基于LabVIEW的定光栅摄谱仪的实现研究

    1 引 言

    摄谱仪是科研和实验室中经常使用的一种测量光谱的仪器, 目前这类仪器加工复杂、价格昂贵。由于被测发光器件的光谱容易受其他因素 ( 如电压、电流的微变) 的影响, 因此要求摄谱仪的软件设计具有一定的灵活性。用虚拟仪器技术只需配置必要的硬件, 使用美国 NI 公司提供的基于图形化编程语言 LabVIEW 的虚拟仪器编程环境, 结合计算机的模块化设计方法, 可以实现虚拟摄谱仪的功能, 并对其功能进行扩展, 实现传统仪器所不具备的谱线分析功能。

   2 摄谱仪的结构及实现功能

    2.1 摄谱仪的结构

    定光栅摄谱仪由水平交叉光路、光栅、CCD 芯片、16 位 A/D采集卡等组成。仪器光路图如图 1 所示。

    2.2 硬件工作原理

    如图 1 所示, 光源( 入射光纤) 通过小孔在凹面镜①变为平行光, 打在光栅③上, 经光栅作用后打在凹面镜②上, 由凹面镜②反射在 CCD 光敏④上面得到光谱信息, 其中光源入射孔为凹面镜①的焦点，④是CCD所在位置是凹而镜②的焦平而。这一种类似于李特洛( Littrow) 自准式装置的结构, 它是一种垂直对称的结构, 即入射孔和光谱面位于同一个垂直焦平面内, 对称于光轴并分布在光轴上下两册。这种结构的特点是像质好及结构紧凑, 可以使整个装置体积较小, 便于携带。摄谱仪中 CCD 上的信号再由 A/D 采集卡通过 USB 接口输入 PC 机进行处理, 同时 PC 机也可以通过 USB 总线进行仪器参数的设置及数据采集的控制。

    2.3 摄谱仪主要功能

    由于我们主要测量光源( 单色) 的峰值波长和及半波宽度。因此在仪器中, 我们首先需要用LabVIEW 驱动摄谱仪, 得到光谱信息。再利用虚拟仪器软件在信号分析和数学统计方面的优势对信号进行进一步分析、处理。在这个系统中完成对光谱仪的定标也是非常重要的。整个摄谱 仪的软件程序采用模块化设计, 共分为 3 个模块: 摄谱仪驱动模块、峰值波长换算模块、半波宽度计算模块, 分别完成光谱参数的测量和计算。

    3 虚拟摄谱仪的软件设计

    3.1 虚拟仪器软件平台简介

    虚拟仪器( Virtual Instruments, 简称 VI) 是个全新的概念, 它突破了传统仪器的特点, 将传统仪器由硬件实现的数据分析功能与显示功能, 改由功能强大的计算机及其显示器来完成, 并配置以相应的行数据采集, 再编制不同测试功能的软件对获得的信号数据进行分析处理及显示, 就可以构成一套完整的测试系统, 并具备数据处理的功能和友好的人机界面。同时, 仪器的功能和面板可以由用户根据需要自行定义或扩展, 而不是由厂家事先定义且固定不变。这样, 用户不必购买多台不同功能的仪器, 不必购买昂贵的集多功能于一身的传统仪器, 也不必不断的购买新的仪器。而且因为有网络的存在, 可以应用网络实现仪器共享或远程控制。虚拟仪器的出现, 彻底改变了传统的仪器观念, 开辟了测试计量技术的新纪元。