基于LabVIEW的光聲光譜檢測系統(tǒng)*

毛和法， 陳趙江， 方健文， 劉世清

(浙江師范大學(xué)數(shù)理與信息工程學(xué)院，浙江金華 321004)

0 引言

光聲光譜技術(shù)(photoacoustic spectroscopy，PAS)是一種基于物質(zhì)的光聲效應(yīng)發(fā)展而來的光譜技術(shù)．該技術(shù)具有靈敏度高、適應(yīng)性廣等特點(diǎn)，對傳統(tǒng)光譜難以處理的高反射、高散射、不透明的物質(zhì)同樣適用，已廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域［1-3］．目前，市場上進(jìn)口的光聲光譜儀價(jià)格不菲，而國內(nèi)能提供該產(chǎn)品的廠家很少且存在功能單一、自動(dòng)化程度低等問題［4-6］．LabVIEW為Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的簡稱，是美國NI公司開發(fā)的一款專業(yè)虛擬儀器開發(fā)工具［7］．該軟件已在儀器控制、數(shù)據(jù)采集、信號(hào)分析、工廠自動(dòng)化等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用［8-10］．筆者設(shè)計(jì)了一套基于Lab-VIEW的光聲光譜檢測系統(tǒng)，用該系統(tǒng)檢測了Er2O3的光聲光譜，將檢測結(jié)果與Er2O3的標(biāo)準(zhǔn)光聲譜線進(jìn)行了比較，并對系統(tǒng)進(jìn)行了定標(biāo)．

1 光聲光譜原理與裝置

當(dāng)樣品受到強(qiáng)度以一定頻率調(diào)制的光束照射時(shí)，樣品分子因吸收光能而被激發(fā)到高能態(tài)．處于高能態(tài)的分子在去激勵(lì)過程中，把吸收光能中的部分或全部能量以無輻射的弛豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，因而樣品被交變加熱．同時(shí)，樣品的熱能向周邊的氣體擴(kuò)散，氣體的壓強(qiáng)將呈周期性變化，因而產(chǎn)生光聲信號(hào)．把光聲信號(hào)作為入射光波長的函數(shù)加以處理、記錄，就可得到樣品的光聲光譜圖．

檢測系統(tǒng)的硬件構(gòu)成如圖1所示，該系統(tǒng)以超高壓球形氙燈(CHF-XQ500W北京暢拓)為激勵(lì)源．從氙燈發(fā)出的光先經(jīng)單色儀(CM200-2蘇州維信)分光，再由斬波器(SR540 STANFORD INC)調(diào)制后變成強(qiáng)度呈周期性變化的調(diào)制光，然后通過凸透鏡會(huì)聚到樣品池內(nèi)的樣品上．樣品池內(nèi)產(chǎn)生的光聲信號(hào)被微音器接收，并完成聲電轉(zhuǎn)換而輸出微弱的電信號(hào)．電信號(hào)先經(jīng)前置放大器放大，再由鎖相放大器(7280 Perkin Elmer)去除噪音，然后由計(jì)算機(jī)完成信號(hào)采集．讓計(jì)算機(jī)控制單色儀進(jìn)行波長掃描，從而獲得樣品的光聲光譜．

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)軟件的功能需求分析

圖1 光聲光譜檢測系統(tǒng)裝置圖

圖2 光聲光譜檢測系統(tǒng)前面板

系統(tǒng)軟件需具備單色儀控制、鎖相放大器接口及工作參數(shù)設(shè)置、掃描參數(shù)設(shè)定、光聲信號(hào)采集及處理等功能．用戶應(yīng)可通過軟件控制單色儀完成初始波長設(shè)定，控制步進(jìn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，完成波長掃描等功能．本系統(tǒng)中鎖相放大器與計(jì)算機(jī)有2種通訊方式供選擇:其一是用電纜將計(jì)算機(jī)的串口與鎖相放大器RS232接口直接相連;其二為鎖相放大器的GPIB端口先連至GPIB-USB接口卡，再與計(jì)算機(jī)的USB端口相連．用戶可通過軟件選擇通訊接口．若用戶選RS232接口，則需同時(shí)設(shè)置波特率(Baud Rate)，Stop Bits，Data Bits等參數(shù);若用戶選用GPIB通訊接口，則需設(shè)置GPIB地址．用戶還需通過軟件設(shè)置鎖相放大器的靈敏度(Range)、時(shí)間常數(shù)(Time constant)、選擇參考通道(Reference Input)等，以及起始波長、終止波長、數(shù)據(jù)采集點(diǎn)波長間隔、掃描速度等掃描參數(shù)．軟件還應(yīng)具備采集試樣的光聲信號(hào)，導(dǎo)入碳黑的光聲振幅譜并完成光聲光譜的歸一化等功能．

2．2 系統(tǒng)軟件主VI前面板

前面板為用戶提供人機(jī)交互界面，本系統(tǒng)軟件的主VI前面板如圖2所示．前面板的最上方為標(biāo)題欄，顯示系統(tǒng)的名稱．除標(biāo)題欄外，前面板可劃分為上、中、下3個(gè)功能區(qū)．前面板的上方為菜單欄，包含文件、接口設(shè)置、保存模式、采集模式、掃描設(shè)置等主菜單，點(diǎn)擊各項(xiàng)菜單會(huì)彈出對應(yīng)的下拉子菜單，用戶可根據(jù)提示完成各項(xiàng)操作．前面板的中間為光譜顯示區(qū)，包含2個(gè)XY圖．上方的XY圖用于顯示試樣的光聲振幅譜;下方的XY圖用于顯示試樣的光聲相位譜或碳黑的光聲振幅譜，用戶可自由切換．前面板最下方為監(jiān)控信息區(qū)，報(bào)告當(dāng)前波長掃描進(jìn)度和系統(tǒng)運(yùn)行狀況．

2．3 系統(tǒng)軟件主VI流程及框圖

主VI程序框圖分系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集及處理等3個(gè)模塊．系統(tǒng)初始化模塊調(diào)用鎖相放大器接口子VI，使鎖相放大器以默認(rèn)方式與計(jì)算機(jī)建立通訊，并給程序中的部分變量賦初值．設(shè)置模塊采用LabVIEW的事件驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)編程，先將設(shè)置模塊所需實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分類歸納，組織為菜單形式．把各項(xiàng)子菜單作為事件結(jié)構(gòu)分支，在各事件分支對應(yīng)的圖形代碼框中放置相應(yīng)的代碼或調(diào)用特定的子VI，從而實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能．?dāng)?shù)據(jù)采集及處理模塊采用While循環(huán)、條件結(jié)構(gòu)、層疊順序結(jié)構(gòu)等交叉嵌套的結(jié)構(gòu)．程序代碼中，將前面所輸入的儀器工作參數(shù)、掃描參數(shù)等變量設(shè)置為局部變量，從而實(shí)現(xiàn)變量在整個(gè)主VI內(nèi)部的傳遞．整個(gè)程序的邏輯結(jié)構(gòu)流程如圖3所示．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者用設(shè)計(jì)的光聲光譜檢測系統(tǒng)測量了Er2O3(純度為99．99%，上海躍龍有色金屬有限公司)的光聲光譜，結(jié)果如圖4所示．實(shí)驗(yàn)中設(shè)定單色儀的出射狹縫和入射狹縫的縫寬均為1．5 mm，波長掃描范圍為350～800 nm;鎖相放大器靈敏度設(shè)定為200 mV，時(shí)間常數(shù)為2 s;設(shè)定斬光器的斬波頻率為30 Hz．實(shí)驗(yàn)采用二次測量自動(dòng)歸一化方法，先用系統(tǒng)測得碳黑的光聲振幅譜，再測得Er2O3的光聲譜，然后系統(tǒng)自動(dòng)對所測得的Er2O3的光聲光譜做歸一化處理．Er2O3的387 nm和530 nm兩吸收峰常作為固體光聲譜儀的波長定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)線，據(jù)此對設(shè)計(jì)的光聲光譜檢測系統(tǒng)進(jìn)行了波長校正．在不同時(shí)間段進(jìn)行了多次重復(fù)檢測，所得結(jié)果重復(fù)性好．實(shí)驗(yàn)結(jié)果同時(shí)表明，光聲光譜檢測系統(tǒng)的光譜分辨率可達(dá)0．5 nm．在檢測的波長范圍內(nèi)，特征峰清晰，所得譜線與文獻(xiàn)［11］中Er2O3的光聲光譜圖一致．

圖3 主VI程序流程圖

4 結(jié)論

從光聲光譜原理出發(fā)，在分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理及系統(tǒng)軟件功能需求的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一套基于LabVIEW的光聲光譜檢測系統(tǒng)．軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，特別是設(shè)置模塊采用Lab-VIEW的事件驅(qū)動(dòng)編程結(jié)構(gòu)，使計(jì)算機(jī)執(zhí)行效率高，功能易擴(kuò)展．在此系統(tǒng)中，儀器控制、實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)自動(dòng)采集和處理均通過計(jì)算機(jī)完成，并且人機(jī)界面友好，用戶還可通過軟件動(dòng)態(tài)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)操作簡便、性能穩(wěn)定，可廣泛應(yīng)用于不同固態(tài)樣品的光聲光譜檢測．

圖4 Er2O3的歸一化光聲光譜

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