基于LabVIEW的光声光谱检测系统*

毛和法， 陈赵江， 方健文， 刘世清

(浙江师范大学数理与信息工程学院，浙江金华 321004)

0 引言

光声光谱技术(photoacoustic spectroscopy，PAS)是一种基于物质的光声效应发展而来的光谱技术．该技术具有灵敏度高、适应性广等特点，对传统光谱难以处理的高反射、高散射、不透明的物质同样适用，已广泛应用于物理、化学、生物医学等领域［1-3］．目前，市场上进口的光声光谱仪价格不菲，而国内能提供该产品的厂家很少且存在功能单一、自动化程度低等问题［4-6］．LabVIEW为Laboratory Virtual Instrument Engineering Workbench的简称，是美国NI公司开发的一款专业虚拟仪器开发工具［7］．该软件已在仪器控制、数据采集、信号分析、工厂自动化等领域获得了广泛的应用［8-10］．笔者设计了一套基于Lab-VIEW的光声光谱检测系统，用该系统检测了Er2O3的光声光谱，将检测结果与Er2O3的标准光声谱线进行了比较，并对系统进行了定标．

1 光声光谱原理与装置

当样品受到强度以一定频率调制的光束照射时，样品分子因吸收光能而被激发到高能态．处于高能态的分子在去激励过程中，把吸收光能中的部分或全部能量以无辐射的弛豫过程转变为热能，因而样品被交变加热．同时，样品的热能向周边的气体扩散，气体的压强将呈周期性变化，因而产生光声信号．把光声信号作为入射光波长的函数加以处理、记录，就可得到样品的光声光谱图．

检测系统的硬件构成如图1所示，该系统以超高压球形氙灯(CHF-XQ500W北京畅拓)为激励源．从氙灯发出的光先经单色仪(CM200-2苏州维信)分光，再由斩波器(SR540 STANFORD INC)调制后变成强度呈周期性变化的调制光，然后通过凸透镜会聚到样品池内的样品上．样品池内产生的光声信号被微音器接收，并完成声电转换而输出微弱的电信号．电信号先经前置放大器放大，再由锁相放大器(7280 Perkin Elmer)去除噪音，然后由计算机完成信号采集．让计算机控制单色仪进行波长扫描，从而获得样品的光声光谱．

2 系统软件设计

2．1 系统软件的功能需求分析

图1 光声光谱检测系统装置图

图2 光声光谱检测系统前面板

系统软件需具备单色仪控制、锁相放大器接口及工作参数设置、扫描参数设定、光声信号采集及处理等功能．用户应可通过软件控制单色仪完成初始波长设定，控制步进马达的转向和转速，完成波长扫描等功能．本系统中锁相放大器与计算机有2种通讯方式供选择:其一是用电缆将计算机的串口与锁相放大器RS232接口直接相连;其二为锁相放大器的GPIB端口先连至GPIB-USB接口卡，再与计算机的USB端口相连．用户可通过软件选择通讯接口．若用户选RS232接口，则需同时设置波特率(Baud Rate)，Stop Bits，Data Bits等参数;若用户选用GPIB通讯接口，则需设置GPIB地址．用户还需通过软件设置锁相放大器的灵敏度(Range)、时间常数(Time constant)、选择参考通道(Reference Input)等，以及起始波长、终止波长、数据采集点波长间隔、扫描速度等扫描参数．软件还应具备采集试样的光声信号，导入碳黑的光声振幅谱并完成光声光谱的归一化等功能．

2．2 系统软件主VI前面板

前面板为用户提供人机交互界面，本系统软件的主VI前面板如图2所示．前面板的最上方为标题栏，显示系统的名称．除标题栏外，前面板可划分为上、中、下3个功能区．前面板的上方为菜单栏，包含文件、接口设置、保存模式、采集模式、扫描设置等主菜单，点击各项菜单会弹出对应的下拉子菜单，用户可根据提示完成各项操作．前面板的中间为光谱显示区，包含2个XY图．上方的XY图用于显示试样的光声振幅谱;下方的XY图用于显示试样的光声相位谱或碳黑的光声振幅谱，用户可自由切换．前面板最下方为监控信息区，报告当前波长扫描进度和系统运行状况．

2．3 系统软件主VI流程及框图

主VI程序框图分系统初始化、参数设置、数据采集及处理等3个模块．系统初始化模块调用锁相放大器接口子VI，使锁相放大器以默认方式与计算机建立通讯，并给程序中的部分变量赋初值．设置模块采用LabVIEW的事件驱动结构编程，先将设置模块所需实现的功能进行分类归纳，组织为菜单形式．把各项子菜单作为事件结构分支，在各事件分支对应的图形代码框中放置相应的代码或调用特定的子VI，从而实现相应的功能．数据采集及处理模块采用While循环、条件结构、层叠顺序结构等交叉嵌套的结构．程序代码中，将前面所输入的仪器工作参数、扫描参数等变量设置为局部变量，从而实现变量在整个主VI内部的传递．整个程序的逻辑结构流程如图3所示．

3 实验结果

笔者用设计的光声光谱检测系统测量了Er2O3(纯度为99．99%，上海跃龙有色金属有限公司)的光声光谱，结果如图4所示．实验中设定单色仪的出射狭缝和入射狭缝的缝宽均为1．5 mm，波长扫描范围为350～800 nm;锁相放大器灵敏度设定为200 mV，时间常数为2 s;设定斩光器的斩波频率为30 Hz．实验采用二次测量自动归一化方法，先用系统测得碳黑的光声振幅谱，再测得Er2O3的光声谱，然后系统自动对所测得的Er2O3的光声光谱做归一化处理．Er2O3的387 nm和530 nm两吸收峰常作为固体光声谱仪的波长定标标准线，据此对设计的光声光谱检测系统进行了波长校正．在不同时间段进行了多次重复检测，所得结果重复性好．实验结果同时表明，光声光谱检测系统的光谱分辨率可达0．5 nm．在检测的波长范围内，特征峰清晰，所得谱线与文献［11］中Er2O3的光声光谱图一致．

图3 主VI程序流程图

4 结论

从光声光谱原理出发，在分析实验系统的工作原理及系统软件功能需求的基础上，设计了一套基于LabVIEW的光声光谱检测系统．软件采用模块化设计，特别是设置模块采用Lab-VIEW的事件驱动编程结构，使计算机执行效率高，功能易扩展．在此系统中，仪器控制、实验参数设置、数据自动采集和处理均通过计算机完成，并且人机界面友好，用户还可通过软件动态监控实验过程和实时观察实验结果．实验结果表明，该系统操作简便、性能稳定，可广泛应用于不同固态样品的光声光谱检测．

图4 Er2O3的归一化光声光谱

［1］彭子飞，金蓓佩．纳米 SrTiO3的光声光谱［J］．复旦学报:自然科学版，2008，47(4):438-440．

［2］杨跃涛，汪海燕，刘晓峻，等．钇(Ⅲ)、铽(Ⅲ)、铒(Ⅲ)对氨基苯甲酸配合物共掺杂二氧化硅的光声光谱研究［J］．高等学校化学学报，2010，31(4):657-661．

［3］潘志方，唐志列，夏云飞．光声光谱技术在现代医学领域的应用［J］．实验科学与技术，2009，7(3):33-34．

［4］黄习东，黄佐华，唐志列，等．实用光声光谱系统［J］．光学仪器，2006，28(5):52-56．

［5］刘金龙，唐志列，徐险峰，等．应用于生物医学的光声光谱技术的改进和实验研究［J］．激光杂志，2002，23(4):66-67．

［6］冯永振．单光束光声光谱仪及其在医学中的应用［J］．数理医药杂志，2003，16(3):262-263．

［7］Travis J，Kring J．LabVIEW 大学实用教程［M］．乔瑞萍，郑江，李东平，等，译．北京:电子工业出版社，2008．

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［11］殷庆瑞，王通，钱梦騄．光声光热技术及其应用［M］．北京:科学出版社，1991:321-335．