激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计（可编辑）

激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件（可编辑） 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的 软件设计 中南民族大学 硕士学位论文 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 姓名:刘业林 申请学位级别:硕士 专业:等离子体物理 指导教师:林兆祥 2011-05中南民族大学硕士学位论文 摘 要 工业污水的排放是水体污染的主要原因之一,同时也是水体中有毒重金属元 素的主要来源之一。现有的对工业污水中重金属元素进行检测的技术,无法 满足 工业现场实时、在线、连续监测的要求。激光击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,简称 LIBS)是伴随着激光器的出现而发展起来的 一种 新型元素成分分析技术,是目前国际上公认的在线检测工业污水的最佳解决 之一。实验室拟利用 LIBS技术开发出一套可以用于工业现场的污水原位检 测装 置,本论文主要完成了该装置系统的光谱信号实时采集、数据分析、数据处理、 装置自动控制等软件开发部分,并通过实际的工业污水检测实验,验证了该装置 所有的功能和检测能力均达到设计要求。论文主要内容包括: 1 利用 Visual C++编程语言和 Labview图形化编程语言,实现对污水中重金属 元素的激光击穿光谱信号的数据采集。 用 Visual C++语言编写数据采集卡的底层函数,以完成具体的控制功能模块, 编译程序生成动态链接库。使用 Labview调用动态链接库的方式来驱动数据 采集卡,将 Visual C++编写好的模块功能移植到 Labview平台下,通过编写 具体的图形化编程语言来实现数据采集任务。 2 同时编写相应的算法程序,以实现 LIBS技术在实际应用过程中的数据处理 功能。 利用 Labview编程语言在数据处理方面的优势,编写符合要求的算法程序, 获取有效的光谱信号数据以及信号的特征值,建立元素谱线数据库。 3 通过软件编程对光谱仪进行同步精确控制,实现光谱仪进行波长扫描时的精 确定位。 利用 Labview编写光谱仪数据采集控制系统,该系统具备光谱信号采集、处 理等一些基本功能。编写步进电机的控制程序,实现步进电机的转速、转向 的同步自动控制,进而来精确控制光谱仪的波长扫描,消除人工控制光谱仪 波长扫描带来的测量误差。 4 通过搭建一套 LIBS检测系统来验证所设计的采集、控制软件部分是否符合 要求。 通过时间演化实验、数据稳定性处理、元素定标曲线、检测限的具体实现和 理论分析验证了所设计的软件部分是符合设计要求的。 本论文的所有工作都是 LIBS污水监测设备的重要组成部分,本文提出的软 件编程思想、编程的技巧、算法的实现,甚至一些具体的功能模块,都将为 LIBS 技术应用于其它领域(烟气、土壤、泥浆等)提供技术支持。 关键词:激光击穿光谱;Labview;数据采集;自动控制 I 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 Abstract Industrial sewage discharge is the main cause of water pollution and the main source of the toxic metallic element in water. The traditional technologies which are used to detect the industry sewage couldn’t satisfy the needs of on-line, real-time and continuous monitoring in industry. Laser-Induced Breakdown Spectroscopy LIBS is a new type of component analysis technique. It is widely recognized as one of the best online detecting methods for industrial wastewater in the world. A device has been developed for sewage detection by LIBS in lab. The software part work of the device was introduced in this thesis, such as the real-time data acquisition, data analysis, data processing of spectrum signal, device automatic control and so on. The industrial sewage from a certain chemical plant was detected with the device and the results showed the software program meets the detection requirements. The main research contents include: 1 Using Visual C + + programming language and Labview graphical programming language, the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy signal data of heavy metal element in sewage were collected and analyzed. The underlying function of data acquisition card and some specific control module were generated dynamical link library with Visual C + +. And they were transplanted into Labview flat, by a specific graphical programming language to realize all tasks 2 The data processing in some practical LIBS application were realized with corresponding algorithm. By taking full advantage of Labview programming language in data processing all algorithm procedure were written. The effective spectral signal data and the eigenvalue were obtained. The elements spectrum signal database was established 3 Through software programming, the spectrometer was synchronously and accurately controlled and high precise position was realized as the wavelength scanning. The spectrometer data acquisition control system software was programmed with Labview, it’s functions included spectrum signal acquisition, the stepping motor revolving speed and direction control, time synchronization, etc. The software would effectively eliminate the measurement error by manual work4 A LIBS detection device was set up to verify whether the software control section meet the requirements. Through the realization of the time evolution experiment, the data stability processing, element calibration curve, detection limit and the II 中南民族大学硕士学位论文 theoretical analysis, the experimental results showed the software meets the design requirements and the setup could be used to measure the sewage from factoryAll the work was an important part of study on the detection device of industrial sewage with LIBS technology. The software programming ideas, programming techniques, algorithm and some specific function modules, which were dealt with in this thesis, will help for LIBS application on other areas gas, soil, mud, etc. and provide technical support Key Words: Laser-Induced Breakdown Spectroscopy LIBS; Labview; Data Acquisition; Automatic Control III中南民族大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名:日期:年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查 阅和借阅。本人授权中南民族大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于 1、保密?,在______年解密后适用本授权书。 ? 2、不保密?。 (请在以上相应方框内打“?”) 作者签名: 日期:年 月 日 导师签名: 日期:年 月 日 中南民族大学硕士学位论文 第 1章 绪 论 1.1研究背景及意义 水是我们的生命之源,水也是一切生物赖以生存的基本条件之一,更是人类 生存和发展的重要条件。但是随着社会经济的不断发展,特别是现代工业的快速 发展和人民生活水平的逐步提高,工业废水排放量不断增加,大部分污水未经处 理直接或间接排入水体中,严重污染了水资源。例如:江苏滨海头罾沿海化工园 区有一百多家化工厂,有一部分通过排水沟进入大海,有一部分特别浓的污水存 放在 5个“污水暂存池”。每月二次小潮来时就把“污水暂存池”的污水排入大海, 对大海造成了直接污染。 而工业废水中的汞、铜、铅等重金属元素不仅能使生物发生急性中毒,而且 还能在水体中沉积成为次生污染源,并易在生物体内累积,造成慢性中毒(如 甲 基汞引起水俣病),给自然环境和社会的可持续发展带来极大的挑战。因此在对 水体污染检测中,对重金属元素的检测显得尤为重要。 图 1.1 化工厂将污水排入大海 [1] 现在市场上有许多污水检测的方法,通常的监测手段有电化学分析 、原子 [2] [3] 吸收光谱分析(AAS) 、电感耦合等离子体发射光谱(ICP/AES) 和质谱分 [4] [5-8] 析技术(ICP/MS) 以及生物监测等 。但是这些检测方法都比较的复杂或者 是样品的制备比较烦琐,无法做到实时在线、原位的检测,也就无法实现对污水 中重金属元素的实时监控和及时处理。 对工业污水中重金属元素的实时、快速、在线、多元素同时监测是一个非常 重要的课题,LIBS技术是解决这一课题的最佳方法。激光击穿光谱技术是最近 几十年发展起来的一种元素分析技术,具有检测对象无需预处理或者只需要简单 的处理,便可同时对多种元素进行在线、快速分析,满足实时在线、原位检测的 [9-11] 技术要求。目前,已经有许多科研小组对此开展了一系列的相关研究 ,取得 了许多比较好的研究成果,但是都处于实验室研究阶段,还没有关于利用激光击 1 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 穿光谱技术对污水中重金属元素进行实时检测的成熟产品问世。 实验室结合多年的科研积累,以及现有仪器设备,开发出一套利用激光击穿 光谱技术对污水中重金属元素进行检测的装置。该装置主要包括光学设计、机械 加工、硬件设计和软件设计等部分。 本人在攻读硕士学位期间主要从事该装置软件设计方面的工作。通过编写具 体的程序来实现该装置的数据采集和控制任务。装置已经通过整机的联调,并已 经具备了检测工业污水中重金属元素的能力,通过实验验证了本文所开发的数据 采集和控制系统,符合 LIBS技术的实时监测,快速处理、同步控制、多种元素 同时进行检测的要求。 本文所涉及到的主要研究思路、软件开发平台、以及部分算法程序和元素光 谱数据库都可直接或间接为 LIBS技术应用于其它领域提供技术支持。 1.2研究内容 鉴于上述原因,本论文以湖北省科技攻关项目为背景,结合实验室所拥有的 大量先进仪器设备和 LIBS相关技术的丰富实践,在国内首次将 LIBS 技术 应用于工业污水中重金属元素的检测,并尝试从实验室到工业现场的小型化和实 用化改造。从而为开发一种可以实时在线、连续的工业污水检测设备做准备。本 论文的主要工作是负责整个装置软件部分的设计,在一定程度上为将 LIBS技术 应用于污水中重金属元素的实时监测做一些基础性的工作。 为将 LIBS检测技术发展成为一种可以在工业现场对污水进行实时、在线监 测的仪器设备,为此需要做大量的前期工作,本论文的研究内容包括三部分:激 光光谱信号的数据采集,数据处理,以及对装置的同步精确控制。 1 利用 Visual C++编程语言和 Labview图形化编程语言,实现对污水中重金属 元素的激光击穿光谱信号的数据采集。 用 Visual C++语言编写数据采集卡的底层驱动函数,以完成具体的控制功能 模块的程序编写,编译程序生成动态链接库。使用 Labview调用动态链接库 的方式来驱动数据采集卡,将 Visual C++编写好的模块功能移植到 Labview 平台下,通过编写具体的图形化编程语言程序,来实现激光光谱信号的数据 采集任务。 2 同时编写相应的算法程序,以实现 LIBS技术在实际应用过程中的数据处理 要求。 利用 Labview编程语言在数据处理方面的优势,编写符合要求的算法程序, 获取有效的光谱信号数据以及信号的特征值,建立元素谱线数据库。 3 通过软件编程对光谱仪进行同步精确控制,实现光谱仪进行波长扫描时的精 确定位。 利用 Labview编写光谱仪数据采集控制系统,该系统具备光谱信号采集、处 理等一些基本功能。编写光谱仪步进电机的控制程序,实现步进电机的转速、 2 中南民族大学硕士学位论文 转向的同步自动控制,进而来精确控制光谱仪的波长扫描,消除人工控制光 谱仪波长扫描带来的测量误差。 4 通过搭建一套 LIBS检测系统来验证所设计的软件采集控制部分是否符合要 求。 通过时间演化实验、数据稳定性处理、元素定标曲线、检测限的具体实验和 理论分析验证了所设计的软件部分是符合设计要求的。 综上所述,本论文通过具体的 LIBS实验,验证了所设计的数据采集和装置 控制系统能够满足 LIBS检测污水中重金属元素的技术要求,这将为 LIBS技术 应用于实际的工业现场提供技术支持。 1.3论文的基本框架 本论文的基本结构如下图所示: 图 1.2论文结构框架 论文通过不同的章节,分别对以上内容做了详细的介绍和研究,各章具体内 容如下: 第一章:绪论,介绍了本论文的研究背景、意义以及论文所做的工作,然后又介 绍了论文的基本框架。 第二章:激光击穿光谱技术,首先介绍了激光击穿光谱的基本原理及其优势,综 述了 LIBS光谱技术的研究现状和发展趋势,最后对 LIBS实验系统的基本组成 做了简要的介绍。 第三章:虚拟仪器技术,介绍了什么是虚拟仪器技术,虚拟仪器的技术特点,以 及它在各个领域的应用和发展现状。 第四章:基于 Labview平台的 LIBS数据采集系统,在这一章里面系统的介绍了 驱动普通数据采集卡的方法,如何利用数据采集卡进行数据采集,在获取激光光 谱数据以后相关的数据算法的实现。通过具体的实验验证了该采集系统是符合要 3 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 求的。 第五章:基于 Labview的装置控制,在这一章介绍了光谱仪的数据采集系统,以 及光谱仪步进电机的同步精确控制。消除了人工控制光谱仪波长进行扫描带来的 测量上的误差。通过实验验证了控制的准确度。 第六章:实验部分,该章重点通过具体的实验,验证所作的激光击穿光谱污水检 测装置的数据采集和控制系统是否符合设计要求,其验证结果表明符合设计要 求。 最后是总结:对本论文所涉及到的工作进行了总结,并提出了一些软件设计上的 不足之处,及其解决的方法。4 中南民族大学硕士学位论文 第 2章 激光击穿光谱技术 2.1激光击穿光谱原理 激光击穿光谱技术(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,简称 LIBS)是 20 世纪后期发展起来的一种全新的物质元素分析技术,它本质上是一种原子发 射光谱技术,其原理是根据电子能级跃迁发射的原子(离子)谱线进行定性分 析 [12] 和定量分析 。 当一束强激光脉冲经过透镜后聚焦到样品的表面,聚焦点处的一部分样品吸 收激光能量后产生等离子体。而在此过程中会发生能级跃迁现象,等离子体局部 能量密度和温度非常高,可以对其进行激发、原子化、取样以及离子化等工作。 在等离子体冷却阶段,等离子体会由高能级向低能级跃迁,在跃迁的过程中会形 成特定元素的谱线,一部分等离子体发射光被光纤采集并传送到光谱仪,光谱仪 将等离子体发射光(包括连续光谱、原子光谱和离子光谱)进行分光。在光谱仪 的出口处安装探测器对光谱信号进行探测,并转换成计算机能够识别的信号,将 其传输到计算机进行光谱分析。这样就可以根据原子(离子)谱线的波长来分析 元素的种类,根据谱线的强度分析元素的浓度。 2.2 LIBS发射谱线的形成过程 图 2.1 显示了等离子体谱线形成机制: (a)形成等离子体(b)轫致辐射及电子自由跃迁 (c)能级跃迁形成 形成的 宽带发射 的谱线发射 图 2.1 等离子体形成机制示意图 第一步,高能量的激光加热并烧蚀少量的样品,由于多光子电离与样品表面 热量的散发使得部分电子获得能量,电子从激光脉冲中吸收光子并通过加速运动 5 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 [12] 互相撞击而将部分能量转移给等离子体羽中的原子 。等离子体羽的温度会迅 速上升到几千度,从而产生更多的带电离子。 第二步,等离子体连续背景光谱的形成。 当等离子体电离化程度达到最大之后,由于不再吸收激光能量且与环境气体 相互碰撞,等离子体传播速度下降。等离子体开始冷却,处于激发态的自由电子 开始向下能级产生跃迁。在此阶段所形成的连续背景光谱主要来自于以下 2种辐 射机制:1 韧致辐射(自由态-自由态,free-free emission) 在无磁场存在的等离子体中,自由电子在离子场作用下会发生电子-离子库 仑碰撞,使自由电子从较高能量的一个自由态跃迁到较低能量的另一自由态,伴 随着电子因碰撞而速度减小,从而把多余的能量以光子形式辐射出去,这种由于 库仑碰撞引起的辐射称为韧致辐射,其过程示意图如图 2.2所示。由于电子在碰 撞前后均处于自由态,因而也称为自由-自由跃迁。韧致辐射产生的光谱是连续 光谱。图 2.2 韧致辐射示意图 2 复合辐射(自由态-束缚态,free-bound emission) 电子与离子发生碰撞时,电子可能被离子捕获复合而变成中性粒子,并将多 余能量以光子形式释放出来,其过程示意图如图 2.3所示。该过程称为复合辐射, 复合辐射产生的光谱是连续光谱。 图 2.3 复合辐射示意图 6 中南民族大学硕士学位论文 第三步,形成等离子体中各元素的原子发射谱线。 等离子体激发辐射最基本的特点是发射出分立谱线,也称为不连续辐射或线 辐射。等离子体中原子的轨道电子未完全被剥离前,这种激发辐射很明显。由于 电子在跃迁前后都处于束缚态,所以称为束缚-束缚跃迁。在激发辐射的作用下 所产生的原子(离子)光谱的波长代表了元素的种类,谱线强度代表了元素的浓 度,是进行元素定量分析的重要环节。 2.3激光击穿光谱的技术特点 激光击穿光谱技术作为原子发射光谱技术中的一种,继承了原子发射光谱的 优势,即具有探测所有元素和同时多元素探测的能力,同时由于其自身的结构特 [13] 性,使其还拥有不同于其他方法的优势 : 1 LIBS 光谱技术的原理简单,激光光束聚焦到样品表面后就可以产生等离子 体,后接光谱分光仪器和探测器即可完成对光谱的分析,无需其它设备的辅 助。 2 对样品的直接、非接触分析,通过对等离子体发射光谱的测量就可以得到样 品内部所有元素的信息。 3 与其它元素分析技术相比,无需样品制备或制备过程极其简单,几乎适用于 所有的气态、固态和液态样品,由于 LIBS采用的是点测量技术,所以对样 品量的要求也很少,而且不会污染样品。 4 实时快速的分析过程,依赖于微秒级的等离子体寿命和快速的光谱分析技 术,可以在1秒内完成10次分析。由于 LIBS光谱技术具有如此卓越的自身优势,在问世之初就表现出其潜在 的市场价值,被认为是最适合作为实时在线的元素监测技术。 2.4 LIBS实验系统的基本组成 通常的 LIBS实验系统如图 2.4所示,整个过程分为激发、分光、探测、数 据采集。因此典型的 LIBS系统的基本组成就包括: 1 激发的光源; 2 对光谱进行收集的收光装置; 3 分光系统; 4 光电探测; 5 光谱数据采集系统; 7 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 图 2.4 激光击穿光谱实验系统原理图 这些仪器与计算机连接后,便可迅速的采集、处理分析光谱数据。本论文所 采用的实验装置可分为激光光源、收光系统、分光系统、信号探测(光电倍 增管)、 光谱数据采集系统五部分。 2.4.1 激光光源 通常用于 LIBS检测技术的激光器有 Nd:YAG固体激光器,波长为 1064nm、 532nm、 355nm、 266nm;准分子气激光器,波长为 308nm(XeCl)、 248nm(KrF)、 194nm(ArF);CO 气激光器,波长为 10640nm。由于 Nd:YAG激光器(氙灯 2 泵浦)具有激光能量稳定性高、结构紧凑、光束质量好和激光波长可选范围 大(紫 外到红外)等特点,已经被广泛使用于 LIBS测量中。 本论文采用的激光器是美国 Spectra-Physics 公司生产的 Quanta-Ray PRO-290型 Nd:YAG脉冲激光器,其主要性能参数(如表 2.1)所示: 表 2.1 激光器的主要参数指标 性能参数 数值 型号 Spectra-Physics, Quanta-Ray PRO-290 波长 1064nm, 532nm, 355nm, 266nm 重复频率 10Hz 最大脉冲能量 2000mJ@1064nm 脉冲宽度 8-12ns@1064nm 能量稳定性 ?2%@1064nm8 中南民族大学硕士学位论文 2.4.2 收光系统 激光对样品作用之后形成等离子体,而等离子体的发射光谱由收光系统进行 光谱收集,收集后由光纤将光谱信号传输到光谱仪中。本论文所使用的收光 系统 是英国 Andor公司的 ME-OPT-007型收光器。该收光装置在 200-1100nm的 波长 范围内具有非常好的光谱响应,其焦距为 52mm,图 2.5为收光装置的实物 图。 收光装置的作用是将光耦合到光纤中,通过光纤将光信息传送到光谱仪中。 所以光纤也属于收光系统中的一部分,所使用的光纤也是英国 Andor 公司的 ME-OPT-8004型光纤,数值孔径为 0.22,心径为 50?m。 图 2.5 收光系统实物图 2.4.3 分光系统 激光等离子体发射光谱包含了被测对象所有元素的光谱信息,且是连续光谱 和分立光谱的叠加,在整体上是呈白光的。能够将这个混合白光中的光谱信息分 开的设备就是光谱仪。具体来说,光谱仪就是将包含多种波长的复合光以波长进 行分解的专业设备,是研究物质对光的吸收与发射,光与物质相互作用的基本设 备。 通常在大气环境中 LIBS测量有用的光谱范围为 200nm-900nm。所以对于光 谱仪器的要就是要将 200nm-900nm范围内的光谱信息区分出来。LIBS系统常用 的光谱信息处理系统(分光系统和采集系统)有 2 种,一种为中阶梯光谱仪和 ICCD的组合,可以一次测量 200nm-90nm范围内的全部光谱,但是价格昂贵, 不适合用于工业现场;另一种是单光栅光谱仪加光电倍增管或者 CCD的组合, 一次只能测量一个波长或者一小段波长,使用方便,灵敏度高,几乎存在于所 有 的光谱实验中。 单光栅光谱仪所使用的光栅可以是平面反射光栅,也可以是凹面反射光栅。 由于本实验所使用的光谱仪的光栅是平面反射光栅,所以只对平面光栅的光谱仪 做一个简单的介绍。 平面光栅光谱仪的光路主要有四种,Efert?Fastie型、Littrow型、Pfundt型和 9 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 Czerny?Turner型。其中以Czerny?Turner型最为常见,图2.6是其原理示意图。 图2.6 单光栅光谱仪的原理图 G为反射光栅;L1和L2为球面反射镜;PMT光电倍增管 工作过程如下:光纤传入的光射向球面反射镜L1(也叫准直镜),被 L1反 射的光是准直后的平行光。这些平行光线投射到光栅G,光栅G将入射光色散成 许多平行的单色光射到球面反射镜L2,聚焦到出缝。当光栅G绕其转动中心转动 时,在出射狭缝处可以得到不同波长的出射光束。在出射狭缝位置处放置光电检 测器接收出射光束。 本论文所使用的光栅光谱仪是天津拓扑光学仪器厂的WDS-8/8A型组合式多 功能光栅光谱仪,采用了积木组合式结构,双路出射狭缝分别用CCD与光电倍增 管接收,分辨率达到0.06nm,焦距500mm,相对孔径D/F1/7,波长精度?0.4nm, 狭缝宽度在0-2mm范围内连续可调、示值精度0.01mm。 2.4.4 信号探测系统 信号接收系统由探测器和数据采集装置构成,与分光系统配套使用。本论文 所使用的分光仪器为光栅光谱仪,所以信号接收系统为光电倍增管(PMT),对 小范围的光谱信息进行精细的探测。 光电倍增管Photon Multiplier Tube-PMT是一种建立在光电子发射效应、二 次电子发射和电子光学理论基础上的,把微弱入射光转换成为光电子并获倍增的 重要真空光电发射器件。利用光电管中间电极的二次电子发射来放大光电流,放 3 8 大倍数高达 10 -10。在实际使用过程中,所测量的光波长决定于光电阴极的材 料。但其普遍具有信噪比高,灵敏度高,时间响应快,光电特性线性好,工作稳 定和寿命长等优点,使得它在光谱研究中得到了广泛的应用。 光电倍增管的主要特性参数有: 光谱响应:光电倍增管由阴极接收入射光子并将其转换为电子,其转换效率 10 中南民族大学硕士学位论文 随入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应 特性。 电流增益 G:也叫做放大倍数,是指在一定的电压下,光电倍增管的阳极电 流和阴极电流之比,或者是在一定的工作电压下,阳极响应度和阴极响应度的比 值。光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子 发射,激发出来二次发射的电子流又被加速轰击下一个倍增极,产生更多的电子, 连续地重复这一过程,直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收集,这样就完成 了电流的放大。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大成较大的 阳极输出电流。一般的光电倍增管的倍增极个数为 9-14。 暗电流:无光照射时,光电倍增管的输出电流为暗电流。一般暗电流为 -8 -9 -10 -13 10 -10 A,相当于入射光通量为 10 -10 lm。通常而言,暗电流的影响因素有 光电阴极和第一倍增极的热电子发射;级间漏电流;离子和光的反馈作用;场致 发射;放射性同位素和宇宙射线。减小暗电流的主要方法是选好光电倍增管 的级 间电压。 通量阀:光电倍增管有一个能探测到的最小光通量,即通量阀。它定义为在 光电倍增管输出端产生的并与固有噪声电平等效的最小光通量,这个量与一般光 探测器的噪声等效功率 NEP相应。 本实验所使用的 PMT为 Hamamatsu所生产的,其型号为 CR184,光谱范围 165-650nm。CR184的光电倍增管的高压可在 0-1250V范围内可调。 2.4.5 数据采集卡由于 LIBS光谱数据信号是一组与激光脉冲同步的快信号,其演化时间在微 秒量级,采样速率要快,所以本文选用了高性能快速并行的 PCI4712数据采集卡 作为硬件采集设备(其采样速率为 50MHz)。A/D分辨率达到 12bit,4个独立的 程控增益通道,可以实现在 100mV- 20V范围内的动态信号采集,每一个独立 的通道存储深度最大可以达到 16M,测量精度非常高,而且相位一致。三种触 发方式:手动触发、外触发、内触发(上升沿触发、下降沿触发)。采集卡设计 了独立的时间基准和时钟控制器,系统内的多个采集卡可以在不同的采样频率下 工作。通过软件设置将系统触发线和时钟线级联起来,采集系统在统一的时钟和 触发控制下实现全同步采集。11 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 2.5本章小结 本章介绍了激光击穿光谱技术的基本原理、LIBS光谱的形成过程、LIBS实 验系统的基本组成,包括:激发的光源、对光谱进行收集的收光装置、分光系统、 光电探测、光谱数据采集系统。在具备了这些基本的装置后,就可以构建了一套 LIBS污水检测系统,通过设计、编写具体的软件控制程序,来实现 LIBS污水检 测装置的数据采集、自动控制任务。 12 中南民族大学硕士学位论文 第 3章 虚拟仪器技术 3.1虚拟仪器与 Labview 虚拟仪器是将具有测量功能的数据采集卡(或模块)插入到计算机 PCI插 槽中,利用虚拟仪器编程软件在电脑显示屏上生成虚拟仪器控制面板,以各种形 式表达输出检测结果,利用计算机强大的软件功能,设计具体的软件程序,进行 信号数据的运算、分析和处理;利用输入输出接口设备完成信号的采集、测量、 测控,实现仪器或者相应硬件的功能并完成测试和控制的一种计算机仪器系 统 [14] 。 它是将现有的计算机技术、软件设计技术和高性能模块化硬件结合在一起而 建立起来的功能强大又灵活易变的仪器。在虚拟仪器系统中,硬件只是为了解决 信号的输入、输出和调理,软件才是整个仪器系统的关键。 NI(美国国家仪器)公司的 Labview图形化编程软件是专门用于虚拟仪器 的开发而设计的,可方便快捷地进行开发。通过建立和连接图标来构成虚拟仪器 工作程序并定义其相应的功能,而不是用传统的文本编辑形式。 3.2 Labview的组成 Labview是 Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的缩写,是 一种用图标来代替文本行而创建应用程序的图形化编程语言,传统文本编程语言 根据语句和指令的先后顺序决定程序的执行顺序,而 Labview则采用数据流编程 方式,程序框图中节点之间的数据流向决定了程序的执行顺序。用图标表示函数, [15] 用连线表示数据流向 。 VI(Virtual Instrument)由以下两个部分构成: 前面板-即用户界面。 Labview提供了很多外观与传统仪器(如示波器、万用表)类似的控件,根 据需求把用到的控件放置在前面板上即可,也可以根据实际需求进行相应仪器面 板的自定义设计,很方便地就可以创建用户界面。 程序框图-包含用于定义VI功能的图形化源代码。 使用图标和连线,可以通过编程对前面板上的对象进行控制,这样就形成了 图形化源代码。前面板上的每一个控件对应于程序框图中的一个对象,当数据“流 向”该控件时,控件就会根据自己的特性以一定的方式显示数据。 13 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 3.3 Labview的特点 Labview编程语言是专门为测量、测控、数据采集、数据分析处理而设计的, 提供了大量的工具与函数用于数据采集、分析、显示、存储以及大量用于自动化 测试测量领域的图形控件,能够快速搭建一套完整的从仪器连接、数据采集到分 析、显示和存储的自动化测试测量系统。 Labview的具体优势主要体现在以下几个方面。 1 图形化的编程环境,具有可视化的人机界面,使用大多数工程师所熟悉的数 [16] 据图式的语言编写程序 。 2 虚拟仪器的底层模块是利用 C语言进行编写的,运行效率很高,其软件有内 置的程序编译器,使运行速度更快。 3 具有非常灵活的程序调试手段,可以在源代码中设置断点,单步运行,在数 据流上设置探针,加亮执行,可以清楚的观测到数据的流动,有效地监测程 序运行。 4 支持多种系统开发平台,不同平台之间编写的程序可以直接进行移植,充分 体现各编程语言的编程优势。 5 Labview中提供了从底层 VXI、GPIB、串口及数据采集卡的控制子程序到大 量的仪器驱动程序,包含了分析所用到的绝大部分函数。 6 可以直接调用 Visual C++、C等语言编译好的程序模块。 7 支持 TCP/IP等通信功能。 8 NI同时提供了丰富的附加模块,方便 Labview在不同领域的应用。 3.4 Labview的应用 从简单的仪器控制、数据采集到高端的测量、测试和工业自动化,从大学实 验室到工业现场,从探索研究到技术集成,涵盖了航空、航天、通信、汽车、半 导体、生物医学和教育等众多领域。 数据采集与仪器控制是 Labview最具竞争力的核心技术之一,其内部集成 非 常丰富的底层驱动程序,通过这些底层驱动程序,Labview能够轻松的实现与任 何 NI 提供的硬件设备进行通信。通过通用的底层驱动程序或者接口,例如: VISA,ActiveX和 DLL等,Labview还可以与任何厂商生产的数据采集设备进 [16] 行通信 。 Labview软件开发平台中,带有如磁盘管理、自动控制、控制与仿真、信号 处理、图形获取与处理、数值分析工具等软件包,对于不同的测量、测控任务可 以选用不同的开发软件包进行编程,方便软件开发。 14 中南民族大学硕士学位论文 3.5 Labview的发展 自 1986年问世以来,世界各国的工程师和科学家们都已将 NI Labview图形 化开发工具用于产品设计周期的各个环节,从而改善了产品质量、缩短了产品投 放市场的时间,并提高了产品开发和生产效率。使用集成化的虚拟仪器环境与现 实世界的信号相连,分析数据以获取实用信息,共享信息成果,有助于在较大范 [15] 围内提高生产效率 。 图3.1 Labview20年得发展历程 经历 20多年的持续创新、发展,Labview依靠其全新的概念和独特的优势, 并一直保持着高效、强大和开放这三个最基本的特性,逐步成为业界标准。其发 展过程是: 1、GPIB ?VSI ?PXI总线方式(适合大型高精度集成系统)GPIB 于 1978年问 世,VXI于 1987年问世,PXI于 1997年问世。2、PC插卡?并口式?串口 USB方式,PC插卡式于 80年代初问世,并行口方 式于 1995年问世,串口 USB方式于 1999年问世。综上所述,虚拟仪器的发展取决于三个重要因素: 1 计算机是载体; 2 软件是核心; 3 高质量的 A/D采集卡及调理放大器是关键。 3.6本章小结在这一章节里面介绍了虚拟仪器和 Labview之间的关系,之后又介绍了 Labview在编程方面的优势,以及在各个领域中的应用和发展现状,其目的就是 体现 Labview编程软件在测量、测控、控制等编程方面的技术优势。 15 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 第 4章 基于 Labview平台的 LIBS数据采集系统 4.1系统控制图 基于 Labview的数据采集平台,由 2部分组成:激光击穿光谱信号的采集部 分和数据处理部分。图 4.1 系统控制图 4.2 数据采集的任务 数据采集的任务就是将采集各种仪器输出的模拟信号转换成计算机所能识 别的数字信号,然后送入计算机进行相应的计算、分析、处理,得出所需要的有 效数据。同时,还可以将计算处理后得到的各种数据进行显示、保存、处理,以 [18] 便实现对某些待测物理量的实时测控 。 在具备了利用 LIBS检测污水中重金属元素所需要的硬件平台后,便可搭建 一套检测装置,在此基础上,需要对 LIBS信号进行采集。本论文通过对数据采 集卡进行二次开发,编写具体的底层函数来驱动数据采集卡,然后利用数据采集 卡对激光击穿光谱信号进行采集,以完成整个 LIBS检测装置的数据采集任务。 4.3 数据采集卡的驱动方式 数据采集卡是虚拟仪器进行测试过程中必须用到的硬件,外部信号需要利用 数据采集卡来进行采集,然后转换成计算机所能识别的信号,并将其输入到计算 机系统中。根据采集需求的不同,数据采集设备现在有好多种类型,最常用的 就 16 中南民族大学硕士学位论文 是插入式数据采集卡,直接将数据采集卡插入到计算机PCI插槽上,就可以作为 一个外部设备进行使用。在虚拟仪器领域,用到的PCI类型数据采集卡分为两类: 1 由美国国家仪器(NI)公司提供的,而且为其自己生产的数据采集卡提供了 大量的驱动程序,硬件可以直接在Labview环境下运行,无需再编写新的底 层驱动程序便可实现软件编程,硬件与软件实现无缝隙的衔接。 2 非NI生产的数据采集卡,即通用数据采集卡,在虚拟仪器软件平台Labview 下没有提供相应的数据采集卡驱动,此时,需要借助Labview软件提供的外 部程序接口来实现数据采集卡的驱动。利用Visual C++、C语言等编程语言编 写底层驱动程序,生成驱动文件。之后再利用Labview编程语言来实现此类 数据采集卡的运行,这样才能够完成数据采集的任务。 [19-23] Labview中提供了三种驱动普通数据采集卡的方式 ,分别是通过直接端 口读写的方式(I/O方式);通过调用C语言源代码的方式(Code Interface Node); 通过调用动态链接库的方式(Call Library Function Node)。 1.通过直接端口读写的方式(I/O方式)来采集数据的方法: 利用端口输入、输出函数,可以实现对I/O端口的操作,此采集方式只能够 进行简单的单点采集,采集速率低。而对于需要进行大量信号采集的系统来说不 可取,可能造成大量数据丢失。 2.通过调用C语言源代码的方式(CIN方式)来采集数据的方法: CIN(Code Interface Node)节点是Labview中用来调用C/C++代码的功能节 点,能够将代码集成在VI中作为单独的一个VI进行发布,而不需要多余的文件, 这是与动态链接的一个很大区别。除此之外,还提供了函数入口,可以根据自行 设计的输入输出自动生成函数入口代码,但是CIN与DLL(Dynamic-Link Libray) 相比较CIN调用更为复杂,利用此方法通常是用来做一些简单的数据输入/输出工 作。 3.通过调用动态链接库的方式(CLF方式)来采集数据的方法: CLF(Call Library Function Node)节点是Labview中调用Visual C++编写的 DLL来实现的,此方法是驱动第三方数据采集卡最为常用的方式,可以提高程序 的开发效率,增加应用软件的功能。使用面向对象的可视化的高级编程语言 (Visual C++)编写虚拟仪器的底层软件,这种方法具有使系统的灵活性更 高、 功能容易进行扩展等特点。 本论文为了驱动所用到的PCI4712并行数据采集卡,使用调用动态链接库的 方式(CLF)来驱动此数据采集卡,PC机与数据采集卡连接在一起,完成数据采 集的任务。17 激光击穿光谱污水检测装置的数据采集和控制系统的软件设计 4.4 动态链接库及其函数编写方法 4.4.1 动态链接库的概念 动态链接库(DLL:Dynamic-Link Libray)是起着共享函数库作用的可执行文 件。DLL中的代码是在运行时动态加载的,加载时DLL被映射到调用进程的地址 [24] 空间中 。DLL文件的扩展名方式一般是.dll,也有的是.drv、.sys等格式。DLL 和执行文件EXE非常相似,二者之间的最大区别就在于DLL虽然包含了可执行的 代码,但是它不能单独执行,必须由Windows应用程序直接或者间接调用来实现 [15] 驱动 。 4.4.2 动态链接库的优点 1 DLL扩展了应用程序的特性; 2 DLL的编写与具体的编程语言及编译器没有直接关系; 3 DLL在被调用执行相关命令的时候才动态的载入到内存当中去,即使是多 个 程序使用同一个 DLL,也需装载一次就可以实现对其底层函数的调用,这样 就节省了计算机内存的开销; 4 有助于程序代码、系统数据、各种资源的共享; [24] 5 通过发布 DLL形式的可以重复利用的模块,可提高产品的保密性 。 4.4.3 底层驱动函数 函数功能:系统自检 函数原型:int PCI4712InitSysInit * psysInit, int spare; 参数说明:psysInit表示系统自检返回的采集器信