一种基于LabVIEW的多功能光学测试系统及方法与流程

本发明涉及光学性能测试，尤其是涉及一种基于labview的多功能光学测试系统及方法。

背景技术：

光功能材料由于其在通用照明、安全指示、信息存储等领域所表现出的巨大应用价值，一直以来到了人们的广泛关注。光功能材料合成之后需要一系列繁琐的光学性能测试，诸如长余辉发光材料的长余辉衰减测试、光学信息存储材料的热释发光测试、磷光材料的恒温或变温磷光光谱测试、荧光粉材料的热猝灭特性和热稳定性测试等等。

长余辉发光材料具有在停止光源激发后还能够持续发光的特性被人们广泛关注。对其而言，长余辉发光衰减曲线是描述其长余辉发光性能的重要表征方法。所谓长余辉发光衰减曲线是指撤去激发光源后发光材料的发光强度随时间衰减的曲线，衰减越慢则表明该材料的长余辉发光性能越好。其中发光强度的表现形式主要分为两类：一是绝对发光亮度，单位为cd/m²；二是相对发光亮度。前者通常采用暗场亮度计来采集，后者则多是借助光电倍增管将光信号放大转化为电信号而获得。然而暗场亮度计存在探测极限，当光信号过于微弱时将无法准确探测发光样品的绝对发光强度，并且耗时较长(可达数十秒或数分钟)。光电倍增管通过多次的信号放大将光信号转变为电信号，具有极高的灵敏度、极低的噪声、较快的响应等优点。当前工业标准中，一般以长余辉发光材料的强度衰减至0.32mcd/m²的时间定义为其余辉寿命(参照国家计量标准jjg211-2005)。与之对应设计的长余辉发光衰减曲线测试仪的探测极限约为0.1mcd/m²。然而，在长余辉发光材料研究中，许多材料(例如应用于光学信息存储的深陷阱长余辉材料)的室温余辉发光强度远低于0.1mcd/m²，无法通过现有的长余辉发光衰减曲线测试仪准确测定其绝对发光强度。因此，有必要开发能够准确测定微弱的绝对发光强度的测试系统和方法。

长余辉发光、热释发光、恒温/变温磷光、热猝灭和热稳定性测试的共同之处在于都需要多台仪器设备协同工作才能完成，操作复杂，费时费力，在人为操作的仪器切换过程中易引入不必要的误差，从而导致测试稳定性和重复性较差。例如：长余辉测试过程中，暗场亮度计和光电倍增管的数据只能通过仪器显示屏或配套的计算机软件进行逐点采集，而一条简单的长余辉衰减曲线就需要成百上千个数据点，显然人为操作是极不现实的。若能通过自动化控制系统实现测试过程中数据的自动采集和保存，势必会大幅提高测试的效率和可靠性。labview是一种图形化的编程语言的开发环境，得到了工业界、学术界和研究实验室的普遍认可，被视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。借助其强大的功能可以方便地建立个性化的仪器自动化控制平台，从而有效简化光学性能测试中的操作流程，在提升测试稳定性和重复性的同时，极大地减少人力、财力的投入。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有技术的上述缺点，提供一种基于labview的多功能光学测试系统及方法。

所述基于labview的多功能光学测试系统包括测试硬件部分和基于labview的测控系统平台；所述测试硬件部分包括用于激发发光样品的光源系统、用于控制发光样品温度的温控系统和用于采集测试数据的数据采集系统；所述光源系统、温控系统和数据采集系统均与测控系统平台耦合连接和/或通信连接；所述光源系统包括光源和光源控制模块，所述光源通过光源控制模块与测控系统平台通信连接。

所述光源包括但不限于氙灯光源、led光源、激光光源和紫外低压汞灯光源等。

所述温控系统包括冷热台和冷热台控制模块，所述发光样品置于冷热台，所述冷热台通过冷热台控制模块与测控系统平台通信连接。

所述数据采集系统包括但不限于用于采集所述发光样品绝对亮度的暗场亮度计、用于采集所述发光样品相对亮度的光电倍增管和用于记录所述发光样品发射光谱的光纤光谱仪等中的至少一种。

所述暗场亮度计与测控系统平台通信连接，所述光电倍增管分别通过高压电源和微安表与测控系统平台通信连接，所述光纤光谱仪与测控系统平台通信连接，并且光纤光谱仪通过光纤采集发光样品的发光光谱。

所述测控系统平台包括人机界面，所述人机界面包括连接模块、复位模块、参数设置模块、数据采集模块、状态指示模块和急停模块；所述连接模块用于实现测控系统平台与硬件部分的通信；所述复位模块用于初始化设置硬件部分并对相关参数赋初值；所述参数设置模块用于预设文件名、保存路径和硬件部分的工作参数，所述硬件部分的工作参数可包括时间参数、温度参数和数据采集参数，扣除光纤光谱仪背景，并对所设积分时间是否合适加以判断；所述数据采集模块用于记录、处理、保存采集系统采集的测试数据；所述状态指示模块用于实时反馈测试系统的运行状态和跟踪测试进度；所述急停模块用于迅速结束正在运行的测试系统。

所述基于labview的多功能光学测试方法包括以下步骤：

1)光学测试系统开始；

2)硬件部分开机，运行测控系统平台，进入人机界面；

3)判断急停模块是否触发，若触发，则立即停止光学测试系统；若未触发，则执行步骤4)；

4)选择测试模式，运行连接模块连接硬件部分；

5)判断步骤4)中是否连接成功，若否，则返回步骤4)；若是，则执行步骤6)；

6)选择光源类型，按需选择硬件的启禁情况，运行复位模块进行复位；

7)判断步骤6)中是否复位成功，若否，则返回步骤6)；若是，则执行步骤8)；

8)弹框再次确认各硬件的启禁情况，弹框预设文件名、保存路径，根据参数设置模块的闪烁提示预设硬件工作参数，并点击设置完成按钮运行参数设置模块；

9)基于labview的测控系统平台向硬件部分发送相应指令，执行相应动作，并将测试数据实时传送至数据采集模块；

10)期间测试系统实时检测急停模块是否触发，若是，则停止光学测试系统；若否，则继续执行，直至数据采集结束。

11)根据测试模式进行数据处理并保存至指定路径，而后返回步骤6)。

在步骤11)中，所述数据处理包括但不限于基于暗场亮度计所采集的绝对发光强度(辉度，单位为cd/m²)对光电倍增管在同一时间区内所采集的相对发光强度(无量纲)进行最小二乘法线性拟合，并通过所获得的线性拟合系数外推至光电倍增管所采集的所有相对发光强度数据点，获得远低于暗场亮度计探测极限的绝对发光强度(辉度，单位为cd/m²)。

本发明的目的在于基于labview整合多个激发光源、多个光学探测器与温度控制器，开发出可实现长余辉衰减曲线、热释发光曲线、时间分辨磷光光谱、荧光热猝灭和荧光热稳定五种测试模式自动化控制的多功能光学测试系统；并基于该系统，通过暗场亮度计(可获得绝对发光亮度；但探测极限低、测试响应时间长)和光电倍增管(探测灵敏度极高、测试响应时间短；获得相对发光强度)的双探测器组合，为长余辉衰减曲线测试提供一种实现超高灵敏度的绝对发光亮度表征方法。

与现有技术相比，本发明至少具有下述的有益效果或优点：

本发明通过整合多个激发光源、多个光学探测器与温度控制器，并基于labview开发了可实现长余辉衰减曲线、热释发光曲线、时间分辨磷光光谱、荧光热猝灭和荧光热稳定五种测试模式的测控系统平台。与常规光谱仪相比，该系统在测试重复性、便捷性和功能拓展性上具有明显优势，可以高效地对多个功能模块进行协同控制，实现设备工作时序的程序化设定，有效降低了人为操作误差，提高了光学性能测试的效率和可靠性。该测试系统特别在长余辉衰减曲线的测试方法上具有重要创新，即基于暗场亮度计(可获得绝对发光亮度；但探测极限低、测试响应时间长)和光电倍增管(探测灵敏度极高、测试响应时间短；获得相对发光强度)的双探测器组合分别测定发光强度随时间的变化曲线，通过对光电倍增管采集的数据进行线性拟合，获得远低于暗场亮度计探测极限的具有绝对亮度单位的长余辉发光衰减曲线，弥补了现有长余辉发光衰减曲线测试中的不足。

附图说明

图1为本发明实施例中的多功能光学测试系统的结构框图。

图2为本发明实施例中的测试系统硬件连接图。在图2中，1-暗室；2-光源控制模块；3-光源；4-冷热台控制模块；5-冷热台；6-样品支架；7-样品；8-暗场亮度计；9-光电倍增管；10-高压电源；11-微安表；12-光纤光谱仪；13-光纤；14-电脑主机；15-显示屏。

图3为测控系统平台的控制流程图。

图4为长余辉测试模式中所述数据处理结果。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

图1为本发明实施例中的多功能光学测试系统的结构框图。该测试系统可实现长余辉、热释发光、恒温/变温磷光、热猝灭和热稳定五种模式的光学性能测试，由硬件部分与测控系统平台构成。

图2为本发明实施例中的硬件部分连接图。该硬件部分包括暗室1、光源控制模块2、光源3、冷热台控制模块4、冷热台5、样品支架6、样品7、暗场亮度计8、光电倍增管9、高压电源10、微安表11、光纤光谱仪12、光纤13、电脑主机14和显示屏15。上述部件分属光源系统、温控系统、数据采集系统和电脑主机四大系统。所述光源系统包括光源控制模块2和光源3，光源3通过光源控制模块2与电脑主机14连接，所述光源3包括但不限于氙灯光源、led光源、激光光源及紫外低压汞灯光源之一，其中，氙灯光源对应的光源控制模块2为基于单片机自主研发的氙灯控制盒；led光源和激光光源对应的光源控制模块2均为可编程直流电源；紫外低压汞灯对应的光源控制模块2为usb继电器。所述温控系统包括冷热台控制模块4和冷热台5，其中，待测发光样品7置于与冷热台5相连的样品支架6上，冷热台5通过冷热台控制模块4与电脑主机14通信连接。所述数据采集系统包括暗场亮度计8、光电倍增管(含光电倍增管9、高压电源10、微安表11)和光纤光谱仪(含光纤光谱仪12和光纤13)中的至少一种，其中，暗场亮度计8与电脑主机14通信连接，光电倍增管9分别通过控制其工作电压的高压电源10和采集电流信号的微安表11与电脑主机通信连接，光纤光谱仪12与电脑主机14通信连接，并且光纤光谱仪12通过光纤13采集发光样品7的发光光谱。

测控系统平台是基于labview平台开发的，通过rs232串口或usb接口实现对硬件部分的协同控制。其组成部分具体包括连接模块、复位模块、参数设置模块、数据采集模块、状态指示模块和急停模块，参见图1。连接模块用于实现测控系统平台与硬件部分的通讯，且在该模块运行前可对测试模式进行选择。连接模块的9个虚拟控件分别与硬件部分一一对应。因实际测试中不同测试模式对应不同的硬件组合，如长余辉模式无需冷热台，热释光模式无需暗场亮度计，而磷光、热猝灭和热稳定模式无需暗场亮度计和光电倍增管，故相应的硬件设备可不开机，相应的虚拟控件也被禁用、灰化。复位模块用于初始化设置所调用的硬件设备，归零相关的测试数据，且在该模块运行前可对激发光源和硬件设备的启禁情况进行选择。其中，激发光源部分的外置选项分别对应可编程直流电源、usb继电器控制的可选光源。参数设置模块用于预设文件名、保存路径和所调用硬件设备的工作参数，包括时间参数、温度参数和数据采集参数，扣除光纤光谱仪背景，并对所设积分时间是否合适加以判断。数据采集模块用于记录、处理、保存所调用采集系统对应的测试数据。所述状态指示模块用于实时反馈测试系统的运行状态、跟踪测试进度。所述急停模块用于迅速结束正在运行的测试系统。此外，为方便操作和避免误触，在测控系统平台运行过程中，对已完成相应动作的操作界面进行禁用、灰化处理，详见测控系统平台运行实施例。

图3为测控系统平台的控制流程图。首先开启硬件部分，运行测控系统平台，进入人机界面；判断急停模块是否触发，若触发，则立即停止光学测试系统；反之，则选择测试模式，点击连接按钮运行连接模块；连接所述硬件部分；若连接失败，则根据错误提示加以修正并退出程序重复上述步骤；反之，则选择光源类型，按需选择硬件的启禁情况，点击复位按钮运行复位模块；若复位失败，则根据错误提示加以修正并重新复位；反之，则弹框再次确认各硬件的启禁情况，弹框预设文件名、保存路径，根据所述参数设置模块的闪烁提示预设硬件工作参数，并点击设置完成按钮运行所述参数设置模块；随后点击开始按钮，运行数据采集模块，测控系统平台向所述硬件部分发送相应指令，执行相应工作，并将测试数据实时传送至所述数据采集模块；期间测试系统实时检测急停模块是否触发，若触发，则立即进行相应数据保存和设备归零，停止光学测试系统；反之，则继续执行，直至数据采集结束；根据所选测试模式进行必要的数据处理，随后保存相应数据和硬件工作参数，并返回至复位处等待该模式下的另一个测试。

以下给出具体实施例。

实施例1

此为长余辉发光性能测试的一个实施例。运行测控系统平台，选择长余辉测试模式(默认禁用冷热台)，运行连接模块。选择氙灯为激发光源，启用暗场亮度计、光电倍增管和光纤光谱仪，运行复位模块。弹框再次确认硬件启禁情况、预设文件名和保存路径、预设光电倍增管的工作电压及工作模式、扣除光纤光谱仪的背景，预设硬件工作参数后点击设置完成按钮运行参数设置模块。点击开始按钮运行测试系统：开启氙灯待其点亮激发样品，约12s；激发30s后关闭氙灯；稳定2s后，暗场亮度计、光电倍增管和光纤光谱仪同时开始采集长余辉发光数据，并实时传送至数据采集模块。其中暗场亮度计采集20min，而光电倍增管和光纤光谱仪采集60min。采集结束后处理数据，并自动保存测试数据和硬件工作参数，光电倍增管电压归零，返回至复位处等待该模式下的另一个测试。所述数据处理流程如下：基于暗场亮度计所采集的绝对发光强度(辉度，单位为cd/m²)对光电倍增管在同一时间区内所采集的相对发光强度(无量纲)进行最小二乘法线性拟合，并通过所获得的线性拟合系数外推至光电倍增管所采集的所有相对发光强度数据点，获得远低于暗场亮度计探测极限的绝对发光强度(辉度，单位为cd/m²)。对应的数据处理结果如图4所示。

实施例2

此为热释发光性能测试的一个实施例。运行测控系统平台，选择热释光测试模式(默认禁用暗场亮度计)，运行连接模块。选择氙灯为激发光源，启用冷热台、光电倍增管和光纤光谱仪，运行复位模块。弹框再次确认硬件启禁情况、预设文件名和保存路径、预设光电倍增管的工作电压及工作模式、扣除光纤光谱仪的背景，预设硬件工作参数后点击设置完成按钮运行参数设置模块。点击开始按钮运行测试系统：冷热台以50k/min的速率降至激发温度280k，并稳定18s；开启氙灯待其点亮激发样品，约12s；激发60s后关闭氙灯；冷热台以50k/min的速率降至采集始温200k，并待其稳定20s；冷热台以30k/min的速率开始升温，同时光电倍增管和光纤光谱仪开始采集热释发光数据，并实时传送至数据采集模块。待冷热台升至采集终温550k时，采集结束后处理数据，并自动保存测试数据和硬件工作参数，光电倍增管电压归零，冷热台回至室温，返回至复位处等待该模式下的另一个测试。

实施例3

此为恒温磷光性能测试的一个实施例。运行测控系统平台，选择磷光测试模式(默认禁用暗场亮度计和光电倍增管)，并进一步设定为恒温模式，运行连接模块。选择合适的外置激发光源，启用冷热台和光纤光谱仪，运行复位模块。弹框再次确认硬件启禁情况、预设文件名和保存路径、扣除光纤光谱仪的背景，预设硬件工作参数后点击设置完成按钮运行参数设置模块。点击开始按钮运行测试系统：冷热台以50k/min的速率降至采集始温200k，并待其稳定60s后开启外置光源激发样品；激发60s后关闭外置光源，同时光纤光谱仪开始持续采集磷光数据，并实时传送至数据采集模块。直至点击stop后方才结束采集。采集结束后处理数据，并自动保存测试数据和硬件工作参数，冷热台回至室温，返回至复位处等待该模式下的另一个测试。

实施例4

此为变温磷光性能测试的一个实施例。运行测控系统平台，选择磷光测试模式(默认禁用暗场亮度计和光电倍增管)，并进一步设定为变温模式，运行连接模块。选择合适的外置激发光源，启用冷热台和光纤光谱仪，运行复位模块。弹框再次确认硬件启禁情况、预设文件名和保存路径、扣除光纤光谱仪的背景，预设硬件工作参数后点击设置完成按钮运行参数设置模块。点击开始按钮运行测试系统：冷热台以50k/min的速率降至采集始温150k，并待其稳定60s后开启外置光源激发样品；激发60s后关闭外置光源，同时光纤光谱仪采集第一个变温磷光数据，并实时传送至数据采集模块。随后，冷热台又以50k/min的速率升至所设温度间隔50k对应的200k，并重复上述操作，采集第二个变温磷光数据。直至冷热台按数据采集模块的理论工作曲线完成所有动作方才结束采集。采集结束后处理数据，并自动保存测试数据和硬件工作参数，冷热台回至室温，返回至复位处等待该模式下的另一个测试。

实施例5

此为热猝灭性能测试的一个实施例。运行测控系统平台，选择热猝灭测试模式(默认禁用暗场亮度计和光电倍增管)，运行连接模块。选择合适的外置激发光源并将其设置为持续开启，启用冷热台和光纤光谱仪，运行复位模块。弹框再次确认硬件启禁情况、预设文件名和保存路径、扣除光纤光谱仪的背景，预设硬件工作参数后点击设置完成按钮运行参数设置模块。点击开始按钮运行测试系统：冷热台以50k/min的速率升至采集始温300k，并开启外置光源使其持续照射样品；稳定60s后，光纤光谱仪采集第一个热猝灭数据，并将实时数据传送至数据采集模块。随后，冷热台又以50k/min的速率升至所设温度间隔50k对应的350k，并重复上述操作，采集第二个热猝灭数据。直至冷热台按数据采集模块的理论工作曲线完成所有动作方才结束采集。采集结束后处理数据，并自动保存测试数据和硬件工作参数，冷热台回至室温，返回至复位处等待该模式下的另一个测试。

实施例6

此为热稳定性能测试的一个实施例。运行测控系统平台，选择热稳定测试模式(默认禁用暗场亮度计和光电倍增管)，运行连接模块。选择合适的外置激发光源并将其设置为间歇开启，启用冷热台和光纤光谱仪，运行复位模块。弹框再次确认硬件启禁情况、预设文件名和保存路径、扣除光纤光谱仪的背景，预设硬件工作参数后点击设置完成按钮运行参数设置模块。点击开始按钮运行测试系统：冷热台以50k/min的速率升至采集始温500k，同时开启外置光源激发样品，并待其稳定120s；待光纤光谱仪采集第一个热稳定数据后关闭外置光源，并将实时数据传送至数据采集模块。冷热台温度维持500k不变，10min后再次开启外置光源，重复上述操作，采集第二个热稳定数据。直至点击stop后方才结束采集。采集结束后处理数据，并自动保存测试数据和硬件工作参数，冷热台回至室温，返回至复位处等待该模式下的另一个测试。

本发明实现了长余辉衰减曲线、热释发光曲线、时间分辨磷光光谱、荧光热猝灭和荧光热稳定五种光学性能测试的自动化控制，尤其在长余辉衰减曲线的测试方法上具有重大创新，即采用双探测器、暗场亮度计和光电倍增管，分别测定绝对和相对发光强度，再通过数据拟合获得了远低于暗场亮度计探测极限的绝对发光亮度衰减曲线，弥补了现有长余辉发光衰减曲线测试的不足。