利用Labview实现光谱实验测量仪器的智能化

　　在现在的实验光谱仪器中,光谱的测量、分析、显示和仪器的控制往往是分离的,这样使得在实验时操作繁琐,可观性不强。而现代计算机技术的突飞猛进和日益成熟,为虚拟仪器的发展提供了良好的空间,将虚拟仪器技术应用于实验教学科研中,将为传统的实验教学注入新的活力[1]。

　　1　光谱仪智能化要求与结构改进

　　传统的实验光谱仪器的智能化是在一台手动式小型光栅旋转式光谱仪的基础上,利用计算机对其进行智能化改进。要求改进后的光谱仪器操作性好,性能参数(光谱分辨率、仪器测量精度和可靠性等)有所改善[2]。

　　分析小型光栅旋转式光谱仪,该光谱仪采用艾伯特型结构,光谱分辨率为1 nm/细分角度,只有手动调节装置,在使用时非常不方便,同时纯粹手动的调节使实验的精度得不到保障。因此,在设计时采用步进电机和传动装置来带动光栅转动。另外由于光谱仪自身无法准确定位,为了减小在实验中可能出现的机械误差,必须设计一个“定位”装置。

　　改进后的光谱仪结构框图如图1所示。

　　根据光栅方程:

　　式中:d为光栅常数;Φ为入射角;θ为衍射角;λ为光波的波长; K为光谱级次。根据公式(1)可以推导出,当光栅转动一个角度Δα时,对应的转动角度Δα与衍射波长的变化值Δλ的相应关系:

可见,衍射波长的变化Δλ与转动的角度Δα有密切关系。当转动角度很小时,可以认为其近似为零,再结合公式(1)可以将公式(2)近似为:

　　公式(3)说明光谱仪的光谱分辨率与光栅的转动角度存在一定函数关系。使用正弦机构将其进行调整以后可以将Δλ与Δα的对应关系变换为线性关系。

　　使用精度为0.002 5°/步的步进电机传动装置来带动光栅转动,由于电机的精度高,可以实现光谱仪转动角度的细分,从而提高光谱仪的分辨能力。根据电机步距角(即精度0.002 5°/步)和传动比,可以计算出改进后的光谱分辨率为0.003 nm,大大提高了光谱仪的光谱分辨能力。

　　另外,定位装置使用Y形耦合器将两束光耦合到光谱仪的光路中。一束是待测光,另外一束是特征光源。特征光源使用稳定光源,具有比较稳定的、不随工作温度漂移的、清晰的光谱线,那么在每次实验之前就可以利用多次采样平均法找这个特征光源的特征谱线的准确定位点,然后将这个点的精确位置作为一个“标准”来确定光栅的位置以及探测到的光的波长。于是,每一次的实验都可以进行校正,而不会带来累积的机械传动误差,提高了仪器的精度。