论文总字数：23611字

摘 要

拉曼光谱检测技术已广泛运用于生物医学检测，药品检测等领域，但是拉曼散射光极其微弱，比激发光小约6到7个数量级，对拉曼散射光谱进行精确测量依然是一个难点而且已有拉曼光谱仪普遍价格昂贵。对此，本课题拟提出一种基于DMD（数字微镜器件）和PMT（光电倍增管）的拉曼光谱检测方案，实现对拉曼光谱的精确测量同时降低拉曼光谱仪成本。

本文首先对使用DMD器件实现拉曼光谱单点检测的原理进行介绍和分析；其次对PMT高压供电电路、PMT输出电流信号处理及ADC采集电路进行了设计，利用立创EDA软件绘制了电路原理图和PCB，打样制作实验电路，完成电路测试分析；然后完成了单片机对ADC采集的数据进行处理并发送到上位机的程序编写。

测试结果表明本文设计的检测方案能够达到对拉曼光谱进行精确测量的要求。最后提出了设计中的不足之处以及改进方案。论文结尾处附有相关电路原理图、PCB以及单片机软件程序。

关键词：DMD PMT测量 单点检测 拉曼光谱仪

Study on single point detection technology of Raman spectrometer

Abstract

Raman spectrum detection technology has been widely used in biomedical detection, drug detection, and other fields, but the Raman scattering light is extremely weak, which is about 6 to 7 orders of magnitude smaller than the stimulated emission, so it is still a difficulty to accurately measure the Raman scattering spectrum. In this paper, a scheme of Raman spectrum detection based on DMD (Digital Micromirror Device) and PMT (Photomultiplier Tube) is proposed to realize the accurate measurement of Raman spectrum.

Firstly, this paper introduces and analyzes the principle of using DMD to realize the single point detection of Raman spectrum; secondly, it designs the PMT high voltage power supply circuit, PMT output current signal processing and ADC acquisition circuit, draws the circuit schematic diagram and PCB by using the Lica EDA software, makes the experimental circuit by proofing and completes the circuit test and analysis; the single-chip microcomputer then completes the data acquisition and processing of the ADC and sends the program to the host computer.

The test results show that the detection scheme designed in this document can meet the requirements to accurately measure Raman spectroscopy. Finally, the deficiencies of the design and improvement schemes are proposed. Finally, the relevant circuit diagrams, PCB and SCM software programs are attached.

Keywords: DMD; PMT Measurement; Single Point Detection; Raman Spectrometer

目录

摘 要 I

Abstract II

第一章 引言 1

1.1 选题背景及研究意义 1

1.2 拉曼光谱仪国内外发展现状 2

1.2.1 国外发展现状 2

1.2.2 国内发展现状 3

1.3 本文主要工作 4

第二章 基于DMD的拉曼光谱单点检测原理 5

2.1 拉曼光谱检测原理 5

2.2 数字微镜阵列（DMD） 6

2.3 光电探测器 7

2.4 拉曼光谱单点检测技术 9

2.5 本章小结 10

第三章 PMT检测系统软硬件设计 11

3.1 总体设计 11

3.2 PMT驱动电路设计 11

3.2.1 PMT高压发生电路设计 11

3.2.2 PMT分压电路设计 13

3.2 PMT信号检测电路设计 14

3.2.1 前置放大电路设计 14

3.2.2 滤波电路设计 16

3.2.3 ADC采集电路设计 18

3.3 印刷电路板设计 19

3.4软件设计 20

3.4.1 ADS1255驱动程序 20

3.4.2 MCU程序设计 21

3.5 本章小结 22

第四章 系统测试与分析 23

4.1 系统硬件模拟性能测试 23

4.1.1 PMT高压发生电路测试 23

4.1.2 I-V转换电路及滤波电路测试 24

4.2 ADC数据采集测试 26

4.3 误差与干扰分析 28

4.4 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

参考文献 31

致谢 33

附录1 硬件电路 34

附录2 测试程序 35

引言

1.1 选题背景及研究意义

拉曼光谱最早是由印度科学家拉曼在1928年发现的。一定频率的光与物质作用，除了与原频率相同的瑞利散射光外，还会在该频率两侧出现其他频率的散射光，称为拉曼散射光谱^[1]，由于拉曼散射光频率与入射光频率之差（即拉曼位移）反映了分子振动和转动能级的情况，且与激发光频率无关，拉曼效应可用于鉴别物质^[2]。一定条件或状态下不同的物质分子拥有独一无二的分子结构，正是这一特性使得拉曼光谱可成为物质鉴定的“指纹”，此外，拉曼信号强度正比于分子振动与转动强度，所以也可以作定量分析^[3]。

虽然拉曼光谱检测技术有诸多优势，如无损伤的定性定量分析，无需样品准备，可用水溶液检测等，但由于拉曼散射光本身十分微弱，观测研究十分困难，故在早期拉曼光谱检测技术并未得到发展^[4]。自上世纪60年代以后，高性能激光器以及更加灵敏的光电检测器的出现，使拉曼光谱检测技术进入了一个全新的时期。近年来探测技术的改进和对被测样品要求的降低，拉曼光谱检测技术在物理，化学、医药、工业等各个领域都得到了广泛应用，越来越受到研究者的重视^[5]。

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