基于LabVIEW的光聲光譜檢測系統*

毛和法， 陳趙江， 方健文， 劉世清

(浙江師范大學數理與信息工程學院，浙江金華 321004)

0 引言

光聲光譜技術(photoacoustic spectroscopy，PAS)是一種基于物質的光聲效應發展而來的光譜技術．該技術具有靈敏度高、適應性廣等特點，對傳統光譜難以處理的高反射、高散射、不透明的物質同樣適用，已廣泛應用于物理、化學、生物醫學等領域［1-3］．目前，市場上進口的光聲光譜儀價格不菲，而國內能提供該產品的廠家很少且存在功能單一、自動化程度低等問題［4-6］．LabVIEW為Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的簡稱，是美國NI公司開發的一款專業虛擬儀器開發工具［7］．該軟件已在儀器控制、數據采集、信號分析、工廠自動化等領域獲得了廣泛的應用［8-10］．筆者設計了一套基于Lab-VIEW的光聲光譜檢測系統，用該系統檢測了Er2O3的光聲光譜，將檢測結果與Er2O3的標準光聲譜線進行了比較，并對系統進行了定標．

1 光聲光譜原理與裝置

當樣品受到強度以一定頻率調制的光束照射時，樣品分子因吸收光能而被激發到高能態．處于高能態的分子在去激勵過程中，把吸收光能中的部分或全部能量以無輻射的弛豫過程轉變為熱能，因而樣品被交變加熱．同時，樣品的熱能向周邊的氣體擴散，氣體的壓強將呈周期性變化，因而產生光聲信號．把光聲信號作為入射光波長的函數加以處理、記錄，就可得到樣品的光聲光譜圖．

檢測系統的硬件構成如圖1所示，該系統以超高壓球形氙燈(CHF-XQ500W北京暢拓)為激勵源．從氙燈發出的光先經單色儀(CM200-2蘇州維信)分光，再由斬波器(SR540 STANFORD INC)調制后變成強度呈周期性變化的調制光，然后通過凸透鏡會聚到樣品池內的樣品上．樣品池內產生的光聲信號被微音器接收，并完成聲電轉換而輸出微弱的電信號．電信號先經前置放大器放大，再由鎖相放大器(7280 Perkin Elmer)去除噪音，然后由計算機完成信號采集．讓計算機控制單色儀進行波長掃描，從而獲得樣品的光聲光譜．

2 系統軟件設計

2．1 系統軟件的功能需求分析

圖1 光聲光譜檢測系統裝置圖

圖2 光聲光譜檢測系統前面板

系統軟件需具備單色儀控制、鎖相放大器接口及工作參數設置、掃描參數設定、光聲信號采集及處理等功能．用戶應可通過軟件控制單色儀完成初始波長設定，控制步進馬達的轉向和轉速，完成波長掃描等功能．本系統中鎖相放大器與計算機有2種通訊方式供選擇:其一是用電纜將計算機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，再與計算機的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，則需同時設置波特率(Baud Rate)，Stop Bits，Data Bits等參數;若用戶選用GPIB通訊接口，則需設置GPIB地址．用戶還需通過軟件設置鎖相放大器的靈敏度(Range)、時間常數(Time constant)、選擇參考通道(Reference Input)等，以及起始波長、終止波長、數據采集點波長間隔、掃描速度等掃描參數．軟件還應具備采集試樣的光聲信號，導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 系統軟件主VI前面板

前面板為用戶提供人機交互界面，本系統軟件的主VI前面板如圖2所示．前面板的最上方為標題欄，顯示系統的名稱．除標題欄外，前面板可劃分為上、中、下3個功能區．前面板的上方為菜單欄，包含文件、接口設置、保存模式、采集模式、掃描設置等主菜單，點擊各項菜單會彈出對應的下拉子菜單，用戶可根據提示完成各項操作．前面板的中間為光譜顯示區，包含2個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．前面板最下方為監控信息區，報告當前波長掃描進度和系統運行狀況．

2．3 系統軟件主VI流程及框圖

主VI程序框圖分系統初始化、參數設置、數據采集及處理等3個模塊．系統初始化模塊調用鎖相放大器接口子VI，使鎖相放大器以默認方式與計算機建立通訊，并給程序中的部分變量賦初值．設置模塊采用LabVIEW的事件驅動結構編程，先將設置模塊所需實現的功能進行分類歸納，組織為菜單形式．把各項子菜單作為事件結構分支，在各事件分支對應的圖形代碼框中放置相應的代碼或調用特定的子VI，從而實現相應的功能．數據采集及處理模塊采用While循環、條件結構、層疊順序結構等交叉嵌套的結構．程序代碼中，將前面所輸入的儀器工作參數、掃描參數等變量設置為局部變量，從而實現變量在整個主VI內部的傳遞．整個程序的邏輯結構流程如圖3所示．

3 實驗結果

筆者用設計的光聲光譜檢測系統測量了Er2O3(純度為99．99%，上海躍龍有色金屬有限公司)的光聲光譜，結果如圖4所示．實驗中設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定為200 mV，時間常數為2 s;設定斬光器的斬波頻率為30 Hz．實驗采用二次測量自動歸一化方法，先用系統測得碳黑的光聲振幅譜，再測得Er2O3的光聲譜，然后系統自動對所測得的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標準線，據此對設計的光聲光譜檢測系統進行了波長校正．在不同時間段進行了多次重復檢測，所得結果重復性好．實驗結果同時表明，光聲光譜檢測系統的光譜分辨率可達0．5 nm．在檢測的波長范圍內，特征峰清晰，所得譜線與文獻［11］中Er2O3的光聲光譜圖一致．

圖3 主VI程序流程圖

4 結論

從光聲光譜原理出發，在分析實驗系統的工作原理及系統軟件功能需求的基礎上，設計了一套基于LabVIEW的光聲光譜檢測系統．軟件采用模塊化設計，特別是設置模塊采用Lab-VIEW的事件驅動編程結構，使計算機執行效率高，功能易擴展．在此系統中，儀器控制、實驗參數設置、數據自動采集和處理均通過計算機完成，并且人機界面友好，用戶還可通過軟件動態監控實驗過程和實時觀察實驗結果．實驗結果表明，該系統操作簡便、性能穩定，可廣泛應用于不同固態樣品的光聲光譜檢測．

圖4 Er2O3的歸一化光聲光譜

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