1 引 言
多通道直读光谱仪工作原理如图1所示。待测物样品在等离子炬中燃烧,激发出该样品所含各种元素的谱线。通过入射狭缝射入凹面光栅,被色散成为各独立谱线,分别通过各自的出射狭缝照射到对应的光电倍增管上,转换为与谱线强度成正比的光电流信号。再经过电容充电积分变为电压信号,A/D转换后变为相应数字量存入计算机中。由于谱线强度与元素含量存在有确定的线性关系,由此测出各种元素的含量。
由图1可知,谱线必须精确对准出射狭缝中心,凹面光栅才能测得其强度峰位即最大值。光谱仪在出厂时经入射狭缝光源把各出射狭缝准确地安装在其应有的工作位置上。可是在实际工作时由于外部环境多种因素的影响,色散谱线的位置依然可能变化,即谱线相对于已经装好的出射狭缝产生位移。这种位移对分析结果将产生较大影响。如果谱线位移量较小,至少将使部分光不能通过出射狭缝,使测得谱线强度下降,峰位不能出现。如果谱线位移量较大,则可能使谱线放大强度消失,或者使分析谱线附近其它元素谱线(干扰谱线)通过出射狭缝,造成测得干扰谱线的错误结果。实践表明,谱线的这种位移是经常出现的。因此,在每次实际测量样品之前都必须要校正这种位移,寻找被测值的峰位。
现代直读光谱仪都设有精密校正机构,供用户校正可能出现的谱线位移。常用的谱线位移校正机构的工作原理:①直接或间接地改变入射狭缝的位置;②沿光谱成象面调整出射狭缝位置;③转动色散元件。一般通过操作者旋转鼓轮带动上述部件随动来调节谱线的位置。
2 动态校正方式的提出
由于引起谱线位移的原因很多。虽然在样品测试前已进行校正,但在测样过程中依然可能发生新的位移,特别是在样品较多,测试时间较长的情况下。一般这种位移量较小,单从样品强度上难以识别。但其引起谱线强度的下降,可使测试标准发生变化,给检测结果带来附加的误差。因此,为了提高测量的准确性,我们需要能够在样品测试过程中对谱线位移情况进行跟踪,并能够适时地将其调整至正确的位置。即需要动态地对谱线位置进行监测与校正,以克服可能发生的位移。这样的动态系统应该具有智能化调控功能,能够在样品测试过程中监视谱线位移情况,自动或定时选择启动校正的时机;能识别出已经发生的位移,并自动准确地将其消除;调节速度应快,以减少对正常测试工作的影响。
3 动态校正系统的设计
3.1 动态校正方式的原理
对于一个较长的测试时间段而言,我们很难确定在何时发生谱线位移,但一般情况下在较短的时间内谱线位置变化很小,这种微小的变化并不能引起强度下降,这是由于狭缝宽度决定的,对于这种微小位移,我们认为是允许的位移范围。如果在此范围内将谱线又调回至初始位置,那么相对于强度等于没发生位移。因此,若将一个较长的时间分成若干较短的时间段,分别对每段进行监测,并统一以初始标准进行校正,则可保证全部测试时间内谱线位置的正确,其原理如图2所示。假设全部测试时间只测试一个样品的固定谱线,在没发生位移的情况下,谱线位置与强度应为一固定值,在时间与谱线强度及位置坐标上分别表现为两条平行t轴的直线。
但在谱线位移发生时,谱线则向上或下倾斜,产生位移Δh。由图2(a)可知,当位移量Δh <Δhmax时,强度并未降低;当位移量Δh >Δhmax时,强度开始降低,此时的位移就超出允许范围。分段校正是在谱线位移量Δh≤Δhmax时,将其拉回至A1,A2…,从而将Δh予以消除,这样虽然谱线发生过微小的波动Δh,但其强度没有发生任何变化,依然为原来的直线,等于实现谱线全程零位移,原理如图2(b)所示。
3.2 系统硬件设计
本设计采用间接调整入射狭缝的方式,其硬件框图如图3所示。在入射狭缝后面折射板的测微器旋转轴上接入高精度步进电机,计算机通过步进电机控制器控制其旋转方向及角度,通过红外线定位器确定其初始位置;通过通道译码、A/D转换、积分控制等控制部件与光谱仪相联。
步进电机通过带动折射平板偏转,改变入射光角度来间接改变入射狭逢的位置。步进电机带动侧微器螺杆前后旋转,通过转向机构带动折射板沿纵轴向两侧偏转。若折射平板偏转角度为α,使入射光通过折射平板后相对于原方向产生了Δh大小的横向位移,因色散谱线是入射狭逢的共扼象,则谱线也将产生相应的横向偏转Δh′。可见,如果步进电机能足够精确地使折射板偏转适当角度,使色散谱线返回至恰当位置,就能确保谱线从出射狭缝中毫无遮挡地射出。
计算机还通过步进电机Ⅱ控制汞灯光源的复位与置位,通过隔离开关控制其通断。
3.3 系统软件流程
在步进电机通过带动折射平板转动过程中,只有在一个最佳位置能使谱线全部通过出射狭缝。当谱线离开该位置沿纵轴左右两个方向旋转时,通过的光强度均开始减小,随偏离角度的增大而愈来愈小,于是形成谱线强度曲线见图4(a)。但由于狭缝具有一定宽度,因此实际峰值并非如图4(a)那样陡,而是在顶部出现一小段“平坦”区域,见图4(b)。
系统的软件是根据该谱线强度曲线所设计的。其分段校正操作由中断程序执行,分段时间th由谱线强度曲线顶部平坦部分宽度决定,该平坦性表明强度存在着若干个最大值。若在时间th内谱线所产生的位移Δh使强度依然未超出“平坦”区域,则th作为分段长度是合理的。其最大值thmax可根据上述原理由实验确定。
原则上可用任何一个通道进行校正,但我们希望用以校正的谱线强度大而稳定,而且附近没有其它谱线干扰,汞具备这样的特性。所以除非在专门对某一谱线的出射狭缝进行调整的情况下,一般利用汞灯发光谱线来校正。校正程序分为自动与手动,在手动的情况应由人通过按键进行干预,通过人机对话选择用来校正的通道;而在自动情况下默认通道就是汞。
动态校正是在初始校正基础上分段执行的微调,初始校正软件流程如图5所示。步进电机在计算机的控制下,严格沿采样曲线运动并寻找峰位。初始时计算机使步进电机复位、熄灭汞灯并使其偏离垂直入射狭逢的固定位置。在启动校正程序后,计算机先接通汞灯电源,使其由复位位置旋转90°对准入射狭缝,然后步进马达开始按顺时针旋转,进行A/D转换及读入转换值,同时开始记录总步数。
每次采样均为多次,经数字滤波后留存。以存入的标准强度值为参考,通过数值比较及确定强度峰值子程序,来确定强度最大值及所对应步进电机的运行步数。一般有若干最大值存在,即强度峰顶处于“平坦”的情况,则确定处于中间位置的最大值所对应的步数。这样,计算机就探明峰值位置。为了克服机械空回,步进马达开始逆时针旋转至最大值起始处,再顺时针行至最大值个数一半的位置。这样就精确地找到使出射谱线强度达到最大值的位置,一般情况下步进电机应走过完整采样曲线才能确定折射平板的位置,但由于步进电机没有积累误差,所 以除非在较大震动等原因引起谱线较大位移,需要全程采样重新定位的情况以外。初始校正所确定的位置可以作为以后定位的参考。本程序将所有通道初始校正时步进电机的步数作为标准留存。因其实际位置距此处甚微,故在该位置附近所找到的最大值就是曲线的最大值,一般无须采样全部曲线即可确定入射狭缝最佳位置。
动态校正程序由中断服务程序自动执行。为了保证本次测试标准一致性,计算机将本次初始校正测得的峰值与步数作为标准保留。其主要操作包括:启动并置位汞光源,检测强度与步数并与标准值对比。如果相等则汞灯熄灭并复位恢复主程序。否则微调步进电机,直至与标准值相等。其软件流程如图5所示。由于采用了汞灯自动置位复位,步进电机基本运动步数极少,使得该步骤得以实施且过程迅速,对正常测试影响甚微。
4 结果与讨论
由计算机对光谱仪选定通道进行采样,并依据此数据直接控制步进马达运动构成了入射狭缝寻找峰位的控制系统。该系统精度的关键在于步进电机在计算机控制下寻找到的峰位准确程度。本设计中由两个层面来保证:首先采用12位的A/D转换器进行采样,其分辨率可达2-12。在此分辨率下计算机完全可以区分读数曲线“平坦”部分的微小差异,从而找到一个或若干个最大值,并以该分辨率来控制步进电机行进。而本系统采用高精度步进电机,半步控制时最小步进角可达0. 36°。采用具有细分技术的步进电机驱动器,其核心是通过步进电机驱动器按比例减小相电流,提高驱动脉冲频率的方法使步距角更小、运行速率更快、转矩更平稳。其细分系数可以选择,若取细分系数为40,则步进角可精确至0.009°,如此微小的角度所引起的谱线横向位移Δs也是很小的。步进电机有足够的步数将入射光调至最佳位置。我们在JARRELL2ASH800系列Mark2型电感耦合等离子原子发射光谱仪上运用了该系统,其校正作用较为明显,表1是应用该系统对于同一已知样品,连续16 h检测的数据,结果表明谱线强度重现性达到99. 98%,由此可知在测试时间内谱线位移校正情况良好。系统中汞光源的控制方式与步进电机良好高频响应性能,使得校正过程 更加迅速,实现了对谱线位移的动态监控。
