实验室LIBS仪器主要包括光谱仪、激光器、样品台以及光学附件等, 硬件结构如图2所示。光谱仪选用的是AvaSpec-ULSi2048型, 通过USB接口接入计算机, 并提供动态链接库进行二次开发; 激光器选用的是Litron Nano SG 120-20型, 波长为1064 nm, 通过串口控制; 样品台为Zolix公司一维可控电动位移台, 连接SC300-A1型控制箱, 通过OCX控件编程控制。光谱仪与激光器之间用延时器来实现时间同步, 可降低干扰, 提高精度。

图2

Fig.2

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	图2 硬件结构图Fig.2 Structure diagram of hardware

仪器控制软件与仪器的硬件系统相配套, 协调光谱仪、激光器、样品台的操作需求, 获取高质量的谱图信息。

光谱分析软件将化学计量学方法^[11]及数据库技术等应用到谱图中, 解析特征谱线, 从而进一步鉴别物质或确定它的化学组成。本文研究的软件具备以下几个方面的功能:①硬件设备管理; ②实验任务管理; ③光谱数据管理; ④光谱分析处理; ⑤软硬件异常处理。

软件在Visual Studio 2010的开发环境下, 采用基于NET Framework 4.0的Windows窗体应用程序来开发, 可以支持软件在Microsoft Windows XP/Vista/Windows 7等多种平台上运行。软件结构如图3所示。

图3

Fig.3

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	图3 LIBS软件结构Fig.3 Software structure of LIBS

软件的界面主要由View层构建, 包括实验控制面板、状态显示面板、参数设置面板和谱图面板等。对界面的响应组成了Controller层, 该层负责View与Model间的交互, 并控制了整个软件的流程, 是软件的控制中心; Model层由各个数据源组成, 是软件功能的实际执行者。

2.3.1 硬件接口

对硬件提供的二次开发包进行封装, 也是对底层硬件的再次抽象, 为上层提供与硬件无关的接口。此外, 精简了用户需要输入的变量, 以便加快开发速度。

(1)激光器开发流程如图4所示, 在软件启动时自动连接激光器, 将其设置为外触发模式, 激光能量为输入参数, 最大为120 mJ。

图4

Fig.4

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	图4 激光器开发流程Fig.4 Laser development process

(2)光谱仪自带的软件开发包提供了驱动程序和动态链接库, 要求计算机事先装好驱动, 软件在启动时自动连接光谱仪, 积分时间、平均次数和延迟时间3个参数可供用户设置。工作流程如图5所示。

图5

Fig.5

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	图5 光谱仪工作流程Fig.5 Spectrometer development process

(3)样品台工作在同步模式, 通过OCX控件编程控制, 样品台移动到指定位置后才执行其他操作, 保证时序的准确性。可设置参数为相对位移量。开发流程如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 样品台工作流程Fig.6 Sample chamber development process

2.3.2 核心Model设计

(1)仪器状态。指示当前仪器的运行状态, 包括激光器是否正常、光谱仪是否正常、样品台是否正常以及是否处于实验中。当发生异常时能通过硬件自检及时提示错误原因。

(2)实验任务。从用户做实验的角度出发, 将3个主要部件的操作进一步封装, 将涉及到用户操作的数据都存在该Model中。单次光谱采集视为一个任务, 一次实验包含一个或多个任务, 实验的操作包括开始和停止。每次实验的参数作为实验方法, 可供用户存储与读取。

(3)光谱数据。当每次实验正常结束时都会产生一条光谱数据, 该Model通知View显示光谱数据。用户可选择显示或隐藏谱线, 并对谱线进行存储及读取。

(4)光谱分析。针对用户选择的谱线, 可采用五点三次平滑滤波、基于连续小波变化法的自动寻峰等操作, 结合光谱数据库实现元素识别。