基于LabVIEW的微米颗粒散射光信号采集系统设计

摘要：微米颗粒散射光信号的获取是利用夫朗和费衍射原理分析微米颗粒粒径的基础。介绍了由计算机和高速数据采集卡组成的高速采集装置，讨论了在基于虚拟仪器软件平台的程序设计中遇到的有关散射光信号的高速采集、存储、显示等问题。通过实验证明能够得到反映微米颗粒散射光信号的结果，为今后利用这些结果进行微米颗粒的粒径分析提供了可靠的依据。

关键词：散射光；高速采集；微米颗粒；虚拟仪器

0 引言

随着现代科学技术和经济的发展，在建材、冶金、化工、食品、医药、机械、环保等工业中都广泛涉及到与颗粒密切相关的技术问题。因此，对颗粒粒度的准确测量越来越引起人们广泛的关注。它对环境保护、工业生产质量控制、医疗卫生等众多领域的发展有着重要的意

义。在众多的颗粒测定方法中，光散射法是目前使用的一种最先进、应用最广泛和最有发展前景的一种颗粒测量技术。在基于夫朗和费衍射技术的微米颗粒的尺寸测量中，首先必须了解微米颗粒的光散射特性，利用数据采集卡获得散射光信号，再利用反演算法得到颗粒的粒径、分散度等相关信息。因此，散射光信号的获取是微米颗粒测量中首要解决的问题。

本文介绍了基于NI公司的高速采集卡的采集装置，讨论了基于虚拟仪器软件平台的散射光信号的高速采集和显示等的程序设计。

1 微米颗粒散射光的特点分析及对采集装置的要求

根据微米颗粒夫朗和费衍射光能量分布特点，该激光粒度仪普遍采用环形光电探测器件，该激光粒度仪上所用的光电探测器件是由重庆大学光电工程系设计制造的自扫描光电二极管列阵(Self Seanned Photodiode Array，SSPA)。SSPA的信号频率为20 kHz，所用的数据采集卡(PCI-6220M)单通道采样频率为250 kS／s。根据采样定理，要采集到SSPA的峰值是完全可以做到的。对于如何才能保证准确地采集到SSPA各环信号峰值的问题，这里采用对信号进行峰值保持的方法来做。实验证明采用这种方法能够准确并稳定地采集到SSPA各环信号的峰值。

2 散射光信号的获取

本文采用图1所示的采集系统实现微米颗粒散射光信号的采集。它的测量过程如下：功率为28 mW的氦氖激光器发出的波长为632．8 nm的光束经扩束、准直后入射到被测颗粒样品上，光被散射。散射光被付氏镜会聚到SSPA探测器上，转换成电信号。电信号经过峰值保持电路，然后利用PCI-6220M采集卡采集信号。并将采集到的数据传送到计算机进行数据处理。从信号采集到处理的全过程都是在虚拟仪器的平台(LabVIEW 8．20)上完成的。

由于在实验中使用的是M系列的DAQ卡，而该系列的采集卡不再支持传统的数据采集系统，为此采用了新的基于NI-DAQmx的数据采集系统。在该数据采集系统中，可以利用驱动程序用户接口MAX(Measurement＆Automtion Explorer)对硬件进行各种设置和测试，然后调用DAQmx数据采集函数编写数据采集程序。另外它还提供了通过数据采集助手DAQ Assistant快速进行交互式的硬件设置和自动生成数据采集程序图形代码的方法。可以在MAX中打开数据采集助手，也可以在LabVIEW中启动数据采集助手。

在传统的数据采集系统中，只能采用把采集函数模块一个一个链接起来的方法实现数据采集。但在NI-DAQmx的数据采集系统中，除了可以用传统的方法来编写采集程序外，还可以用建立任务(Task)的方法来编写采集程序，而且该方法更为简单快捷。

数据采集任务Task是NI-DAQ新增加的一个重要概念，它是一系列信息的集合，包括一个或多个通道已经定时、触发等属性。它也是数据采集助手与数据采集程序之间联系的纽带。下面就来介绍如何在MAX中创建散射光信号的采集任务。

首先在MAX中建立一个任务，并命名为MyVoltageTask0，然后在这里设置采集信号的类型，由于所采集的信号为模拟电压信号，故在此选择Analog Input下的VoItage选项，接着选择信号输入通道，最后出现数据采集助手的设置面板，如图2所示。在数据采集助手中对输入信号范围、信号连接方式、采样数、采样率、外部时钟信号等进行设置，然后将任务保存在Max中。

接下来就是利用刚才创建的任务生成散射光信号采集程序代码。

首先找到在LabVIEW的NI Measurements→DAQmx Data Acquisition函数模板的一个DAQmxTask Name Constant常数，然后在它的下拉菜单中选择刚才已经建立的任务MyVoltageTask0。接着在该常数上弹出快捷菜单，选Generate Code→Configuration and Exampie，这个选项将自动产生运行一个采集程序所需要的所有代码，它的图形代码如图3所示。图4中最左边的图标为任务设置部分的函数图标。打开这个图标，它的图形代码如图4所示。这样就可以根据实际需要来修改这些测量参数。

以上这些采集模块通过各自的Task In，Task Out和Error In、Error Out引脚联系起来，数据流通过它们进行传递。整个程序用一个While Loop循环实现连续采集，并用一个按钮“Stop"实现程序的退出。

由于该程序以后要在现场执行实时监控，故需要防止别人误把程序退出，为此采用了事件结构来防止应用程序的错误退出。至此完成了散射光信号采集程序的整个设计。

3 实验效果

为了验证散射光信号采集系统的正确性与稳定性，利用一个具有一定粒径分布的玻璃样本做了验证实验。

图5为微米级颗粒散射光信号采集程序前面板，从图中可以看到实时显示的总信号(底板信号+颗粒信号)图和颗粒信号(总信号-底板信号)图，也可实时观察到接收信号的最大值及该信号在接收环所处的位置。此外，还可以对数据采集卡的有关参数如设备编号、采样通道、触发沿等进行设置。微米级颗粒散射光信号采集的程序框图如图6所示，其中包含了散射光信号的采集、存储、显示和防止错误退出等子程序。

4 结语

实验结果表明，通过用LabVIEW 8．20编写的采集程序可以有效地控制PCI-6220M高速数据采集卡，准确地采集和存储微米颗粒的散射光信号，为今后利用这些数据进行微纳米颗粒的测量和通过反演算法计算颗粒的粒径分布提供了可靠的依据。