一种基于LabVIEW的光谱仪设计

　　0　引言

　　随着计算机的普及和软件技术的发展,越来越多的仪器功能可借助于计算机及相关软件来实现,形成了"虚拟仪器"(Virtual Instruments)技术[1].目前已有不少学者利用这一技术进行研究,如生物医学[2,3]、检测测试[4]等.它使用软件来替代传统仪器的大部分功能:提供一套直接面向用户的操作面板,其外观和操作几乎与实际仪器无异,而程序的源代码则对用户隐藏.用软件来代替硬件,可充分利用现有资源,极大地节省成本.

　　本文基于虚拟仪器技术设计了一台光谱仪,具有采集、显示、分析、保存等强大的功能,而编程却非常简单,一般实验室人员均可方便地定制所需程序.

　　1　系统构成

　　常见实验光谱仪多采用单色仪结构,在出射狭缝后放置光电倍增管接收,通过机械或电动方法转动分光元件实现各波长的扫描,进而通过图像重建获得光谱图像.这种方法效率较低,装置、处理都比较复杂;目前CCD发展迅速,应用越来越广泛,已有不少光谱仪使用CCD来接收光谱[5].其光学装置使用多色仪,在谱面位置放上CCD进行记录,一次接收整个光谱,不需机械扫描,效率较高.本方案采用CCD接收光谱,利用数据采集卡将数据传入计算机进行处理,大大提高了效率;利用LabVIEW的采集模块方便地获得数据,进行处理.

　　系统装置如图1.待测光进入色散系统(棱镜或光栅系统)分光,出射像面放置线阵CCD,不同波长成分的光分布于CCD像面不同的位置.

　　以棱镜分光系统为例,棱镜对某一波长处于最小偏向角时的角色散公式[6]

　　式中l为光谱面即CCD像面的坐标,f′为物镜焦距,ε为谱面与物镜光轴的夹角.

　　棱镜材料折射率与波长的经验关系式哈特曼公式[6]

　　在计算机中可以得到每个像元接收的光强值I(i),i为像元的坐标,I为对应的光强.利用波长与坐标之间对应的关系式(4)并用此系统测量一个已知谱线分布的光源进行定标,即可将像元坐标转化为波长坐标,得到I(λ),即待测光谱图像.

　　2　利用LabVIEW开发虚拟光谱仪

　　2.1　LabVIEW的优势

　　目前数据的获取处理多采用C语言编程,需要编写从采集到处理、显示等各模块的大量代码,较为复杂,一般需要专业人员开发.而美国NI(NationalInstruments)公司的虚拟仪器开发环境LabVIEW,使用一种被称为“G语言”的图形化语言进行开发[1],软件由前面板和程序框图组成:前面板面向用户,提供与用户的交互操作,外观和操作方式几乎与实际仪器面板无异,可以轻易实现友好的用户界面;程序框图类似于其他语言的源代码,但它是用图形符号描述的,稍有编程经验的人也很容易掌握.