對(duì)于儀器的變化色譜剖析體系的研究 設(shè)計(jì)方案
硬件設(shè)計(jì)
計(jì)算機(jī)發(fā)出開關(guān)控制信號(hào)經(jīng)接口板到達(dá)直流電動(dòng)機(jī)，電機(jī)軸的勻速轉(zhuǎn)動(dòng)經(jīng)過減速箱后由皮帶驅(qū)動(dòng)干涉儀的微動(dòng)手輪，由絲杠帶動(dòng)可動(dòng)反射鏡移動(dòng)，造成光程差的改變，使等傾環(huán)狀干涉條紋的中心光強(qiáng)發(fā)生周期性的變化，此變化由光電倍增管轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理電路1送到數(shù)據(jù)采集卡，被計(jì)算機(jī)接收。為了計(jì)算光源中所包含各譜線波長的絕對(duì)值，還必須在采集干涉條紋中心光強(qiáng)信號(hào)的同時(shí)測(cè)量光程差的變化。
我們?cè)诟缮鎯x微調(diào)手輪上安裝了一塊100等分的光調(diào)制盤（斬波器） ，對(duì)光耦的光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。手輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，動(dòng)鏡移動(dòng)0. 01 mm ，調(diào)制盤則產(chǎn)生100個(gè)脈沖，因此每個(gè)脈沖當(dāng)量相對(duì)于0. 1μm動(dòng)鏡位移量（2倍光程差）。光耦-編碼盤系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖經(jīng)信號(hào)處理電路2和數(shù)據(jù)采集卡送往計(jì)算機(jī)計(jì)數(shù)處理，這樣就以很高的分辨率實(shí)現(xiàn)了光程差的實(shí)時(shí)測(cè)量。
上述系統(tǒng)中的光源可以是激光、鈉光燈、白熾燈，隨著其單色性的不同，光電倍增管采集到的干涉條紋中心光強(qiáng)隨時(shí)間變化曲線（干涉圖）也不同：用單色性極好的He2Ne激光獲得的是幅值基本不變的正弦信號(hào)；用單色性較好的鈉光得到的是總體幅值逐步下降，而同時(shí)呈現(xiàn)拍變化的正弦信號(hào)（因?yàn)殁c光包含兩個(gè)相近的波長589. 0 nm和589. 6 nm） ；用非單色的白熾燈則僅可得到幾個(gè)周期的畸變正弦信號(hào)，幅值便迅速下降為0.因此干涉圖真實(shí)反映了光源的時(shí)間相干性，通過對(duì)干涉圖信號(hào)進(jìn)行傅立葉分析，就可以獲得光源的功率譜及中心波長值。
如前所述，為了使實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在最新的WinXP操作環(huán)境下使用，我們利用美國NI公司生產(chǎn)的PCI26014數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW圖形化編程語言對(duì)Win98環(huán)境和VB語言編寫的測(cè)控軟件及AΠD轉(zhuǎn)換系統(tǒng)進(jìn)行了改造升級(jí)，利用虛擬儀器技術(shù)使新系統(tǒng)迅速獲得了良好的精度和滿意的使用效果。改造后的系統(tǒng)電路基本不變，用PCI26014卡和配套接口板取代原系統(tǒng)中的普通AΠD轉(zhuǎn)換卡，干涉條紋信號(hào)和動(dòng)鏡位移脈沖信號(hào)分別接到LabVIEW數(shù)據(jù)采集卡的“ANALOG INPUT”和“CTR”端，由控制軟件對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集、頻譜分析和處理，并按要求顯示和存儲(chǔ)結(jié)果。
軟件設(shè)計(jì)
其主要功能是：在采樣的同時(shí)觀測(cè)信號(hào)波形、在頻域顯示采樣信號(hào)經(jīng)傅立葉分析后的結(jié)果、用多次平均法計(jì)算光源中心波長值。
用戶可以改變采樣速率和采樣點(diǎn)總數(shù)，來得到不同的頻率分辨率（頻率分辨率=采樣速率Π采樣點(diǎn)總數(shù)） ，系統(tǒng)狀態(tài)可通過狀態(tài)顯示欄和進(jìn)度條讀出。光源為He2Ne激光器，采樣速率為50次Π秒，采樣點(diǎn)數(shù)為6400 ，顯示的是時(shí)域波形圖的局部放大。經(jīng)傅立葉變換頻譜分析后，得到所顯示的結(jié)果，計(jì)算出峰值波長值為632. 0 nm ，與典型值632. 8 nm非常接近。
測(cè)控軟件包括①信號(hào)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、②信號(hào)采樣、③脈沖計(jì)數(shù)、④頻譜分析、⑤多次采樣平均、⑥文件存取、⑦提取中心波長、⑧狀態(tài)顯示和圖形工具等八個(gè)模塊，其核心部分為采樣及FFT處理程序所示。
該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互功能。不論是實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)還是采樣都可從指示燈狀態(tài)看出，采樣進(jìn)度條方便使用者了解程序運(yùn)行情況；在“光譜分析”面板上，操作者可通過移動(dòng)光標(biāo)獲得頻譜分析中每條譜線的數(shù)值，還可以放大中心頻率處的波形變化的細(xì)節(jié)。采樣數(shù)據(jù)可以文件方式存儲(chǔ)，測(cè)量結(jié)果可以顯示、打印，便于操作者存取典型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)供分析使用。
誤差分析
由于Windows是一個(gè)多任務(wù)型的操作系統(tǒng)，在進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣工作時(shí)，額外的其它操作（如移動(dòng)鼠標(biāo)）都會(huì)給測(cè)量進(jìn)程造成影響，帶來計(jì)時(shí)誤差，以前我們用VB編寫的測(cè)控軟件運(yùn)行精度只能達(dá)到5 % ，而借助NI公司開發(fā)的LabVIEW專業(yè)軟件和配套板卡，測(cè)量精度達(dá)到了3 %.
由于LabVIEW軟件可以方便地進(jìn)行多次采樣平均，從而進(jìn)一步減小隨機(jī)誤差，采取多次平均法后可使中心波長的計(jì)算誤差降到1 %.這樣的測(cè)量結(jié)果可以滿足一般的教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求。
結(jié)語
利用LabVIEW虛擬儀器軟件和配套接口卡，花費(fèi)很短的時(shí)間和少量的程序設(shè)計(jì)工作，成功改造了基于普通AΠD卡和VB語言的傅立葉光譜分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。
改造后的系統(tǒng)可以在Windows XP環(huán)境下運(yùn)行并及時(shí)獲得軟硬件升級(jí)，不僅具有傳統(tǒng)儀器那樣實(shí)用而熟悉的界面，而且運(yùn)行更加可靠、精度高，操作直觀、簡便，交互性強(qiáng)；此系統(tǒng)既可用于傅立葉光學(xué)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，又可作為應(yīng)用實(shí)例講解虛擬儀器課程的有關(guān)內(nèi)容。http://www.52lvi.cn
