AG-9800全譜火(huo)花(hua)直(zhi)讀光(guang)譜儀(yi)的工作(zuo)原理

AG-9800 型全(quan)譜火(huo)花(hua)直(zhi)讀光(guang)譜儀(yi)是(shi)金(jin)屬分(fen)析(xi)領(ling)域常用的檢(jian)測設(she)備(bei)，整合(he)全(quan)數(shu)字化技(ji)術與(yu)真(zhen)空(kong)光(guang)學設(she)計(ji)，可(ke)對(dui)金(jin)屬材料中(zhong)的元素(su)含量(liang)進行(xing)分(fen)析(xi)，為(wei)金(jin)屬制造(zao)業(ye)、加(jia)工(gong)業(ye)及金(jin)屬冶(ye)煉業(ye)的質(zhi)量(liang)監控(kong)、材料牌(pai)號(hao)識(shi)別和(he)材料研(yan)究(jiu)開(kai)發(fa)提供技(ji)術支持。其工作(zuo)原理圍繞(rao)樣(yang)品激發、光(guang)譜分(fen)離、信(xin)號(hao)采(cai)集、數(shu)據處(chu)理四(si)個(ge)核(he)心(xin)環節展(zhan)開，各(ge)系統相互配合(he)，實(shi)現(xian)對(dui)金(jin)屬樣品(pin)中(zhong)元素(su)的檢(jian)測。

壹(yi)、樣(yang)品激(ji)發：獲(huo)取(qu)元素(su)特征光(guang)譜

樣品(pin)激發(fa)是(shi)光(guang)譜分(fen)析(xi)的初始(shi)環節，目的是(shi)讓(rang)樣品中(zhong)的元素(su)釋放出可(ke)被(bei)檢(jian)測的特征光(guang)譜。該(gai)儀(yi)器(qi)配備全頻(pin)數(shu)字激發(fa)光(guang)源，激(ji)發頻(pin)率範圍為(wei) 100-1000Hz，且(qie)能(neng)通過數(shu)字化方(fang)式調(tiao)節激(ji)發(fa)能量(liang)，可根(gen)據不同材質(zhi)的金(jin)屬樣品(pin)調(tiao)整激(ji)發參數(shu)，以(yi)適(shi)配檢(jian)測需(xu)求。

為提升(sheng)激發(fa)穩定性(xing)，儀(yi)器(qi)采(cai)用雙火(huo)花(hua)組合(he)放電(dian)設(she)計(ji)，同(tong)時(shi)搭配水平與垂(chui)直(zhi)雙氣路激發(fa)裝(zhuang)置。在激(ji)發(fa)過程(cheng)中(zhong)，氬氣(qi)會(hui)在激(ji)發(fa)區(qu)域形成保護氛圍，氬(ya)氣(qi)的輸入壓力(li)需(xu)控(kong)制在 0.25MPa，儀(yi)器(qi)配備的氬氣(qi)壓力(li)電(dian)子感應(ying)保護裝置可實(shi)時(shi)監(jian)測氬氣(qi)壓力(li)，確(que)保壓(ya)力穩定；此(ci)外(wai)，帶(dai)氬氣(qi)常(chang)流設(she)定閥(fa)能(neng)將(jiang)氬(ya)氣(qi)流量(liang)控(kong)制在 0.2L-0.5L/min，減(jian)少空氣(qi)對激(ji)發(fa)過(guo)程(cheng)的幹擾(rao)，避免(mian)樣(yang)品(pin)在激(ji)發(fa)時因與空(kong)氣接(jie)觸(chu)產生氧(yang)化(hua)物(wu)，影(ying)響(xiang)後續(xu)檢(jian)測結果。

儀(yi)器(qi)的樣品(pin)臺為(wei)開(kai)放式不銹鋼(gang)結構(gou)，可(ke)放置尺寸(cun)較(jiao)大(da)的樣品(pin)。在進(jin)行(xing)激(ji)發前(qian)，需(xu)對樣(yang)品(pin)表(biao)面進行(xing)處(chu)理，如鋼(gang)鐵試樣(yang)需(xu)用雙盤(pan)磨樣(yang)機(ji)和(he)落(luo)地式砂(sha)輪機(ji)打(da)磨(mo)，鋁(lv)試樣(yang)需(xu)用車(che)床(chuang)處(chu)理，確(que)保樣(yang)品表面平(ping)整、無(wu)雜質(zhi)。處(chu)理後的樣品(pin)放置在樣(yang)品(pin)臺上(shang)，與(yu)電(dian)極形成放電(dian)回路，在高(gao)壓火(huo)花(hua)作(zuo)用下，樣(yang)品中(zhong)的原子(zi)吸收(shou)能(neng)量(liang)躍(yue)遷(qian)至(zhi)高(gao)能態(tai)，隨後原(yuan)子(zi)會躍(yue)遷(qian)回低(di)能(neng)態(tai)，在此(ci)過(guo)程(cheng)中(zhong)釋放出具有特(te)定波(bo)長(chang)的特征光(guang)譜，為(wei)後續(xu)的光(guang)譜分(fen)離環(huan)節提供基(ji)礎信(xin)號(hao)。

光(guang)譜分(fen)離環(huan)節的作(zuo)用是(shi)將(jiang)樣(yang)品(pin)激(ji)發產生的復(fu)合(he)光(guang)譜分(fen)解為(wei)單壹(yi)波(bo)長(chang)的特征譜線，以(yi)便(bian)後續(xu)對(dui)特定元素(su)進行(xing)檢(jian)測。該儀(yi)器(qi)的光(guang)學系(xi)統采(cai)用帕(pa)型 - 龍格光(guang)學結構(gou)與(yu)真(zhen)空(kong)羅(luo)蘭(lan)圓(yuan)光(guang)柵分(fen)光(guang)室，其中(zhong)分(fen)光(guang)室的波(bo)長(chang)範(fan)圍為(wei) 120-900nm，可(ke)覆蓋(gai)多(duo)數(shu)金(jin)屬元素(su)的特征光(guang)譜波(bo)段。

光(guang)學系(xi)統中(zhong)的光(guang)柵為(wei)羅(luo)蘭(lan)圓(yuan)光(guang)柵，刻(ke)線數(shu)量(liang)為 2400 線 /mm，焦(jiao)距(ju)為 400mm，具備分(fen)光(guang)能力(li)，能(neng)將(jiang)復(fu)合(he)光(guang)譜分(fen)解。儀(yi)器(qi)的光(guang)室為(wei)恒溫(wen)壹(yi)體結構(gou)，配備自(zi)動(dong)恒溫(wen)系(xi)統，可將(jiang)光(guang)室溫(wen)度(du)穩定在 35℃，溫(wen)度(du)控(kong)制精(jing)度為 ±0.1℃，減(jian)少溫(wen)度(du)變化(hua)對(dui)光(guang)譜波(bo)長(chang)產生的影響(xiang)，保(bao)障光(guang)譜分(fen)離的準(zhun)確性(xing)。

光(guang)室還(hai)設(she)有(you)半潛(qian)式真空室入射透(tou)鏡(jing)清洗(xi)裝(zhuang)置，可定期(qi)對(dui)入射透(tou)鏡(jing)進行(xing)清(qing)潔，避免透(tou)鏡(jing)表面(mian)附著(zhe)雜質(zhi)影(ying)響(xiang)光(guang)線入射；入射狹縫(feng)的寬度(du)為 10 微(wei)米，采(cai)用高(gao)精度(du)反鍍膜(mo)工藝(yi)，且(qie)配備微(wei)位(wei)移裝置，可通過調(tiao)整狹縫(feng)位(wei)置優(you)化光(guang)路，提升(sheng)光(guang)線入射精度(du)。此外(wai)，光(guang)室采(cai)用間(jian)歇式(shi)真(zhen)空控(kong)制方(fang)式，搭配真空泵(beng)系(xi)統（鐵基(ji)配置），真空(kong)泵運(yun)行(xing) 3-5 分(fen)鐘(zhong)可(ke)使(shi)光(guang)室達到(dao)小(xiao)於(yu) 2Pa 的真空(kong)度，且(qie)該(gai)真空(kong)狀(zhuang)態(tai)可維持 3 小(xiao)時(shi)以(yi)上(shang)；同時(shi)，真(zhen)空泵(beng)帶(dai)有防反油(you)裝(zhuang)置，能防止真空(kong)泵(beng)中(zhong)的油(you)進(jin)入光(guang)室造(zao)成汙(wu)染，減(jian)少光(guang)譜在光(guang)室中(zhong)的吸收(shou)損耗(hao)，提升(sheng)檢(jian)測的靈敏(min)度(du)。

信(xin)號(hao)采(cai)集環(huan)節主要是(shi)將(jiang)經(jing)過(guo)分(fen)離的特征譜線光(guang)學信(xin)號(hao)轉化(hua)為可處(chu)理的電(dian)信(xin)號(hao)。儀(yi)器(qi)的電(dian)子系統包(bao)含(han)峰值(zhi)電(dian)壓采(cai)樣電(dian)路和光(guang)譜儀(yi)光(guang)學室(shi)的真空(kong)測量(liang)電(dian)路，可分(fen)別(bie)對(dui)激(ji)發(fa)過程(cheng)中(zhong)的峰值(zhi)電(dian)壓和光(guang)室真(zhen)空(kong)度(du)進行(xing)監(jian)測。

該儀(yi)器(qi)采(cai)用 ARM 芯片(pian)實(shi)現(xian)高(gao)速 USB 多(duo)通道(dao)同步數(shu)據采(cai)集，同(tong)步采(cai)樣速率為 16×100k，能快速捕(bu)捉光(guang)學信(xin)號(hao)；配備 16 通道(dao)高(gao)精度(du) CCD 檢(jian)測器(qi)（型號(hao)為(wei)東芝 TCD1304），總(zong)像(xiang)素(su)數(shu)量(liang)為 58368，具備高(gao)分(fen)辨(bian)率全譜采(cai)集能(neng)力，可接(jie)收(shou)不同波(bo)長(chang)的特征譜線光(guang)學信(xin)號(hao)。為(wei)降低(di)噪(zao)聲(sheng)對信(xin)號(hao)采(cai)集的影響(xiang)，CCD 檢(jian)測器(qi)采(cai)用制(zhi)冷降噪技(ji)術，提升(sheng)對微(wei)弱光(guang)學信(xin)號(hao)的識(shi)別能(neng)力。

在信(xin)號(hao)傳(chuan)輸方面(mian)，儀(yi)器(qi)采(cai)用光(guang)纖數(shu)字編(bian)碼(ma)傳送方式(shi)，增(zeng)強信(xin)號(hao)抗(kang)幹擾能(neng)力，確保電(dian)信(xin)號(hao)穩定傳(chuan)輸至(zhi)數(shu)據處(chu)理系(xi)統。同時，儀(yi)器(qi)配備 16 位(wei)單像素(su)數(shu)模(mo)轉換模(mo)塊(kuai)，可將(jiang) CCD 檢(jian)測器(qi)輸出的模擬電(dian)信(xin)號(hao)轉化(hua)為數(shu)字信(xin)號(hao)，為(wei)後續(xu)的數(shu)據處(chu)理提供適(shi)配的信(xin)號(hao)形(xing)式。

四(si)、數(shu)據處(chu)理：分(fen)析(xi)並(bing)輸出結果

數(shu)據處(chu)理環(huan)節是(shi)對(dui)采(cai)集到(dao)的數(shu)字信(xin)號(hao)進(jin)行(xing)分(fen)析(xi)，得出(chu)樣(yang)品中(zhong)元素(su)含量(liang)等檢(jian)測結果。儀(yi)器(qi)搭載(zai)高(gao)性(xing)能 ARM 數(shu)據處(chu)理器(qi)，具備速數(shu)據采(cai)集及控(kong)制功(gong)能，同時(shi)采(cai)用 FPGA 及高(gao)速數(shu)據通訊技(ji)術，縮(suo)短(duan)檢(jian)測數(shu)據的整體讀入時間(jian)，提升(sheng)數(shu)據處(chu)理效(xiao)率。

儀(yi)器(qi)的分(fen)析(xi)軟(ruan)件運(yun)行(xing)於(yu) Windows 系統，支持全中(zhong)文操(cao)作(zuo)，也(ye)可(ke)根(gen)據需(xu)求切(qie)換至(zhi)其他多(duo)國語(yu)言(yan)版本。軟(ruan)件能(neng)自(zi)動(dong)完(wan)成數(shu)據采(cai)集，基(ji)於二乘(cheng)原理(li)擬合(he)工(gong)作(zuo)曲(qu)線，還(hai)可(ke)通過自(zi)動(dong)二點(dian)或單點標(biao)準(zhun)化、自(zi)動(dong)控(kong)樣校(xiao)正功(gong)能(neng)對檢(jian)測數(shu)據進行(xing)修正，減(jian)少儀(yi)器(qi)漂移、元素(su)間(jian)幹(gan)擾等因素(su)對檢(jian)測結果的影響(xiang)；此(ci)外(wai)，軟(ruan)件具備自(zi)動(dong)校(xiao)正元素(su)間(jian)幹(gan)擾和背景修正的功能(neng)，進壹(yi)步提升(sheng)數(shu)據準(zhun)確性(xing)。

在數(shu)據處(chu)理過(guo)程(cheng)中(zhong)，軟(ruan)件支持在同(tong)壹(yi)樣(yang)品的同壹(yi)點(dian)進行(xing)壹(yi)次(ci)或多(duo)次(ci)激(ji)發(fa)，可(ke)刪除(chu)異(yi)常的激發(fa)結果，並(bing)自(zi)動(dong)計(ji)算多(duo)次(ci)激(ji)發(fa)結果的平均(jun)值、標(biao)準(zhun)偏差(cha)（SD）和(he)相對(dui)標準(zhun)偏差(cha)（RSD）。檢(jian)測結果的輸出方(fang)式(shi)多(duo)樣(yang)，可(ke)選擇輸出強(qiang)度(du)、強(qiang)度比率、濃度、校正濃(nong)度(du)等數(shu)據形式；結果可打印輸出，也(ye)可(ke)存盤(pan)保存(cun)，還(hai)能(neng)生成 Word 文檔(dang)，同時(shi)支持通過網(wang)絡和計算機標(biao)準(zhun)口進行(xing)遠(yuan)距離傳(chuan)輸。

軟(ruan)件還(hai)附(fu)帶(dai)故障診斷和(he)自(zi)測試程(cheng)序，自(zi)動(dong)生成的數(shu)據文件可用(yong)於(yu)遠(yuan)程(cheng)判斷儀(yi)器(qi)故障，方便(bian)後期(qi)維(wei)護；且(qie)支持多(duo)控(kong)樣分(fen)析(xi)切(qie)換，便(bian)於(yu)對不同類型的樣品(pin)進行(xing)檢(jian)測。儀(yi)器(qi)標準(zhun)配置包(bao)含(han)聯想(xiang)品(pin)牌(pai)計(ji)算機和(he) HP 品牌打(da)印機(ji)，計(ji)算機用(yong)於運(yun)行(xing)分(fen)析(xi)軟(ruan)件和(he)存儲(chu)數(shu)據，打印機(ji)用(yong)於(yu)輸出檢(jian)測報告(gao)，形成完整的數(shu)據處(chu)理與(yu)輸出體系。

從樣(yang)品激(ji)發到(dao)數(shu)據輸出，整個(ge)檢(jian)測流程(cheng)耗(hao)時(shi)10-30秒(miao)，在保(bao)障檢(jian)測效(xiao)率的同時(shi)，通過各(ge)系統的協同(tong)工作(zuo)，實(shi)現(xian)了(le)對(dui)金(jin)屬樣品(pin)中(zhong)元素(su)的穩定、準(zhun)確檢(jian)測，可滿(man)足鑄(zhu)造、冶(ye)煉、機械(xie)、航空(kong)航天(tian)、高(gao)校科(ke)研等(deng)多(duo)個(ge)行(xing)業(ye)在加(jia)工(gong)過程(cheng)中(zhong)質(zhi)量(liang)控(kong)制與(yu)元素(su)含量(liang)分(fen)析(xi)的需(xu)求。