A BLUETOOTH-BASED WIRELESS CONTROL OF A PORTABLE LIBS SYSTEM

INVESTIGACIÓN & DESARROLLO, No. 14, Vol. 2: 106 – 115 (2014) ISSN 2518-4431 CONTROL INALÁMBRICO DE UN SISTEMA LIBS PORTÁTIL BASADO EN TECNOLOGÍA BLUETOOTH A BLUETOOTH-BASED WIRELESS CONTROL OF A PORTABLE LIBS SYSTEM Iván Terceros y Omar Ormachea Centro de Investigaciones Ópticas y Energías (CIOE) Universidad Privada Boliviana (Recibido el 10 noviembre 2014, aceptado para publicación el 20 de noviembre 2014) RESUMEN Se presenta el desarrollo de un sistema de control inalámbrico, basado en tecnología bluetooth, para un sistema LIBS (Laser-Induced Breakdown Spectroscopy) que utiliza un prototipo láser Nd:YAG+++ portátil de una potencia estimada de 10 MW/cm2, un espectrómetro de difracción de 0.27 nm de resolución y 76.9 nm de ancho espectral (prototipos construidos y desarrollados en el CIOE). Se optimizaron los circuitos electrónicos de control, potencia, fuente y batería del láser, obteniendo un menor tamaño y peso para el sistema LIBS. Se instalaron todos los componentes electrónicos en placas impresas generadas en una máquina de Control Numérico por Computadora TK-CNC. El sistema es capaz de funcionar tanto con una batería del tipo LiPo (Lithium Polymer) como con la red convencional de energía eléctrica. Se diseñó y construyó un primer prototipo de una pistola de medición compuesta del cabezal laser, un sistema de sincronización electrónica entre el láser y el sensor del espectrómetro (trigger) y un sistema óptico para la recolección de la luz de la muestra ablacionada por radiación. El sistema inalámbrico permite controlar al láser portátil desde un computador, haciendo posible el cambio de parámetros de funcionamiento del láser tales como la frecuencia, la energía de disparo y la toma sincronizada de datos del espectrómetro. El sistema completo que consta de un láser pulsado, un espectrómetro y el sistema de recolección de luz; tiene un peso relativamente bajo (aproximadamente 6kg) y un costo menor en un 30% de sistemas similares portátiles. ABSTRACT We describe the development of a Bluetooth-based wireless control for a LIBS (Laser-induced Breakdown Spectroscopy) system that uses a portable prototype Nd:YAG+++ laser with an estimated power of 10MW/cm2, a spectrometer with 0.27nm of diffraction resolution and 76.9nm of spectral width. All the prototypes were developed and built in our research institute, the CIOE. We optimized the electronic control circuits, the power supply and the laser battery, thus enabling the reduction in size and weight of the LIBS system. All electronic components were installed on printed circuit boards that were generated on a computer numerical control machine TK-CNC. The system is able to operate with a LIPO (Lithium Polymer) battery as well as with the conventional power grid. We designed and built a first prototype of a measurement gun composed of the laser head, an electronic synchronization system between the laser and the spectrometer sensor (trigger) and an optical data input system for collecting light of radiation-ablated samples. The wireless system allows controlling the portable laser from a computer, enabling to apply changes on the laser operating parameters such as frequency, spark energy and synchronized data capture from the spectrometer. The full system consists of a pulsed laser, a spectrometer and a light collection system; it has a relative low weight (about 6Kg) and is 30% cheaper than similar portable systems. Palabras Clave: Control Electrónico Inalámbrico, Bluetooth, Espectroscopia de Emisión Atómica, LIBS, Láseres. Keywords: Wireless Electronic Control, Bluetooth, Atomic Emission Spectroscopy, LIBS, Lasers. 1. INTRODUCCIÓN LIBS (Laser Induced Breakdown Spectroscopy), por sus siglas en inglés, se refiere a la espectroscopía de emisión atómica inducida por radiación láser [1]. Ésta es una técnica muy poderosa para el análisis en tiempo real de la composición atómica de una gran variedad de materiales, desde metales y muestras geoquímicas hasta agentes biológicos [2], [3], [4], [5], [6]. Tognoni, et al. [7] concluyen que con esta técnica no se necesita una preparación previa de la muestra y la sensibilidad de detección puede llegar hasta partes por millón (ppm). El funcionamiento de este sistema consiste en un pulso láser de alta intensidad el cual es focalizado hacia la muestra a analizar, posicionada de unos pocos centímetros a un metro de la muestra. Un pulso láser de unos 10 nanosegundos de tiempo de vida es suficiente para poder excitar a la muestra. Cuando se dispara el láser, la alta temperatura del pulso concentrado produce plasma. A medida que el plasma se enfría (~1.0 µsec después del disparo láser), los átomos excitados en el plasma emiten luz, con longitudes de onda particulares que distinguen a cada elemento atómico [1]. Todos los elementos de la tabla periódica emiten en la región 200-980 nm. 106 UPB - INVESTIGACIÓN & DESARROLLO, No. 14, Vol. 2: 106 – 115 (2014) CONTROL INALÁMBRICO DE UN SISTEMA LIBS PORTATIL… En Bolivia, la Universidad Privada Boliviana (UPB) ha venido trabajando desde el año 2007 en el desarrollo de láseres pulsados [8], [9], llegando a desarrollar un prototipo láser portátil destinado a aplicaciones LIBS [10]. Se implementó adicionalmente una línea de desarrollo y construcción de espectrómetros ópticos para su implementación en los sistemas mencionados [11], [12]. Actualmente, existe una línea de investigación sobre sistemas LIBS en el Centro de Investigaciones Ópticas y Energías (CIOE) de la UPB [13], [14], siendo este trabajo parte de dicha línea de investigación y el primer esfuerzo por desarrollar un sistema LIBS en Bolivia. El desarrollo de los prototipos mencionados en el CIOE, ha dado resultados muy interesantes y con buenas expectativas para introducir esta tecnología y metodología de análisis al área de la minería boliviana. La tarea principal emprendida, es el desarrollo de un sistema LIBS completamente portátil y autónomo desde el punto de vista energético, el cual pueda ser controlado de manera inalámbrica para facilitar su operación. En la Figura 1 se puede observar una representación foto-realista del diseño conceptual del sistema LIBS portátil propuesto y de su modo de uso. Este tipo de disposición del sistema puede ser muy útil cuando es necesario realizar trabajos de campo en áreas como la minería y geoquímica. Figura 1 – Diseño conceptual de un sistema LIBS portátil. En el diseño conceptual se muestra como componentes a la fuente de alimentación electrónica del láser portátil, el espectrómetro de amplio espectro, la pistola de medición compuesta del cabezal láser y el sistema óptico para la recolección de la luz de la muestra ablacionada por radiación láser. Se observa igualmente un netbook para el control del láser y la sincronización del sistema de toma de datos ópticos a través de tecnología inalámbrica bluetooth. 2. TECNOLOGÍA INALÁMBRICA BLUETOOTH La tecnología inalámbrica Bluetooth es una tecnología de ondas de radio de corto alcance cuyo objetivo e (...truncated)