Proposta de Amplificador Lock-in via Software para Aplicações em Espectroscopia Óptica

Resumo

A espectroscopia óptica é uma técnica de caracterização de materiais e efeitos dinâmicos amplamente utilizada. O espectro molecular de uma substância pode ser determinado pela alteração na distribuição de carga de suas moléculas constituintes sob a ação de radiação eletromagnética (BASS, 1995; JACKSON, 1998; STONE, 1963). Para analisar características ópticas destas substâncias é possível aplicar técnicas de espectroscopia de absorção, fluorescência, fosforescência, entre outras (YOKOSHIKI, NAKAMOTO, 2018; SOROKIN et al., 2017). No tocante à instrumentação das técnicas de espectroscopias citadas, tem-se em comum o uso do amplificador lock-in ou amplificador síncrono. Como principal característica deste equipamento tem-se a capacidade de obter o mensurando, mesmo quando ele está imerso em uma densidade de ruído superior à sua amplitude (AYAT et al., 2016; MEADE, 1983; KLOOS, 2018; AKSHAYA et al., 2018). Uma proposta interessante do uso da técnica lock-in em espectroscopia óptica é aplicá-la de forma simultânea em todo o espectro em análise. Desta forma, torna-se viável realizar experimentos ópticos sem a necessidade de realizar o controle de iluminação externa. Assim, tem-se como objetivo desenvolver de um software que permita obter os dados de um espectrômetro, discretizá-lo e aplicar a técnica de processamento lock-in em cada ponto do espectro obtido, incluindo uma interface gráfica que permita ajustes de parâmetros do processamento, além de permitir visualizar os resultados de forma gráfica e tabular. O Objeto de Estudo (ODE) é excitado por uma componente de referência em fase de um sinal de tensão/corrente que pode ser senoidal ou quadrático. A saída do ODE é dada pela soma de sua própria amplitude com a componente do ruído. Interno ao amplificador lock-in é possível realizar um deslocamento de fase de 90º, gerando uma componente de referência em quadratura. Em seguida é realizada a correlação dos sinais de saída do ODE com sua respectiva componente de referência, sendo constituído de um multiplicador de sinais e de um filtro passa baixa. Com isso, obtém-se o resultado do processamento da correlação com os sinais em fase e em quadratura, respectivamente. Ambos os sinais são componentes contínuas (DC) diretamente proporcionais as características do ODE (AYAT et al., 2016; MEADE, 1983; KLOOS, 2018; AKSHAYA et al., 2018). O multiplicador conjuntamente com o filtro passa-baixa detecta apenas sinais com frequências próximas a dos sinais de referência em fase e em quadratura. As componentes harmônicas do sinal do ruído que são distantes da frequência do sinal de referência são atenuadas na saída do multiplicador pelo filtro passa-baixa. Em compensação, as componentes que são próximas da frequência de referência adicionam na saída do amplificador lock-in sinais de tensão ou corrente de baixa frequência. A atenuação destas componentes depende da constante de tempo do filtro passa-baixa. Quanto maior o valor da constante, menos o ruído irá influenciar na medição (AYAT et al., 2016; MEADE, 1983; KLOOS, 2018; AKSHAYA et al., 2018). Neste trabalho é possível realizar o processamento lock-in em até 2050 pontos de um espectro óptico de forma simultânea. Isso é viável a partir do desenvolvimento de um software. Para cada ponto do espectro óptico, o programa desenvolvido calcula a amplitude e fase e mostra de forma gráfica ou tabular o resultado do processamento. O usuário é capaz de inserir e configurar diversas informações e funcionalidades, como ajuste de dados iniciais: importação dos dados gerados pelo espectrômetro, exibição e ajuste da faixa espectral de trabalho, determinar o número de processamentos lock-in em paralelo, ajustar o tempo de amostragem, constante de tempo, processamento em quadratura e visualizar e exportar a informação processada. No teste de empenho do software, foram utilizados dois LEDs, sendo um na região do amarelo, e o outro na região do verde. O LED amarelo foi modulado com uma onda quadrada de frequência de 100 Hz. O LED verde foi alimentado por uma fonte de corrente DC. Desta forma o LED verde estava emulando o "ruído", com componentes espectrais na faixa de emissão do LED amarelo. A radiação luminosa resultante foi capturada pelo espectrômetro através do cabo óptico do equipamento. Verifica-se que o software consegue atenuar de forma significativa a influência da radiação do LED verde. O sinal recuperado mantém o perfil de emissão do LED amarelo, com a amplitude máxima no mesmo comprimento de onda e largura espectral. A relação sinal ruído do experimento foi de 20 dB. O esforço computacional requerido pelo programa permite a sua utilização em plataformas embarcadas, como por exemplo, o Raspberry PI. Desta forma, torna-se viável o desenvolvimento de equipamentos portáteis que permitem realizar análises de espectroscopia óptica sem a necessidade de controle de iluminação externa. Como prováveis aplicações pode-se citar as áreas de energia solar e caracterização de materiais biológicos.
Palavras-chave: processamento lock-in; espectroscopia óptica; sistemas embarcados.
 
Referências
AKSHAYA, S.; RAO, S. N., BENNACEUR, K. A survey of low-cost lock-in amplifiers for sensor applications. International Conference on Advances in Computing, Communications and Informatics (ICACCI), pp. 2486–2490, 2018.
AYAT, M.; KARAMI, M. A.; MIRZAKUCHAKI, S.; BEHESHTI-SHIRAZI, A. Design of multiple modulated frequency lock-in amplifier for tapping-mode atomic force microscopy systems. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, vol. 65, pp. 2284–2292, 2016.
BASS, M. Handbook of Optics, vol. 1, McGraw-Hill, 2 ed., 1995.
JACKSON, J. D. Classical Electrodynamics, Wiley, 3 ed., 1998.
KLOSS, G. Applications of Lock-in Amplifiers in Optics. Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, pp. 5–24, 2018.
MEADE, M. Lock-in amplifiers: principles and applications, pp. 1–4, Peter Peregrinus Ltd, 1983.
SOROKIN, A.; ZHVANSKY, E.; BOCHAROV, K.; POPOV, I; ZUBTSOV, D.; VORO-BIEV, A.; NIKOLAEV, E.; SHURKHAY, V.; POTAPOV, A. Multi-label classification of brain tumor mass spectrometry data in pursuit of tumor boundarydetection method. International Conference on Intelligent Informatics and Biomedical Sciences (ICIIBMS), pp. 169–171, 2017.
STONE, J. M. Radiation and Optics. New York: McGraw-Hill, 1963.
YOKOSHIKI, Y. NAKAMOTO, T. Characterization of field asymmetricion mobility spectrometry response to binary gas mixture. IEEESENSORS, pp. 1–4, 2018.