摘要：微米顆粒散射光信號(hào)的獲取是利用夫朗和費(fèi)衍射原理分析微米顆粒粒徑的基礎(chǔ)。介紹了由計(jì)算機(jī)和高速數(shù)據(jù)采集卡組成的高速采集裝置，討論了在基于虛擬儀器軟件平臺(tái)的程序設(shè)計(jì)中遇到的有關(guān)散射光信號(hào)的高速采集、存儲(chǔ)、顯示等問(wèn)題。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明能夠得到反映微米顆粒散射光信號(hào)的結(jié)果，為今后利用這些結(jié)果進(jìn)行微米顆粒的粒徑分析提供了可靠的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：散射光；高速采集；微米顆粒；虛擬儀器

0 引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在建材、冶金、化工、食品、醫(yī)藥、機(jī)械、環(huán)保等工業(yè)中都廣泛涉及到與顆粒密切相關(guān)的技術(shù)問(wèn)題。因此，對(duì)顆粒粒度的準(zhǔn)確測(cè)量越來(lái)越引起人們廣泛的關(guān)注。它對(duì)環(huán)境保護(hù)、工業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量控制、醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領(lǐng)域的發(fā)展有著重要的意

義。在眾多的顆粒測(cè)定方法中，光散射法是目前使用的一種最先進(jìn)、應(yīng)用最廣泛和最有發(fā)展前景的一種顆粒測(cè)量技術(shù)。在基于夫朗和費(fèi)衍射技術(shù)的微米顆粒的尺寸測(cè)量中，首先必須了解微米顆粒的光散射特性，利用數(shù)據(jù)采集卡獲得散射光信號(hào)，再利用反演算法得到顆粒的粒徑、分散度等相關(guān)信息。因此，散射光信號(hào)的獲取是微米顆粒測(cè)量中首要解決的問(wèn)題。

本文介紹了基于NI公司的高速采集卡的采集裝置，討論了基于虛擬儀器軟件平臺(tái)的散射光信號(hào)的高速采集和顯示等的程序設(shè)計(jì)。

1 微米顆粒散射光的特點(diǎn)分析及對(duì)采集裝置的要求

根據(jù)微米顆粒夫朗和費(fèi)衍射光能量分布特點(diǎn)，該激光粒度儀普遍采用環(huán)形光電探測(cè)器件，該激光粒度儀上所用的光電探測(cè)器件是由重慶大學(xué)光電工程系設(shè)計(jì)制造的自掃描光電二極管列陣(Self Seanned Photodiode Array，SSPA)。SSPA的信號(hào)頻率為20 kHz，所用的數(shù)據(jù)采集卡(PCI-6220M)單通道采樣頻率為250 kS／s。根據(jù)采樣定理，要采集到SSPA的峰值是完全可以做到的。對(duì)于如何才能保證準(zhǔn)確地采集到SSPA各環(huán)信號(hào)峰值的問(wèn)題，這里采用對(duì)信號(hào)進(jìn)行峰值保持的方法來(lái)做。實(shí)驗(yàn)證明采用這種方法能夠準(zhǔn)確并穩(wěn)定地采集到SSPA各環(huán)信號(hào)的峰值。

2 散射光信號(hào)的獲取

本文采用圖1所示的采集系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)微米顆粒散射光信號(hào)的采集。它的測(cè)量過(guò)程如下：功率為28 mW的氦氖激光器發(fā)出的波長(zhǎng)為632．8 nm的光束經(jīng)擴(kuò)束、準(zhǔn)直后入射到被測(cè)顆粒樣品上，光被散射。散射光被付氏鏡會(huì)聚到SSPA探測(cè)器上，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)過(guò)峰值保持電路，然后利用PCI-6220M采集卡采集信號(hào)。并將采集到的數(shù)據(jù)傳送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。從信號(hào)采集到處理的全過(guò)程都是在虛擬儀器的平臺(tái)(LabVIEW 8．20)上完成的。

由于在實(shí)驗(yàn)中使用的是M系列的DAQ卡，而該系列的采集卡不再支持傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，為此采用了新的基于NI-DAQmx的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。在該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，可以利用驅(qū)動(dòng)程序用戶接口MAX(Measurement＆Automtion Explorer)對(duì)硬件進(jìn)行各種設(shè)置和測(cè)試，然后調(diào)用DAQmx數(shù)據(jù)采集函數(shù)編寫數(shù)據(jù)采集程序。另外它還提供了通過(guò)數(shù)據(jù)采集助手DAQ Assistant快速進(jìn)行交互式的硬件設(shè)置和自動(dòng)生成數(shù)據(jù)采集程序圖形代碼的方法。可以在MAX中打開數(shù)據(jù)采集助手，也可以在LabVIEW中啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集助手。

在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，只能采用把采集函數(shù)模塊一個(gè)一個(gè)鏈接起來(lái)的方法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。但在NI-DAQmx的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，除了可以用傳統(tǒng)的方法來(lái)編寫采集程序外，還可以用建立任務(wù)(Task)的方法來(lái)編寫采集程序，而且該方法更為簡(jiǎn)單快捷。

數(shù)據(jù)采集任務(wù)Task是NI-DAQ新增加的一個(gè)重要概念，它是一系列信息的集合，包括一個(gè)或多個(gè)通道已經(jīng)定時(shí)、觸發(fā)等屬性。它也是數(shù)據(jù)采集助手與數(shù)據(jù)采集程序之間聯(lián)系的紐帶。下面就來(lái)介紹如何在MAX中創(chuàng)建散射光信號(hào)的采集任務(wù)。

首先在MAX中建立一個(gè)任務(wù)，并命名為MyVoltageTask0，然后在這里設(shè)置采集信號(hào)的類型，由于所采集的信號(hào)為模擬電壓信號(hào)，故在此選擇Analog Input下的VoItage選項(xiàng)，接著選擇信號(hào)輸入通道，最后出現(xiàn)數(shù)據(jù)采集助手的設(shè)置面板，如圖2所示。在數(shù)據(jù)采集助手中對(duì)輸入信號(hào)范圍、信號(hào)連接方式、采樣數(shù)、采樣率、外部時(shí)鐘信號(hào)等進(jìn)行設(shè)置，然后將任務(wù)保存在Max中。

接下來(lái)就是利用剛才創(chuàng)建的任務(wù)生成散射光信號(hào)采集程序代碼。

首先找到在LabVIEW的NI Measurements→DAQmx Data Acquisition函數(shù)模板的一個(gè)DAQmxTask Name Constant常數(shù)，然后在它的下拉菜單中選擇剛才已經(jīng)建立的任務(wù)MyVoltageTask0。接著在該常數(shù)上彈出快捷菜單，選Generate Code→Configuration and Exampie，這個(gè)選項(xiàng)將自動(dòng)產(chǎn)生運(yùn)行一個(gè)采集程序所需要的所有代碼，它的圖形代碼如圖3所示。圖4中最左邊的圖標(biāo)為任務(wù)設(shè)置部分的函數(shù)圖標(biāo)。打開這個(gè)圖標(biāo)，它的圖形代碼如圖4所示。這樣就可以根據(jù)實(shí)際需要來(lái)修改這些測(cè)量參數(shù)。

以上這些采集模塊通過(guò)各自的Task In，Task Out和Error In、Error Out引腳聯(lián)系起來(lái)，數(shù)據(jù)流通過(guò)它們進(jìn)行傳遞。整個(gè)程序用一個(gè)While Loop循環(huán)實(shí)現(xiàn)連續(xù)采集，并用一個(gè)按鈕“Stop"實(shí)現(xiàn)程序的退出。

由于該程序以后要在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，故需要防止別人誤把程序退出，為此采用了事件結(jié)構(gòu)來(lái)防止應(yīng)用程序的錯(cuò)誤退出。至此完成了散射光信號(hào)采集程序的整個(gè)設(shè)計(jì)。

3 實(shí)驗(yàn)效果

為了驗(yàn)證散射光信號(hào)采集系統(tǒng)的正確性與穩(wěn)定性，利用一個(gè)具有一定粒徑分布的玻璃樣本做了驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)。

圖5為微米級(jí)顆粒散射光信號(hào)采集程序前面板，從圖中可以看到實(shí)時(shí)顯示的總信號(hào)(底板信號(hào)+顆粒信號(hào))圖和顆粒信號(hào)(總信號(hào)-底板信號(hào))圖，也可實(shí)時(shí)觀察到接收信號(hào)的最大值及該信號(hào)在接收環(huán)所處的位置。此外，還可以對(duì)數(shù)據(jù)采集卡的有關(guān)參數(shù)如設(shè)備編號(hào)、采樣通道、觸發(fā)沿等進(jìn)行設(shè)置。微米級(jí)顆粒散射光信號(hào)采集的程序框圖如圖6所示，其中包含了散射光信號(hào)的采集、存儲(chǔ)、顯示和防止錯(cuò)誤退出等子程序。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)用LabVIEW 8．20編寫的采集程序可以有效地控制PCI-6220M高速數(shù)據(jù)采集卡，準(zhǔn)確地采集和存儲(chǔ)微米顆粒的散射光信號(hào)，為今后利用這些數(shù)據(jù)進(jìn)行微納米顆粒的測(cè)量和通過(guò)反演算法計(jì)算顆粒的粒徑分布提供了可靠的依據(jù)。