ВЕСТНИК УДМУРТСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
3

ФИЗИКА И ХИМИЯ
2013. Вып. 3

Приборы и техника эксперимента

УДК 621.317.2

А.И. Ларионов, С.С. Алалыкин, А.С. Алалыкин, Е.А. Дурман

АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИМ 
ОБОРУДОВАНИЕМ НА ПРИМЕРЕ СФ-46

Представлена разработанная автоматизированная система управления спектрально-аналитического оборудова-
ния на примере СФ-46. Программно-аппаратный комплекс использует микросистему управления оборудовани-
ем с использованием шагового привода с точностью установки угла до 0,02 нм. Модернизированный модуль 
фотоприемника построен на широкодиапазонном высокоскоростном фотодиоде Hamamatsu S12271, перекры-
вающем весь спектральный диапазон СФ-46. Приводятся примеры полученных спектров.

Ключевые слова: микросистема управления, шаговый двигатель, специальное программное обеспечение, спек-
трофотометр.

Введение

Заметное место в арсенале современных инструментальных аналитических технологий занима-

ет оптическая спектроскопия. На мировом уровне спектрально-аналитического оборудования соот-
ветствующая аппаратура представлена такими фирмами, как Perkin Elmer, Bruker, Shimadzu, Thermo
Scientific и другими. Рассматривая технические характеристики спектрофотометров УФ- и видимого 
диапазона, таких как Shimadzu UV-mini 1240, Shimadzu UV-1800, Shimadzu BioSpec-nano, Thermo Sci-
entific Evolution 300, Thermo Scientific Evolution 600 и других, можно указать, что механическая и 
оптическая системы отечественных спектрофотометров находятся на одном уровне с мировыми 
фирмами, тогда как электронная часть (в том числе фотоприемного блока) нуждается в полной реви-
зии и модернизации.

Характеристики отечественных спектрофотометров

№
Наименование 

СФ - 46

СФ - 56

СФ- 2000

Юнико 

1200/1201

Модернизиро-

ванный 

СФ- -46 [1]

СФ- 102/104

СФ - 46 

с микро-

системой

1
Диапазон измерения Т, %
1-100
0,01-200
0,1-200
0-125
0,01-200
0-200
0,01-100

2
Погрешность установки 
длин волн, нм
0,5
1
0,4
2
0,08
-
0,02

3
Повторяемость установки 
длин волн, нм
-
-
-
1
0,04
0,04
0,02

4
Наименьший спектральный 
интервал, нм
0,15
0,3
1
5
0,15
3/2
0,15

5
Спектральный диапазон, нм
130-
1100

190-
1100
190-1100
325-1000
190-1100

200-
1000 
190-
1000

190-1100

6
Автоматическая смена 
образцов
-
+
+
-
+
+
-

7
Число образцов 
(количество гнезд)
4
6
10
1
6
_
4

8
Цифровой выход
-
-
+
-
+
+
+

9
Дисплей
+
-
+
-
+
+
+

10 Тип приемника
ФЭ
ФД
ПЗС
ФД
ФЭ
-
ФД

А.И. Ларионов, С.С. Алалыкин, А.С. Алалыкин, Е.А. Дурман

2013. Вып. 3
ФИЗИКА И ХИМИЯ

В основном измерительные оптические приборы состоят из трех основных систем: оптической, 

механической и электрической. Как правило, приборы имеют различную механическую и электриче-
скую системы, а оптическая система имеет классическую схему и удовлетворяет современным тех-
ническим требованиям, включая в себя путь от источника  излучения до фотоэлемента. Механическая 
система обеспечивает смену образцов, поворот зеркал, движение шторки фотоприемника и т. д. Элек-
трическая же система отвечает за питание источников света, усиление, преобразование сигнала, ото-
бражение измеряемой величины. Для сравнения указанные характеристики спектрофотометров пред-
ставлены в таблице.

Анализ технических характеристик спектрофотометров, выпускаемых в настоящее время с 

классической оптической схемой, показал, что для эксплуатации наиболее важны такие технические 
и эксплуатационные параметры, как погрешность и повторяемость установки длин волн, наименьший 
спектральный интервал, спектральный диапазон, наличие цифрового выхода и дисплея. 

Модернизация спектрофотометра, проведенная в данной работе, заключалась в построении 

системы позиционирования поворота дифракционной решетки, формировании фотоприемной части 
путем применения широкодиапазонного высокоскоростного фотодиода и построении автоматизиро-
ванной системы управления спектрофотометром, максимально независимой по отношению к системе 
управления и обработки результатов с компьютера.

Техническая реализация

В СФ-46 для обеспечения работы спектрофотометра в широком спектральном диапазоне ис-

пользовалось два фотоэлемента (ФЭ). Сурьмяно-цезиевый фотоэлемент с окном из кварцевого стекла 
применяется для измерений в области спектра от 190 до 700 нм, кислородно-цезиевый фотоэлемент –
для измерений в области спектра от 600 до 1100 нм. Таким образом, для построения спектра необхо-
димо проводить сшивку областей измерений с каждого фотоэлемента. Дополнительным фактором, 
ухудшающим фотометрическую точность измерений, является более быстрое старение фотоэлемен-
тов по сравнению с фотодиодными структурами и ПЗС матрицами. Устранение указанных недостат-
ков возможно при применении широкодиапазонного приемника на фотодиоде или ПЗС матрице. В 
данной работе был применен широкодиапазонный высокоскоростной фотодиод Hamamatsu S12271,
покрывающий весь спектральный диапазон СФ-46. Фотодиод включается в режиме обратного сме-
щения. Выход фотодиода предварительно усиливается операционным усилителем, затем аналоговый 
сигнал поступает на систему оцифровки CriSTAD M2.2 с 24-битным сигма-дельта преобразованием и
режекцией синфазных сигналов. Плата оцифровки CriSTAD имеет регулируемый диапазон приема 
аналоговых данных от ± 19мВ до ± 2.5В с частотой измерения до 1 KSPS, по необходимости произ-
водится предварительная статистическая математическая обработка с усреднением. Затем данные 
поступают на микросистему управления оборудованием.

Модернизация механической системы заключалась в замене системы ручного поворота ди-

фракционной решетки на систему с применением современных шаговых двигателей. На вал червяч-
ной передачи управления поворотом дифракционной решетки установили шаговый двигатель с пол-
ным шагом 0,9º и энкодер для контроля положения вала. Данное техническое решение сводит к ми-
нимуму погрешности установки поворота дифракционной решетки, связанной с люфтами в механи-
ческой части, присутствующей в любой механике, использующей шестеренчатые передачи. Управле-
ние двигателем производится драйвером шагового двигателя с возможностью дробления полного ша-
га на 16, таким образом минимальный единичный шаг двигателя составляет 0,056º. Для сканирования 
всего диапазона 190-1100 нм необходимо червячному валу совершить 9 оборотов или 57857 шагов 
двигателя. За один тактовый шаг двигателя происходит изменение длины волны на 0,016 нм. Управ-
ляющие команды поступают с микросистемы управления оборудованием.

Микросистема управления оборудованием была построена на основе программно-аппаратного 

комплекса [2]. Анализ микросистемы показал универсальный прикладной характер построения таких 
систем для реализации научного технического и аналитического оборудования в целом. Управляю-
щий модуль микросистемы состоит из двух ядер: высокопроизводительного Core1 и высокоскорост-
ного Core2. Задачи для двух ядер распараллелены в зависимости от функций, которые они могут вы-
полнять автономно. В соответствии со спецификой работы указанного оборудования можно указать 
следующие задачи, выполняемые ядрами системы.