基于数字锁相放大器的拉曼光谱信号检测

发布时间：2020-01-24 23:22

【摘要】：拉曼光谱技术经历了几十年的发展已经成为一门比较成熟的技术,它依靠自已独特的优势目前已被广泛应用于物质鉴定与分子结构研究等相关领域中。在实际应用中拉曼光谱信号通常十分微弱,常见的检测手段往往不能达到检测灵敏度要求,在这一关键问题上科学家们提出了许多解决方法,出现了一系列拉曼光谱增强技术,例如共振拉曼光谱技术和表面增强光谱技术等,这些方法有效地增强了拉曼光谱信号的强度,从而很好提高了检测灵敏度。虽然目前在拉曼光谱信号强度增强方面已经取得成功,但是直接检测微弱的拉曼光谱信号却很少被尝试。随着微弱信号检测理论和相关技术的发展与成熟,微弱信号检测水平有了很大的进步,这也为拉曼光谱信号检测灵敏度提高提供了新的思路。在微弱信号检测领域,锁相放大器是一个非常有代表性的产品。锁相放大器以相关检测为理论基础,利用参考信号与待测信号相关性强,与噪声信号相关性弱的特点,将信号从大量背景噪声中检测出来。最初锁相放大器都是由模拟器件构成,而模拟器件往往存在固有的温漂、容差等缺陷,随着数字信号处理技术以及高性能的数字信号处理硬件的逐渐普及和应用,锁相放大算法都可以利用数字信号处理技术来完成,数字锁相放大器逐渐取代了传统模拟锁相放大器成为主流。本论文综合考虑了拉曼光谱与锁相放大技术的需求和技术特点,利用数字信号处理硬件设计了一套数字锁相放大系统,并将其应用于拉曼光谱信号检测中,来提高拉曼信号检测的精度。在论文结构上,首先介绍拉曼光谱技术、锁相放大器的相关知识背景,从而提出了使用锁相放大器来解决拉曼光谱信号检测的方案,针对方案本论文设计了一套基于dsPIC33FJ256GP710 DSC的数字锁相放大器系统,在硬件部分主要介绍了激励信号产生模块、模拟电路模块、数字系统模块以及上位机模块四个主要部分的设计；在软件部分主要由DSC程序设计和PC上位机程序设计两个部分构成,详细介绍了锁相放大器核心算法以及PC上位机C#数据接收程序。论文实验分为两个阶段,首先论文设计了验证性实验,该实验运用了惠斯通电桥在应力检测中的经典模型,使用三个相同阻值电阻,通过改变被测电阻阻值来破坏电桥平衡并输出电压信号的,利用本设计中的数字锁相放大器对信号进行测量,进而换算出被测电阻阻值。实验结果准确测得电桥输出信号,从而在验证了本设计中的数字锁相放大器硬件结构和软件算法的可行性；在第二阶段实验为论文的核心实验,在这一阶段主要的实验任务是将本设计中的数字锁相放大器应用于了拉曼光谱采集系统中。实验搭建了一套简易的拉曼光路,利用斩光器设计了一套数字锁相放大器参考信号的获得方法,使用光电倍增管得到NaSO4溶液样品的拉曼光谱信号,信号经过处理被数字锁相放大器获得,经过算法处理输出最终信号幅值结果,利用光电倍增管供电电压与信号输出之间的关系,实验得到了多组数据。论文对数据进行简单处理分析,得到最终结论与预期相符,证明了本设计中数字锁相放大器在一定程度上适用于拉曼光谱检测。
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN722

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本文编号：2572819