基于LabVIEW的荧光光谱测试系统设计

姚明奇 张玉红 李念

【摘要】本文设计了的一个荧光光谱测试系统。硬件系统部分主要是光栅单色仪控制电路的设计。软件系统利用LabVIEW的虚拟仪器技术开发平台，使用LabVIEW编程对前面板和程序进行设计。设计出效率更高、方便研究人员使用的的人机界面操作系统。并运用该系统可以对采集到的荧光数据进行测量，与其他光谱的测量谱线一致性好。

【关键词】光谱测量 单色仪 虚拟仪器

1前言

随着科技的发展，光致发光技术越来越引起人们的关注，光致发光是指，当光受到如光照、外加电场或电子束等的激发后，物质吸收外界能量，其电子处于激发态，只要物质不因此而发生化学变化，当外界激发停止后，处于激发态的电子总会跃迁回到基态。在这个过程中，一部分多余的能量通过光的形式释放出来。称为发光现象。光致发光技术被广泛应用于显示、激光器、照明、传感等各个领域。

光致发光可分为上转换发光和下转换发光，上转换能够通过多光子机制把长波辐射转成短波辐射，发射出比激发光波长短的荧光。下转换是把一个高能光子转换成两个或者两个以上低能光子的效应。无论研究上转换或者是下转换，荧光光谱测量都是非常的重要。

目前广泛应用的荧光光谱测试仪市面上有很多种，价位基本在30万元以上，本课题基于实验室已有的光栅单色仪，光电倍增管等设备，设计一套荧光测试系统，一方面实现了已有设备的升级改造，另一方面更加清晰荧光测试的基本原理，意义很大，本论文主要介绍荧光光谱测试仪的硬件设计。

2硬件设计的总体方案

本文是基于实验室已有的设备，结合LabVIEW技术开发一套荧光测试系统，系统的总体设计方案，如图1所示。

样品所发出的荧光包含不同波长成分的光在里面，荧光经过光栅单色仪的分光作用，可以把各个波长的光分别测到，光电探测器这里我们选用的是光电倍增管，因为我们所采集到的荧光信号比较微弱，因此需要应用光电倍增管使其放大。对于信号的采集部分我们采用的是斩波器与锁相放大器相互配合，实现对弱信号的采集。期中本系统中难点之一就是控制电路的设计，一方面控制电路用于实现对光栅单色仪的步进电机的控制，另一方面还需与计算机之间实现通信。

3光栅单色仪控制电路的设计

光栅单色仪在本系统中是一个重要的硬件设备，其中的光栅用于实现对入射光起到分光的作用，通过控制光栅的角度，可以实现对不同波长光的反射，从而实现对不同波长光的测量，我们所使用的光栅单色仪可以实现步长为lnm的精确测量。这就涉及到对光栅旋转角度的控制，在光栅单色仪的内部有一个步进电机，可以实现对光栅的控制，我们所设计的光栅单色仪的控制电路就是控制步进电机的动作，从而实现控制光栅的旋转角度。这个系统的工作原理是，当光栅单色仪旋转到某一角度，单色仪输出某一波长的光，光电倍增光实现光的放大，锁相放大器实现弱信号监测，把测量结果送给计算机，计算机对测量结果进行记录，然后计算机发出指令，给控制电路，是的控制电路驱动步进电机动作，进而使得光栅旋转，继续测量。

3.荧光光谱测试系统的搭建

在完成光栅单色仪的控制电路的设計和调试后，就可以将已有的设备进行连接，其中还有一步技术做LABVIEW虚拟仪器平台的设计，具体设计流程如图2所示。整个荧光光谱测试系统包括了数据采集、数据保存、步进电机控制、数据处理分析等功能。

4.荧光光谱测试系统的测试

应用我们搭建的荧光光谱测试系统，对我们实验室已有的荧光样品进行了测试，因为我们使用的是光电倍增管，实现光电转换，因此测量范围300-800nm，根据我们所设计的系统，以及光栅单色仪的精度，我们的步长是1nm，对已有的样品Er3+/YB3+：Y2O3荧光粉，采用980nm的激光作为泵浦光进行了测量，得到了较好的测量结果。与其他光谱仪的测量光谱一致性较好，证明了我们系统的稳定性和实用性。

5.总结

本文设计了基于LabVIEW的荧光光谱测试系统，完成了硬件部分的搭建，以及软件系统的设计，设计了一个高精度的荧光光谱测试系统的设计，另外该系统能够基于LabVIEW的开发平台根据实际项目功能要求进行功能扩展。因此本系统一方面实现了实验室原有设备的升级改造，另一方面也得到了一个功能可以拓展的荧光光谱测量仪器。