基于LabVIEW的熒光光譜測試系統(tǒng)設(shè)計

姚明奇 張玉紅 李念

【摘要】本文設(shè)計了的一個熒光光譜測試系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)部分主要是光柵單色儀控制電路的設(shè)計。軟件系統(tǒng)利用LabVIEW的虛擬儀器技術(shù)開發(fā)平臺，使用LabVIEW編程對前面板和程序進行設(shè)計。設(shè)計出效率更高、方便研究人員使用的的人機界面操作系統(tǒng)。并運用該系統(tǒng)可以對采集到的熒光數(shù)據(jù)進行測量，與其他光譜的測量譜線一致性好。

【關(guān)鍵詞】光譜測量 單色儀 虛擬儀器

1前言

隨著科技的發(fā)展，光致發(fā)光技術(shù)越來越引起人們的關(guān)注，光致發(fā)光是指，當光受到如光照、外加電場或電子束等的激發(fā)后，物質(zhì)吸收外界能量，其電子處于激發(fā)態(tài)，只要物質(zhì)不因此而發(fā)生化學(xué)變化，當外界激發(fā)停止后，處于激發(fā)態(tài)的電子總會躍遷回到基態(tài)。在這個過程中，一部分多余的能量通過光的形式釋放出來。稱為發(fā)光現(xiàn)象。光致發(fā)光技術(shù)被廣泛應(yīng)用于顯示、激光器、照明、傳感等各個領(lǐng)域。

光致發(fā)光可分為上轉(zhuǎn)換發(fā)光和下轉(zhuǎn)換發(fā)光，上轉(zhuǎn)換能夠通過多光子機制把長波輻射轉(zhuǎn)成短波輻射，發(fā)射出比激發(fā)光波長短的熒光。下轉(zhuǎn)換是把一個高能光子轉(zhuǎn)換成兩個或者兩個以上低能光子的效應(yīng)。無論研究上轉(zhuǎn)換或者是下轉(zhuǎn)換，熒光光譜測量都是非常的重要。

目前廣泛應(yīng)用的熒光光譜測試儀市面上有很多種，價位基本在30萬元以上，本課題基于實驗室已有的光柵單色儀，光電倍增管等設(shè)備，設(shè)計一套熒光測試系統(tǒng)，一方面實現(xiàn)了已有設(shè)備的升級改造，另一方面更加清晰熒光測試的基本原理，意義很大，本論文主要介紹熒光光譜測試儀的硬件設(shè)計。

2硬件設(shè)計的總體方案

本文是基于實驗室已有的設(shè)備，結(jié)合LabVIEW技術(shù)開發(fā)一套熒光測試系統(tǒng)，系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，如圖1所示。

樣品所發(fā)出的熒光包含不同波長成分的光在里面，熒光經(jīng)過光柵單色儀的分光作用，可以把各個波長的光分別測到，光電探測器這里我們選用的是光電倍增管，因為我們所采集到的熒光信號比較微弱，因此需要應(yīng)用光電倍增管使其放大。對于信號的采集部分我們采用的是斬波器與鎖相放大器相互配合，實現(xiàn)對弱信號的采集。期中本系統(tǒng)中難點之一就是控制電路的設(shè)計，一方面控制電路用于實現(xiàn)對光柵單色儀的步進電機的控制，另一方面還需與計算機之間實現(xiàn)通信。

3光柵單色儀控制電路的設(shè)計

光柵單色儀在本系統(tǒng)中是一個重要的硬件設(shè)備，其中的光柵用于實現(xiàn)對入射光起到分光的作用，通過控制光柵的角度，可以實現(xiàn)對不同波長光的反射，從而實現(xiàn)對不同波長光的測量，我們所使用的光柵單色儀可以實現(xiàn)步長為lnm的精確測量。這就涉及到對光柵旋轉(zhuǎn)角度的控制，在光柵單色儀的內(nèi)部有一個步進電機，可以實現(xiàn)對光柵的控制，我們所設(shè)計的光柵單色儀的控制電路就是控制步進電機的動作，從而實現(xiàn)控制光柵的旋轉(zhuǎn)角度。這個系統(tǒng)的工作原理是，當光柵單色儀旋轉(zhuǎn)到某一角度，單色儀輸出某一波長的光，光電倍增光實現(xiàn)光的放大，鎖相放大器實現(xiàn)弱信號監(jiān)測，把測量結(jié)果送給計算機，計算機對測量結(jié)果進行記錄，然后計算機發(fā)出指令，給控制電路，是的控制電路驅(qū)動步進電機動作，進而使得光柵旋轉(zhuǎn)，繼續(xù)測量。

3.熒光光譜測試系統(tǒng)的搭建

在完成光柵單色儀的控制電路的設(shè)計和調(diào)試后，就可以將已有的設(shè)備進行連接，其中還有一步技術(shù)做LABVIEW虛擬儀器平臺的設(shè)計，具體設(shè)計流程如圖2所示。整個熒光光譜測試系統(tǒng)包括了數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)保存、步進電機控制、數(shù)據(jù)處理分析等功能。

4.熒光光譜測試系統(tǒng)的測試

應(yīng)用我們搭建的熒光光譜測試系統(tǒng)，對我們實驗室已有的熒光樣品進行了測試，因為我們使用的是光電倍增管，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，因此測量范圍300-800nm，根據(jù)我們所設(shè)計的系統(tǒng)，以及光柵單色儀的精度，我們的步長是1nm，對已有的樣品Er3+/YB3+：Y2O3熒光粉，采用980nm的激光作為泵浦光進行了測量，得到了較好的測量結(jié)果。與其他光譜儀的測量光譜一致性較好，證明了我們系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實用性。

5.總結(jié)

本文設(shè)計了基于LabVIEW的熒光光譜測試系統(tǒng)，完成了硬件部分的搭建，以及軟件系統(tǒng)的設(shè)計，設(shè)計了一個高精度的熒光光譜測試系統(tǒng)的設(shè)計，另外該系統(tǒng)能夠基于LabVIEW的開發(fā)平臺根據(jù)實際項目功能要求進行功能擴展。因此本系統(tǒng)一方面實現(xiàn)了實驗室原有設(shè)備的升級改造，另一方面也得到了一個功能可以拓展的熒光光譜測量儀器。