CN104390702B - 无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的ccd小型光谱仪系统及数据采集方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统及数据采集方法，本方案基于固定频率脉冲氙灯光源、样品池，单色器，CCD检测器、上位机五部分组成的光谱仪系统，通过使用一个固定频率的脉冲氙灯光源、使用与脉冲氙灯光源点灯相同频率的CCD检测器内部循环采样频率、使用足够宽的CCD暴光时间，并通过软件自动调整CCD检测器循环采样的起点，实现正确的CCD电信号采集。由此本发明能够有效实现CCD检测器对脉冲氙灯光源的正确光信号采集。

Description

无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统 及数据采集方法

技术领域

本发明涉及一种光学测定技术，具体涉及一种用于脉冲氙灯-CCD小型光谱仪光源同步的方法。

背景技术

脉冲氙灯是新型分析光源，除了其使用波长覆盖几乎所有紫外可见近红外波段外，还具有如下优点：节能低功耗，利于便携现场分析仪器的应用；不发热，利于光机稳定；无需预热，立即稳定，使用方便；体积小，便于设计、安装调整；色温高(达到12000K)，紫外强；瞬间发光功率高，利于提高仪器信噪比；寿命长；不发生臭氧。

由于这些优点，在国外广泛被用于便携现场仪器，医疗仪器以及传统紫外可见分光光度计和分子荧光光谱仪。对于便携现场仪器而言除了其满足分析需要外，长寿命低功耗是其成为首选的原因；对于分子荧光类分析仪器(包括液相色谱紫外检测器)是因为脉冲氙灯紫外脉冲能量高，明显提高了信噪比；在一些医疗仪器中，例如血细胞测量，由于其脉冲供电方式，在光照样品时不会损坏细胞因此也被广泛应用(在医疗仪器中也被广泛用于洗板机，免疫荧光测定等)。另外由于其低功耗，不发热，又不发生臭氧，在常规分光光度计中使用脉冲氙灯可以提高仪器性能和可靠性。目前国外主要仪器制造厂商都使用脉冲氙灯作为紫外可见分光光度计和荧光分光光度计的光源。

CCD小型光谱仪由光源、单色仪，CCD检测器、电源、控制单元等组成。CCD模块单色器技术，作为光电元件具有暗电流小，灵敏度高，有较高的信噪比，很高的量子效率，能同时记录成千上万条谱线，并大大缩短了分光系统的焦距。

CCD小型光谱仪常用光源为氘灯、卤钨灯复合光源。脉冲氙灯是新型分析光源，在CCD小型光谱仪中目前应用很少，由于脉冲氙灯工作时的脉宽只有几十微秒，但CCD检测器需要一定的积分时间，才能获得稳定的电信号。所以，如何获得稳定可靠的电信号是本领域亟需要解决的技术问题。

发明内容

针对CCD小型光谱仪采用脉冲氙灯作为光源时，难以获得稳定的电信号的问题，本发明的目的在于提供一种无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统，以及基于该系统实现的无硬件同步数据采集方法，以此来实现较稳定的CCD电信号数据采集。

为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案：

无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统，所述系统包括脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器以及上位机，所述脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器以及上位机依次配合形成光谱仪系统；所述脉冲氙灯光源的点灯频率与CCD检测器内部循环采样频率相同，所述CCD检测器的暴光时间至少使得脉冲氙灯光源的发光时间落在CCD的暴光区间内；所述上位机自动调整CCD检测器循环采样的启动时间点。

在该系统的优选方案中，所述脉冲氙灯光源由脉冲氙灯和氙灯电源组成，脉冲氙灯的发光周期为100HZ，脉冲氙灯每次点亮有效时间为5微秒。

进一步的，所述上位机自动调整CCD检测器循环采样的启动时间点时，以1毫秒为时间增量，逐渐改变CCD检测器采样启动时间点。

基于上述的光谱仪系统，无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统的数据采集方法，该方法中使用相同的脉冲氙灯光源的点灯频率和CCD检测器内部循环采样频率，并使CCD检测器的暴光时间足够宽至少使得脉冲氙灯光源的发光时间落在CCD的暴光区间内；同时自动调整CCD检测器循环采样的启动时间点为最佳采样启动时间点，由此CCD检测器在脉冲氙灯光源发光的一瞬间，CCD检测器实现有效的暴光，采集到正确的光信号。

在该采集方法的优选方案中，所述数据采集方法包括如下步骤：

(1)首先，开启脉冲氙灯光源，脉冲氙灯以固定的频率断续发光；

(2)然后，上位机向CCD检测器发出采集触发信号，CCD检测器根据确定的初步采样启动时间点，开始数据采集进程；

(3)CCD检测器根据设定的曝光时间，开始CCD的暴光，CCD检测器在暴光过程中等候累积脉冲氙灯的发光能量，在暴光结束后，停止脉冲氙灯发光能量的累积，并将采集到的信号传送到上位机中，完成一次数据采集；

(4)CCD检测器在下一个采样启动时间点，自动进行下一次的数据采集；

(5)上位机根据CCD检测器采集到的数据自动优化CCD检测器的采样启动时间点，确定最佳采样启动时间点；

(6)最后，CCD检测器依照最佳采样启动时间点，重新启动CCD检测器的循环数据采集，且CCD检测器的循环采样频率与脉冲氙灯光源的点灯频率相同。

进一步的，所述步骤(5)中以1毫秒为时间增量，改变CCD检测器采样启动时间点，在周期内进行多次CCD数据采集，并比较采集到的CCD数据值，当CCD数据值为最大时的CCD检测器采样启动时间点为最佳采样启动时间点。

进一步的，所述脉冲氙灯光源不受上位机控制。

本发明提供方案相对于现有技术具有如下优点：

(1)能够实现采用脉冲氙灯作为CCD小型光谱仪的光源；

(2)脉冲氙灯-CCD小型光谱仪具有能量高、寿命长的特点；

(3)无须同步控制模块实现正确的CCD电信号采集。

附图说明

以下结合附图和具体实施方式来进一步说明本发明。

图1为无硬件同步的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统原理图；

图2为脉冲氙灯放电能量输出图；

图3为脉冲氙灯发光触发信号图；

图4为CCD信号采集时序图；

图5为脉冲氙灯点灯时序、CCD信号采集时序关系图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

本发明在无硬件同步的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统中，通过使用相同且固定的脉冲氙灯光源点灯频率和CCD检测器内部循环采样频率、以及使用足够宽的CCD暴光时间，并通过上位机来自动调整CCD检测器循环采样的起点，使得CCD检测器在脉冲氙灯光源发光的一瞬间，CCD检测器实现有效的暴光，采集到正确的光信号。

基于上述原理，本发明进行无硬件同步的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪同步数据采集的过程如下：

参见图1，其所示基于上述原理形成的无硬件同步的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统原理图。由图可知，该光谱仪系统100主要包括脉冲氙灯光源(脉冲氙灯)101、样品池102、单色器103、CCD检测器104、上位机105五部分。

脉冲氙灯光源(脉冲氙灯)101、样品池102、单色器103、CCD检测器104、上位机105依次配合形成光谱仪系统100。

其中，光谱仪系统100的光路方向为：光源(脉冲氙灯)101发出的光首先进入到样品池102，然后再进入单色器103进行分光，最后色散后的光进入到CCD检测器104，CCD检测器104将检测到的数据传至上位机105。

脉冲氙灯光源(脉冲氙灯)101是由脉冲氙灯和氙灯电源组成的脉冲氙灯模块，脉冲氙灯的发光周期为100HZ，脉冲氙灯每次点亮有效时间大约为5微秒。

CCD检测器104是整个光谱仪器系统的接收器，CCD检测器104的采样采用上位机内部定时器控制启动，CCD检测器内部循环采样频率和脉冲氙灯光源(脉冲氙灯)101中的脉冲氙灯的发光频率一致、暴光长度为用户设置的积分时间，积分时间略小于一次完整采样周期的时间。

对于CCD检测器104循环采样的启动时间点，由上位机自动调整。

由此形成的无硬件同步的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪系统在进行数据采集时：

首先，脉冲氙灯的依照固定的周期进行充电和发光，脉冲氙灯瞬间放电发光，放电有效发光时间大约有5微秒。

与此同时，CCD检测器也依照和脉冲氙灯发光周期一致的固定的周期进行采样，CCD检测器自动开始数据采集，在经过5～7ms的电路抖动后，开始CCD的暴光，CCD检测器在暴光过程中累积脉冲氙灯的发光能量，暴光结束后，停止脉冲氙灯发光能量的累积。

然后，CCD检测器在暴光结束后采集数据并上传到上位机中，完成一次数据采集全过程。

接着，上位机根据CDD检测器采集到的数据对CCD检测器采样启动时间点的优化：以1毫秒为时间增量，改变CCD检测器采样启动时间点，在周期内进行多次CCD数据采集，比较CCD数据值，当CCD数据值为最大时的CCD检测器采样启动时间点为最佳采样启动时间点。

最后，CCD检测器依照最佳采样启动时间点，重新启动CCD检测器的循环数据采集，由此使得CCD检测器在脉冲氙灯光源发光的一瞬间，CCD检测器实现有效的暴光，采集到正确的光信号。

以下通过一具体应用实例来进一步的说明本发明的方案。

该实施中涉及的光谱仪系统如上所述此处不加以赘述。

参见图2，其所示为本实例中脉冲氙灯放电能量输出图。由图可知，脉冲氙灯瞬间放电发光，放电发光有效时间大约有5微秒，但峰值能量很大，图中为15瓦脉冲氙灯能量输出，峰值是35瓦普通氙灯能量的1000倍。

参见图3，其所示为本实例中脉冲氙灯发光触发信号图。由图可知，脉冲氙灯101发光周期为10ms，频率为100Hz。

参见图4，其所示为本实例中CCD信号采集时序图。由图可知，CCD的采样周期为10ms，频率为100Hz，CCD的暴光时间为8ms，暴光长度可以由用户设置。

参见图5，其所示为本实例中脉冲氙灯点灯时序、CCD信号采集时序关系图。由图可知，脉冲氙灯的触发周期、CCD检测器采样周期相同，CCD的暴光有较长的宽度，使得脉冲氙灯的发光时间落在CCD的暴光区间内。

由此形成的无硬件同步的脉冲氙灯-CCD小型光谱仪，脉冲氙灯的触发脉冲周期为10ms，频率为100Hz，脉冲宽度400微秒；CCD检测器的采样周期为10ms，频率为100Hz，CCD暴光时序，开始暴光位置为0.1毫秒，结束暴光位置为8.1毫秒处，暴光宽度8毫秒。

该系统通过使用相同且固定的脉冲氙灯光源点灯频率和CCD检测器内部循环采样频率、使用足够宽的CCD暴光时间，实现CCD检测器正确的光信号采集。具体完成循环数据采集过程如下(参见图1和图5)：

1.首先，开启脉冲氙灯光源101，脉冲氙灯以100Hz的频率断续发光，每次充、放电周期为10ms，发光时间大约有5微秒，脉冲氙灯光源不受上位机的控制。

2.然后，上位机105向CCD检测器模块104发出采集触发信号，在0.1毫秒处，CCD检测器104开始数据采集进程。

3，CCD检测器104在0.1毫秒处，开始CCD的暴光，CCD检测器在暴光过程中等候累积脉冲氙灯的发光能量，在8.1毫秒处结束暴光。随后CCD检测器104将采集到的信号传送到上位机105中，到此时一次数据采集过程完成。

4.CCD检测器104在20.1毫秒处，自动进行下一次的数据采集。

5.CCD检测器104采样启动时间点的优化：以1毫秒为时间增量，改变CCD检测器采样启动时间点，在周期内进行多次CCD数据采集，比较CCD数据值，当CCD数据值为最大时的CCD检测器采样启动时间点为最佳采样启动时间点。

6.最后，CCD检测器104依照最佳采样启动时间点，重新启动CCD检测器进行循环数据采集。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统，其特征在于，所述系统包括脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器以及上位机，所述脉冲氙灯光源、样品池、单色器、CCD检测器以及上位机依次配合形成光谱仪系统；所述脉冲氙灯光源的点灯频率与CCD检测器内部循环采样频率相同，所述CCD检测器的暴光时间至少使得脉冲氙灯光源的发光时间落在CCD的暴光区间内；所述上位机自动调整CCD检测器循环采样的启动时间点。

2.根据权利要求1所述的无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统，其特征在于，所述脉冲氙灯光源由脉冲氙灯和氙灯电源组成，脉冲氙灯的发光周期为100HZ，脉冲氙灯每次点亮有效时间为5微秒。

3.根据权利要求1所述的无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统，其特征在于，所述上位机自动调整CCD检测器循环采样的启动时间点时，以1毫秒为时间增量，逐渐改变CCD检测器采样启动时间点。

4.无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统的数据采集方法，其特征在于，该方法中使用相同的脉冲氙灯光源的点灯频率和CCD检测器内部循环采样频率，并使CCD检测器的暴光时间足够宽至少使得脉冲氙灯光源的发光时间落在CCD的暴光区间内；同时自动调整CCD检测器循环采样的启动时间点为最佳采样启动时间点，由此CCD检测器在脉冲氙灯光源发光的一瞬间，CCD检测器实现有效的暴光，采集到正确的光信号。

5.根据权利要求4所述的无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统的数据采集方法，其特征在于，所述数据采集方法包括如下步骤：

(1)首先，开启脉冲氙灯光源，脉冲氙灯以固定的频率断续发光；

(2)然后，上位机向CCD检测器发出采集触发信号，CCD检测器根据确定的初步采样启动时间点，开始数据采集进程；

(3)CCD检测器根据设定的曝光时间，开始CCD的暴光，CCD检测器在暴光过程中等候累积脉冲氙灯的发光能量，在暴光结束后，停止脉冲氙灯发光能量的累积，并将采集到的信号传送到上位机中，完成一次数据采集；

(4)CCD检测器在下一个采样启动时间点，自动进行下一次的数据采集；

(5)上位机根据CCD检测器采集到的数据自动优化CCD检测器的采样启动时间点，确定最佳采样启动时间点；

(6)最后，CCD检测器依照最佳采样启动时间点，重新启动CCD检测器的循环数据采集，且CCD检测器的循环采样频率与脉冲氙灯光源的点灯频率相同。

6.根据权利要求5所述的无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统的数据采集方法，其特征在于，所述步骤(5)中以1毫秒为时间增量，改变CCD检测器采样启动时间点，在周期内进行多次CCD数据采集，并比较采集到的CCD数据值，当CCD数据值为最大时的CCD检测器采样启动时间点为最佳采样启动时间点。

7.根据权利要求5所述的无硬件同步的采用脉冲氙灯光源的CCD小型光谱仪系统的数据采集方法，其特征在于，所述脉冲氙灯光源不受上位机控制。