基于分光計的LabVIEW光譜儀設計與實現

賀珍妮，蔡志斌

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

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基于分光計的LabVIEW光譜儀設計與實現

賀珍妮1，蔡志斌2

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

摘要：以分光計為儀器平臺，在LabVIEW編程環境下構建了光譜儀. 詳細介紹了儀器的虛擬操作界面、圖像實時采集、波長和數據保存等功能，并利用該儀器測量了汞燈、LED(2 700 K與6 500 K)、蠟燭和加Na+后蠟燭的光譜.

關鍵詞：光譜；LabVIEW；分光計

光譜儀是物理實驗中常用的儀器，市面上光譜儀的價格在萬元左右，實驗室僅能配套幾臺供學生使用，不能滿足教學的需求，另一方面在市場上購買的儀器功能固定不能拓展，后期維護只能依靠廠商，使用起來很不方便. 為了應對高校實驗儀器不足的狀況，嘗試在實驗室常用儀器分光計平臺上搭建光譜儀，由此實現成本低、精度高、方便學生使用的目的；另一方面利用CCD采集光譜數據傳輸到計算機，利用LabVIEW虛擬儀器技術編寫軟件程序，具有儀器功能自定義、更新維護方便、功能不斷拓展的特點，充分發揮了計算機技術和網絡技術的優勢.

1系統構成

常見的光譜儀一般由入射狹縫、分光元件、出射狹縫和光探測器4個部分構成. 光源經入射狹縫照射到分光元件上，根據色散或衍射原理將光波分離成光帶，再通過機械或電動方式轉動分光元件實現各波長掃描，在出射狹縫處由光探測器進行強度測量，由此得到光源的光譜. 本套設備使用透射光柵為分光元件.

分光計是一種精確測量角度的儀器，包括準直管、載物臺、望遠鏡和讀數裝置4個部分，是大學物理實驗常用儀器. 選擇分光計平臺，因其中的準直管正好滿足入射狹縫的需要，而載物臺上正好放置透射光柵和光探測器. 本套設備采用CCD作為光探測器，一次接收全部光譜，不需機械掃描，效率較高，系統硬件示意圖如圖1所示.

圖1　系統硬件示意圖

虛擬儀器是現代計算機技術和儀器技術相結合的產物，是以通用計算機為核心，根據用戶對儀器的設計定義，用軟件實現虛擬控制面板和測量功能的一種計算機儀器系統. 用戶可通過鼠標、鍵盤來操作虛擬面板，如同1臺專用測量儀器，實現對信號數據的采集、計算、存儲、顯示等功能，體現了“軟件就是儀器”[1]. 使用LabVIEW語言可以使儀器編程過程簡化，同時提高實驗教學水平，給教學和研究都帶來了方便. 很多高校都開設了LabVIEW虛擬物理實驗，已經取得了一系列的學生創新成果[2].

2程序設計與實現

以可拓展性為設計原則，在LabVIEW的環境下，實現了虛擬操作界面、數據實時采集、波長計算、數據直方圖、數據保存等功能.

2.1虛擬操作界面

采用傳統儀器界面的風格，突出儀器的功能性，將功能相同的控件放在界面的同一區域，具有良好的實用性，且工作效率較高. 操作界面如圖2所示，主要包括ROI鼠標工具欄、CCD參量設置、數值計算、圖像顯示、數據存儲等區域. 程序使用了LabVIEW自帶的ROI鼠標工具欄，可以方便地選取圖像中的特定區域來進行數據分析， 同時使用Image控件實現圖像的實時顯示，不僅能全面地觀察各級光譜情況選擇最佳的觀測譜帶，而且可方便地縮放，關注某一個區域的詳細情況.

圖2　系統操作界面

2.2圖像實時采集

為發揮虛擬儀器在實時技術上的優勢，設計用戶可以實現實時觀察圖像和數據直方圖、選擇攝像頭參量、控制拍攝的起終、選定測量區域等功能. 程序采用NI MAX(Measure & Automation Explorer)對攝像頭硬件設備進行配置，調用機器視覺中的圖像采集(Image Acquisition)區的函數來實現設計要求. 程序基本流程：打開攝像頭，開始采集，讀取圖像，顯示圖像，關閉攝像頭，其中讀取圖像、顯示圖像放置在While循環當中，保證了圖像的持續采集；另外程序中還使用了攝像頭屬性節點讓用戶控制攝像頭屬性；并在ROI工具欄畫好測量區域點擊“拍攝圖像”按鈕后，進行圖像的數據處理和數據直方圖的顯示，最終保存數據，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波長計算

波長測量的原理是光柵衍射，波長為λ的單色平行光照射到透射光柵上發生衍射，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是條紋級數，θ為第k級條紋的衍射角. 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光波的波長，這就是光譜儀的測量原理.

衍射角正弦可由攝像頭采集的衍射條紋的相對距離推算，如圖5所示.O是衍射成像中心位置，S是光波1級成像位置，θ為該條紋的衍射角. 當CCD聚焦清晰時，衍射成像平面與CCD距離固定，則1級條紋距中心的距離x與tanθ成正比，由三角公式可進一步計算衍射角的正弦. 數據處理的關鍵是標定x與tanθ之間的正比系數，方法是用戶選定標準波長λ0并輸入波長值，再由計算機識別譜線峰值對應的像素，計算像素中心距離x0. 定標完成以后，由圖像的像素位置即可計算出光譜的波長.

圖5　光柵衍射空間示意圖

以汞燈為測量對象，圖像采集到可見光波段的光譜如圖6所示. 攝像頭調試完成后，以其中1個譜線定標，依據式(1)可自動計算其他3個譜線的中心波長. 將測量數據與上海精科723型號的光譜儀數據進行對比，測量精度約為1 nm. 如果提高攝像頭分辨率、增大光柵常量等，系統測量精度可進一步提高.

圖6　汞燈光譜圖

2.4數據直方圖

在定量計算光譜波長的同時，如果測量對象是復色光還可以定性繪制相對光強的直方圖. 不同波長之間亮度計算根據圖像的灰度與RGB的以下經驗關系得到

Gray=0.587G+0.299R+0.114B.

由此繪制數據直方圖的橫坐標是圖像的像素(對應不同的波長)，縱坐標是相對亮度. LabVIEW程序通過自動識別選定ROI區域的相關信息，實現數據直方圖的橫坐標與圖像中光譜的長度的映射，在采集的圖像上直接顯示波長和相對光強的直方圖，使直方圖與光譜完美對應，更加準確、明了地顯示結果. 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(紅黃區更亮)，6 500 K LED燈偏冷色(藍綠區更亮)，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數據保存

利用LabVIEW的報表生成功能，將攝像頭參量、CCD采集圖像、計算結果、數據分析直方圖等內容生成研究報告，并根據需要可生成Word,Excel或圖片等形式，通過聯網方式提交報告.

3動態光譜測量

該裝置從圖像的采集到數據的處理和顯示幾乎是瞬時完成，由此可以實時測量動態光譜，這是傳統儀器無法實現的. 例如在蠟燭上進行Na+焰色反應，得到光譜如圖8所示. 該儀器可以測量物理/化學元素發光光譜，在此基礎上可以不斷拓展研究領域，適用于電鍍、化學鍍和化工等生產線工藝控制，也可用于環境監測等.

(a)蠟燭

(b)蠟燭加Na+圖8　燃燒光譜

4結束語

該系統是以實驗室常用儀器分光計為平臺搭建，成本較低、精度較高、方便使用. 使用LabVIEW虛擬軟件技術，充分發揮計算機的數據采集和處理的優勢，體現了現代技術在大學物理實驗上的應用. 將該儀器應用于第二課堂，學生可以測量各種光源的譜線，在編寫程序調試儀器的過程中鍛煉了學生思維能力和實踐能力，豐富了大學物理實驗的課程內容.

參考文獻：

[1]彭勇,潘曉燁,謝龍漢. LabVIEW虛擬儀器設計及分析[M]. 北京:清華大學出版社，2011：1-205.

[2]蔣達婭，肖井華. 基于LabVIEW的物理實驗再學生素質培養上的作用[J]. 實驗技術與管理,2012,29(3):304-307.

[3]劉震宇,周艷明，謝中，等. 基于CCD和小型單色儀的微型光纖光柵光譜儀[J]. 物理實驗,2008,28(1):14-18，27.

[4]戴笠,謝中，周艷明，等. 基于FPGA的自適應調節光柵光譜儀[J]. 物理實驗,2009,29(5):17-21.

[5]王鑫,楊胡江. 虛實結合的物理實驗教學研究與實踐[J]. 物理實驗,2015,35(10):15-18，22.

[6]王力,施蕓城,楊忠杰. 基于LabVIEW的鎖相放大器的設計與測量[J]. 物理實驗,2015,35(9):33-36.

[責任編輯：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：TH744.1

文獻標識碼：A

文章編號：1005-4642(2016)04-0016-04

作者簡介：賀珍妮(1984-)，女，安徽安慶人，裝甲兵工程學院基礎部講師，碩士，主要從事大學物理實驗教學與研究.

收稿日期：2016-01-06