原子吸收光谱仪测控系统设计及usb设备开发

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1、吉林大学硕士学位论文 目 录 分 类 号 TH744.12+5, TP334.4 单 位 代码 10183 密 级 内 部 研究生学号 4990069 吉 林 大 学 硕 士 学 位 论 文 原子吸收光谱仪测控系统设计及 USB 设备开发 Measurement 如果是二次拟合公式如下：A=a*C2 +b*C+c 或者 A=a*C2+b*C; 其中 a、b、c 是常数。A：吸光度；C：样品浓度。当知道吸光度值后就可以反求出样品中的待测元素浓度值。 2.2 各部分的实现及作用 本章主要从简易型和综合型两种仪器来讨论各个部分的实现及作用。 2.2.1 特征光源 特征光源提供待测元素的特征辐射光谱，

2、目前普遍使用的是空心阴极灯，空心阴极灯是一种辐射强度大和稳定度高的锐线光源，其放电机制是一种特殊的低压辉光放电。简易型采用的是手动调节灯位，并只有一个灯，综合型采用自动调节灯位的机制，一个工作灯，其余的灯可以工作在预热方式。 2.2.2 原子化系统 原子化系统将样品中的待测元素转化为自由原子，它直接影响分析的灵敏读和结果的重现性，两种仪器都采用火焰原子化系统，它包括雾化器、雾化室和燃烧器三部分，其任务是产生大量的自由原子，并能保持原子化期间基态原子浓度恒定。 2.2.3 分光系统 分光系统将待测元素的共振线分出，分光系统又称为单色器，主要有入射狭缝、准直光镜、光栅、成像物镜和出口狭逢组成。它是

3、仪器中最精密的部件。 2.2.4 检测与放大 检测系统将光信号转化为电信号，一般采用光电倍增管，它其实是一个极高增益和高信噪比的放大器。但是光电倍增管输出的信号还是比较弱，需要在其输出后再进行放大。 2.2.5 传动机构 在控制特征光源、原子化系统及分光系统中都要用到步进电机，实现仪器的自动化控制。 2.2.6 输入设备 在简易型原子吸收光谱仪中输入采用 PC/XT 标准键盘，它是一种非编码键盘，按键采用电容开关，由内部的单片机执行键盘扫描程序，通过一根螺旋形 5 芯电缆与主机相连，当键按下时，单片机向键盘接口输送与按键位置相对应的接通扫描码，吉林大学硕士学位论文 目 录 当键松开时，产生断开

4、扫描码。相应的键盘扫描码通过数据线 DATA 并在时钟线Clock 的时钟定时下，以串行方式送入键盘接口。在综合型原子吸收光谱仪中，仪器本身没有输入设备，主要由计算机完成这部分的工作。 2.2.7 输出设备 在简易型原子吸收光谱仪中输出采用数码管显示当前的工作状态和数据，用微型打印机来输出文档。在综合型原子吸收光谱仪中，仪器本身没有输出设备，主要由计算机完成这部分的工作，也包括显示器和打印机等设备。 2.2.8 测控系统 在现代科学仪器中，CPU 已经是仪器中最不可或缺的一部分，附属外围器件，它完成最复杂的采集、存储、通讯、控制等工作。在简易型原子吸收光谱仪中采用单片机作为核心控制单元。在综合

5、型原子吸收光谱仪中，采用计算机最为核心控制单元。测控系统是仪器能否符合高检测标准，是否具有先进性，是否符合用户需要的重要机构。其框图如下： 图 2- 2 原子吸收光谱仪测控系统的基本原理框图 2.3 原子吸收光谱仪噪声抑制机理及信号测量方式 原子吸收光谱仪是一种高精度的弱信号检测仪器，分析中干扰主要有：物理干扰、光谱干扰、电离干扰、化学干扰以及背景吸收干扰等。有一些干扰可以通过化学、物理的手段消除或抑制到尽量小的程度，有一些干扰主要靠软、硬件的手段去消除。 2 . 3 . 1 硬件措施 在检测中，强烈的背景辐射（周围环境的各种光源辐射，物体自身的辐射等）不可避免地进入测试系统，这些辐射光经光电

6、转换后即成为直流背景信号，其强度有时比有用信号大几个数量级，采用直流放大是难以完成上述检测任务。为了减小噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信噪比，但是一般记数/AD 模块 微处理器 通讯模块 输入模块 输出模块 D/A 模块控制 灯电流及负高压 光栅、狭缝、气路等 步进电机控制模块 待测信号 吉林大学硕士学位论文 目 录 滤波器的中心频率不稳定，带宽与中心频率以及 Q 值有关等原因，使它不能满足更高的滤除噪声的要求。如果信号旧有相关性，而噪声无相关性，则可利用相关检测技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，即可把与信号频率相同，但相位不同的噪声也大量排除，使仪器的信噪比、滤

7、波器的 Q 值提高几个数量级6- 8。关于相关检测将在下一章详细介绍。信号通过相关检测后，被送到取样积分电路，积分电路采用 V/F 转换电路或 A/D 采样累加方式，硬件上的积分进一步提高了系统的抑制噪声的能力9。这将在下一章详细介绍。 2 . 3 . 2 软件措施 在软件上采用信号累加的手段是提高信噪比的主要检测手段之一10。假设有用信号? ?tfs与噪声信号? ?tN，则： ? ?tNtftfs? 如果以kt为起点，每隔T的时间对某一特定点取一次样，则第i次的样品应为： ?TitNTitfiTtfkksk11? 对于周期信号而言，可以认为 ? ?kskstfiTtf? 则 ? ? ?nik

8、ksniksTitNtnfTitf1111 而： ? ? ?nikkkkTntNTtNtNTitN122211? 设每次取样噪声电平的有效平均值为? ?ktN 则： ? ? ?nikktNnTitN11 因此，经过累加后的信噪比为： 吉林大学硕士学位论文 目 录 ? ? ?入出? NSntNntnf NSks经过 n 次累加后信噪比改善为： ? ?n NSNS ?入出可见，经过 n 次取样后，取得了n倍的信噪比改善。因此，在仪器中，一般n 都在数百次以上。 2.4 小结 本章首先介绍了所要设计的原子吸收光谱仪的组成，它的检测原理，给出了系统的框图，并说各部分的作用。并介绍了所要设计的测控系统的

9、原理框图，在此基础上，介绍了原子吸收光谱仪的干扰来源及所采用的软、硬件抑制噪声的方法。 第三章 原子吸收光谱仪测控系统设计及关键技术 本章在给出原子吸收光谱仪测控系统基本框图的基础上，详细叙述了各部分采用的关键技术及原理，论述了各个部分在两种不同型号仪器中的应用。如图 3- 1 所示，测控系统电路的组成框图，文中说明了设计出发点。同时，给出了 USB作为一种新兴总线在分析仪器中应用的研究。 记数/AD 模块 微处理器通讯模块 输入模块输出模块D/A 模块控制 灯电流及负高压 光栅、狭缝、气路等 步进电机控制模块 待测信号 吉林大学硕士学位论文 目 录 图 3- 1 测控系统电路的组成框图 3.

10、1 相敏检波技术 在光学检测中，强烈的背景辐射（周围环境的各种光源辐射，物体自身的辐射等）不可避免地进入测试系统，这些辐射光经光电转换后即成为直流背景信号，其强度有时比有用信号大几个数量级，采用直流放大是难以完成上述检测任务的。为了减小噪声对有用信号的影响，常用窄带滤波器滤除带外噪声，以提高信噪比，但是一般滤波器的中心频率不稳定，带宽与中心频率以及 Q 值有关等原因，使它不能满足更高的滤除噪声的要求。如果信号旧有相关性，而噪声无相关性，则可利用相关检测技术，把相位不同于信号的噪声部分排除，即可把与信号频率相同，但相位不同的噪声也大量排除，使仪器的信噪比、滤波器的 Q 值提高几个数量级。相敏检波

11、技术在原子吸收光谱仪中应用的非常广泛6- 11。 3.1.1 相关检测的基本概念 在检测系统中为研究两信号在时延中的相关性，它们的相关函数定义为 ?dttytxRxy)(*)()(? （1） ?dttxtyRyx)(*)()(? （2） 相关函数是两信号之间时延为的函数。若 x(t)与 y(t)不是同一信号，则它们的相关函数 Rxy() 或 Ryx()称为互相关函数，否则称为自相关函数。自相关函数的表达式为： ?dttxtxdttxtxRRxx)()(*)(*)()()(? （3） 相关检测技术是应用周期性和噪声随机性的特点，通过自相关或互相关运算，达到去除噪声的一种技术。自相关函数用来度量一

12、个随机过程前后的相关性，互相关函数是度量两个随机过程间的相关性， 如果两个随机过程的发生相互独立（如信号与随机噪声） ，则互相关函数是一个常数，若其中一个平均值为零，则互相关函数处处为零。 自相关检测的原理图及结果 延迟 t fi(t)=Si(t)+ni(t) 相乘器 积分器 Rii(t) fi(t- t) 吉林大学硕士学位论文 目 录 图 3- 2 自相关检测的原理图 )()()()()()()()(21lim)(?nnssnnsnnsssiiTRRRRRRdttftfTR?(4) 互相关检测的原理图及结果 图 3- 3 互相关检测的原理图 )()()()()(21lim)(?ssnsssi

13、iTRRRdttftfTR?(5) 互相关只有信号与本地信号的相关输出，去掉了噪声项，从提高信噪比的观点看，互相关检测比自相关检测更为有效。 3.1.2 相敏检波的原理 在讨论相关函数和相关检测中，都包含有两函数相乘的问题，一般采用相敏检波器或混频器来实现。 图 3- 4 相敏检波的原理图 ) tfsin(2EV11ii?(6) 实际中参考信号 VR 采用为 1：1 方波时，VR的傅氏级数为： )12sin(1214 R20VtWnnn?(7) n 为 0,1,2,f2 为方波的基波频率。 R12 (t) fi(t)=Si(t)+ni(t) 相乘器 积分器 延迟 t f2(t)=Si(t) 乘

14、法器Vi VR Vo Vout 吉林大学硕士学位论文 目 录 Vo=Vi*VR=)12(2cos) 12(21021?nitfnfnE? -)12(2cos) 12(201211?ntfnfnE? (8) 相敏检波是对输入信号和参考信号完成乘法运算，从而得到输入信号与参考信号的和频和差频信号。当两信号同步时，差频分量为相敏直流输入，低通滤波器的作用是滤除和频成份，输出仅剩下直流项。由于输出的频率和幅度为定值，它仅与相位差有关，即有相敏的含义。这时的等效噪声带宽很窄，从而可以提取深埋在噪声中的微弱信号。若不接电容 C 则输出的信号波形不平滑。 在实际电路中采用单片 27256 设计一个可编程同步互相关信号发生器，它的输出包括脉冲电灯信号、同步控制信号、同步采集信号等。由于信号是由同一个源产生的，即使信号在传输中带来延时，对于相敏检波器而言也是同步的，这点在相敏检波中非常重要。在设计中采用了一种单板软件技术，即软件脱离 CPU 的干