LabVIEW在腔衰荡光谱检测系统中的应用

秦浩 凌六一,2

(1.安徽理工大学 电气与信息工程学院,安徽淮南 232001;2.安徽理工大学 人工智能学院,安徽淮南 232001)

20世纪80年代初,人们为了测量某些器件中高反镜的反射率提出了光腔衰荡光谱法 (Cavity Ring Down Spectroscopy,CRDS)[1],1988 年O′Keefe 和 Deacon[2]首次将该方法应用于光谱测量方面,从而让 CRDS 应用到新的领域。由于该技术具有高灵敏度和准确度等优点,目前已广泛应用于气体液体的光谱测量、环境监测和医学诊断等方面[3],如陈兵[4]等利用腔衰荡光谱技术实现对大气中一氧化碳气体的实时监测;吴盛阳[5]等基于腔衰荡光谱技术对大气中氮氧化物做实时测量。在CRDS技术中数据的采集和拟合进而获得衰荡时间是极其关键的一步,目前多使用数据采集卡采集衰荡信号,数据采集卡支持多种语言例程,数据的采集和拟合分在线形式和离线形式。在线形式,如陈剑[6]在探测氮氧化物时,利用自编的C++程序控制采集卡,实现数据的采集和拟合;胡仁志[7]等在用腔衰荡技术探测大气NO3自由基时,采用LabVIEW程序对衰荡信号平均、拟合;李治艳[8]采用LabVIEW软件拟合衰荡信号,获得NO3自由基和N2O5的浓度序列;张田甜[9]在搭建腔衰荡装置时,用LabVIEW程序控制光学开关的关断和处理衰荡信号。离线情况下,如徐毓阳[10]采用四镜环形腔衰荡技术探测二氧化碳,对采集完成的衰荡曲线用Origin拟合,以获取衰荡时间;康美玲[11]在用CRDS技术检测呼吸丙酮气体时,用示波器采集和显示数据,用计算机做储存和处理装置;崔天健[12]通过腔衰荡技术获得激光元件的表面参数,编写Matlab数据处理程序,对实验数据进行分析。在线方式相比离线方式优势在于可实时反馈实验装置的状态,便于及时调整。

处理腔衰荡信号应用较多的是LabVIEW软件,但目前尚未报道有学者对LabVIEW软件在CRDS数据处理中的应用进行详细地分析与比较。因此本文设计一种基于LabVIEW的腔衰荡信号在线处理系统,可实现对衰荡时间的准确获取,并通过具体实验加以验证。

1 CRDS测量原理

腔衰荡光谱技术(CRDS)是一种探测灵敏度高、装置简单的微量气体浓度测量方法。文献[13-15]对其进行过详细描述,激光器产生的脉冲光会在光学谐振腔内往返n次,每次反射都有部分光透射出腔体,透射出的信号包含腔内气体的浓度信息。简要地介绍其原理中的符号,在CRDS实验中,痕量气体浓度(A)的测量是通过比较在探测波长存在吸收体(τ)和不存在吸收体(τ0)时拟合的衰荡时间常数和吸收截面(σ)来完成的:

(1)

其中,c为光速;A是待测气体的数密度;σ为待测气体的吸收截面;RL为腔长和待测气体吸收程长的比值;τ0为腔内没有待测气体时的衰荡时间,即本底衰荡时间;τ为腔内有待测气体时的衰荡时间。

由于式(1)中的参数只有衰荡时间τ和本底衰荡时间τ0为需要测量值,它们的准确获取直接关系到待测气体浓度A的计算。因此本文设计一种基于LabVIEW的腔衰荡信号在线处理系统,将从硬件和软件方面对腔衰荡信号在线处理系统进行描述。

2 系统硬件设计

腔衰荡信号在线处理系统硬件部分主要包括计算机、光电倍增管、信号发生器、信号接入接口和高速采集卡。系统硬件结构图如图1所示。

图1 CRDS检测系统硬件结构图

1)光电倍增管采用H10723-20,如图2(a)所示,它是一款包含金属封装PMT、低功耗高压电源电路和低噪声放大器的光敏模块,其作用为接收衰荡腔内激光信号并把其转换成电压信号。

图2 光电倍增管与信号发生器

2)信号发生器采用DG1022U,如图2(b)所示,使其产生两路方波信号,一路为高速采集卡的数据采集提供数字边沿触发信号,一路对激光进行调制。

3)信号接入接口为BNC-2110,如图3(a)所示,其有15个BNC连接器用于模拟输入/输出、触发器/计数器和用户自定义信号连接,30个引脚的弹簧接线板用于数字和定时I/O信号连接,其中光电倍增管输出接AI0引脚,信号发生器数字边沿触发信号接PFI0引脚。

图3 信号接入接口BNC-2110与数据采集卡

4)数据采集卡是外界信号进入计算机的桥梁,高速采集卡通过PCI插槽与计算机连接。采集卡用的是NI-PCI6132,如图3(b)所示,负责采集光电倍增管输出的电压信号。其转换精度为14位,每通道最大采样率为3 MS/s,支持数字或模拟触发方式。

3 腔衰荡信号在线处理系统的软件设计

3.1 LabVIEW开发平台

LabVIEW是美国National Instruments公司创立的一种功能强大的软件应用开发工具,LabVIEW文件分为前面板与程序面板两部分,前面板界面简洁,方便用户使用,程序面板通过图形化编程对前面板进行控制。如今LabVIEW经过多年的发展,其测量系统已越来越完善,利用LabVIEW软件平台设计腔衰荡信号在线处理系统,方便系统的搭建与测试。本系统设计基于LabVIEW2021环境。

3.2 系统总体功能设计

系统软件功能模块,如图4所示,主要包括四个部分:1)参数设置;2)数据操作与拟合;3)数据显示;4)数据存储。

图4 系统软件功能模块框图

1)参数设置。参数设置模块主要是采样参数的设置。由奈奎斯特采样定理和系统实际检测结果所得,采样频率一般设置为1.5 MHz,采样点数为500,数据叠加平均次数设置为100,拟合数据点取500个点,文件路径包括衰荡时间保存路径与信号平均数据保存路径,均可由用户自定义设置。

2)数据操作与拟合。数据采集卡采集到的腔衰荡信号会实时传递到计算机存储里,通过编程LabVIEW会读取计算机中的数据,以队列的形式传递到数组中,通过循环结构进行数据的叠加平均,以提高衰荡信号的信噪比,平均好的数据通过指数拟合得到系统的衰荡时间,通过数组子集设置曲线拟合长度,减少拟合误差。

3)数据显示。实验时,衰荡信号会实时发生变化,编程使采集的数据以波形图形式展现出来,其中包括采集卡采集的原始波形图、叠加平均波形图、曲线拟合波形图、拟合残差图和系统实时的衰荡时间图,便于观察实验结果,以及优化实验结构。

4)数据存储。数据存储主要包括两个部分,平均的衰荡信号数据保存和实时衰荡时间的保存,通过在参数位置设置,即可完成数据保存。其中衰荡信号的保存格式为xls,衰荡时间的保存的格式为txt,以方便后期进一步处理数据。

3.3 系统界面设计

软件显示界面,即前面板。前面板应具有简洁、直观的特点,方便用户的使用。如图5所示,系统参数设置包括采样通道、采样频率、文件保存地址设置等,衰荡信号和衰荡时间的显示主要通过波形图实现。借助于前面板可实时获得所搭建实验装置的衰荡时间和采集数据情况,便于及时对装置进行调整。

3.4 系统程序框图

如图6所示,前面板和程序框图是一一对应的,框图程序用LabVIEW图形编程语言编写。腔衰荡信号在线处理系统编写步骤分四部分来实现,包括数据的采集、数据的叠加平均、数据的拟合和数据的显示和保存,通过在程序框图里程序编写,可实现相应设计功能。

数据采集部分主要是对采集卡的操作,包含物理通道创建、采样设置、触发方式设置等,用for循环实现多次的有限采样模式。数据的叠加平均包括由队列传输采集到的数据,防止数据丢失。通过移位寄存器、数组和循环等实现衰荡信号的叠加平均。平均后的数据进行指数拟合得到衰荡时间,并通过波形图实时显示采集的数据波形和衰荡时间,数组保存部分包含数组插入、字符串常量、写入文本文件等,实时对衰荡信号的数据和衰荡时间进行保存。

4 实验装置及系统验证

为验证所设计的LabVIEW腔衰荡信号在线处理系统的可行性,在搭建好的腔衰荡装置中,进行NO3自由基衰荡信号的采集测试,脉冲腔衰荡系统实验装置如图7所示,主要由二极管激光器、光隔离器、两个平面镜、两个高反镜、光电倍增管、函数发生器和数据采集卡等组成。二极管激光器(DL-660-100-T7),功率为50 mW,线宽为1 nm,工作波长为662 nm,激光会通过一个光隔离器(IO-3D-660-VLP)传输,光隔离器主要是利用法拉第效应,在磁场作用下使光的偏振方向发生一定角度的旋转,实现激光的单方向传输。防止激光反射光进入二极管激光器影响激光的稳定性。通过函数发生器(DG1022,RIGOL)产生两路方波信号,一路用于调制激光,一路用于触发采集卡采样。光学腔由两片高反镜M1和M2组成,其反射率大于99.99%。两片平面镜L1和L2,用以保护高反镜不受空气中灰尘污染。从两侧氮气入口加入N2吹扫气保护高反镜不受腔内待测气体污染。过滤器由聚四氟乙烯(PTFE)过滤膜组成,用于滤除空气中的气溶胶和灰尘。气泵以抽气的方式带动腔内待测气体流动,气路部分经过质量流量计,通过设置其面板数值,控制进气流速。调制过的脉冲激光进入高反腔后,由光电探测器接收。本实验所用光电探测器为光电倍增管,所用型号为H10723-20,其响应波长为 230～920 nm,探测由衰荡腔内透射出的光强,当透射光打到光电倍增管接收面时转化为电信号,响应时间为纳秒量级,保证了实验测量的灵敏度及准确性。光电倍增管输出的电压信号由数据采集卡(PCI-6132)采集,存储到计算机中用于后期数据处理。实验时,先由示波器记录从腔体透射出的信号如图8所示,图9为采集卡传输到计算机的衰荡信号曲线。

图7 CRDS实验装置示意图

图8 示波器记录的衰荡曲线

图9 实验室实际测得腔衰荡信号

如图10所示,腔衰荡信号在线处理系统运行时的前面板图。此时设置的采样频率为1 MHz,衰荡信号平均次数为100,每次采样点数为400,由于衰荡腔内灰尘以及腔衰荡装置的机械结构轻微扰动等,系统衰荡时间会有微小波动变化,通过对衰荡信号叠加平均,可减小误差。

图10 衰荡信号采集系统测试

在实验室条件下,用数据采集卡采集获取100条衰荡信号,腔衰荡时间与装置的光路部分联系密切。由于衰荡时间的大小只与所搭建系统光路有关,因此无法直接设置衰荡时间值进而用LabVIWE系统采集验证。采用以Matlab和Origin线下处理采集的衰荡信号数据和LabVIWE软件在线处理相对比的方式,来验证本系统对衰荡信号在线处理的准确性。如图11所示,分别为用LabVIEW、Matlab和Origin处理衰荡信号的分布图。从图11中可以看出,基于LabVIEW的腔衰荡信号采集系统与Matlab和Origin得到的衰荡时间分布几乎一致,衰荡时间基本上都在平均值附近波动。表1中的衰荡时间为实际测得100组衰荡信号拟合后,获得的衰荡时间平均值,标准偏差为实际测得的100组衰荡时间的标准偏差。从表1可以看出三种不同软件所得到的平均衰荡时间相同,且标准偏差相同,表明基于LabVIEW的腔衰荡信号采集系统所得准确度基本符合实验要求,并由于LabVIEW可在线处理衰荡信号,实验时可直接观测到衰荡信号的变化,增加了实验的便利性,通过前面板界面,方便用户操作。

图11 不同软件对实际衰荡信号处理结果

5 结语

针对腔衰荡实验的衰荡时间的准确获取问题,基于LabVIEW平台设计了一种腔衰荡信号在线处理系统。通过此系统,可实现对腔衰荡信号的采集、叠加平均、拟合、显示衰荡信号波形和衰荡时间,并对数据进行保存。通过二极管激光器和高反腔搭建的CRDS系统,测得实际的腔衰荡信号,检验该系统的真实运行情况,通过此系统处理的衰荡信号与Matlab和Origin处理的数据得到的衰荡时间相对比,验证该腔衰荡信号在线处理系统的获取衰荡时间的准确性,为腔衰荡实验提供了便利。