虚拟傅里叶变换红外光谱仪（IR）的设计与实现

． I ． ． ． S ． ． ． ．． ． S ． ．． ． ．． N ． ． ．． ． ．． ． ． ．． ． ． 1 ． ． ． ．． 0 ． ． ．． ． 0 ．． ． ． ．． 2 ． ．． ． ． ． -- ． ． ．． ． ． ．． ． ． 4 ．． ． ．． ． 9 ． ．． ． — 5 — 6 CN11—2034／T 实 验 技 术 与 管 理 Experimental Technology and Management 第 26卷 第 1O期 2009年 1O月 V0l_26 No．10 Oct．2009 虚拟傅里叶变换红外光谱仪 (1 R)的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 与实现 潘 瑾 ，李永强。，白 雁。 (1．河南检察职业学院 教务处，河南 郑州 450000；2．华北水利水电学院 信息工程 学院，河南 郑州 450011；3．河南中医学院，河南 郑州 450000) 摘 要：根据傅里叶变换红外光谱仪(IR)的基本原理，结合计算机软件，阐述了基于虚拟现实技术的傅里叶 变换红外光谱仪(IR)的构建 ，解决了精密仪器少，学生动手机会少的问题，打破了时间和空间的限制，使学生 可以在网上随时进 人实验室 ，极大提高 了仪器分析 的教学效果 。 关键词：傅里叶变换红外光谱仪(IR)；虚拟的；构建 中图分类号 ：G642．0；G718．5 文献标志码 ：A 文章编号 ：1002—4956(2009)10—0117一O3 Design and implementation of the virtual FT-NIR spectrometer Pan Jin ，Li Yongqiang。，Bai Yan。 (1．Academic Office，Procurators College of Henan，Zhengzhou 450000，China；2．Department of Information Engineering ，North China University of W ater Conservancy and Electric Power，Zhengzhou 450011，China； 3．Henan University of Traditional Chinese Medicine，Zhengzhou 450000，China) Abstract：This paper discusses how to build a virtual laboratory based on the virtual reality technology and the theorem of FT—-NIR spectrometer to solve the problems of less precision instruments and less chance of teach—。 ing practice for students．The new laboratory breaks through the limitation of the time and the space，and lets the students enter the laboratory through Internet in any time．The teaching results are efectively improved． Key words：FT—NIR spectrometer；virtual；construction 1 虚拟实验室成为教学的好助手 由于大型精密仪器价格昂贵 ，因此不能满足 每位 师生进行实际操作的需求[1]。教师只能是依靠一支粉 笔一本教科书空对空地进行教学 ，因此多年来仪器分 析这门课程一直被各类 学校教师认 为是最难教、学生 认为最难学的一门课程 。 随着计算机技术的不断进步，利用 图形、语音、视 频、动画等多种技术，学生可以通过网络身临其境地观 察实验现象，并模拟实验 ，虚拟实验室成为高校教学和 学生学习的好助手 ]。在计算机系统中采用模拟现实 实验设备的各种虚拟实验环境，学生可以像在真实的 实验环境中一样完成各种预定 的实验项 目，同时也解 决了棘手的教学资源紧张的问题 。 随着计算机技术的不断成熟 ，虚拟实验室具有成 收稿 日期 ：2009—03—18 修改 日期 ：2009—06—10 基金项目：河南省杰出人才 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 (200510017) 作者简介：潘瑾(1974 )，女，河南省郑州市人，硕士，讲师，研究方向为 计算机网络． 本低、效率高、功能齐全等优点，使越来越多人意识到 虚拟实验室在教育领域的重要性，它除了极大地提高 了仪器分析的课堂教学效果，还在实验教学方面起到 了显著的作用。 我们通过计算机设计出虚拟的傅里叶变化红外光 谱仪(IR)，极大地提高了教学效果，学生也消除了时 间和空间上的限制 ，可 以直接 在学 院网站上随时学习 和模拟使用[3]。 2 傅里叶变化红外光谱仪(IR)的计算机虚拟 设备软件设计分析 2．1 系统 目标 (1)有统一 的主界面，学生可 以非常方便地对傅 里叶变化红外光谱 仪 (IR)的构造和工作原理进行系 统的学习。 (2)能够对操作 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 、实验原理进行选择性学习 和研究 。 (3)实验原理能够进行动态 的、交互式 的学习；对 118 实 验 技 术 与 管 理 操作流程的学习做到图文并茂，有进入实验室进行实 际操作的感觉 ；辅助教室课堂教学 ，提高教学效果。 (4)可以反复地进行模拟实验 ，并且能够多人进 行共享 。 2．2 系统结构和组成 我们根据傅里叶变化红外光谱仪(IR)实际试验 环境，对虚拟实验室进行分析。为了满足课堂教学和 实验的共同需求，在选定傅里叶变化红外光谱仪(IR) 类型后出现的主界面上，增加了主菜单按钮。在主菜 单里有仪器构造、模拟实验、操作流程、实验原理等。 每一种功能都有对应的可交互操作的程序，每种实验， 都以动画的形式对仪器和工作原理进行了演示，改变 了以前枯燥的学习形式。 3 傅里叶变化红外光谱仪(IR)的计算机虚拟 设备的关键技术 为了实现傅里 叶变化红外光谱仪 (IR)虚拟设备 和实验人员的交互模 拟，采用 了 flash8．0进行实际实 验设备 的现实模拟 ，并运用 ActionScript 2．0对每一 个实验细节进行了程序设计。Flash8．0设计的操作 界面如图 1所示。模拟实际操作环境 ，当进行实验时， 对应的计算机显示器屏幕上会显示每步实验内容的标 题，当实验结束时，打印和生成相应的实验结果数据。 图1 傅里叶变化红外光谱仪(IR)的计算机模拟界面 4 傅里叶变化红外光谱仪(IR)的计算机虚拟 设备的实现 4．1 傅里叶变化红外光谱仪 (IR)虚拟实验室的硬件 我们 使 用 的是 以一 台 Dell PowerEdge4600为 Web服 务器 ，Dell PowerEdge4600为 Web服 务器配 备 了 2个 Intel Xeon 2．8GHz处理器 ，2GB ECC DDR RAM，3×36GB SCSI RAID(冗余 磁盘 阵列)，以及 Broadcom Gigabit NIC千兆网卡 ，充分满足多线程、大 流量、高带宽的使用要求 ]。 4．2 傅里叶变化红外光谱仪(IR)虚拟实验室的组成 元件的实现 在虚拟实验室的每一个部分，都由若干小的元素 构成，例如桌子：由桌面、抽屉和柜子等组成。首先我 们采用 photoshop图像编辑工具对傅里叶变化红外光 ． 谱仪(IR)的主机、光源、硅碳棒、高压汞灯、Michellson 干涉仪、检测器、计算机和记录仪进行设计，保存成 png格式后，在 flash中直接进行调用，组成具体的仪 器设备，这样能够使虚拟实验室中的每一个设备做到 图像清晰，并支持放大缩小而图像不失真，并且可以灵 活地操作和控制，形象地模拟实际实验环境，例如原 理、双原子分子振动、正确使用方法等。由于仪器已经 通过程序做了详细的分 割，如果学生对傅里叶变化红 外光谱仪(IR)仪器的基本原理感兴趣，那么他可通过 鼠标点击的方式，一点一点地把仪器展开，想了解仪器 构造，工作原理以及理解使用方法及维护方法都有详 细动画演示等等[6]。 4．3 实验步骤的正确模拟和步骤同步提示 我们在现实实验中，根据操作步骤进行操作，在模 拟实验室中，为了能够让模拟实验的人员 比较清晰地 掌握实验 ，在模拟实验室 中做到了实验步骤和实验操 作进程同步。如果实验按步骤进行 ，那 么会在相应的 实验场景中，显示该实验的步骤和下一步的操作提示。 为了能够显示对应的操作步骤 ，在 flash的主场景 中， 首先定义了数组变量，并赋予了初始值，部分代码 如下 ： import flash．geom．Rectangle； import flash．geom．Transform； import flash．display．BitmapData； 一 root．m enu — num 一 4； TS1一 new Array()； TS1[O]一 ”操作步骤：”； TS1[1]一 ”开启显示器电源开关”； TS1 E2]一 ”开启红外分光光度计主机开关”； TS1[3]一 ”开启计算机主机开关”； TS1[4]一 ”开启计算机主机开关后，计算机会根据配置 进入不同操作系统，选择 Windows ； TS1[5]一 待出现 c一 ＼windows提示后，用键盘输入 “IR”，按 ENTER"； TS1[6]一 ”出现岛津彩色徽标，点击徽标 ； TS1[7]一 ”鼠标器轻击 OK”； TS1[8]一 ”用鼠标点击 HYPER IR”； TS1[9]一 用鼠标点击 INSTRUMENT' ； TS1[1O]：”用鼠标点击 FTIR8000”； TS1[11]一 ”参数设置 ； TS1112]： 打开样品室盖，将空白片放人样品室的样品 潘 瑾，等：虚拟傅里叶变换红外光谱仪(IR)的设计与实现 架上，关盖，用鼠标器轻击 BKGSTART，，此时，显示屏上 将显示背景的红外光谱图并自动记忆”； TS1[13]一”打开样品室盖，取出空白片，将经适当方法制 备的样品(关 于压片 的方法 在“基本 原理 介绍 ”中有 详细 的动画演示)放入光路中，关盖。用鼠标器点击 SAMPLE START，此时显示屏上出现样品的红外吸收光谱图”； 一 root．screenpw~ 0； 一 root．computer．power．gotoAndPlay(2)； 一 root．computerzoom= 0； root．screenzoom 一 0： var keyListener：Object— Dew Object()； keyListener．onKeyDown— function(){ if(Key．isDown(13)){ 一 root．screen．gotoAndStop(5)； } }； Key．addListener(keyListener)； stop()； 当模拟实验人员点击操作 的按钮时 ，显示对应 的 操作步骤和功能，例如当点击“单波长数据测定”按钮 后，响应以下程序 ： on(release){ 一 root．select= 2； aa．text=”您现在选择的是：吸收光谱测定”； zixiang． 一 visible=true； ] 4．4 实验功能的选择 在虚拟实验室中，当按“主菜单”按钮时，能够看到 3个实验分类：模拟实验、操作流程、实验原理，我们可 以根据 需要 对 内容 进行 选择 ，集 教 学、模 拟 实验 为 一 体。 例如，当点击“模拟实验”时，对应的程序代码 如 下 ： on(release) { 一 root．gotoAndStop(”h )； ) 模拟系统会根据操作者的选择，开始模拟实验。 5 讨 论 傅里叶变化红外光谱仪(IR)虚拟实验室彻底打 破 了空间、时 间的限制 ，为 学生提供 了生 动、逼 真的 实验学习环境 ，学 生能够 成为虚 拟环境 的一名参 与 者 ，可 以极大地调动学生的学 习积极性 ，突破实验教 学的重点 、难点 ，对培养学生 的实际操作技 能可起 到 积极的作用。虚拟仪器根据实验样本参数的不同以 及傅里叶变化红外光谱仪(IR)的原理，自动生成对 应 的实验结果 ，并加 以展示。通 过虚拟实验 ，可 以对 仪器的基本操作和仪器 的基本功能进行了解和掌 握，做到了仪器的可重复利用，满足了所有学习和研 究傅里叶变化红外光谱仪(IR)的师生的需求。虚拟 实验室具有 以下意义 ： (1)解决了精密仪器少，学生动手机会少的问题； (2)解决 了教师“一支粉笔 ，一本教科书”，纸上谈 兵的问题 ，将复杂难懂 的教学内容 ，化静态为动态，化 枯燥为生动，改平面为立体，把无声变有声 ，以多样化 的教学方式代替了单一的教学方式，极大地提高了教 学效果，激发了学生学习仪器分析的积极性。 如果将仪器分析中的仪器全部通过计算机软件， 构建和设计成虚拟仪器和实验室，不但可给教师提供 多种教学方法，提高教学效果，也给学生提供了充分练 习的机会 。 参考文献 (References)： Eli许又泉，谭敏生，邓轶华．网络虚拟实验室及其实现方法研究[J]．邵 阳学院学报 ：自然科 学版，2004(3)：83—85． E2]杨彦明．网上虚拟实验室建模方法与构建技术研究及系统实现 [D]．中国海洋大学，2005． [3]汤书森，李柏年．谈谈虚拟仪器及其在实验室的建设与发展前景 [刀．甘肃科技，2005，21(9)：18-2I． [4]张巍，张春仙．网络虚拟实验室的研究 [J]．计算机工程与设计， 2007(11)：2717-2719． [5]周毅 ，江建军．基于虚拟仪器的网络虚拟实验室构建[J]．今日电 子 ，2003(1o)：14—16． [6]李敏，李仁发，杨大山，等．基于虚拟原型技术的虚拟网络实验室 EJ]．计算机工程与应用，2002(7)：151-153． [7]金鹰教程网．Flash高级 Action编程视频教程[EB／OL~．http：／／ www．ente．corn．cn／escho0l／zhanti／flashacti0n／．