全谱线阵ＣＣＤ采集系统及其方法技术方案

一种全谱线阵ＣＣＤ采集系统及其方法，金属材料光谱分析测试领域。系统包括，参数配置系统、ＣＣＤ采集系统、ＵＳＢ传输系统以及用户界面软件系统。用户界面系统发出指令，首先配置系统参数，包括ＣＣＤ采集次数和单次积分时间，模数转换器的增益和偏置。然后开始采集，把光信号转换成电信号，模拟信号转成数字信号。再由ＵＳＢ传输系统将数字信号传输到计算机中，通过软件计算拟合成元素含量的图像。本发明专利技术的优点在于，能够做到多个ＣＣＤ同时采集，高速传输；采用同轴电缆来传输ＣＣＤ模拟信号，抗干扰能力强；对金属材料进行重复多次激发采集，采集结果稳定，重现性高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于金属材料光谱分析
，特别是提供了一种全谱线阵CCD采集系统及其方法，适用于金属材料光谱分析仪器的信号采集和传输。
技术介绍
CCD(charge couple device)是电荷耦合器件，它的基本功能是把接收到的光信 号转换成电信号，它的工作过程是电荷的产生，存储和转移。线阵CCD采集系统是全谱光谱分析仪器的一个必不可少的核心部件。它的作用是 采集CCD转换出来的电荷，将其转成数字信号，并传输到计算机当中，让用户能够方便直观 地观测样品中金属元素发射光谱的图像，从而计算样品中金属元素的含量。在光谱分析仪器中，有光电管，光电倍增管，硅光管，CCD等多种光探测器。CCD作 为图像传感器，具有灵敏度高，噪声低，分辨率高，动态响应范围宽等优点，被广泛应用于数 码相机和高精度的光电检测领域。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种全谱线阵CCD采集系统及其方法，能够采集CCD信号， 并传输到计算机中来观测金属元素的发射光谱。它具有良好的灵敏度，稳定性和重现性。本专利技术是基于FPGA，USB和CXD的数据采集系统，包括参数配置系统，CXD采集系 统，USB传输系统和用户界面软件系统。技术方案如下1、参数配置系统上位机用户界面软件发出配置信号，包括CXD采集次数，单次积 分时间，模数转换器的偏置和增益。其中采集次数为CCD采集时间除以单次积分时间。配 置信号经过USB接口，发送到USB传输板，再发送到采集板上。如果用户没有配置参数，则 按照系统软件默认值处理。2、C⑶采集系统用户界面软件发出开始采集的信号，通过USB接口，传输到采集 板上，系统开始采集光信号。采集时间为用户所给定的时间，其范围是从最小单次积分时间 以上可调。本系统可以根据用户需求连接多片(1 20片)CCD，开始采集后，将得到的模拟 信号转成数字信号，并将结果保存在采集板的控制芯片FPGA中。待采集结束后，将采集到 的信号通过USB接口传输到计算机中。3、USB传输系统通过FPGA和用户界面软件的控制，实现数据从计算机到采集板 以及从采集板到上位机的双向高速(1MHZ-48MHZ)传输。4、用户界面软件系统控制计算机和采集板的通讯。在采集过程中向采集板发送 配置信号和控制命令，待采集结束后将信号从采集板中读出，传输到计算机中。通过计算将 得到的信号绘制成图像。另外，该软件系统还拥有扣除背景的功能，即激发时采集到的信号 与未激发时采集到的信号相减，得到真正有效的信号，并绘制成图像。CXD的波长为150nm-1000nm的范围内，每片C⑶可以采集其物理范围内的全部元 素的含量。本系统用多片(1-20片)CCD同时采集，实现全谱功能。本专利技术的方法是计算机控制用户界面软件发出CCD单次积分时间，采集次数，模数转换器增益和偏置的参数信息，通过USB接口发送到USB传输板，再发送到采集板，进行 配置；配置结束后，计算机控制用户界面软件发出开始采集命令，通过USB接口传输到采集 板上，系统开始采集光信号，采集时间为用户给定的时间；采集次数为采集时间除以单次积 分时间；CCD得到的模拟信号经过模数转换器，转换成数字信号，保存在采集板的控制芯片 FPGA中。待采集结束后，将采集到的信号通过USB接口传输到计算机中，并保存成可读写文 件；通过用户界面软件对得到的数据进行处理，并绘制成图像。本专利技术CCD的输出信号采用同轴电缆方式传输，屏蔽效果好，抗干扰能力强。模数转换器的偏置和增益可调，在采集开始前，通过配置模块进行调节。用户界面软件系统拥有扣除背景的功能，即激发时采集到的信号与未激发时采集 至_信号相减，得到真正有效的信号，并绘制成图像。本专利技术与现有技术相比，具有如下优点目前国内光谱分析仪器都采用光电倍增管作为光信号的载体，每个光电倍增管只 能检测一种元素的含量，由于它的体积较大，对通道数的设置具有一定的局限性，很难实现 全谱扫描。而每片CCD在它能识别的波长范围内，可以采集到其物理范围内所有元素的含 量，本系统使用多片(1-20片)CCD同时采集，且CCD的数量可以随着用户要求很方便的增 加或者减少，可扩展性好。另外，它能够实现全谱扫描，仪器体积小，暗电流小，量子效率高。CCD采集时间和单次积分时间可调。单次积分时间影响CCD吸收的光强，太小会造 成采集强度过小，有效信号显示不出来；太大可能导致饱和，采集数据无效，单次积分时间 可调使用户根据具体需要进行最佳参数设置。采集时间从设定的最小单次积分时间以上可 调，采集次数为采集时间除以单次积分时间。模数转换器的偏置和增益可调。通过调节偏置，使CXD的背景噪声降低到理想值， 采集到的数据精度更高。本专利技术多次激发采集的图像重现性好。附图说明图1为本专利技术全谱线阵CXD采集系统结构示意图。图2为本专利技术全谱线阵CCD采集系统配合火花光源、光学系统，对某金属样品激发 一次采集到的光谱图像，证明其能够采集CCD信号，并传输到计算机中来观测金属元素发 射光谱。图3为本专利技术全谱线阵C⑶采集系统配合火花光源、光学系统，对某金属样品连续 五次激发采集到的图像，证明了其采集的高重现性。具体实施例方式图1 图3为本专利技术的一种具体实施方式。图1为本专利技术的系统，包括参数配置系统、C⑶采集系统、USB传输系统以及用户界 面软件系统；用火花光源激发某金属样品，经光学系统分光后，用本专利技术采集信号，绘制元 素的光谱图。计算机控制用户界面软件发出CCD单次积分时间，采集次数，模数转换器增益和偏置的参数信息，通过USB接口发送到USB传输板，再发送到采集板，进行配置；配置结束 后，计算机控制用户界面软件发出开始采集命令，通过USB接口传输到采集板上，系统开始 采集光信号，采集时间为用户给定的时间；采集次数为采集时间除以单次积分时间；CCD得 到的模拟信号模数转换器，转换成数字信号，保存在主控制芯片FPGA中；待采集结束后通 过USB接口将数字信号传输到计算机中，并保存成可读写文件；通过用户界面软件对得到 的数据进行处理，并绘制成图像。图2为本专利技术全谱线阵CCD采集系统，配合火花光源、光学系统，对某金属样品激 发一次采集到的光谱图像，证明其能够采集CCD信号，并传输到计算机中来观测金属元素 发射光谱。图3为本专利技术C⑶采集系统配合火花光源、光学系统，对某金属样品连续五次激发 采集到的图像，证明了其采集的高重现性。以上为全谱火花光谱仪用本专利技术激发金属样品实验的测试结果。谱图反映的分辨 率、灵敏度、重现性和稳定性良好，能够用于分析金属样品。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种全谱线阵ＣＣＤ采集系统，包括，参数配置系统、ＣＣＤ采集系统、ＵＳＢ传输系统以及用户界面软件系统；其特征在于：参数配置系统：上位机用户界面软件发出配置信号，包括ＣＣＤ采集次数，单次积分时间，模数转换器的偏置和增益；其中，采集次数为ＣＣＤ采集时间除以单次积分时间；配置信号经过ＵＳＢ接口，发送到ＵＳＢ传输板，再发送到采集板上；如果用户没有配置参数，则按照系统软件默认值处理；ＣＣＤ采集系统：用户界面软件发出开始采集的信号，通过ＵＳＢ接口，传输到采集板上，系统开始采集光信号；采集时间为用户所给定的时间，其范围是从最小单次积分时间以上可调；ＣＣＤ采集系统包含１～２０片ＣＣＤ，它们同时开始采集，采集得到的模拟信号经过模数转换器转成数字信号，并将结果保存在采集板的控制芯片ＦＰＧＡ中。待采集结束后，将采集到的信号通过ＵＳＢ接口传输到计算机中。ＵＳＢ传输系统：通过ＦＰＧＡ和用户界面软件的控制，实现数据从计算机到采集板以及从采集板到上位机的双向１ＭＨＺ－４８ＭＨＺ传输；用户界面软件系统：控制计算机和采集板的通讯；在采集过程中向采集板发送配置信号和控制命令，待采集结束后将信号从采集板中读出，传输到计算机中；通过计算将得到的信号绘制成图像；另外，该软件系统还拥有扣除背景的功能，激发时采集到的信号与未激发时采集到的信号相减，得到真正有效的信号，并绘制成图像。...

【技术特征摘要】
一种全谱线阵CCD采集系统，包括，参数配置系统、CCD采集系统、USB传输系统以及用户界面软件系统；其特征在于参数配置系统上位机用户界面软件发出配置信号，包括CCD采集次数，单次积分时间，模数转换器的偏置和增益；其中，采集次数为CCD采集时间除以单次积分时间；配置信号经过USB接口，发送到USB传输板，再发送到采集板上；如果用户没有配置参数，则按照系统软件默认值处理；CCD采集系统用户界面软件发出开始采集的信号，通过USB接口，传输到采集板上，系统开始采集光信号；采集时间为用户所给定的时间，其范围是从最小单次积分时间以上可调；CCD采集系统包含1～20片CCD，它们同时开始采集，采集得到的模拟信号经过模数转换器转成数字信号，并将结果保存在采集板的控制芯片FPGA中。待采集结束后，将采集到的信号通过USB接口传输到计算机中。USB传输系统通过FPGA和用户界面软件的控制，实现数据从计算机到采集板以及从采集板到上位机的双向1MHZ 48MHZ传输；用户界面软件系统控制计算机和采集板的通讯；在采集过程中向采集板发送配置信号和控制命令，待采集结束后将信号从采集板中读出，传输到计算机中；通过计算将得...

【专利技术属性】
技术研发人员：马一馨，赵雷，袁良经，李宏伟，罗剑秋，杨新生，
申请(专利权)人：北京纳克分析仪器有限公司，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]