閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，包括閃爍式光源、光譜儀、控制器，控制器的輸出端與閃爍式光源輸入端電相連，控制器的輸入、輸出端與光譜儀的輸入、輸出端相連，所述控制器用于根據(jù)設(shè)置的輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，控制閃爍式光源和光譜儀的同步，并實時有效的獲取光譜儀采集的光源光譜和暗光譜數(shù)據(jù)信息。本實用新型使閃爍式光源和光譜儀數(shù)據(jù)協(xié)同工作，提高光譜數(shù)據(jù)精度。
【專利說明】
閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及光學(xué)檢測領(lǐng)域，具體涉及一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]光是由光源發(fā)出的，目前主要采用光譜分析光源，光譜分析中最重要的元器件就是光譜儀和燈源。光譜儀是一種重要的光學(xué)測量儀器，通過對特征譜線的分析，對物質(zhì)的成分進行定性和定量的分析。光譜分析的另外一個重要器件就是光源，光源性能穩(wěn)定是進行光譜分析的基本要求。光譜的光源有很多種，氙燈、氘燈、汞燈等。因此光源可分為連續(xù)光源和閃爍式光源，連續(xù)光源(如氘燈光源)，由于光源的連續(xù)性，在任何時刻光譜儀都可以采集到光譜信息。但是對于閃爍式光源(如脈沖氙燈)，由于光源的間斷性，且點亮?xí)r間短，光源點亮的瞬間，光譜信息不容易捕捉，所以必須在光源點亮的瞬間采集光源的光譜信息，同時要確保采集到光源可用，及光源強度不可以太弱也不可以太強，光源太弱，系統(tǒng)噪聲增大，不能完全獲得光譜中攜帶的有用信息;光強太強有可能超過光譜儀的最大量程，影響測量精度和結(jié)果。目前不能實現(xiàn)閃爍式光源和與光譜儀協(xié)同工作，使得測量性能、數(shù)據(jù)可靠差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，使閃爍式光源和光譜儀數(shù)據(jù)協(xié)同工作，從而使得到的光譜數(shù)據(jù)更加可靠有用。
[0004]本實用新型的目的可以采用以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0005]—種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，包括閃爍式光源、光譜儀，其特征在于:還包括控制器，所述控制器的輸出端與閃爍式光源輸入端電相連，所述控制器的輸入、輸出端與光譜儀的輸入、輸出端相連，所述控制器用于根據(jù)設(shè)置的輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，控制閃爍式光源和光譜儀的同步，并實時有效的獲取光譜儀采集的光源光譜和暗光譜數(shù)據(jù)信息。
[0006]所述控制器包括PC機和硬件控制模塊，所述PC機的輸出端與硬件控制模塊的輸入端相連，硬件控制模塊上的光源觸發(fā)端口與閃爍式光源的觸發(fā)引腳電連接，硬件控制模塊上的光譜儀觸發(fā)端口與光譜儀的觸發(fā)引腳電連接，所述PC機用于設(shè)置輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，并發(fā)送控制命令給硬件控制模塊，所述硬件控制模塊用于接收控制命令，并對接收的控制命令進行解析，根據(jù)解析結(jié)果控制相應(yīng)的觸發(fā)端口進行相應(yīng)的觸發(fā)操作。
[0007]所述硬件控制模塊包括電路板、單片機和串口，所述單片機和串口設(shè)置在電路板上。
[0008]所述單片機的CPU采用STM32F100。
[0009]所述閃爍式光源采用氙燈。
[0010]本實用新型的有益效果:本實用新型包括閃爍式光源、光譜儀、控制器，所述控制器的輸出端與閃爍式光源輸入端電相連，所述控制器的輸入、輸出端與光譜儀的輸入、輸出端相連，所述控制器用于根據(jù)設(shè)置的輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，控制閃爍式光源和光譜儀的同步，并實時有效的獲取光譜儀采集的光源光譜和暗光譜數(shù)據(jù)信息。通過控制器控制光譜儀和閃爍式光源的同步，可以實時有效的獲取光譜信息，根據(jù)需要自行設(shè)置光譜的平均次數(shù)，通過軟件控制調(diào)節(jié)光譜的強度，可以動態(tài)的采集暗光譜，提高光譜數(shù)據(jù)的測量精度。平均次數(shù)越多，光譜越穩(wěn)定。
[0011 ] PC機通過串口與硬件控制模塊連接，硬件控制模塊上的光源觸發(fā)端口通過電線與閃爍式光源的觸發(fā)引腳電連接，硬件控制模塊上的光譜儀觸發(fā)端口通過電線與光譜儀的觸發(fā)引腳電連接，PC機發(fā)送控制命令給硬件控制模塊，硬件控制模塊接收到命令后，對相應(yīng)的觸發(fā)端口進行觸發(fā)光譜儀的端口，光譜儀先開始采集數(shù)據(jù)，幾個微秒后，觸發(fā)閃爍式光源的觸發(fā)引腳，點亮閃爍式光源。PC機讀取光譜儀數(shù)據(jù)。使用PC軟件和硬件電路共同控制光譜儀和閃爍式光源的同步。
【附圖說明】
[0012]圖1是本實用新型的電路原理框圖；
[0013]圖2是硬件控制模塊中單片機的電路圖；
[0014]圖3是硬件控制模塊中串口的電路圖；
[0015]圖4本實用新型采集方法的流程圖；
[0016]圖5是一個光源光譜采集周期中閃爍式光源觸發(fā)一次的時間序列圖；
[0017]圖6是多個光源光譜采集周期的時間序列圖；
[0018]圖7是一個光源光譜采集周期中閃爍式光源觸發(fā)多次的時間序列圖。
【具體實施方式】
[0019]下面結(jié)合附圖對本實用新型作進一步地說明。
[0020]參見圖1至圖7所述一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，包括閃爍式光源、光譜儀和控制器，所述閃爍式光源采用氙燈，所述控制器的輸出端與閃爍式光源輸入端電相連，所述控制器的輸入、輸出端與光譜儀的輸入、輸出端相連，所述控制器用于根據(jù)設(shè)置的輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，控制閃爍式光源和光譜儀的同步，并實時有效的獲取光譜儀采集的光源光譜和暗光譜數(shù)據(jù)信息。
[0021]所述控制器包括PC機和硬件控制模塊，所述PC機的輸出端與硬件控制模塊的輸入端相連，所述硬件控制模塊包括電路板、電源、單片機和串口，所述單片機和串口安裝在電路板上，所述串口包括光源觸發(fā)端口，光譜儀觸發(fā)端口。單片機上設(shè)有控制程序，單片機控制相應(yīng)的觸發(fā)端口。通過單片機的CPU來進行智能控制，單片機的CPU采用了ST公司STM32系列中的STM32F100 AC機和硬件觸發(fā)模塊之間采用了 MODBUS作為接口協(xié)議，支持M0DBUS-RTU標(biāo)準(zhǔn)，進行半雙工傳送。串口通過PA2、PA3、PA4腳與單片機的16、17、20腳連接，所述串口通過XS2端口的1、2腳與PC機連接。PC機通過串口與硬件控制模塊連接，硬件控制模塊上的光源觸發(fā)端口通過電線與閃爍式光源的觸發(fā)引腳電連接，硬件控制模塊上的光譜儀觸發(fā)端口通過電線與光譜儀的觸發(fā)引腳電連接。通過串口對相應(yīng)的觸發(fā)端口設(shè)置電平的高低，電壓的高低(0V和5V)，例如把電平拉高到5V，延時10微秒后再把電平拉低到0V，就可以觸發(fā)閃爍式光源，使閃爍式光源點亮了。光譜儀同理。所述PC機用于設(shè)置輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，并發(fā)送控制命令給硬件控制模塊，所述硬件控制模塊用于接收控制命令，并對接收的控制命令進行解析，根據(jù)解析結(jié)果控制相應(yīng)的觸發(fā)端口進行相應(yīng)的觸發(fā)操作。PC機中設(shè)有控制軟件，PC機發(fā)送控制命令給硬件控制模塊，硬件控制模塊接收到命令后，對相應(yīng)的觸發(fā)端口進行觸發(fā)光譜儀的端口，光譜儀開始采集數(shù)據(jù)，幾個微秒后，觸發(fā)氙燈的引腳，點亮氙燈，PC機讀取光譜儀數(shù)據(jù)。
[0022]—種閃爍式光源的光譜采集方法，包括權(quán)利要求1至4任一所述的閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，采集方法如下:
[0023]在控制器中的輸入界面中輸入閃爍式光源的脈沖觸發(fā)次數(shù)B、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)N，積分時間一般設(shè)置為5?10ms，所述控制器對輸入的數(shù)據(jù)信息進行解析，判斷觸發(fā)閃爍式光源的脈沖次數(shù)；
[0024]如果閃爍式光源的脈沖觸發(fā)次數(shù)B，B21，B< 10，則為采集閃爍式光源的光源光譜，所述控制器先根據(jù)命令觸發(fā)光譜儀，并開始統(tǒng)計光譜儀的積分時間，在延時I?10微秒(US)后，一般延時5US，控制器根據(jù)觸發(fā)次數(shù)觸發(fā)閃爍式光源，使閃爍式光源點亮，當(dāng)達到光譜儀的積分時間后光譜儀停止采集數(shù)據(jù)，控制器從光譜儀中讀取光源光譜數(shù)據(jù)，完成一個閃爍式光源的光源光譜采集周期，根據(jù)一個采集周期內(nèi)觸氙燈發(fā)次數(shù)調(diào)節(jié)，觸發(fā)次數(shù)越多，光譜越強。每個閃爍式光源的光源光譜采集周期為T，150ms STS 250ms，周期T的單位是ms(毫秒)，根據(jù)光譜的平均次數(shù)N，所述光譜的平均次數(shù)1，<50，一般平均次數(shù)N采用30次，平均次數(shù)越多，光譜越穩(wěn)定。采集N個周期閃爍式光源的光源光譜數(shù)據(jù)，并將N個周期閃爍式光源的光源光譜數(shù)據(jù)相加后再除以N，獲得平均光源光譜數(shù)據(jù)；
[0025]如果閃爍式光源的脈沖觸發(fā)次數(shù)B= O，則為采集光譜儀的暗光譜，即使沒有光的時候，光譜儀也是有數(shù)據(jù)的，這個數(shù)據(jù)就是光譜儀的暗光譜，相當(dāng)于背景噪聲，所述控制器觸發(fā)光譜儀，開始統(tǒng)計光譜儀的積分時間，達到光譜儀的積分時間之后光譜儀停止采集數(shù)據(jù)，控制器從光譜儀中讀取暗光譜數(shù)據(jù)，完成一個閃爍式光源的暗光譜采集周期，根據(jù)光譜的平均次數(shù)N，所述光譜的平均次數(shù)1，< 50，一般平均次數(shù)N采用30次，采集N個周期暗光譜數(shù)據(jù)，并將N個周期的暗光譜數(shù)據(jù)相加后再除以N，獲得平均暗光譜數(shù)據(jù)；
[0026]通過采集的平均光源光譜數(shù)據(jù)減去平均暗光譜數(shù)據(jù)得到每次閃爍式光源的光譜數(shù)據(jù)。
[0027]采集一次閃爍式光源的平均光源光譜數(shù)據(jù)，然后采集一次光譜儀的平均暗光譜數(shù)據(jù)，所述閃爍式光源的平均光源光譜數(shù)據(jù)減去光譜儀的平均暗光譜數(shù)據(jù)得到該次閃爍式光源的光譜數(shù)據(jù)。
[0028]采集多次閃爍式光源的平均光源光譜數(shù)據(jù)后，采集一次光譜儀的平均暗光譜數(shù)據(jù)，多次閃爍式光源的平均光源光譜數(shù)據(jù)均減去該次光譜儀的平均暗光譜數(shù)據(jù)得到多次閃爍式光源的光譜數(shù)據(jù)。因此可以根據(jù)需要在采集M次平均光源光譜數(shù)據(jù)，再采集一次光譜儀的平均暗光譜數(shù)據(jù)，M在I?1000。
[0029]采用軟硬結(jié)合的方式，通過PC機的控制軟件與硬件控制模塊，共同控制氙燈光源和光譜儀的同步，以便獲得有效的光譜信息，根據(jù)需要自行設(shè)置光譜的平均次數(shù)，方便光譜平均次數(shù)和光譜強度的調(diào)節(jié)，可以動態(tài)的采集暗光譜，實時有效的去除暗光譜(背景噪聲)，有利于對光譜數(shù)據(jù)的補償，提高光譜數(shù)據(jù)精度。
[0030]參見圖2至圖7所示，以閃爍式光源采用氙燈為例，PC機的控制軟件為主控單元，而閃爍式光源、光譜儀和硬件控制模塊都為被控單元。PC機通過串口與硬件控制模塊連接，硬件控制模塊上的氙燈觸發(fā)端口通過電線與氙燈的觸發(fā)引腳連接，硬件控制模塊上的光譜儀觸發(fā)端口通過電線與光譜儀的觸發(fā)引腳連接。PC機的控制軟件發(fā)送命令給硬件控制模塊，硬件控制模塊對接收到的命令進行解析，根據(jù)相應(yīng)的命令對光譜儀和脈沖氙燈進行操作。同時PC機控制軟件根據(jù)設(shè)置參數(shù)的不同，可以設(shè)置光譜儀的積分時間(曝光時間)，光譜的平均次數(shù)，脈沖氙燈觸發(fā)次數(shù)。平均次數(shù)N和觸發(fā)次數(shù)B可以根據(jù)用戶的需要自行設(shè)置。
[0031]當(dāng)在PC機的輸入界面中，輸入閃爍式光源的脈沖觸發(fā)次數(shù)B2 I時，硬件控制模塊主要功能是對脈沖氙燈進行觸發(fā)，點亮脈沖氙燈。同時對光譜儀發(fā)送外部觸發(fā)數(shù)據(jù)采集命令，讓光譜儀開始光譜數(shù)據(jù)采集。在時間序列上光譜儀采集數(shù)據(jù)的觸發(fā)命令要先于閃爍式光源的開啟命令，這是因為閃爍式光源的點亮?xí)r間極短，如果在光譜儀采集數(shù)據(jù)前進行開啟，有可能閃爍式光源已經(jīng)關(guān)閉，光譜儀采集不到光譜信息。本實用新型中硬件控制模塊先發(fā)送光譜采集命令，延時I?10微秒(us)后，然后開始觸發(fā)脈沖氙燈，點亮脈沖閃爍式光源，本實施例中采用5us?？刂破鲝墓庾V儀中讀取光源光譜數(shù)據(jù)，完成一個氙燈的光源光譜采集周期，一般設(shè)置為一個氙燈的光源光譜采集周期觸發(fā)一次，即脈沖觸發(fā)次數(shù)B = I，
[0032]參見圖5的時間序列圖，時間序列圖就是一個周期內(nèi)的各個時間所進行的相同操作，各個操作在時間上的順序，按著這個順序，就可以采集到氙燈的光譜數(shù)據(jù)。圖中Tl時刻為硬件模塊接收命令時刻，T2時刻為光譜儀觸發(fā)時刻，即開始采集數(shù)據(jù)時刻，T3為點亮氙燈時刻，T4為數(shù)據(jù)采集完成時刻。T2-T4時間段為光譜儀的采集數(shù)據(jù)時間，即設(shè)置的光譜儀積分時間，T5時刻是下一個采集循環(huán)段的開始。Tl到T5就是一個數(shù)據(jù)采集周期，時間大約是200ms，其他時間點沒有明確的時間。T2比T3要早幾個微秒。
[0033]根據(jù)光譜的平均次數(shù)N，所述光譜的平均次數(shù)N2 I，< 50，N為30，采集30個周期氙燈的光源光譜數(shù)據(jù)，并將這30個周期氙燈的光源光譜數(shù)據(jù)相加后再除以30，獲得一次氙燈的平均光源光譜數(shù)據(jù)。
[0034]根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境來，一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)可以只觸發(fā)一次氙燈(點亮一次氙燈)，也可以在一個數(shù)據(jù)采集周期內(nèi)觸發(fā)多次，觸發(fā)一次，光強就弱一些，觸發(fā)多次，光強就強很多。因為任何的光源都存在衰減現(xiàn)象，當(dāng)氙燈的一次光譜信息較弱不足以參與運算時，需要調(diào)整閃爍式光源的脈沖觸發(fā)次數(shù)，在光譜儀的一個數(shù)據(jù)采集時段內(nèi)多次觸發(fā)氙燈，參見圖7所不的時序圖。
[0035]當(dāng)在PC機的輸入界面中，輸入閃爍式光源的脈沖觸發(fā)次數(shù)B= 0，硬件控制模塊對接收的命令進行判斷，閃爍式光源的脈沖觸發(fā)次數(shù)B = O即接收到的是采集暗光譜命令，只需要觸發(fā)光譜儀采集數(shù)據(jù)，而不需要觸發(fā)氙燈光源。然后根據(jù)平均次數(shù)N，所述光譜的平均次數(shù)N > I, < 50，N為30，采集30個周期暗光譜數(shù)據(jù)，并將30個周期暗光譜數(shù)據(jù)除以30，獲得平均暗光譜數(shù)據(jù)；
[0036]根據(jù)采集的平均光源光譜數(shù)據(jù)減去平均暗光譜數(shù)據(jù)得到每次氙燈的光譜數(shù)據(jù)。
[0037]可以選擇采集一次氙燈光譜，然后再采集一次暗光譜。這種方式會降低計算速率。且采集一次的時間很短，都是ms，如果采集一次光譜采集一次暗光譜是沒有必要的，因為暗光譜是隔一段時間變化，采集多次氙燈光譜再采集一次暗光譜會更好一些。
[0038]在實際的應(yīng)用中，暗光譜在短時間內(nèi)是不會發(fā)生很大的變化的，但是光譜儀隨著時間工作的增加，其暗光譜(背景噪聲)會發(fā)生變化，為了提高光譜的測量精度，可以動態(tài)的采集光譜儀的暗光譜，即隔一段時間采集一次暗光譜。可以選擇選擇采集若干次氙燈光譜，再采集一次暗光譜，這樣可以提高計算速度。采集時序圖如圖6所示。圖中采集M次氙燈光譜后，采集一次暗光譜，M可以根據(jù)需要自行選擇。
【主權(quán)項】
1.一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，包括閃爍式光源、光譜儀，其特征在于:還包括控制器，所述控制器的輸出端與閃爍式光源輸入端電相連，所述控制器的輸入、輸出端與光譜儀的輸入、輸出端相連，所述控制器用于根據(jù)設(shè)置的輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，控制閃爍式光源和光譜儀的同步，并實時有效的獲取光譜儀采集的光源光譜和暗光譜數(shù)據(jù)信息。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，其特征在于:所述控制器包括PC機和硬件控制模塊，所述PC機的輸出端與硬件控制模塊的輸入端相連，硬件控制模塊上的光源觸發(fā)端口與閃爍式光源的觸發(fā)引腳電連接，硬件控制模塊上的光譜儀觸發(fā)端口與光譜儀的觸發(fā)引腳電連接，所述PC機用于設(shè)置輸入閃爍式光源的觸發(fā)次數(shù)、光譜儀積分時間及光譜的平均次數(shù)，并發(fā)送控制命令給硬件控制模塊，所述硬件控制模塊用于接收控制命令，并對接收的控制命令進行解析，根據(jù)解析結(jié)果控制相應(yīng)的觸發(fā)端口進行相應(yīng)的觸發(fā)操作。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，其特征在于:所述硬件控制模塊包括電路板、單片機和串口，所述單片機和串口設(shè)置在電路板上。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，其特征在于:所述單片機的CPU 采用 STM32F100。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種閃爍式光源的光譜采集系統(tǒng)，其特征在于:所述閃爍式光源采用氙燈。
【文檔編號】G01J3/02GK205537960SQ201620207551
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年3月17日
【發(fā)明人】王菁, 甄長飛
【申請人】重慶川儀自動化股份有限公司