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基于LabVIEW和CCD的光谱数据采集与分析设计

来源:环球体育官方首页

  的光谱分析及数据采集系统,通过软件编写再次对采集到的信号进行了滤波处理,增加了增益调整功能;采用最小二乘法实现了对系统的波长标定,并实现了光谱曲线的峰值寻找功能,且与传统的线性定标法进行对比,进一步改善了测量精度。最后通过实验结果表明,可以用所做的光谱分析系统分辨出汞灯光谱的特性谱线,达到光谱分析的目的。

  随着科学技术的发展和光谱分析系统的广泛研究,人们对光谱分析系统的主要指标,如光谱测量范围、分辨率、精度等方面,都提出了越来越高的要求,光谱仪现在的发展方向是微型化、自动化和高精度化。因此,本文引入了新兴的虚拟仪器技术,设计了一个基于LabVIEW的光谱分析及数据采集系统,使光谱分析系统整体性能有所提高,并且操作简单,功能较强。

  根据光谱分析采集系统的工作流程,将整个系统分为光学系统设计、硬件设计及应用程序设计三部分工作。光谱分析系统是典型的基于光电探测器进行测量的光电检测仪器,所以结合系统的设计要求,为了满足微型化以及低成本的要求,考虑使用线阵CCD探测器。光栅分出的光由TCD1304AP型号线阵CCD采集接收,由调理电路进行放大滤波处理输送给A/D模数转换器,将模拟信号转换成数字信号,最后由PXI-6289采集到数据输送给上位机,选择LabVIEW接收数据、显示及分析等工作。

  分光系统是光谱分析系统中的关键部件,直接决定着系统的分光性能。光谱仪器的分光方式有多种,根据光谱测量方式的不同,分为滤光片分光、棱镜分光、光栅分光。本文选用的是光栅分光方式。这种设计结构简单,光损耗小,分辨率高、信噪比高。现在流行的CaernyTurner分光系统是一种非常紧凑的光学系统,把光路尽可能的简化。

  采用NI公司的数据采集卡PXI-6289,它可以直接插入工控机的PXI插槽中,即插即用,PXI-6289是一种高性能多功能数据采集卡,配有2.0GHz双核处理器,转换速度最大可达40kHz,并且为用户提供32路模拟输入通道,由于LabVIEW对其提供了驱动程序,所以采集数据是可直接调用软件中的采集函数,非常方便。

  根据系统指标要求,设计选择使用TCD-1304AP,由于输出的模拟信号比较微弱,通常只有几百毫伏,要想在实际应用中获得高质量的输出信号和高的系统信噪比,必须先对CCD的输出信号进行调理放大,经过一个射级跟随器进行功率放大,并对噪声进行一定的抑制,最大限度的滤除暗电流和低噪声信号所带来的干扰。TCD1304AP输出的模拟信号送入到以CLC409搭建的差分电路进行处理。

  由于数据采集过程中内在噪声,光路噪声等因素的存在,直接影响了系统的信噪比。所以要对得到的样品光谱信息进行滤噪处理。

  模拟滤波器和数字滤波器。传统模拟滤波器的输入和输出都是连续的,而数字滤波器的输入与输出都是离散时间信号。在LabVIEW中所要研究的都是数字滤波器(计算机中进行信号处理的都是数字信号)。

  在对原始数据进行滤波时,我们采用了多次测量,对测量结果进行累加最终取平均值的方法。测量的次数可以由用户根据自己的要求自行设定。设用户设定的测量次数为n次,则所得到的结果为:

  与上述平均值滤波方式有所不同的是,这里所论述的平滑滤波方式是在空间上对某个数据的平滑处理。对于某次测量采集得到的N个数据,我们采用以下的平滑滤波公式:

  其中,S为x1的处理邻域,m为S所包含的数据个数。比如m为7,那么每个被处理的数据前后各取3个数据进行平滑滤波。

  界面的左面部分是系统的控制面板,主要控制执行系统的某一些任务,比如波峰的自动寻找,波长的检索以及显示数值。系统的中间部分是CCD每个像元所对应的光强幅值。系统的右面部分主要实现数据的显示,光强值与像元的相对应以及光强值与定标后的波长的相对应。所以实现了光谱图像的显示功能。

  实现以上控制面板中功能的源代码,是应用图形编程语言编写。框图中包含有各种图形化函数、常量、变量、算法结构和连线等,从前面板中接收到用户输入的数据后,就会到设备内部运行相关指令参数进行相关操作,依据编好的程序,采用数据流的方式遍历程序,最后给出运行结果反馈给用户。

  本节采取特性光谱标定的方法对光谱进行相应地光谱标定,找到特定谱线在CCD上对应像元点位置。测试中选用低压汞灯来完成相对容易的光谱标定。汞灯有六条特性谱线nm,579.96nm,寻找出于基准光谱下的波峰值波长相关的几条光谱曲线所对的CCD像素序号,并且通过运用最小二乘法来完成三阶多项式的拟合。倘若这六条谱线,采集到的六条谱线与之相关的像元序号为x1、x2、x3、x4、x5、x6,由于光谱数宽度的选择比较窄以及像面弯曲等其他原因,导致采用最小二乘法三阶多项式拟合相对线性拟合误差要小一些,设拟合曲线方程为y=p(x),则:

  按照最小二乘原则可以得到最小二乘方程式的系数解,由此可确定拟合方程,进而进行特征谱线的标定及测量工作。

  本文选用线阵CCD作为光电探测器件,实现宽光谱、高分辨率的测量需求。用LabVIEW结合PXI采集卡实现光谱数据采集、分析、显示功能,具有开发周期短、简单、实用等特点,稳定性较好,能够满足多种光谱分析需求。

2021-12-08 12:13:05
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