Кроссплатформенный программный комплекс для регистрации и первичной обработки спектрограмм в процессе их регистрации спектрометром BTC-110S
|
ВВЕДЕНИЕ 5
ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ СОВРЕМЕННЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ 7
1.1. Теоретические аспекты теплового излучения 7
1.2. Основы спектрофотометрии 8
1.3. Устройство и принцип работы спектрометров 10
1.3.1. Дифракционная решетка 10
1.3.2. Детектор 11
1.4. Обзор программных решений для работы со спектрометрами 12
1.4.1. Программное обеспечение спектрометра BTC-110S 12
1.4.2. Программное обеспечение спектрометров компании Thorlabs 13
1.4.3. LineSpec Software 15
1.4.4. SpectraSuite Software 15
1.4.5. Программное обеспечение спектрометра ElvaX Mini 16
1.4.6. ПО спектрометров компании BWTek 17
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОМЕТРОМ BTC-110S 18
2.1. Техническое описание спектрометра BTC-110S 18
2.1.1. Оптическая схема 20
2.1.2. Режимы работы спектрометра 20
2.2. Общее проектирование программного комплекса 21
2.3. Выбор языка программирования и средств разработки 27
2.3.1. Описание фреймворка Qt 28
2.3.1.1. Слоты и сигналы фреймворка Qt 28
2.3.2. Описание библиотеки QCustomPlot 29
2.3.3. Описание библиотеки Boost::Asio 29
2.4. Структура программного комплекса 30
2.4.1. Базовый модуль отрисовки 30
2.4.2. Модуль получения спектра со спектрометра 32
2.4.2.1. Медианная фильтрация 35
2.4.2.2. Скользящее усреднение 36
2.4.3. Модуль просмотра спектра 37
2.4.4. Модуль взаимодействия с последовательным портом 37
2.4.5. Модуль настройки калибровки 38
2.4.6. Управляющий модуль 39
2.4.7. Схема программного комплекса 40
ГЛАВА 3. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
СПЕКТРОМЕТРОМ BTC-110S 42
3.1. Начало работы с программным комплексом 42
3.2. Основное окно программного комплекса 42
3.3. Окно получения спектра 44
3.3.1. Медианная фильтрация 45
3.4. Окно настройки коэффициентов калибровки 46
3.4.1. Процесс расчета коэффициентов калибровки 47
3.5. Окно просмотра спектра 48
3.6. Выполнение операций математической обработки 49
3.6.1. Показ нескольких спектров в одном окне 49
3.6.2. Суммирование спектров 50
3.6.3. Вычитание и деление спектров 50
3.7. Проведение эксперимента 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 61
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 65
ГЛАВА 1. ОБЗОР ПРОГРАММНЫХ СРЕДСТВ СОВРЕМЕННЫХ СПЕКТРОМЕТРОВ 7
1.1. Теоретические аспекты теплового излучения 7
1.2. Основы спектрофотометрии 8
1.3. Устройство и принцип работы спектрометров 10
1.3.1. Дифракционная решетка 10
1.3.2. Детектор 11
1.4. Обзор программных решений для работы со спектрометрами 12
1.4.1. Программное обеспечение спектрометра BTC-110S 12
1.4.2. Программное обеспечение спектрометров компании Thorlabs 13
1.4.3. LineSpec Software 15
1.4.4. SpectraSuite Software 15
1.4.5. Программное обеспечение спектрометра ElvaX Mini 16
1.4.6. ПО спектрометров компании BWTek 17
ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПРОГРАММНОГО
КОМПЛЕКСА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СПЕКТРОМЕТРОМ BTC-110S 18
2.1. Техническое описание спектрометра BTC-110S 18
2.1.1. Оптическая схема 20
2.1.2. Режимы работы спектрометра 20
2.2. Общее проектирование программного комплекса 21
2.3. Выбор языка программирования и средств разработки 27
2.3.1. Описание фреймворка Qt 28
2.3.1.1. Слоты и сигналы фреймворка Qt 28
2.3.2. Описание библиотеки QCustomPlot 29
2.3.3. Описание библиотеки Boost::Asio 29
2.4. Структура программного комплекса 30
2.4.1. Базовый модуль отрисовки 30
2.4.2. Модуль получения спектра со спектрометра 32
2.4.2.1. Медианная фильтрация 35
2.4.2.2. Скользящее усреднение 36
2.4.3. Модуль просмотра спектра 37
2.4.4. Модуль взаимодействия с последовательным портом 37
2.4.5. Модуль настройки калибровки 38
2.4.6. Управляющий модуль 39
2.4.7. Схема программного комплекса 40
ГЛАВА 3. ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ
СПЕКТРОМЕТРОМ BTC-110S 42
3.1. Начало работы с программным комплексом 42
3.2. Основное окно программного комплекса 42
3.3. Окно получения спектра 44
3.3.1. Медианная фильтрация 45
3.4. Окно настройки коэффициентов калибровки 46
3.4.1. Процесс расчета коэффициентов калибровки 47
3.5. Окно просмотра спектра 48
3.6. Выполнение операций математической обработки 49
3.6.1. Показ нескольких спектров в одном окне 49
3.6.2. Суммирование спектров 50
3.6.3. Вычитание и деление спектров 50
3.7. Проведение эксперимента 52
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 56
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 58
ПРИЛОЖЕНИЕ 1 61
ПРИЛОЖЕНИЕ 2 63
ПРИЛОЖЕНИЕ 3 65
Процессы газотермического напыления функциональных покрытий на технические изделия из порошковых материалов (металлов, металлокерамических и керамических частиц) характеризуются скоротечностью, многофазностью и неравновесностью излучения. Поэтому для исследования экспериментальными методами этих процессов актуальной задачей является разработка средств измерения и первичной обработки гетерогенного потока частиц технологической струи. Для этого необходимо, во-первых: оптический прибор для регистрации и накопления спектра света, оцифровка полученного сигнала в зависимости от длины. Данный прибор называется спектрометром. Во-вторых, необходимо программное обеспечение для управления спектрометром и обработки информации.
Технологам, напыляющим укрепляющие поверхности, важно знать температуру напыляемых частиц, чтобы КПД напыления было наибольшим. Преимущество метода определения температур частиц с помощью спектрометра состоит в том, что измерение происходит на расстояние и не требует вмешательства в процесс.
Основной функцией спектрометра является регистрация и накопление спектра света, оцифровка полученного сигнала в зависимости от длины волны и последующий анализ с помощью ЭВМ. В современных спектрофотометрах в качестве детектора используются линейные и матричные ПЗС-приемники, позволяющие с высоким разрешением регистрировать спектры излучения объектов различной природы и передавать их через порт USB (или последовательный порт передачи данных) в ЭВМ, на которой установлена управляющая программа для регистрации спектра с возможностью первичной калибровки прибора в зависимости от количества пикселей в детекторе и линейной дисперсии дифракционной решетки.
Целью работы является создание кроссплатформенного программного комплекса для регистрации и первичной обработки спектрограмм источников оптического излучения на основе спектрометра BTC-110S, который можно использовать в исследованиях температурно-скоростных параметров частиц из порошковых материалов, напыляемых различными методами газотермического напыления на поверхности технических деталей в виде защитных покрытий с эффективными эксплуатационными характеристиками, и который выступал бы в качестве расширяемой программной платформы для дальнейшего развития и роста возможностей программного продукта.
Расширяемость комплекса нужна, в том числе затем, чтобы добавить в будущем модуль для определения температуры частиц, распределенной в потоке плазменной струи напыления. Определение температуры частиц осуществляется в результате решения «обратной» задачи восстановления температурного распределения частиц по их «интегральному (суммарному)» спектру теплового излучения, который регистрируется с помощью программно-аппаратного комплекса на основе спектрометра BTC-110S и методики, изложенной в статьях [1, 2].
Технологам, напыляющим укрепляющие поверхности, важно знать температуру напыляемых частиц, чтобы КПД напыления было наибольшим. Преимущество метода определения температур частиц с помощью спектрометра состоит в том, что измерение происходит на расстояние и не требует вмешательства в процесс.
Основной функцией спектрометра является регистрация и накопление спектра света, оцифровка полученного сигнала в зависимости от длины волны и последующий анализ с помощью ЭВМ. В современных спектрофотометрах в качестве детектора используются линейные и матричные ПЗС-приемники, позволяющие с высоким разрешением регистрировать спектры излучения объектов различной природы и передавать их через порт USB (или последовательный порт передачи данных) в ЭВМ, на которой установлена управляющая программа для регистрации спектра с возможностью первичной калибровки прибора в зависимости от количества пикселей в детекторе и линейной дисперсии дифракционной решетки.
Целью работы является создание кроссплатформенного программного комплекса для регистрации и первичной обработки спектрограмм источников оптического излучения на основе спектрометра BTC-110S, который можно использовать в исследованиях температурно-скоростных параметров частиц из порошковых материалов, напыляемых различными методами газотермического напыления на поверхности технических деталей в виде защитных покрытий с эффективными эксплуатационными характеристиками, и который выступал бы в качестве расширяемой программной платформы для дальнейшего развития и роста возможностей программного продукта.
Расширяемость комплекса нужна, в том числе затем, чтобы добавить в будущем модуль для определения температуры частиц, распределенной в потоке плазменной струи напыления. Определение температуры частиц осуществляется в результате решения «обратной» задачи восстановления температурного распределения частиц по их «интегральному (суммарному)» спектру теплового излучения, который регистрируется с помощью программно-аппаратного комплекса на основе спектрометра BTC-110S и методики, изложенной в статьях [1, 2].
В ходе проделанной работы был осуществлен обзор и анализ научных публикаций по теме выпускной квалификационной работы. Произведен обзор программных средств современных спектрометров.
В процессе работы были изучены основы спектрофотометрии, проектирования и реализации программного обеспечения для работы с приборами.
На основе технического описания спектрометра BTC-110S был спроектирован программный комплекс, реализован в программной среде Qt Creator, с использованием только кроссплатформенных средств и библиотек. Программный комплекс позволяет регистрировать спектр и производить первичную обработку данных (фильтрация, коррекция сигнала спектра с учетом калибровочных коэффициентов, выполнение арифметических операций над спектрами). Из других особенностей комплекса: масштабирование спектров по осям; изменение некоторых параметров спектрометра - количество усреднений, скорость интеграции; сохранение спектра в файл; загрузка спектра из файла; сохранение спектра в изображение.
Разработка комплекса велась с соблюдением модульной структуры программы. Исходный код программы представлен в виде нескольких модулей, что позволяет добавлять новые модули, например, модуль определения температурного распределения частиц по их «интегральному» спектру теплового излучения, теоретические основы для которого изложены в ранее упомянутых статьях.
В процессе работы был подготовлен экспериментальный стенд на базе спектрометра (оптическая скамья, штатив для закрепления объектива, оптоволоконный кабель с держателем, спектрометр и т.д), были проведены калибровочные испытания, используя в качестве эталонного источника ртутно-кадмиевую лампу СМРК-2, были получены коэффициенты. Был проведен эксперимент над двумя лампами. Эксперимент показал, что спектр двух ламп горящих одновременно примерно равен спектру суммы двух ламп горящих по отдельности.
Программный комплекс планируется к использованию в исследованиях температурно-скоростных параметров частиц из порошковых материалов, напыляемых различными методами газотермического напыления на поверхности технических деталей в виде защитных покрытий с эффективными эксплуатационными характеристиками.
Результатами разработки программного комплекса являются: проект исходного кода для Qt Creator, специальное программное обеспечение, опубликованная статья по теме.
Также в результате выполнения данной работы, была получена расширяемая программная платформа, для дальнейшего развития и роста возможностей программного продукта.
Все поставленные цели и задачи выполнены.
В процессе работы были изучены основы спектрофотометрии, проектирования и реализации программного обеспечения для работы с приборами.
На основе технического описания спектрометра BTC-110S был спроектирован программный комплекс, реализован в программной среде Qt Creator, с использованием только кроссплатформенных средств и библиотек. Программный комплекс позволяет регистрировать спектр и производить первичную обработку данных (фильтрация, коррекция сигнала спектра с учетом калибровочных коэффициентов, выполнение арифметических операций над спектрами). Из других особенностей комплекса: масштабирование спектров по осям; изменение некоторых параметров спектрометра - количество усреднений, скорость интеграции; сохранение спектра в файл; загрузка спектра из файла; сохранение спектра в изображение.
Разработка комплекса велась с соблюдением модульной структуры программы. Исходный код программы представлен в виде нескольких модулей, что позволяет добавлять новые модули, например, модуль определения температурного распределения частиц по их «интегральному» спектру теплового излучения, теоретические основы для которого изложены в ранее упомянутых статьях.
В процессе работы был подготовлен экспериментальный стенд на базе спектрометра (оптическая скамья, штатив для закрепления объектива, оптоволоконный кабель с держателем, спектрометр и т.д), были проведены калибровочные испытания, используя в качестве эталонного источника ртутно-кадмиевую лампу СМРК-2, были получены коэффициенты. Был проведен эксперимент над двумя лампами. Эксперимент показал, что спектр двух ламп горящих одновременно примерно равен спектру суммы двух ламп горящих по отдельности.
Программный комплекс планируется к использованию в исследованиях температурно-скоростных параметров частиц из порошковых материалов, напыляемых различными методами газотермического напыления на поверхности технических деталей в виде защитных покрытий с эффективными эксплуатационными характеристиками.
Результатами разработки программного комплекса являются: проект исходного кода для Qt Creator, специальное программное обеспечение, опубликованная статья по теме.
Также в результате выполнения данной работы, была получена расширяемая программная платформа, для дальнейшего развития и роста возможностей программного продукта.
Все поставленные цели и задачи выполнены.