基于分光计的LabVIEW光谱仪设计与实现

贺珍妮，蔡志斌

(1.装甲兵工程学院 基础部，北京 100072；2.卡尤迪生物科技有限公司，北京 100085)



基于分光计的LabVIEW光谱仪设计与实现

贺珍妮1，蔡志斌2

(1.装甲兵工程学院 基础部，北京 100072；2.卡尤迪生物科技有限公司，北京 100085)

摘要：以分光计为仪器平台，在LabVIEW编程环境下构建了光谱仪. 详细介绍了仪器的虚拟操作界面、图像实时采集、波长和数据保存等功能，并利用该仪器测量了汞灯、LED(2 700 K与6 500 K)、蜡烛和加Na+后蜡烛的光谱.

关键词：光谱；LabVIEW；分光计

光谱仪是物理实验中常用的仪器，市面上光谱仪的价格在万元左右，实验室仅能配套几台供学生使用，不能满足教学的需求，另一方面在市场上购买的仪器功能固定不能拓展，后期维护只能依靠厂商，使用起来很不方便. 为了应对高校实验仪器不足的状况，尝试在实验室常用仪器分光计平台上搭建光谱仪，由此实现成本低、精度高、方便学生使用的目的；另一方面利用CCD采集光谱数据传输到计算机，利用LabVIEW虚拟仪器技术编写软件程序，具有仪器功能自定义、更新维护方便、功能不断拓展的特点，充分发挥了计算机技术和网络技术的优势.

1系统构成

常见的光谱仪一般由入射狭缝、分光元件、出射狭缝和光探测器4个部分构成. 光源经入射狭缝照射到分光元件上，根据色散或衍射原理将光波分离成光带，再通过机械或电动方式转动分光元件实现各波长扫描，在出射狭缝处由光探测器进行强度测量，由此得到光源的光谱. 本套设备使用透射光栅为分光元件.

分光计是一种精确测量角度的仪器，包括准直管、载物台、望远镜和读数装置4个部分，是大学物理实验常用仪器. 选择分光计平台，因其中的准直管正好满足入射狭缝的需要，而载物台上正好放置透射光栅和光探测器. 本套设备采用CCD作为光探测器，一次接收全部光谱，不需机械扫描，效率较高，系统硬件示意图如图1所示.

图1　系统硬件示意图

虚拟仪器是现代计算机技术和仪器技术相结合的产物，是以通用计算机为核心，根据用户对仪器的设计定义，用软件实现虚拟控制面板和测量功能的一种计算机仪器系统. 用户可通过鼠标、键盘来操作虚拟面板，如同1台专用测量仪器，实现对信号数据的采集、计算、存储、显示等功能，体现了“软件就是仪器”[1]. 使用LabVIEW语言可以使仪器编程过程简化，同时提高实验教学水平，给教学和研究都带来了方便. 很多高校都开设了LabVIEW虚拟物理实验，已经取得了一系列的学生创新成果[2].

2程序设计与实现

以可拓展性为设计原则，在LabVIEW的环境下，实现了虚拟操作界面、数据实时采集、波长计算、数据直方图、数据保存等功能.

2.1虚拟操作界面

采用传统仪器界面的风格，突出仪器的功能性，将功能相同的控件放在界面的同一区域，具有良好的实用性，且工作效率较高. 操作界面如图2所示，主要包括ROI鼠标工具栏、CCD参量设置、数值计算、图像显示、数据存储等区域. 程序使用了LabVIEW自带的ROI鼠标工具栏，可以方便地选取图像中的特定区域来进行数据分析， 同时使用Image控件实现图像的实时显示，不仅能全面地观察各级光谱情况选择最佳的观测谱带，而且可方便地缩放，关注某一个区域的详细情况.

图2　系统操作界面

2.2图像实时采集

为发挥虚拟仪器在实时技术上的优势，设计用户可以实现实时观察图像和数据直方图、选择摄像头参量、控制拍摄的起终、选定测量区域等功能. 程序采用NI MAX(Measure & Automation Explorer)对摄像头硬件设备进行配置，调用机器视觉中的图像采集(Image Acquisition)区的函数来实现设计要求. 程序基本流程：打开摄像头，开始采集，读取图像，显示图像，关闭摄像头，其中读取图像、显示图像放置在While循环当中，保证了图像的持续采集；另外程序中还使用了摄像头属性节点让用户控制摄像头属性；并在ROI工具栏画好测量区域点击“拍摄图像”按钮后，进行图像的数据处理和数据直方图的显示，最终保存数据，流程图和部分程序框图如图3和图4所示.

图3　图像采集部分流程图

图4　图像采集部分程序框图

2.3波长计算

波长测量的原理是光栅衍射，波长为λ的单色平行光照射到透射光栅上发生衍射，明纹位置由光栅方程确定

dsinθ=±kλ,k=1,2,3,…

(1)

式中：d是光栅常量，k是条纹级数，θ为第k级条纹的衍射角. 已知光栅常量和衍射条纹的信息，由衍射角的正弦即可求得待测光波的波长，这就是光谱仪的测量原理.

衍射角正弦可由摄像头采集的衍射条纹的相对距离推算，如图5所示.O是衍射成像中心位置，S是光波1级成像位置，θ为该条纹的衍射角. 当CCD聚焦清晰时，衍射成像平面与CCD距离固定，则1级条纹距中心的距离x与tanθ成正比，由三角公式可进一步计算衍射角的正弦. 数据处理的关键是标定x与tanθ之间的正比系数，方法是用户选定标准波长λ0并输入波长值，再由计算机识别谱线峰值对应的像素，计算像素中心距离x0. 定标完成以后，由图像的像素位置即可计算出光谱的波长.

图5　光栅衍射空间示意图

以汞灯为测量对象，图像采集到可见光波段的光谱如图6所示. 摄像头调试完成后，以其中1个谱线定标，依据式(1)可自动计算其他3个谱线的中心波长. 将测量数据与上海精科723型号的光谱仪数据进行对比，测量精度约为1 nm. 如果提高摄像头分辨率、增大光栅常量等，系统测量精度可进一步提高.

图6　汞灯光谱图

2.4数据直方图

在定量计算光谱波长的同时，如果测量对象是复色光还可以定性绘制相对光强的直方图. 不同波长之间亮度计算根据图像的灰度与RGB的以下经验关系得到

Gray=0.587G+0.299R+0.114B.

由此绘制数据直方图的横坐标是图像的像素(对应不同的波长)，纵坐标是相对亮度. LabVIEW程序通过自动识别选定ROI区域的相关信息，实现数据直方图的横坐标与图像中光谱的长度的映射，在采集的图像上直接显示波长和相对光强的直方图，使直方图与光谱完美对应，更加准确、明了地显示结果. 例如：利用该光谱仪观察LED光谱，如图7所示，直观上通过亮度曲线，可以看出2 700 K LED灯偏暖色(红黄区更亮)，6 500 K LED灯偏冷色(蓝绿区更亮)，与理论值一致.

(a)2 700 K

(b)6 500 K图7　2 700 K和6 500 K LED灯光谱

2.5数据保存

利用LabVIEW的报表生成功能，将摄像头参量、CCD采集图像、计算结果、数据分析直方图等内容生成研究报告，并根据需要可生成Word,Excel或图片等形式，通过联网方式提交报告.

3动态光谱测量

该装置从图像的采集到数据的处理和显示几乎是瞬时完成，由此可以实时测量动态光谱，这是传统仪器无法实现的. 例如在蜡烛上进行Na+焰色反应，得到光谱如图8所示. 该仪器可以测量物理/化学元素发光光谱，在此基础上可以不断拓展研究领域，适用于电镀、化学镀和化工等生产线工艺控制，也可用于环境监测等.

(a)蜡烛

(b)蜡烛加Na+图8　燃烧光谱

4结束语

该系统是以实验室常用仪器分光计为平台搭建，成本较低、精度较高、方便使用. 使用LabVIEW虚拟软件技术，充分发挥计算机的数据采集和处理的优势，体现了现代技术在大学物理实验上的应用. 将该仪器应用于第二课堂，学生可以测量各种光源的谱线，在编写程序调试仪器的过程中锻炼了学生思维能力和实践能力，丰富了大学物理实验的课程内容.

参考文献：

[1]彭勇,潘晓烨,谢龙汉. LabVIEW虚拟仪器设计及分析[M]. 北京:清华大学出版社，2011：1-205.

[2]蒋达娅，肖井华. 基于LabVIEW的物理实验再学生素质培养上的作用[J]. 实验技术与管理,2012,29(3):304-307.

[3]刘震宇,周艳明，谢中，等. 基于CCD和小型单色仪的微型光纤光栅光谱仪[J]. 物理实验,2008,28(1):14-18，27.

[4]戴笠,谢中，周艳明，等. 基于FPGA的自适应调节光栅光谱仪[J]. 物理实验,2009,29(5):17-21.

[5]王鑫,杨胡江. 虚实结合的物理实验教学研究与实践[J]. 物理实验,2015,35(10):15-18，22.

[6]王力,施芸城,杨忠杰. 基于LabVIEW的锁相放大器的设计与测量[J]. 物理实验,2015,35(9):33-36.

[责任编辑：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

中图分类号：TH744.1

文献标识码：A

文章编号：1005-4642(2016)04-0016-04

作者简介：贺珍妮(1984-)，女，安徽安庆人，装甲兵工程学院基础部讲师，硕士，主要从事大学物理实验教学与研究.

收稿日期：2016-01-06