CN105067522A - 准实时光电倍增管扣背景装置及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了准实时光电倍增管扣背景装置，包括有光电倍增管，光电倍增管与双脉冲触发电路以及数据采集卡信号连接，双脉冲触发电路与激光器以及数据采集卡信号连接，激光器发出的激光照射样品池内的样品使样品发出荧光，光电倍增管接收荧光和背景光，转换为光电信号后输出至数据采集卡；激光器开启时，发出Q开关同步信号至双脉冲触发电路，使其发出双脉冲门控，第一个门控脉冲使光电倍增管工作接收荧光和背景光，同时，由数据采集卡工作采集叠加了背景光的荧光信号；第二个门控脉冲发出时，激光消失，光电倍增管工作接收背景光，同时，由数据采集卡工作采集背景光信号。其有效扣除背景光对荧光测量的影响，大大提高了测量的准确性。

Description

准实时光电倍增管扣背景装置及其实现方法

技术领域

本发明涉及信号测量技术领域，尤其指准实时光电倍增管扣背景装置及其实现方法。

背景技术

光电倍增管(PMT)是一种灵敏度极高的光电转换器件，且有较高的频率响应，常用来实现微弱光信号的探测，应用于光谱分析、遥感卫星测量、高能物理、医学影像诊断、环境监测、天文研究等领域。

光电倍增管具有10⁵~10⁸的电流增益，其阴极噪声对测量有较大影响，所以人们用常闭模式减少PMT的噪声，同时还可以减少PMT的前历效应。

实际检测中，由于背景光变化对信号光的影响，会给测量造成较大误差。因此，考虑设计一种具有扣背景功能的门控电路，利用该电路实现两次采样：一次采样信号光与背景光的叠加，一次仅仅采样背景光，再利用差分的方式扣除背景光对信号的影响，从而达到提高测量准确性的目的。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供结构简单，且能够有效提高测量准确性的准实时光电倍增管扣背景装置，其实现方法简单，测量准确性高，稳定性好。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

准实时光电倍增管扣背景装置，包括有光电倍增管，光电倍增管的管座与双脉冲触发电路以及数据采集卡，双脉冲触发电路与激光器以及数据采集卡信号连接，激光器发出的激光照射样品池内的样品使样品发出荧光，光电倍增管接收荧光和背景光，转换为光电信号后输出至数据采集卡；激光器开启时，发出Q开关同步信号至双脉冲触发电路，双脉冲触发电路发出双脉冲门控，第一个门控脉冲使光电倍增管工作接收荧光和背景光，同时，Q开关同步信号使脉冲电路的一路产生数据采集卡触发脉冲，使数据采集卡处于工作状态，采集光电倍增管转换的电信号；第二个门控脉冲发出时，激光器消失，光电倍增管启动工作只接收背景光信号，同时，数据采集卡仍处于工作状态，采集光电倍增管转换的电信号。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

上述的双脉冲触发电路接收Q开关同步信号后产生两路脉冲：

一路：Q开关同步信号经U11A、U11B后输出脉冲信号触发数据采集卡工作；

另一路：Q开关同步信号经U11C、U11D后与单稳态触发器U12A的第2引脚信号连接，单稳态触发器U12A的第13引脚与单稳态触发器U13A的第2引脚信号连接，单稳态触发器U12A的第4引脚与单稳态触发器U13B的第10引脚信号连接，单稳态触发器U13A的第13引脚和单稳态触发器U13B的第5引脚分别与U14A的第2引脚和第3引脚对应连接，U14A的第1引脚经U11E的第10引脚输出，输入到U15三态收发器的第2~9引脚后，从U15的第11~18引脚输出双脉冲脉冲信号，触发光电倍增管的开启与关闭。

上述的单稳态触发器的型号为74LS221。

上述的三态收发器的型号为74LS245。

准实时光电倍增管扣背景装置的实现方法，包括以下步骤：

步骤一：启动激光器，激光器发出Q开关同步信号触发双脉冲触发电路发出脉冲信号，双脉冲触发电路发出两路脉冲，一路触发数据采集卡工作，另一路触发光电倍增管工作；

步骤二：双脉冲触发电路发出第一个门控脉冲使光电倍增管在激光到来前打开，激光器出发激光照射样品池内的样品产生荧光，光电倍增管接收荧光和背景光，并转换为光电信号后输出至数据采集卡，同时双脉冲触发电路发出的第一个门控脉冲触发数据采集卡接收叠加了背景光的荧光信号；

步骤三：双脉冲触发电路发出第二个门控脉冲使光电倍增管工作，这时激光消失，光电倍增管接收背景光，并转换为光电信号后输出至数据采集卡，同时双脉冲触发电路发出的第二个门控脉冲触发数据采集卡接收背景光信号；

步骤四：将步骤二得到的叠加了背景光的荧光信号扣除步骤三中得到的背景光信号，得到荧光信号，完成测量。

与现有技术相比，本发明准实时光电倍增管扣背景装置利用双脉冲触发电路产生两个门控脉冲，第一个门控脉冲使光电倍增管接收荧光和背景光，转换为光电信号后由数据采集卡进行采集，第二个门控脉冲使光电倍增管接收背景光，转换为光电信号后由数据采集卡进行采集，数据采集卡根据第一次得到的叠加了背景光的荧光信号以及第二次得到的背景光信号，处理后得到扣除了背景光的荧光信号而完成测量；本发明能够有效去除背景光对荧光信号的影响，从而大大提高测量的准确性。

附图说明

图1是本发明的结构方框图；

图2是图1中的双脉冲触发电路图；

图3是单稳态触发器74LS221的功能图表；

图4是三态收发器74LS245的功能图表；

图5是光电倍增管门控脉冲时序图；

图6是光电倍增管扣背景装置的脉冲时序图；

图7是光电倍增管扣背景装置在不同天气情况下信号采集对比图；

图8是采用滤光片循环采集方法得到的归一化荧光强度图；

图9是采用本发明采集方法得到的归一化荧光强度图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明准实时光电倍增管扣背景装置，包括有光电倍增管，光电倍增管的管座与双脉冲触发电路以及数据采集卡信号连接，双脉冲触发电路与激光器以及数据采集卡信号连接，激光器发出的激光照射样品池内的样品使样品发出荧光，光电倍增管接收荧光和背景光，转换为光电信号后输出至数据采集卡；激光器开启时，发出Q开关同步信号至双脉冲触发电路，双脉冲触发电路发出双脉冲门控，第一个门控脉冲使光电倍增管工作接收荧光和背景光，同时，Q开关同步信号使脉冲电路的一路产生数据采集卡触发脉冲，使数据采集卡处于工作状态，采集光电倍增管转换的电信号；第二个门控脉冲发出时，激光器消失，光电倍增管启动工作只接收背景光信号，同时，数据采集卡仍处于工作状态，采集光电倍增管转换的电信号。

实施例中，双脉冲触发电路接收Q开关同步信号后产生两路脉冲：

一路(pulse1)：Q开关同步信号经U11A、U11B后输出脉冲信号触发数据采集卡工作；

另一路(pulse2)：Q开关同步信号经U11C、U11D后与单稳态触发器U12A的第2引脚信号连接，单稳态触发器U12A的第13引脚与单稳态触发器U13A的第2引脚信号连接，单稳态触发器U12A的第4引脚与单稳态触发器U13B的第10引脚信号连接，单稳态触发器U13A的第13引脚和单稳态触发器U13B的第5引脚分别与U14A的第2引脚和第3引脚对应连接，U14A的第1引脚经U11E的第10引脚输出，输入到U15三态收发器的第2~9引脚后，从U15的第11~18引脚输出双脉冲脉冲信号，触发光电倍增管的开启与关闭。

实施例中，单稳态触发器的型号为74LS221。

实施例中，三态收发器的型号为74LS245。

准实时光电倍增管扣背景装置的实现方法，包括以下步骤：

步骤一：启动激光器，激光器发出Q开关同步信号触发双脉冲触发电路发出脉冲信号，双脉冲触发电路发出两路脉冲，一路触发数据采集卡工作，另一路触发光电倍增管工作；

步骤二：双脉冲触发电路发出第一个门控脉冲使光电倍增管在激光到来前打开，激光器出发激光照射样品池内的样品产生荧光，光电倍增管接收荧光和背景光，并转换为光电信号后输出至数据采集卡，同时双脉冲触发电路发出的第一个门控脉冲触发数据采集卡接收叠加了背景光的荧光信号；

步骤三：双脉冲触发电路发出第二个门控脉冲使光电倍增管工作，这时激光消失，光电倍增管接收背景光，并转换为光电信号后输出至数据采集卡，同时双脉冲触发电路发出的第二个门控脉冲触发数据采集卡接收背景光信号；

步骤四：将步骤二得到的叠加了背景光的荧光信号扣除步骤三中得到的背景光信号，得到荧光信号，完成测量。

光电倍增管扣背景装置的脉冲时序图如图6所示。

为避免杂散光与日光对微弱荧光检测的干扰，选择带门控的光电倍增管，通常光电倍增管处于常闭状态，需接收信号时通过正脉冲将光电倍增管打开，接收荧光信号。对于同样幅度的光脉冲输入，无门控信号时，光电倍增管输出只是有门控信号时的1/1000，对提高信噪比和防止光电倍增管长期受强光照射引起的疲劳受损和拖尾起到很好的作用。当脉冲宽度小于2.8us时，光电倍增管输出是一定的。双脉冲触发电路为光电倍增管提供脉冲信号，使处于常闭状态的光电倍增管在脉冲信号的上升沿到来时打开，接收荧光信号。

双脉冲触发电路中采用单稳态触发器，单稳态触发器只有一个稳定的状态0或者是1。单稳态触发器的工作特点是：(1)在没有受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器保持在稳态；(2)在受到外界触发脉冲作用的情况下，单稳态触发器翻转，进入“暂稳态”。设稳态为0，则暂稳态为1；(3)经过一段时间，单稳态触发器从暂稳态返回稳态。单稳态触发器在暂稳态停留的时间仅仅取决于电路本身的参数。

本双脉冲触发电路中所采用的单稳态触发器74LS221，是集成不可重触发功能的单稳态触发器，在暂稳态期间不受触发脉冲频率的影响。假设单稳态触发器的输出脉冲宽度为T秒，两个相隔τ秒的触发脉冲先后到达，τ<T，那么，它在第一个触发脉冲的作用下进入暂稳态，这个暂稳态还没有结束，第二个触发脉冲就到达了。对于可重触发的单稳态触发器来说，电路将被重新触发，输出脉冲的宽度等于τ+T秒；对于不可重触发的单稳态触发器来说，电路将不被重新触发，输出脉冲的宽度等于T秒。此时输出脉冲的宽度TW取决于触发器外接的电阻值和电容值：

TW=n2*Rext*Cext≈0.7Rext*Cext。

其中:TW单位ns,Rext单位KΩ，Cext单位pF。通过选择合适的时间元件，输出脉冲宽度从35ns～70s范围内可调。如Rext＝2KΩ，Cext=0时，典型输出脉宽是30ns。脉冲宽度的稳定性受电源和温度影响小，但受外接时间元件的精度的影响大。对输出脉冲宽度和输入脉冲宽度占空比过大或过小，应尽量加大Rext的值以减少脉冲抖动。如图3所示，设计中选用输入输出逻辑为CLEAR=1,A=0,B上升沿触发，输出正脉冲信号。B的上升沿由激光器Q开关同步输出脉冲（有±500ns延时）提供，确保满足激光发出和光电倍增管荧光接收之间的时序要求。

由于双脉冲触发电路对脉冲的幅度，上升沿和驱动能力要求较高,脉冲输出级加了一片三态收发器74LS245,它是增强型的三态收发器，其为低功耗，高抗干扰能力的COMS集成电路,可以同时驱动15个LSTTL负载。本电路中利用它将单稳态触发器输出的脉冲信号进行整形，增强其高电平幅度近似为满幅加到PMT门控电路中，才能驱动门控电路的开关转换。它的输入输出逻辑表图4所示，双脉冲触发电路如图2所示。

其中，电路2-1，利用Q脉冲产生pulse1,即数据采集卡的触发脉冲；电路2-2，利用Q脉冲分别产生Q1，Q2两个脉冲；Q1，Q2输入到电路2-3，最终产生pulse2，即光电倍增管的门控脉冲；pulse2输入到电路2-4，是为了增强脉冲的驱动能力，提高脉冲对光电倍增管的触发能力，最后输出的pulse2out是实际的光电倍增管门控脉冲信号。

即所述的双脉冲触发电路输出门控脉冲的过程为：Q开关同步信号经U11A、U11B输出数据采集卡的触发脉冲pulse1；同时，Q开关同步信号经单稳态触发器U12A输出Q1脉冲和Q2脉冲，Q1脉冲输入单稳态触发器U13A，Q2脉冲输入单稳态触发器U13B，Q1脉冲和Q2脉冲分别对应输入单稳态触发器U13A和单稳态触发器U13B后产生pulse2，pulse2经三态收发器增强后输出光电倍增管门控脉冲。

Q开关同步输出作为触发脉冲使第一级单稳态触发器产生两个反相的脉冲信号，分别加到第二级的单稳态触发器上产生两个μs级脉冲，加或门电路输出双脉冲。两脉冲的间隔和脉冲宽度都可调，脉冲电路输出脉冲时序如图5所示。

利用本光电倍增管扣背景装置在不同天气情况下对信号进行采集，采集结果图7所示。由图7可见，在每一次数据采集中都能采到两个光强信号。第一个门控脉冲采到有激光打到水面时水面的后向散射光(包括荧光和背景光)，第二个门控脉冲到来时采到无激光打到水面时，水面的后向散射光(背景光)。图7-a由于是阴天，背景光信号很小。图7-b为晴天时，接收正对阳光，背景光信号很强。同次采集的两个光强数据间隔为微秒量级，间隔时间极短，背景光变化很小，可将第二个门控脉冲时采到的背景光近似等同于发激光时刻(第一个门控脉冲时)的背景光。从而减少了以往在一个测量循环后，再测量背景光带来的较大误差。

下面采用传统滤光片循环采集方法和本发明对相同的待测水体进行，对比两者经数字信号处理后得到两个不同的归一化荧光强度图。从图8、图9中可以看出，同一测量对象多次激发采集得到的归一化荧光强度，滤光片循环采集的数据离散性较大，而本发明扣除背景后得到的归一化荧光强度重复性较好。分析所得测量数据，滤光片循环采集得到测量数据的平均相对误差为7.97%，最大相对误差±25%。而本发明得到测量数据的平均相对误差0.97%，最大相对误差小于1.5%，本发明大大提高了精确度。

根据光电倍增管的噪声特性和滞后特性可知，长时间受强光照射光电倍增管容易疲劳，不仅噪声大，还会因注入了强光后一段时间内不能恢复造成拖尾现象，再经放大后影响光电倍增管对弱荧光信号的准确探测。本发明利用双脉冲触发电路有效实现了背景光的扣除，去除了背景光对荧光测量的影响，还有效地抑制光电倍增管的噪声及减少光电倍增管的滞后特性。

本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims (5)

1.准实时光电倍增管扣背景装置，包括有光电倍增管，其特征是：所述的光电倍增管的管座与双脉冲触发电路以及数据采集卡信号连接，所述的双脉冲触发电路与激光器以及数据采集卡信号连接，所述的激光器发出的激光照射样品池内的样品使样品发出荧光，所述的光电倍增管接收荧光和背景光，转换为光电信号后输出至数据采集卡；所述的激光器开启时，发出Q开关同步信号至双脉冲触发电路，双脉冲触发电路发出双脉冲门控，第一个门控脉冲使光电倍增管工作接收荧光和背景光，同时，Q开关同步信号使脉冲电路的一路产生数据采集卡触发脉冲，使数据采集卡处于工作状态，采集光电倍增管转换的电信号；第二个门控脉冲发出时，激光器消失，光电倍增管启动工作只接收背景光信号，同时，数据采集卡仍处于工作状态，采集光电倍增管转换的电信号。

2.根据权利要求1所述的准实时光电倍增管扣背景装置，其特征是：所述的双脉冲触发电路接收Q开关同步信号后产生两路脉冲：

一路：Q开关同步信号经U11A、U11B后输出脉冲信号触发数据采集卡工作；

另一路：Q开关同步信号经U11C、U11D后与单稳态触发器U12A的第2引脚信号连接，单稳态触发器U12A的第13引脚与单稳态触发器U13A的第2引脚信号连接，单稳态触发器U12A的第4引脚与单稳态触发器U13B的第10引脚信号连接，单稳态触发器U13A的第13引脚和单稳态触发器U13B的第5引脚分别与U14A的第2引脚和第3引脚对应连接，U14A的第1引脚经U11E的第10引脚输出，输入到U15三态收发器的第2~9引脚后，从U15的第11~18引脚输出双脉冲脉冲信号，触发光电倍增管的开启与关闭。

3.根据权利要求2所述的准实时光电倍增管扣背景装置，其特征是：所述的单稳态触发器的型号为74LS221。

4.根据权利要求3所述的准实时光电倍增管扣背景装置，其特征是：所述的三态收发器的型号为74LS245。

5.根据权利要求1所述的准实时光电倍增管扣背景装置的实现方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：启动激光器，激光器发出Q开关同步信号触发双脉冲触发电路发出脉冲信号，所述的双脉冲触发电路发出两路脉冲，一路触发数据采集卡工作，另一路触发光电倍增管工作；

步骤二：双脉冲触发电路发出第一个门控脉冲使光电倍增管在激光到来前打开，激光器出发激光照射样品池内的样品产生荧光，光电倍增管接收荧光和背景光，并转换为光电信号后输出至数据采集卡，同时双脉冲触发电路发出的第一个门控脉冲触发数据采集卡接收叠加了背景光的荧光信号；

步骤三：双脉冲触发电路发出第二个门控脉冲使光电倍增管工作，这时激光消失，光电倍增管接收背景光，并转换为光电信号后输出至数据采集卡，同时双脉冲触发电路发出的第二个门控脉冲触发数据采集卡接收背景光信号；

步骤四：将步骤二得到的叠加了背景光的荧光信号扣除步骤三中得到的背景光信号，得到荧光信号，完成测量。