賀珍妮，蔡志斌

(1.裝甲兵工程學(xué)院 基礎(chǔ)部，北京 100072；2.卡尤迪生物科技有限公司，北京 100085)

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基于分光計(jì)的LabVIEW光譜儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

賀珍妮1，蔡志斌2

(1.裝甲兵工程學(xué)院 基礎(chǔ)部，北京 100072；2.卡尤迪生物科技有限公司，北京 100085)

摘要：以分光計(jì)為儀器平臺(tái)，在LabVIEW編程環(huán)境下構(gòu)建了光譜儀. 詳細(xì)介紹了儀器的虛擬操作界面、圖像實(shí)時(shí)采集、波長(zhǎng)和數(shù)據(jù)保存等功能，并利用該儀器測(cè)量了汞燈、LED(2 700 K與6 500 K)、蠟燭和加Na+后蠟燭的光譜.

關(guān)鍵詞：光譜；LabVIEW；分光計(jì)

光譜儀是物理實(shí)驗(yàn)中常用的儀器，市面上光譜儀的價(jià)格在萬元左右，實(shí)驗(yàn)室僅能配套幾臺(tái)供學(xué)生使用，不能滿足教學(xué)的需求，另一方面在市場(chǎng)上購(gòu)買的儀器功能固定不能拓展，后期維護(hù)只能依靠廠商，使用起來很不方便. 為了應(yīng)對(duì)高校實(shí)驗(yàn)儀器不足的狀況，嘗試在實(shí)驗(yàn)室常用儀器分光計(jì)平臺(tái)上搭建光譜儀，由此實(shí)現(xiàn)成本低、精度高、方便學(xué)生使用的目的；另一方面利用CCD采集光譜數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，利用LabVIEW虛擬儀器技術(shù)編寫軟件程序，具有儀器功能自定義、更新維護(hù)方便、功能不斷拓展的特點(diǎn)，充分發(fā)揮了計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的優(yōu)勢(shì).

1系統(tǒng)構(gòu)成

常見的光譜儀一般由入射狹縫、分光元件、出射狹縫和光探測(cè)器4個(gè)部分構(gòu)成. 光源經(jīng)入射狹縫照射到分光元件上，根據(jù)色散或衍射原理將光波分離成光帶，再通過機(jī)械或電動(dòng)方式轉(zhuǎn)動(dòng)分光元件實(shí)現(xiàn)各波長(zhǎng)掃描，在出射狹縫處由光探測(cè)器進(jìn)行強(qiáng)度測(cè)量，由此得到光源的光譜. 本套設(shè)備使用透射光柵為分光元件.

分光計(jì)是一種精確測(cè)量角度的儀器，包括準(zhǔn)直管、載物臺(tái)、望遠(yuǎn)鏡和讀數(shù)裝置4個(gè)部分，是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)常用儀器. 選擇分光計(jì)平臺(tái)，因其中的準(zhǔn)直管正好滿足入射狹縫的需要，而載物臺(tái)上正好放置透射光柵和光探測(cè)器. 本套設(shè)備采用CCD作為光探測(cè)器，一次接收全部光譜，不需機(jī)械掃描，效率較高，系統(tǒng)硬件示意圖如圖1所示.

圖1　系統(tǒng)硬件示意圖

虛擬儀器是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和儀器技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是以通用計(jì)算機(jī)為核心，根據(jù)用戶對(duì)儀器的設(shè)計(jì)定義，用軟件實(shí)現(xiàn)虛擬控制面板和測(cè)量功能的一種計(jì)算機(jī)儀器系統(tǒng). 用戶可通過鼠標(biāo)、鍵盤來操作虛擬面板，如同1臺(tái)專用測(cè)量?jī)x器，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)的采集、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示等功能，體現(xiàn)了“軟件就是儀器”[1]. 使用LabVIEW語言可以使儀器編程過程簡(jiǎn)化，同時(shí)提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平，給教學(xué)和研究都帶來了方便. 很多高校都開設(shè)了LabVIEW虛擬物理實(shí)驗(yàn)，已經(jīng)取得了一系列的學(xué)生創(chuàng)新成果[2].

2程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

以可拓展性為設(shè)計(jì)原則，在LabVIEW的環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)了虛擬操作界面、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、波長(zhǎng)計(jì)算、數(shù)據(jù)直方圖、數(shù)據(jù)保存等功能.

2.1虛擬操作界面

采用傳統(tǒng)儀器界面的風(fēng)格，突出儀器的功能性，將功能相同的控件放在界面的同一區(qū)域，具有良好的實(shí)用性，且工作效率較高. 操作界面如圖2所示，主要包括ROI鼠標(biāo)工具欄、CCD參量設(shè)置、數(shù)值計(jì)算、圖像顯示、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等區(qū)域. 程序使用了LabVIEW自帶的ROI鼠標(biāo)工具欄，可以方便地選取圖像中的特定區(qū)域來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析， 同時(shí)使用Image控件實(shí)現(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)顯示，不僅能全面地觀察各級(jí)光譜情況選擇最佳的觀測(cè)譜帶，而且可方便地縮放，關(guān)注某一個(gè)區(qū)域的詳細(xì)情況.

圖2　系統(tǒng)操作界面

2.2圖像實(shí)時(shí)采集

為發(fā)揮虛擬儀器在實(shí)時(shí)技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)用戶可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)觀察圖像和數(shù)據(jù)直方圖、選擇攝像頭參量、控制拍攝的起終、選定測(cè)量區(qū)域等功能. 程序采用NI MAX(Measure & Automation Explorer)對(duì)攝像頭硬件設(shè)備進(jìn)行配置，調(diào)用機(jī)器視覺中的圖像采集(Image Acquisition)區(qū)的函數(shù)來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求. 程序基本流程：打開攝像頭，開始采集，讀取圖像，顯示圖像，關(guān)閉攝像頭，其中讀取圖像、顯示圖像放置在While循環(huán)當(dāng)中，保證了圖像的持續(xù)采集；另外程序中還使用了攝像頭屬性節(jié)點(diǎn)讓用戶控制攝像頭屬性；并在ROI工具欄畫好測(cè)量區(qū)域點(diǎn)擊“拍攝圖像”按鈕后，進(jìn)行圖像的數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)直方圖的顯示，最終保存數(shù)據(jù)，流程圖和部分程序框圖如圖3和圖4所示.

圖3　圖像采集部分流程圖

圖4　圖像采集部分程序框圖

2.3波長(zhǎng)計(jì)算

波長(zhǎng)測(cè)量的原理是光柵衍射，波長(zhǎng)為λ的單色平行光照射到透射光柵上發(fā)生衍射，明紋位置由光柵方程確定

dsinθ=±kλ,k=1,2,3,…

(1)

式中：d是光柵常量，k是條紋級(jí)數(shù)，θ為第k級(jí)條紋的衍射角. 已知光柵常量和衍射條紋的信息，由衍射角的正弦即可求得待測(cè)光波的波長(zhǎng)，這就是光譜儀的測(cè)量原理.

衍射角正弦可由攝像頭采集的衍射條紋的相對(duì)距離推算，如圖5所示.O是衍射成像中心位置，S是光波1級(jí)成像位置，θ為該條紋的衍射角. 當(dāng)CCD聚焦清晰時(shí)，衍射成像平面與CCD距離固定，則1級(jí)條紋距中心的距離x與tanθ成正比，由三角公式可進(jìn)一步計(jì)算衍射角的正弦. 數(shù)據(jù)處理的關(guān)鍵是標(biāo)定x與tanθ之間的正比系數(shù)，方法是用戶選定標(biāo)準(zhǔn)波長(zhǎng)λ0并輸入波長(zhǎng)值，再由計(jì)算機(jī)識(shí)別譜線峰值對(duì)應(yīng)的像素，計(jì)算像素中心距離x0. 定標(biāo)完成以后，由圖像的像素位置即可計(jì)算出光譜的波長(zhǎng).

圖5　光柵衍射空間示意圖

以汞燈為測(cè)量對(duì)象，圖像采集到可見光波段的光譜如圖6所示. 攝像頭調(diào)試完成后，以其中1個(gè)譜線定標(biāo)，依據(jù)式(1)可自動(dòng)計(jì)算其他3個(gè)譜線的中心波長(zhǎng). 將測(cè)量數(shù)據(jù)與上海精科723型號(hào)的光譜儀數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，測(cè)量精度約為1 nm. 如果提高攝像頭分辨率、增大光柵常量等，系統(tǒng)測(cè)量精度可進(jìn)一步提高.

圖6　汞燈光譜圖

2.4數(shù)據(jù)直方圖

在定量計(jì)算光譜波長(zhǎng)的同時(shí)，如果測(cè)量對(duì)象是復(fù)色光還可以定性繪制相對(duì)光強(qiáng)的直方圖. 不同波長(zhǎng)之間亮度計(jì)算根據(jù)圖像的灰度與RGB的以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系得到

Gray=0.587G+0.299R+0.114B.

由此繪制數(shù)據(jù)直方圖的橫坐標(biāo)是圖像的像素(對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng))，縱坐標(biāo)是相對(duì)亮度. LabVIEW程序通過自動(dòng)識(shí)別選定ROI區(qū)域的相關(guān)信息，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)直方圖的橫坐標(biāo)與圖像中光譜的長(zhǎng)度的映射，在采集的圖像上直接顯示波長(zhǎng)和相對(duì)光強(qiáng)的直方圖，使直方圖與光譜完美對(duì)應(yīng)，更加準(zhǔn)確、明了地顯示結(jié)果. 例如：利用該光譜儀觀察LED光譜，如圖7所示，直觀上通過亮度曲線，可以看出2 700 K LED燈偏暖色(紅黃區(qū)更亮)，6 500 K LED燈偏冷色(藍(lán)綠區(qū)更亮)，與理論值一致.

(a)2 700 K

(b)6 500 K圖7　2 700 K和6 500 K LED燈光譜

2.5數(shù)據(jù)保存

利用LabVIEW的報(bào)表生成功能，將攝像頭參量、CCD采集圖像、計(jì)算結(jié)果、數(shù)據(jù)分析直方圖等內(nèi)容生成研究報(bào)告，并根據(jù)需要可生成Word,Excel或圖片等形式，通過聯(lián)網(wǎng)方式提交報(bào)告.

3動(dòng)態(tài)光譜測(cè)量

該裝置從圖像的采集到數(shù)據(jù)的處理和顯示幾乎是瞬時(shí)完成，由此可以實(shí)時(shí)測(cè)量動(dòng)態(tài)光譜，這是傳統(tǒng)儀器無法實(shí)現(xiàn)的. 例如在蠟燭上進(jìn)行Na+焰色反應(yīng)，得到光譜如圖8所示. 該儀器可以測(cè)量物理/化學(xué)元素發(fā)光光譜，在此基礎(chǔ)上可以不斷拓展研究領(lǐng)域，適用于電鍍、化學(xué)鍍和化工等生產(chǎn)線工藝控制，也可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)等.

(a)蠟燭

(b)蠟燭加Na+圖8　燃燒光譜

4結(jié)束語

該系統(tǒng)是以實(shí)驗(yàn)室常用儀器分光計(jì)為平臺(tái)搭建，成本較低、精度較高、方便使用. 使用LabVIEW虛擬軟件技術(shù)，充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集和處理的優(yōu)勢(shì)，體現(xiàn)了現(xiàn)代技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)上的應(yīng)用. 將該儀器應(yīng)用于第二課堂，學(xué)生可以測(cè)量各種光源的譜線，在編寫程序調(diào)試儀器的過程中鍛煉了學(xué)生思維能力和實(shí)踐能力，豐富了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的課程內(nèi)容.

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[責(zé)任編輯：尹冬梅]

Design and implementation of spectrograph system based on LabVIEW

HE Zhen-ni1， CAI Zhi-bin2

(1. Department of Fundamental Courses, Academy of Armored Forces Engineering, Beijing 100072， China；2. Coyote Bioscience(Beijing) Co. Ltd， Beijing 100085, China)

Abstract:On a spectrometer platform, a spectrograph system was built using LabVIEW. The functions of the system, such as virtual operation interface, real-time image acquisition, wave length calculation and data analysis and storage, were detailed. The applicability of the spectrograph system was verified by measuring the spectrum of mercury lamp, LED (2 700 K and 6 500K),candle and candle with Na+.

Key words:spectrum； LabVIEW； spectrometer

中圖分類號(hào)：TH744.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005-4642(2016)04-0016-04

作者簡(jiǎn)介：賀珍妮(1984-)，女，安徽安慶人，裝甲兵工程學(xué)院基礎(chǔ)部講師，碩士，主要從事大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)與研究.

收稿日期：2016-01-06