas de silicato puro
(SiO2) com dopantes (GeO2, P2O5, B2O3, F, TiO2, Al2O3, etc.), ocorre porque nos
silicatos os elétrons do nível de valência são excitados, absorvendo energia óptica.
58
2.6.3.6.
Microbend
Microbend ou microcurva é o efeito da perda de luz do núcleo para a casca de
uma fibra óptica quando ela é curvada com um raio de curvatura muito pequeno. Na
realidade, sempre há perdas, não importa a curva que a fibra óptica faça; no
entanto, as perdas são mínimas. As perdas ocorrem devido ao fato de que, nas
curvas, os raios de luz que viajam em modos superiores atingem o ângulo crítico e
se perdem na casca.
2.6.3.7.
Dispersão
A dispersão não é exatamente uma perda, mas um efeito depreciativo dos
pulsos de luz que trafegam em uma fibra óptica. Esse efeito ocorre devido aos
diferentes caminhos percorridos pelos diferentes raios de luz formadores de um
pulso. O pulso, que entra na fibra óptica com um determinado tempo de subida,
acaba chegando ao final da fibra com um tempo de subida maior. Esse efeito é
minimizado pelo uso de fibras ópticas de índice gradual ou fibras ópticas monomodo.
2.7. Fotodiodos
Os sistemas fotométricos incluem os fotodetectores e o sistema de
amplificação. Neste projeto foi utilizado um fotodiodo, que converte a energia
luminosa em sinal elétrico, sendo a tensão de saída diretamente proporcional à
intensidade luminosa.
Um fotodiodo de silício é um detector de luminosidade em estado sólido que
consiste de uma junção P-N com conexões para o mundo exterior (PERKIN ELMER
INC, 2005). O corte transversal de um fotodiodo típico é mostrado na Figura 2.32.
Quando a superfície é iluminada, fótons de luz penetram no silício a uma
profundidade determinada pela energia do fóton e são absorvidos pelo silício
gerando pares de lacunas de elétrons. As lacunas estão livres para espalhar-se por
todo o fotodiodo até que haja recombinação.
Na junção P-N está uma região com um forte campo elétrico chamada região
de depleção, que é formada pelo potencial de tensão que existe na junção P-N. Se
59
uma conexão externa é feita em ambos os lados da junção, uma corrente
fotoinduzida fluirá desde que a luminosidade recaia sobre o fotodiodo. Além da fotocorrente, uma tensão é produzida através do diodo.
Na verdade, o fotodiodo
funciona exatamente como uma célula solar através da geração de uma corrente e
uma tensão, quando exposto à luz.
A tensão e corrente características dos fotodiodos são muito semelhantes
àquelas dos diodos comuns exceto pelo fato de que as curvas mudam de acordo
com o nível de luz incidente. Para um dado nível de iluminação, o diodo gerará uma
corrente e tensão específicas como determinado para suas curvas características.
Figura 2.32 - Corte transversal de um fotodiodo típico
2.7.1.1.
Aplicações
Os fotodiodos são usados em vários tipos de circuitos e aplicações, como:
oxímetros de pulso, analisadores de partículas do sangue, detectores de fumaça,
sistemas de segurança, dimmers, detectores de crepúsculo, foco automático em
câmeras, scanner de código de barras, controle de brilho, encoders, sensores de
posição e copiadoras.
Na Figura 2.33 está um exemplo de circuito de aplicação: um link de fibra
óptica transmite a luz produzida por um led para um fotodiodo.
60
Figura 2.33 - Link de fibra ótica
2.7.1.2.
Características da Resposta Espectral
A magnitude da foto-corrente gerada por um fotodiodo é dependente do
comprimento de onda da luz incidente. Os fotodiodos de silício apresentam uma
resposta a partir do ultravioleta até o visível e uma parte do infravermelho no
espectro.
Existem várias maneiras de se caracterizar a resposta espectral de um
fotodiodo. A seguir é feita uma breve descrição das mais comuns:
•
Sensibilidade Radiométrica
É a relação entre a corrente de curto-circuito gerada pelo fotodiodo (A) e a
energia da luz incidente (W).
•
Velocidade de Resposta
É a medida da sensibilidade que leva em conta a área ativa do chip do
fotodiodo. Este parâmetro é obtido dividindo-se a corrente de curto-circuito (mA) pela
energia da luz por unidade de área (µW/cm²).
•
Eficiência de Quantum
Se o fotodiodo operasse a 100% de eficiência, cada fóton de luz que atingisse
o detector resultaria em um elétron sendo adicionado à foto-corrente. A eficiência de
quantum descreve, como uma porcentagem, a energia por fóton e a produção de
quantum (elétrons por fóton).
61
•
Sensibilidade
Um dos métodos-padrão utilizados para especificar a sensibilidade de um
fotodiodo é determinar sua foto-corrente de curto-circuito a um dado nível de
luminosidade a partir de uma fonte de luminosidade bem definida.
Para se aumentar sua sensibilidade à luz, pode-se aumentar a área ativa do
chip ou utilizar lentes para aumentar a área ativa efetiva. A relação entre área ativa e
sensibilidade tende a ser linear.
•
Corrente Escura
É a corrente de escoamento que flui quando o fotodiodo está no escuro e uma
tensão reversa é aplicada através da junção.
•
Resistência em Derivação
A resistência em derivação ou resistência dinâmica na junção a zero volt é
determinada aplicando-se uma pequena tensão no fotodiodo, tipicamente 10 mV, e
medindo-se a corrente resultante.
•
Linearidade
A Figura 2.34 mostra o circuito equivalente de um fotodiodo. Quando a corrente de
polarização reversa é nula, a foto-corrente se divide entre a junção interna e a
resistência de carga externa.
Figura 2.34 - Circuito equivalente de um fotodiodo
onde
IP = foto-corrente gerada pela luz
VF = queda de tensão no diodo
62
IF = corrente através do diodo
IN = corrente de ruído
CJ = capacitância da junção
RSH = resistência em derivação
ISH = corrente em derivação
RS = resistência em série
VO = tensão de saída
IO = corrente de saída (IO = IP-IF)
Para um diodo ideal, RS=0 e RSH = infinito.
•
Capacitância da Junção
Uma capacitância está associada com a região de depleção que existe na
junção P-N. A capacitância da junção aumenta com a área da junção do chip do
fotodiodo. É também função de qualquer tensão reversa aplicada através do
fotodiodo.
•
Tensão de Ruptura Reversa
É a máxima tensão reversa que pode ser aplicada com segurança através do
fotodiodo antes que a ruptura ocorra na junção.
•
Tensão em Circuito Aberto
É a tensão gerada pelo fotodiodo quando a foto-corrente é igual a zero. Varia
logaritimicamente com a luz.
•
Tempo de Resposta
Um fotodiodo leva certa quantidade de tempo para responder a uma mudança
repentina nos níveis de luminosidade. É prática comum exprimir o tempo de
resposta em termos de tempo de subida (tR) ou tempo de descida (tF) onde:
tR = É o tempo requerido para a saída elevar-se de 10% a 90% do seu valor
final
tF= é o tempo requerido para a saída cair de 90% a 10% do seu valor final
O tempo de resposta de um fotodiodo depende de muitos fatores, incluindo o
comprimento de onda da luz, o valor da tensão aplicada através do diodo, e a
63
resistência de carga.
•
Corrente de Ruído
Um fotodiodo atuará como uma fonte de ruído elétrico e gerará uma corrente
de ruído. Esta corrente limitará a utilidade do fotodiodo em níveis de luminosidade
muito baixos onde a magnitude do ruído aproxima-se daquela da foto-corrente do
sinal.
A quantidade de ruído gerada depende das características do fotodiodo e das
suas condições de operação
•
Resposta Angular
A resposta angular de um detector é basicamente uma medida do seu campo
de visão. Um fotodiodo em forma de chip teria um campo de visão de 180º.
Tipicamente a saída do detector é máxima quando a fonte de luz está
diretamente no alto. À medida que a fonte de luz é rotacionada em um arco de igual
distância em torno do detector, um ângulo é alcançado no qual o sinal do detector é
metade daquele quando a fonte de luz estava diretamente no alto. Este processo
está ilustrado na Figura 2.35.
2.8. Sistemas de Leitura
Depois de o sinal luminoso ter sido convertido em sinal elétrico, este deve ser
condicionado para ser exibido ao usuário de forma inteligível. Para isso, podem-se
usar dispositivos analógicos, como um galvanômetro ou dispositivos digitais, como
displays. Neste projeto, o microcomputador faz a interface entre os módulos de
hardware e o usuário.
Um software, especialmente desenvolvido, recebe os sinais digitais referentes
a uma leitura, através da interface serial. Tais sinais são exibidos através de gráficos
de transmitância.
A Figura 2.36 exibe a tela de um software utilizado para analisar a resposta
fotométrica de leds.
64
Figura 2.35 - Resposta angular
Figura 2.36 - Sistema de leitura através de software
65
66
3. ESPECIFICAÇÃO
Este capítulo tem por objetivo discutir os principais componentes, as
funcionalidades e a aplicabilidade do hardware e do software que compõem o
projeto.
3.1. Especificação do Hardware
3.1.1. Funções
As principais funções do hardware são:
•
Gerar um feixe de luz branca;
•
Realizar a dispersão cromática deste feixe para comprimentos de onda de
325 nm a 825 nm;
•
Transmitir a energia radiante para um ponto específico;
•
Converter a energia radiante em energia elétrica;
•
Tratar os sinais elétricos provenientes da conversão energia luminosa energia elétrica;
•
Converter os sinais elétricos de analógicos para digitais;
•
Transmiti-los serialmente ao microcomputador.
3.1.2. Componentes
Os principais componentes de hardware são:
•
Monocromador retirado de um espectrofotômetro Coleman modelo 6|20
(Figura 3.1), composto por duas fendas, duas lentes, uma grade de difração,
um excêntrico acoplado a um eixo e a uma lâmpada com filamento vertical;
•
Motor de passo, com caixa de redução e correias para girar o excêntrico
acoplado ao eixo (Figura 3.2);
•
Interface de potência para o motor de passo;
•
Fotodiodo TCS230 da TAOS com quatro tipos de filtro (R, G, B, Clear) para
converter a energia radiante em energia elétrica (Figura 3.3);
67
•
Conversor freqüência-tensão LM2907 da National para conversão e ganho do
sinal gerado pelo fotodiodo;
•
Conversor analógico-digital ADC0804 da National para a conversão do sinal
proveniente do conversor freqüência-tensão;
•
Microcontrolador
AT89C52
da
Atmel,
com
arquitetura
8051,
para
gerenciamento dos módulos de hardware;
•
Fibra óptica plástica com diâmetro de 2 mm para transmitir a energia radiante
desde o monocromador até o fotodiodo e o filtro óptico;
•
Interface serial para transmissão de dados entre o microcontrolador e o
microcomputador.
Figura 3.1 - Espectrofotômetro Coleman modelo 6|20
Figura 3.2 - Motor de passo
68
Figura 3.3 - Fotodiodo TCS230
3.1.3. Ambiente de Desenvolvimento
O firmware foi desenvolvido com o software RIDE 51, da Raisonance,
utilizando-se a linguagem C de programação.
3.1.4. Requisitos
•
O monocromador deve ser calibrado de modo a garantir medições com
precisão de 2 nm para o comprimento de onda sendo amostrado;
•
Devem-se utilizar fontes de tensão separadas para a lâmpada e para os
outros módulos do hardware;
•
Para a alimentação da lâmpada deve ser usada uma fonte de energia que
forneça tensão de 8 V e corrente de 4,5 A;
•
Para a alimentação dos outros módulos do hardware deve ser usada uma
fonte de energia que forneça tensão de 12 V e corrente de 1 A;
•
A região de interação entre o dispositivo emissor/receptor de luminosidade e
as extremidades dos feixes de fibras ópticas devem estar bem isoladas das
fontes de luminosidade externas para evitar interferências.
69
3.1.5. Diagrama em Blocos
A Figura 3.4 ilustra o diagrama em blocos do hardware. O bloco PC
corresponde ao microcomputador e o bloco Filtro Óptico corresponde ao
componente óptico a ser analisado, que pode ou não estar presente. Ambos os
blocos não fazem parte do hardware e estão ilustrados para melhor entendimento do
diagrama.
A operação do hardware é dividida em duas etapas seqüenciais: calibração
do sistema e análise da amostra. Na primeira etapa são levantados os dados de
leitura do fotodiodo para um giro completo do monocromador (325 nm – 825 nm),
sem a presença de amostra. Na segunda etapa, o mesmo procedimento é realizado,
mas desta vez com a presença da amostra. Os dados coletados em ambas as
etapas são tratados para gerar o gráfico de transmitância da amostra.
A seqüência de operação do hardware, tendo como base o diagrama em
blocos é a seguinte:
1. O feixe de luz branca gerado pela lâmpada passa pela rede de difração e
sofre dispersão cromática. O espectro fica confinado no interior do
monocromador;
2. O microcontrolador gerencia a interface do motor, que faz com que este gire
um passo, fazendo girar também o eixo do excêntrico do monocromador. O
giro faz com que o braço da lâmpada se movimente, alterando a posição do
filamento da lâmpada a cada passo do motor. Dependendo da posição do
filamento, determinada porção do espectro – com banda passante de 20 nm é direcionada para a fenda de saída do monocromador.
3. A fibra plástica acoplada à fenda de saída do monocromador transmite o feixe
monocromático diretamente até a superfície do fotodiodo na etapa de
calibração do sistema. Na etapa seguinte, de análise da amostra, a fibra
plástica transmite o feixe monocromático até a superfície da amostra e a
energia radiante transmitida incide na superfície do fotodiodo;
4. O fotodiodo, cuja escala de freqüência e seleção de filtro são controlados pelo
microcontrolador, é sensibilizado pela energia radiante incidente e, como
resposta, emite um sinal digital com duty cycle de 50% e freqüência
proporcional à intensidade da energia radiante incidente.
5. O sinal gerado pelo fotodiodo passa por um conversor freqüência-tensão, que
gera um sinal analógico;
70
6. Este sinal passa por um conversor analógico-digital, que gera um sinal digital
transmitido diretamente para o microcontrolador;
7. O microcontrolador transmite o dado para a interface serial, que transmite o
dado para o PC.
8. Volta-se para o passo 2 e repete-se a seqüência até que o excêntrico atinja
sua posição final.
9. A seguir, o motor gira em sentido contrário até que o excêntrico volte para a
posição final. Se a etapa de calibração já foi realizada, volta-se para o passo
2 e executa-se a etapa de análise da amostra. Se a etapa de análise da
amostra já foi realizada, encerra-se o processo.
Figura 3.4 - Diagrama em blocos do hardware
71
3.2. Especificação do Software
3.2.1. Funções
As principais funções do software são:
•
Gerar o gráfico de transmitância do filtro óptico sendo analisado;
•
Realizar controle automático de ganho para os sinais gerados pelo fotodiodo;
•
Armazenar em arquivo as informações coletadas pelo fotodiodo para cada
filtro óptico analisado.
3.2.2. Ambiente de Desenvolvimento
O software foi desenvolvido em linguagem C++ de programação através da
ferramenta C++ Builder.
3.2.3. Requisitos
•
A interface com o usuário deve ser simples e de fácil utilização;
•
Possibilitar a leitura dos valores de transmitância e comprimento de onda para
cada ponto do gráfico;
•
Possibilitar a recuperação das curvas de transmitância dos filtros ópticos já
analisados.
3.2.4. Fluxograma
A Figura 3.5 ilustra a seqüência de funcionamento do software.
72
Figura 3.5 – Fluxograma
Quando o software é inicializado, as opções Nova aquisição, Abrir gráfico,
Selecionar porta e Sair tornam-se disponíveis. Quando um novo gráfico é gerado,
73
são habilitadas as opções Fechar, Imprimir e Salvar. Cada uma das opções é
explicada em detalhes abaixo:
•
Nova aquisição
Um novo gráfico é aberto e ocorre a tentativa de comunicação com a porta
serial especificada pelo usuário. Se a tentativa não for bem-sucedida, ocorre erro.
Se houver sucesso, tem início a etapa de calibração do sistema. Quando esta etapa
termina, é mostrada uma mensagem ao usuário, solicitando que ele insira a amostra
a ser analisada. Tem início então a etapa de análise da amostra. Ao fim deste
passo, os dados adquiridos nas duas etapas são tratados e o gráfico de
transmitância referente à amostra é plotado. São habilitadas mais três opções para o
usuário: Fechar, Imprimir e Salvar.
•
Abrir Gráfico
Um novo gráfico é aberto e o usuário deve selecionar o arquivo de dados com
extensão .esp a ser aberto. Os dados do arquivo são lidos, tratados, e o gráfico de
transmitância para a amostra em questão é plotado. São habilitadas mais três
opções para o usuário: Fechar, Imprimir e Salvar.
•
Selecionar Porta
Esta opção permite ao usuário escolher a porta de comunicação serial a ser
usada no microcomputador.
•
Sair
Todas as janelas são fechadas e o programa é encerrado.
•
Fechar
A janela que contém o gráfico de transmitância é fechada.
•
Imprimir
O gráfico de transmitância é impresso.
•
Salvar
Os dados referentes ao gráfico de transmitância são salvos em um arquivo
com extensão .esp.
74
3.2.5. Protótipos de tela da interface
A tela inicial do software é mostrada na Figura 3.6. No canto superior
esquerdo da tela aparecem dois menus que apresentam as mesmas opções, um
deles em forma de lista e o outro é gráfico.
Figura 3.6 - Tela inicial do software
A Figura 3.7 mostra as operações disponíveis quando é selecionada a opção
Arquivo.
A Figura 3.8 mostra a caixa de diálogo que é aberta quando é selecionada a
opção Porta.
A Figura 3.9 mostra o gráfico de transmitância de um filtro que deixa passar
predominantemente os comprimentos de onda na região do azul. Através da barra
de rolagem inferior é possível verificar para um ponto da curva – marcado com um
pequeno círculo branco - qual é a transmitância e o comprimento de onda.
75
Figura 3.7 – Opção Arquivo
Figura 3.8 – Opção Porta
Figura 3.9 – Gráfico de transmitância
3.3. Calibração
O monocromador teve de ser desmontado para que fosse realizada a limpeza
das peças que o compõem e, por isso, perdeu-se a referência de qual comprimento
76
de onda estava sendo focado na fenda de saída em relação à posição na qual o
excêntrico se encontrava.
Para que se encontrasse novamente uma referência, criou-se um software
que, no decorrer de um giro completo do excêntrico, retornava em um arquivo os
valores decimais de leitura do fotodiodo. Foram feitas leituras para o fotodiodo nos
modos R, G, B e clear, associando o valor de leitura com a posição do excêntrico e,
conseqüentemente, com o passo do motor.
Os valores obtidos foram inseridos em uma planilha do Excel e a partir
destes, foram plotados quatro curvas, uma referente a cada filtro. Estas curvas estão
ilustradas na Figura 3.10.
Figura 3.10 – Gráfico passo do motor x transmitância para o fotodiodo nos modos R,
G, B e clear
Tendo o gráfico que relaciona transmitância com a posição do motor para
cada filtro do fotodiodo, selecionaram-se as posições do motor nas quais as curvas
apresentavam valor máximo de transmitância. Obtiveram-se os seguintes resultados:
•
R: passo 247
77
•
G: passo 140
•
B: passo 176
•
Clear: passo 239
Tais valores foram comparados com o gráfico fornecido no datasheet do
fotodiodo, que é mostrado na Figura 3.11. Para tal gráfico, os valores de máximo
das curvas correspondem aos seguintes comprimentos de onda:
•
R: 690 nm
•
G: 480 nm
•
B: passo 540 nm
•
Clear: 680 nm
Figura 3.11 - Gráfico de transmitância fornecido pelo datasheet
78
Os passos do motor foram relacionados com os comprimentos de onda para
os valores de máximo das curvas.
•
R: passo 247 = 690 nm
•
G: passo 140 = 480 nm
•
B: passo 176 = 540 nm
•
Clear: passo 239 = 680 nm
Assim, descobriu-se que cada passo do motor correspondia a uma variação
de positiva de 2 nm em relação ao passo anterior e que o passo 65 correspondia à
emissão
de
um
feixe
monocromático
com
comprimento
de
onda
de
aproximadamente 330 nm. O gráfico que associa o comprimento de onda com a
transmitância para cada filtro do fotodiodo está ilustrado na Figura 3.12.
Figura 3.12 - Gráfico de transmitância para o fotodiodo nos modos R, G, B e clear
79
3.4. Validação
A validação do projeto foi realizada através da comparação dos gráficos
gerados pelo sistema com os gráficos gerados por um espectrofotômetro Varian
Cary 50 Bio (Figura 3.13), para as mesmas amostras.
A Figura 3.14 mostra a leitura obtida para um filtro passa alta de 475 nm,
realizada com o espectrofotômetro Varian. A Figura 3.15 apresenta a leitura feita
pelo software apresentado neste projeto, para o mesmo filtro.
Figura 3.13 - Espectrofotômetro Varian Cary 50 Bio
Figura 3.14 – Curva de transmitância para filtro passa - alta 475 nm gerada pelo
espectrofotômetro Varian
80
Figura 3.15 – Curva de transmitância para filtro passa-alta 475 nm gerada pelo
Espectrômetro Acadêmico
A Figura 3.18 mostra a leitura obtida para um filtro vermelho, com
especificações desconhecidas, realizada com o espectrofotômetro Varian. A Figura
3.19 apresenta a leitura feita pelo software apresentado neste projeto, para o mesmo
filtro.
Figura 3.16 – Curva de transmitância para filtro vermelho gerada pelo
espectrofotômetro Varian
81
Figura 3.17 – Curva de transmitância para filtro vermelho gerada pelo
Espectrômetro Acadêmico
3.5. Resultados
As curvas de transmitância geradas pelo sistema apresentaram, de modo
geral, comportamento compatível com as especificações dos filtros analisados, na
região do azul até o vermelho.
Na região do ultravioleta/violeta, as curvas apresentaram um ganho maior do
que o esperado, como pode ser observado na Figura 3.18, que mostra um filtro
passa-faixa verde. Teoricamente, este filtro bloquearia os comprimentos de onda na
faixa dos 330-400 nm. De fato, este bloqueio ocorre, mas o gráfico mostra que,
nesta faixa, o filtro chega a apresentar mais de 60% de transmitância. Isto ocorre
porque a fonte de luz branca emite pouca energia nesta faixa de comprimentos de
onda e também porque o fotodiodo apresenta uma leitura pouco exata para esta
região.
Uma solução possível para este problema seria alterar o ganho da curva na
região do ultravioleta/violeta. Outras soluções seriam a utilização de uma fonte de
luminosidade cuja emissão de energia na região do ultravioleta/violeta seja mais
intensa, e a utilização de um fotodiodo que captasse com mais eficiência
comprimentos de onda abaixo de 400 nm.
Também na região do vermelho/infravermelho, o ganho da curva foi elevado
82
em relação ao esperado, como pode ser observado na Figura 3.18. A causa mais
provável para esta incorreção é a atribuição de um ganho uniforme para toda a
curva, sendo que o giro do excêntrico não garante uma emissão linear de
comprimento de onda em relação aos passos do motor para esta região. Neste
caso, há a necessidade de se determinar um novo valor de ganho para a curva
nesta região.
Para realizar a correção da curva na região do ultravioleta tomou-se como
base a curva de transmitância do filtro vermelho e para corrigir a curva na região do
infravermelho, tomou-se como base a curva de transmitância do filtro azul. A curva
de transmitância para o filtro verde, já corrigida, é ilustrada na Figura 3.19.
Figura 3.18 – Curva de transmitância de filtro passa-faixa verde
Figura 3.19 – Curva de transmitância de filtro passa-faixa verde corrigida
83
84
4. PROJETO
4.1. Projeto de Hardware
Os esquemáticos relativos ao diagrama em blocos ilustrado na Figura 3.4
bem como o projeto da placa de circuito impresso e a lista de componentes
utilizados são mostrados na seção de anexos deste documento . Abaixo, estão a
Tabela 4.1 e a Tabela 4.2 que relacionam os sinais de interface entre os blocos de
hardware.
4.1.1. Sinais de Interface
Tabela 4.1 - Sinais Digitais de Interface
ANEXO
RÓTULO
TIPO DE
BARRAMENTO
LÓGICA DE
OPERAÇÃO
8.1, 8.4
INT
Controle
↑
8.2, 8.3
FD
Dados
0/1
8.3, 8.4
S2, S3
Controle
0/1
8.4, 8.6
A
Controle
0/1
Pulso de conversão a-d
Saída do fotodiodo para o
conversor f-v
Seleção de filtro do
fotodiodo
Ativa a bobina A do motor
8.4, 8.6
B
Controle
0/1
Ativa a bobina B do motor
8.4, 8.6
A’
Controle
0/1
Ativa a bobina A' do motor
8.4, 8.6
B’
Controle
0/1
Ativa a bobina B' do motor
8.4, 8.8
RX
Dados
0/1
Receber dados serialmente
8.4, 8.8
TX
Dados
0/1
8.4, 8.5
CHI
Controle
0/1
8.4, 8.5
CHF
Controle
0/1
FUNÇÃO
Transmitir dados
serialmente
Sinaliza a posição inicial do
motor
Sinaliza a posição final do
motor
Tabela 4.2- Sinal Analógico de Interface
ANEXO
RÓTULO
DO SINAL
TIPO
AMPLITUDE
8.1,8.2
FSINAL
Dado
0-5V
FUNÇÃO DO SINAL
Saída do conversor f-v para o
conversor a-d
85
4.1.2. Lista de Materiais
A lista de materiais utilizados para a implementação dos esquemáticos está
na seção de anexos deste documento.
4.2. Projeto de Software
A seguir, são apresentados os diagramas relativos à lógica e aos dados do
software que é executado no microcomputador. Na seção Firmware são
apresentados os diagramas relativos ao código que é programado diretamente no
microcontrolador.
4.2.1. Lógica
4.2.1.1.
Diagrama de Casos de Uso
A Figura 4.1 ilustra os casos de uso observados no sistema.
Figura 4.1 - Diagrama de Casos de Uso
86
Segue uma breve descrição dos casos de uso ilustrados na figura acima.
•
Adquirir curva: gera a curva de transmitância de uma amostra;
•
Abrir curva: gera a curva de transmitância de uma amostra que já foi
analisada e cujos dados foram armazenados em arquivo;
•
Salvar curva: grava em arquivo dados correspondentes à curva de
transmitância de uma amostra;
•
Imprimir curva: imprime a curva de transmitância referente a uma amostra
já analisada;
•
Definir porta: é definida a porta serial de comunicação do sistema.
4.2.1.2.
Diagramas de Seqüência
Os diagramas de seqüência abaixo ilustram a ordem das interações dos
atores externos com o sistema e os eventos que eles geram.
A Figura 4.2 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso "Adquirir
Curva". O usuário inicia o processo de aquisição de uma curva e, no decorrer do
processo é requisitado que ele remova o filtro para a calibração do sistema e,
depois, que insira um filtro para que seja analisado.
A Figura 4.3 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso "Abrir Curva".
É solicitado ao usuário que especifique o caminho do arquivo a ser aberto.
A Figura 4.4 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso "Salvar Curva".
É solicitado ao usuário que especifique o caminho no qual o arquivo será salvo.
A Figura 4.5 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso "Imprimir
Curva". Quando uma curva está presente na tela, é possível imprimi-la.
A Figura 4.6 mostra o diagrama de seqüência do caso de uso "Definir Porta".
Antes de iniciar o processo de aquisição, o usuário pode selecionar qual será a porta
de comunicação serial usada pelo sistema.
87
Figura 4.2 - Diagrama de seqüência "Adquirir Curva"
Figura 4.3 - Diagrama de seqüência "Abrir Curva"
Figura 4.4 - Diagrama de seqüência "Salvar Curva"
88
Figura 4.5 - Diagrama de seqüência "Imprimir Curva"
Figura 4.6 - Diagrama de seqüência "Definir Porta"
4.2.1.3.
Diagrama de Classes
Um diagrama de classe ilustra as especificações de software para as classes
e interfaces do sistema. A Figura 4.7 ilustra o diagrama de classes do software. As
classes que compõem o software são as seguintes:
•
UFrmPrincipal: Tela principal;
•
UFrmAguarde: Mensagem para o usuário;
•
UFrmPorta: Seleção de porta serial de comunicação;
•
UFrmGrafico: Tela que contém o gráfico;
•
CThreadLeitura: Thread de leitura do sistema;
•
CEspectro: Classe que contém as funções de tratamento de dados e que
faz interface entre a tela principal e a classe de comunicação e de
persistência;
89
•
CComunicação: Classe que implementa a comunicação serial;
•
CPersistência: Classe que realiza a manipulação de arquivos.
Figura 4.7 - Diagrama de Classes
4.2.2. Firmware
O firmware é, por definição, o software contido em um dispositivo
programável. Para o firmware deste projeto, foram elaboradas duas formas de
representação de dados: diagrama de estados e fluxograma.
90
4.2.2.1.
Diagrama de Estados
Abaixo são apresentados o diagrama de estados do motor e do fotodiodo.
O diagrama de estados do motor mostra os sinais que ativam a mudança no
sentido do giro do eixo do motor e que cessam o movimento. Tais sinais são CHI,
que se refere à chave fim-de-curso do início do excêntrico, e CHF, que se refere à
chave fim-de-curso do final do excêntrico.
Inicialmente, o motor está parado. Se o circuito estiver energizado, o motor
gira em sentido horário até que CHI seja ativada, fazendo assim com que o motor
gire até levar o excêntrico à sua posição inicial. Depois disso, o motor gira em
sentido anti-horário enquanto é realizada a calibração do sistema ou a análise da
amostra. Quando CHF é ativada, o motor gira em sentido horário até que o
excêntrico volte à posição inicial (CHI ativa), então este pára.
Figura 4.8 - Diagrama de Estados do Motor
A Figura 4.9 ilustra o diagrama de estados do fotodiodo. Dependendo do nível
lógico dos sinais S2 e S3 ocorre a seleção de um dos quatro tipos de filtro do
fotodiodo: vermelho, verde, azul ou clear.
Este diagrama foi utilizado na fase de calibração do hardware, quando não
havia ainda uma relação linear entre os passos do motor e o comprimento de onda
da energia luminosa sendo emitida pelo monocromador. Depois de definida a
relação, o fotodiodo foi utilizado somente no modo clear.
91
Figura 4.9 - Diagrama de Estados do Fotodiodo
4.2.2.2.
Fluxograma
O fluxograma representado na Figura 4.10 mostra as principais ações
executadas pelo firmware. Em um levantamento de curva para um dado filtro, o
código presente no firmware é executado duas vezes: uma vez na etapa de
calibração do sistema e outra vez na etapa de análise da amostra.
Inicialmente, o firmware aguarda que o software envie um caractere 'a',
indicando que a fase de calibração do sistema ou de análise da amostra pode ser
iniciada. Quando o caractere é recebido, o motor gira em sentido horário até que a
chave de fim-de-curso inicial seja ativada, indicando que o motor girou o excêntrico
até sua posição inicial. Depois disso, é transmitido um pulso ao conversor analógicodigital para que este inicie a conversão.
O motor dá um passo no sentido anti-horário. Verifica-se então se a chave
fim-de-curso final já foi ativada. Em caso negativo, o firmware aguarda que o
software envie um caractere 'c', indicando que uma leitura do fotodiodo deve ser
realizada. Quando o caractere é recebido, a leitura do fotodiodo é transmitida
serialmente. Repete-se o processo descrito neste parágrafo até que a chave fim-decurso final seja ativada.
Transmite-se um caractere 0xFF para indicar ao software que o excêntrico
atingiu sua posição final. O motor gira em sentido horário até que a chave fim-de-
92
curso inicial seja ativada.
Figura 4.10 - Fluxograma do Firmware
93
94
5. CRONOGRAMA DE DESENVOLVIMENTO
Tabela 5.1 - Cronograma de desenvolvimento
Abaixo é apresentado o cronograma de desenvolvimento do projeto.
95
96
6. ESTUDO DE VIABILIDADE TÉCNICO-ECONÔMICA
A Tabela 6.1 mostra uma estimativa de custos para o projeto.
Tabela 6.1 - Estudo de viabilidade técnico-econômica
COMPONENTE
QUANTIDADE
CUSTO EM R$
TOTAL PARCIAL EM R$
Motor de passo
1
20,00
20,00
Monocromador
1
150,00
150,00
Microcontrolador
1
8,60
8,60
Fotodiodo
1
26,36
26,36
1m
18,00
18,00
Conversor A-D
1
10,00
10,00
Conversor F-V
1
17,00
17,00
Regulador de tensão
1
2,30
2,30
Conversor Serial
1
4,00
4,00
Componentes
discretos
40
20,00
20,00
Marcenaria
1
15,00
15,00
672
10,00
6720,00
Fibra óptica
Hora de Trabalho
TOTAL EM R$
7011,26
97
98
7. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ADVANCED MICRO SYSTEMS INC. Stepper Motor System Basics.
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Consultado em 04/11/2005.
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Model 6A, 6C Junior Spectrophotometer. Maywood, 1966.
COLEMAN INSTRUMENTS CORPORATION. Coleman Models 6|20 and 6|35 Junior
II Spectrophotometer. Oak Brook, 1974.
ERICSSON. Stepper Motor Basics.
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FAIRCHILD SEMICONDUCTOR. TIP110/111/112: Monolithic Construction with BuiltIn Base-Emitter Shunt Resistors.
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Transistor. http://www.fairchildsemi.com/ds/BC%2FBC548.pdf. Consultado em
04/11/2005.
HALLIDAY, D. Fundamentos de Física 4: Ótica e Física moderna. Rio de Janeiro:
LTC, 1991.
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99
26/03/2005.
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ADC0801/ADC0802/ADC0803/ADC0804/ADC0805:
8-Bit P Compatible A/D Converters.
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NMB TECHNOLOGIES CORP. Motor Engineering.
http://nmbtc.com/pdf/motors/engineering_sect.pdf. Consultado em 26/03/2005.
NUSSENZVEIG, H. M. Curso de Física Básica: Ótica, Relatividade, Física Quântica.
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O'CONNOR, J.J., ROBERTSON, E.F.Light Through the Ages: Ancient Greece to
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otransistor,%20ired%20data%20book.pdf. Consultado em 26/03/2005.
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Color Light to Frequency Converter.
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WEBSTER, J., CLARK, J. Medical Instrumentation: Application and Design. New
York: J. Wiley & Sons, 1998.
100
WERNECK, M. M. Transdutores e Interfaces. Rio de Janeiro: LTC, 1996.
YOUNG, M. Óptica e lasers: fibras e guias de onda ópticas. São Paulo: EDUSP,
1998.
114
9. GLOSSÁRIO
•
ABSORBÂNCIA - Razão entre a energia radiante absorvida por uma amostra
e a energia radiante incidente sobre ela.
•
ESPECTRO VISÍVEL – Porção do espectro eletromagnético à qual o olho é
sensível.
•
ESPECTROFOTOMETRIA – Na Física, a espectrofotometria é o estudo
quantitativo do espectro.
•
FIBRA ÓPTICA – Meio de transmissão projetado para transmitir sinais digitais
na forma de pulsos de luz.
•
FILTRO ÓPTICO – Dispositivo que transmite luz seletivamente.
•
FOTODIODO – Dispositivo semicondutor que converte luz em corrente
elétrica.
•
GRADE DE DIFRAÇÃO – Uma superfície óptica plana, transparente ou
refletora, com muitas ranhuras paralelas a distâncias precisamente
espaçadas. As partes ativas não são as ranhuras, mas as seções planas
entre elas, que agem como um grande número de fendas precisamente
espaçadas.
•
MONOCROMADOR – Dispositivo óptico que transmite uma banda de
comprimentos estreita e selecionável a partir de uma banda mais ampla de
comprimentos de onda.
•
MOTOR DE PASSO – Dispositivo que transforma pulsos elétricos em
movimento mecânico preciso.
•
ONDAS ELETROMAGNÉTICAS – Ondas que se propagam através da
variação simultânea e periódica de intensidade de um campo elétrico e outro
magnético.
•
REFLETÂNCIA - Razão entre a intensidade do feixe de luz refletido pela
amostra em relação à intensidade do feixe de luz original.
•
TRANSMITÂNCIA - Razão entre a intensidade do feixe de luz depois de
passar por uma amostra em relação à intensidade do feixe de luz original.