晏健榮, 韓 強

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

基于VB6.0的自動分光光度計波長標定系統(tǒng)設(shè)計

晏健榮, 韓 強

(東華大學機械工程學院，上海 201620)

為保證分光光度計波長檢測的準確度，設(shè)計了光度計波長自動掃描標定系統(tǒng)。系統(tǒng)以STM32F103RBT6單片機為控制核心，通過控制步進電機、光電池檢測模塊、人機交互模塊等部件，實現(xiàn)波長自動掃描檢測。波長掃描過程中，光度計在波長每增加0.5nm處檢測保存待測樣品的吸光度值，并通過串口通信與計算機交互，再將檢測數(shù)據(jù)上傳至VB上位機軟件。上位機完成對檢測數(shù)據(jù)的處理及曲線繪制。根據(jù)檢測結(jié)果，利用正弦函數(shù)擬合校正波長脈沖函數(shù)，并將校正系數(shù)下發(fā)至下位機。下位機根據(jù)校正系數(shù)，完成波長標定。標定系統(tǒng)波長掃描范圍為190～850nm，掃描檢測速度為2nm/s。校正后，實際測量數(shù)據(jù)檢驗結(jié)果表明，分光光度計波長準確度優(yōu)于0.3nm。

波長標定;擬合;VB6.0;光柵;單片機;上位機;分光光度計

0 引言

分光光度計主要根據(jù)物質(zhì)吸收光譜上某波長處的吸光度值來判斷或測定待測物含量[1]，被廣泛應(yīng)用于制藥、化學化工、冶金、食品、農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域的定性、定量分析[2]。不同物質(zhì)有其特定的吸收光譜線，在實際測量中，根據(jù)不同的物質(zhì)，選用不同的波長。波長準確度直接關(guān)系到分光光度計的分析誤差[2-3]。

近年來，由于電子技術(shù)的高速發(fā)展,光電檢測技術(shù)對儀器的分辨率、測量范圍、靈敏度、速度、集成化、一體化等方面提出了更高的要求[4]。提高波長標定的掃描速度和精度是分光光度計控制系統(tǒng)設(shè)計的主要任務(wù)。目前，波長標定主要有根據(jù)掃描結(jié)果在一定區(qū)間內(nèi)線性加減脈沖數(shù)和多項式擬合[4-5]兩種方法。線性地加減脈沖數(shù)，誤差較大，標定過程復雜；多項式擬合精度較高，但要求擬合的數(shù)據(jù)點較多。本系統(tǒng)通過cortex-M3芯片控制各部件電機及光電池檢測系統(tǒng)等模塊，實現(xiàn)自動掃描檢測，大大簡化操作流程；VB上位機根據(jù)掃描結(jié)果，利用正弦函數(shù)進行擬合。光柵方程符合正弦規(guī)律，用較少的標定點數(shù)獲得較高精度的波長脈沖函數(shù)，可有效提高系統(tǒng)的實時性及檢測精度。

1 標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

分光光度計下位機主要包括cortex-M3主控制單元、光源系統(tǒng)、光柵分光系統(tǒng)、樣品池、濾光片、光電池檢測系統(tǒng)以及人機交互模塊等。上位機為VB設(shè)計的軟件程序，主要完成數(shù)據(jù)的處理、顯示及擬合等。標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 標定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

下位機控制單元選用STM32F103RBT6作為主控芯片。光源系統(tǒng)包括氘燈、鎢燈及光路系統(tǒng)。系統(tǒng)可根據(jù)波長自動切換光源，切換時由步進電機驅(qū)動切換鏡片將指定光源反射至入射狹縫。分光系統(tǒng)采用平面反射閃耀光柵作為分光元件，光柵相對于棱鏡有更好的分光能力[6]。光柵由步進電機及其減速傳動裝置帶動旋轉(zhuǎn)，選擇特定波長的單色光出射。光柵步進電機選用STP-42D2081，步距角為1.8°。為提高光柵角度分辨率，電機驅(qū)動時采用64細分，同時設(shè)計機械細分，設(shè)計減速傳動比為兩級齒輪減速傳動機構(gòu)。為克服衍射光柵光譜的級次重疊，在出射單色光前加有7個不同波段截止濾光片。截止濾光片安裝在可由步進電機驅(qū)動的圓盤孔位上。步進電機選用力矩較大的24BYJ48B減速步進電機。樣品池中放有待測物質(zhì)的樣品及用作參照對比的“空白”樣品?！翱瞻住睒悠分袥]有待測物，用以消除待測物質(zhì)以外其他物質(zhì)的影響。樣品池用35BYJ412B步進電機進行樣品切換，使單色光依次通過各樣品。檢測系統(tǒng)采用光電池傳感器和放大模塊，完成對透射光能量的檢測。

光柵將復色光分成各波長單色光，特定波長單色光通過樣品池中樣品，經(jīng)光電池檢測透射光能量。通過計算待測物樣品和“空白樣品”兩種樣品透射光能量的比值，得到待測物質(zhì)的透過率及吸光度。

根據(jù)光柵衍射理論，平面反射光柵的光柵方程為：

mλ=d(sinα-sinβ)

(1)

式中:d為光柵常數(shù),設(shè)計理論值為833.33;α為入射光與光柵法線夾角;β為衍射光與光柵法線夾角;m為光柵衍射光譜級數(shù)，選用m=1級光譜;λ為衍射光波長。

由光柵方程可知，波長為λ的一級(m=1)光譜線、波長為λ/2的2級光譜線、波長為λ/3的3級光譜線等都具有相同的衍射角。為消除光譜級次重疊，保證單色光純度，在出射光前加有截止濾光片。根據(jù)截止濾光片，將波長分成190～339 nm、340～369 nm、370～429 nm、430～549 nm、550～649 nm、650～749 nm、749～850 nm多段進行掃描。系統(tǒng)選用能量較高的m=1級光譜，則：

λ=d(sinα-sinβ)

(2)

根據(jù)三角函數(shù)變換，可得：

(3)

對于分光光度計，入射狹縫A及出射狹縫B固定，閃耀反射光柵分光原理如圖2所示。

圖2 閃耀反射光柵分光原理圖

光柵旋轉(zhuǎn)所選擇的入射單色光光線與出射單色光光線夾角始終不變，(α+β)為常數(shù)。零級光處，入射角與衍射角相等，α-β=0。光柵旋轉(zhuǎn)一定角度θ時，α-β=2θ，則式(2)可簡化為：

λ=ksinθ

(4)

結(jié)果評價：課程前后詢問學生對老年護理職業(yè)崗位認同的相關(guān)問題。統(tǒng)計2010、2011級學生畢業(yè)論文中開展老年護理研究的學生比例。護理職業(yè)崗位勝任力共有8項，其中關(guān)愛、溝通與合作、評判性思維、倫理素養(yǎng)、恪盡職守、終身學習、一般護理技術(shù)按5分制計分，每項分別對應(yīng)1、2、3、4、5分的評分標準進行描述，得分根據(jù)小組學習、學生課堂、課外訓練任務(wù)中學生的表現(xiàn)和成果評價，評價結(jié)果由學生自評、學生互評、教師評價3部分組成?；局R通過考核評價。

λ=k1sin(n/k2)

(5)

在實際測量過程中，由于分光光度計的安裝誤差、光柵誤差等因素使(α+β)的常數(shù)與理論值產(chǎn)生偏差，也將引入由齒輪制造的誤差，從而導致系數(shù)k1、k2的誤差，最終使電機脈沖數(shù)產(chǎn)生偏差，從而影響分光光度計的波長準確度。為保證波長的準確度，必須根據(jù)實際分光光度計，對系數(shù)k1、k2重新計算。系統(tǒng)通過測定氧化鈥玻璃的特征譜線，并根據(jù)其特征波長及對應(yīng)實際脈沖數(shù)，采用正弦函數(shù)最小二乘擬合，得到實際系數(shù)k1、k2。分光光度計下位機根據(jù)實際系數(shù)重新完成波長標定。

2 VB上位機

由于波長掃描標定時檢測處理的數(shù)據(jù)量較大，為提高系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力及運行效率，設(shè)計VB上位機軟件。上位機與下位機通過RS-232通信，實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。下位機分光光度計負責波長掃描檢測，上位機軟件主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、曲線繪制、數(shù)據(jù)管理、存儲、excel表格輸出以及正弦函數(shù)擬合校正等。

上位機選擇指定的波長段并開始采集。下位機接收掃描指令后，對指定的波長段自動掃描檢測，并將檢測的各待測物質(zhì)的透過率及對應(yīng)的波長值通過串口通信傳至上位機。上位機將數(shù)據(jù)顯示在對應(yīng)的表格中，并繪制對應(yīng)的波長透過率曲線。同時可對檢測數(shù)據(jù)進行存儲及輸出。所有波長段檢測完成后，即可進行波長校正。波長校正時，上位機根據(jù)檢測數(shù)據(jù)，找到實際特征波長的波長值及對應(yīng)電機脈沖數(shù)。根據(jù)氧化鈥玻璃的標準特征波長及脈沖數(shù)，利用正弦函數(shù)進行擬合校正，得到校正系數(shù)k1、k2，將系數(shù)下發(fā)給下位機。下位機再根據(jù)校正系數(shù)重新計算得出每個波長對應(yīng)的脈沖數(shù)，完成波長標定。

3 波長標定

波長標定過程中，由于截止濾光片的不同，需分波段進行掃描。VB上位機選擇不同的波長段，下發(fā)至下位機。下位機根據(jù)上位機指令，控制光柵電機帶動光柵旋轉(zhuǎn)，對指定波長段掃描標定。下位機接收指定波長段掃描指令后進行初始化。初始化主要包括根據(jù)波長自動選擇光源及截止濾光片、樣品池電機帶動樣品池回零，使空白樣品至指定工位。選擇合適的波長放大倍數(shù)，提高系統(tǒng)檢測精度。

初始化完成后，在光柵電機的作用下，光柵以一定的角速度旋轉(zhuǎn)，使光柵出射的單色光以2nm/s的掃描速度先后通過“空白”樣品及待測物樣品。為提高系統(tǒng)的運行效率及實時性，同時減少數(shù)據(jù)量，只在波長值每增加0.5nm處讀取光電檢測器的輸出值，并將結(jié)果存儲。通過對空白樣品及標準樣品檢測結(jié)果的對比，即可得出標準物質(zhì)對不同波長的透過率，最后將掃描結(jié)果傳給上位機。

由于系統(tǒng)檢測數(shù)據(jù)是在掃描過程中動態(tài)檢測的，為提高系統(tǒng)的檢測精度，本系統(tǒng)采用中位值平均濾波與滯后濾波軟件濾波相結(jié)合的方法。每次采集8組波長數(shù)據(jù)，去掉最大值與最小值，再求平均值。在每組數(shù)據(jù)采集過程中，連續(xù)采樣18次，去掉最大值與最小值，取平均值，再根據(jù)上一組數(shù)據(jù)，采用一階滯后濾波，得到當前數(shù)據(jù)。

AD_data=(data1×20+80×data0)/100。

自動波長標定系統(tǒng)流程圖如圖3所示。

圖3 標定系統(tǒng)流程圖

特征波長掃描檢測結(jié)果如表1所示。

表1 特征波長掃描檢測結(jié)果

根據(jù)檢測特征波長及對應(yīng)的實際脈沖數(shù)，采用正弦函數(shù)λ=k1sin(n/k2)，擬合校正得到k1=1 544、k2=31 455，則λ=1 544sin(n/31 455)。

校正結(jié)束后，經(jīng)過檢驗測量，得到實際特征波長值如表2所示。

表2 標定結(jié)果測試檢驗

試驗數(shù)據(jù)表明，系統(tǒng)測量波長誤差小于0.3 nm。系統(tǒng)標定后，用分光光度計自帶氘燈校正波長。根據(jù)氘燈特征譜線，其特征波長為486 nm和656.1 nm，檢測實際波長為486 nm和656 nm。

波長重復性與波長準確度同樣重要。對于同一物質(zhì)，不同波長下測試會有不同的靈敏度。波長重復性不好的分光光度計在每次試驗檢測時，將不能得到可靠的分析結(jié)果。為檢測波長重復性精度,多次掃描檢測氧化鈥玻璃特征譜線，測定系統(tǒng)波長重復性。經(jīng)過系統(tǒng)4次掃描測量，得到的特征波長處波長重復性檢測結(jié)果如表3所示。

表3 波長重復性檢測結(jié)果

試驗數(shù)據(jù)表明，特征波長處波長重復性優(yōu)于0.3 nm。

4 結(jié)束語

基于VB 6.0的自動分光光度計波長標定系統(tǒng)[7-10]，通過上位機正弦函數(shù)擬合校正，獲得了較高的波長準確度。通過設(shè)計上位機數(shù)據(jù)處理軟件，提高了系統(tǒng)的運行速度及效率，友好的上位機界面能更加直觀地顯示測量的結(jié)果；通過步進電機帶動分光光度計各部件自動掃描檢測，提高了系統(tǒng)的智能化與自動化，大大簡化了測量操作，并保證了系統(tǒng)的準確性與可靠性。通過試驗檢測表明，經(jīng)系統(tǒng)波長校正后的分光光度計，其波長準確度優(yōu)于0.3 nm，滿足分光光度計試驗檢測要求。

[1] 李昌厚.紫外可見分光光度計及其應(yīng)用[M].北京:化學工業(yè)出版社,2010.

[2] 李昌厚.紫外可見分光光度計(分析儀器使用與維護叢書)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2005.

[3] 喬道鄂,谷玉海.自動光柵單色儀波長標定技術(shù)[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(3):118-120.

[4] 喬道鄂,谷玉海,徐小力.自動掃描多光柵單色儀系統(tǒng)研制[J].儀器儀表學報,2009,30(3):668-672.

[5] 楊家健，盧小豐，馮曉東，等.基于LabVIEW的光柵單色儀波長標定裝置[J].電子測量技術(shù)，2010,33(4):78-81.

[6] 吳文銘.紫外可見分光光度計及其應(yīng)用[J].生命科學儀器,2009,7(4):61-63.

[7] ROBERT Y C,STEPHEN S M,ANDREA B M.Spectrometer wavelength calibration using spectrally resolved white-light interferometry[J].Optics Letters,2010,35(13)：2257-2259.

[8] 鄭建英，馬龍博.基于VB6.0的智能化儀表遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].制造業(yè)自動化,2008,30(10):94-95,111.

[9] 張磊，戴景民.基于連續(xù)光譜光源的單色儀標定方法[J].光譜學與光譜分析,2015,35(8):2348-2351.

[10] 宋勇,李清寶,白燕,等.高精度實時數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實用設(shè)計[J].微計算機信息(測控自動化),2005,21(6):66-68.

WavelengthCalibrationSystemofAutomaticSpectrophotometerBasedonVB6.0

YANJianrong,HANQiang

(CollegeofMechanicalEngineering,DonghuaUniversity,Shanghai201620,China)

Toensuretheaccuracydetectionofthewavelengthofspectrophotometer,anautomaticscanningcalibrationsystemisdesigned.ThesinglechipcomputerSTM32F103RBT6isusedasthecontrolcore,throughcontrollingthesteppermotorofeachpart,photovoltaicdetectionmodule,andmanmachineinteractionmodule,etc.,theautomaticscanningdetectionofwavelengthisimplemented.Inwavelengthscanningprocess,theoutputvalueofthephotodetectorisreadandsavedbyspectrophotometerwhenthewavelengthincreasesevery0.5nm;andthedetecteddataisuploadedtoVBhostcomputerthroughserialcommunication.Theprocessingandcurveplottingofthedetecteddataarecompletedbythehostcomputer,usingthesinefunctiontofitandcorrectthewavelengthpulsefunction,andthecorrectioncoefficientsareissuedtothelowercomputer.Thewavelengthcalibrationiscompletedbylowercomputeraccordingtothecorrectioncoefficient.Thetestresultsofactualmeasurementshowthattheaccuracyofthewavelengthofspectrophotometeriswithin0.3nm.

Wavelengthcalibration;Fitting;VB6.0;Grating;Microcontroller;Hostcomputer;Spectrophotometer

晏健榮(1991—)，男，在讀碩士研究生，主要從事機電一體化集成控制技術(shù)的研究。E-mail:dhujr_yan@163.com。韓強(通信作者)，男，博士，副教授，主要從事機電一體化集成控制技術(shù)、機械電子、智能檢測與控制等的研究。E-mail:hanq@dhu.edu.cn。

TH74；TP

ADOI: 10686/j.cnki.issn1000-0380.201701022

修改稿收到日期:2016-10-10