于昕梅，蔣業(yè)文，周　燕，曾凡智，曾啟漢YU Xin-mei，　JIANG Ye-wen，　ZHOU Yan，　ZENG Fan-zhi，　ZENG Qi-han（.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，佛山 58000；.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，佛山 58000；.佛山市華洋儀器有限公司，佛山 58000）

高精度自反饋式陶瓷原料化學(xué)成份快速分析儀研發(fā)

于昕梅1，蔣業(yè)文1，周燕2，曾凡智2，曾啟漢3
YU Xin-mei1，JIANG Ye-wen1，ZHOU Yan2，ZENG Fan-zhi2，ZENG Qi-han3
（1.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系，佛山 528000；2.佛山科學(xué)技術(shù)學(xué)院 計(jì)算機(jī)系，佛山 528000；3.佛山市華洋儀器有限公司，佛山 528000）

采用自反饋式自適應(yīng)的兩次校準(zhǔn)技術(shù)和高精度的數(shù)據(jù)分析與同構(gòu)算法，研制出了陶瓷原料化學(xué)成分分析儀，符合國(guó)家的相關(guān)各項(xiàng)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到了高精快速檢測(cè)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

高精度；自反饋；化學(xué)成分分析儀

0　引言

中國(guó)是世界第一產(chǎn)瓷大國(guó)，日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷產(chǎn)量都占世界陶瓷總產(chǎn)量的70%以上。由于陶瓷原料種類(lèi)繁多結(jié)構(gòu)復(fù)雜且成分多變，現(xiàn)階段又缺乏穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)化原料供應(yīng)，這給配方時(shí)選擇原料和替代原料帶來(lái)困難。中國(guó)每年需采購(gòu)的陶瓷原料種類(lèi)繁多數(shù)量巨大，如何快速準(zhǔn)確地檢測(cè)、識(shí)別陶瓷原料中各化學(xué)成分的含量具有重大意義。本項(xiàng)目組研制的“高精度自反饋式陶瓷原料化學(xué)成分快速分析儀”通過(guò)綜合擬合-同構(gòu)算法和自適應(yīng)校準(zhǔn)技術(shù)，完成陶瓷原料化學(xué)成分分析過(guò)程的高精度化、快速化，并提高了多濃度溶液測(cè)試的適應(yīng)性。

1　系統(tǒng)組成

“高精度自反饋式陶瓷原料化學(xué)成分快速分析儀”的測(cè)定過(guò)程如圖1所示。

圖1　高精度自反饋式陶瓷原料化學(xué)成份快速分析儀測(cè)定過(guò)程

系統(tǒng)主要的測(cè)定環(huán)節(jié)為顯色、測(cè)定和數(shù)據(jù)處理三部分。其中顯色環(huán)節(jié)采用國(guó)標(biāo)QBT 2578-2002標(biāo)準(zhǔn)，用于測(cè)試的各溶液應(yīng)不易受環(huán)境和其他化學(xué)因素影響，顏色能穩(wěn)定足夠長(zhǎng)的時(shí)間，保證在測(cè)定過(guò)程中，溶液的吸光度基本不發(fā)生變化，而如何消除多個(gè)元素同時(shí)顯色而引起的相互干擾，則是準(zhǔn)確測(cè)量的關(guān)鍵問(wèn)題。此外，還要求顯色反應(yīng)的靈敏度高，有利于微量組分的測(cè)定。溶劑的種類(lèi)及容量、溫度、時(shí)間以及共存離子干擾等都會(huì)影響顯色反應(yīng)。因此，建立穩(wěn)定的快速準(zhǔn)確的顯色體系，才能確保達(dá)到測(cè)量的速度和準(zhǔn)確性要求。

測(cè)定環(huán)節(jié)采用嵌入式自反饋的數(shù)據(jù)采集與測(cè)定方法，系統(tǒng)的下位機(jī)采用嵌入式的數(shù)據(jù)處理芯片，對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行自反饋式的自動(dòng)調(diào)零過(guò)程，減少由于周?chē)沫h(huán)境、溫度、光線等對(duì)測(cè)試精度的影響，對(duì)測(cè)試的光信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后，使用積分方法進(jìn)行加權(quán)處理，保證數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理和計(jì)算分析，包括繪制和校正吸光度—濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，提供各類(lèi)數(shù)據(jù)擬合算法以及儀器自動(dòng)校準(zhǔn)等，根據(jù)多次的檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行自動(dòng)計(jì)算，分析陶瓷原料樣品的各類(lèi)化學(xué)成分的含量。這也是儀器研發(fā)的重要內(nèi)容。

此外，系統(tǒng)建立原料的基礎(chǔ)化學(xué)成分知識(shí)庫(kù)，對(duì)標(biāo)樣溶液的多級(jí)濃度進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，作為儀器的知識(shí)信息，支持對(duì)其他待測(cè)樣品的進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)定與擬合的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。系統(tǒng)提供各次各類(lèi)檢測(cè)信息的查詢(xún)、統(tǒng)計(jì)、報(bào)表等功能，對(duì)各類(lèi)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、各次測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)存儲(chǔ)，提供數(shù)據(jù)分析統(tǒng)計(jì)。最后，系統(tǒng)提供軟件的加密、數(shù)據(jù)證書(shū)等加密技術(shù)，保護(hù)產(chǎn)品的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2　關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)

1）自反饋式自適應(yīng)的兩次校準(zhǔn)技術(shù)

儀器除了在初次使用和使用一段時(shí)間后，需要校準(zhǔn)以外，由于信號(hào)處理環(huán)節(jié)的非線性因素以及環(huán)境溫度等影響，也會(huì)使儀器偏離零點(diǎn)。本儀器在每次測(cè)試過(guò)程中對(duì)儀器進(jìn)行了自適應(yīng)校準(zhǔn)。采用下位機(jī)自反饋機(jī)制，通過(guò)自反饋和自適應(yīng)算法自用調(diào)整入射光的強(qiáng)度，使系統(tǒng)測(cè)試開(kāi)始時(shí)自動(dòng)處于優(yōu)化的光度上，與此同時(shí)，上位機(jī)設(shè)立一個(gè)自動(dòng)調(diào)零的功能，采用迭代算法調(diào)整入射光的強(qiáng)度，使系統(tǒng)處于優(yōu)化的光度上，通過(guò)上位機(jī)、下位機(jī)兩次自動(dòng)調(diào)零，消除系統(tǒng)的干擾，提高測(cè)試精度與穩(wěn)定性。

本儀器特有的測(cè)定過(guò)程中的自適應(yīng)校準(zhǔn)技術(shù)，可排除光強(qiáng)、電壓、溫度等外界干擾，可以消除長(zhǎng)時(shí)間使用產(chǎn)生的漂移。確保了儀器在連續(xù)測(cè)定過(guò)程中的準(zhǔn)確性。

2）高精度的數(shù)據(jù)分析與同構(gòu)擬合算法

因陶瓷原料等測(cè)定物質(zhì)種類(lèi)繁雜結(jié)構(gòu)多變，在數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)中，為用戶(hù)提供了多種數(shù)據(jù)處理中的同構(gòu)擬合方法，最小二乘、折線、樣條等多樣化插值進(jìn)行選擇，系統(tǒng)根據(jù)已有標(biāo)樣溶液的知識(shí)庫(kù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行雙精度的數(shù)據(jù)計(jì)算，通過(guò)對(duì)通道參數(shù)進(jìn)行輔助設(shè)置，確保該儀器的適應(yīng)范圍更廣，測(cè)定結(jié)果更準(zhǔn)確，精度更高。

3）適用于多種濃度的檢測(cè)

通過(guò)對(duì)于濃度過(guò)高或過(guò)低的試液，設(shè)置高濃度、微量濃度的標(biāo)樣數(shù)據(jù)庫(kù)，采用小數(shù)點(diǎn)后四位高精度的采樣數(shù)據(jù)，使用多種同構(gòu)擬合方法進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算，提高系統(tǒng)對(duì)多濃度的適用性。

3　系統(tǒng)測(cè)試

圖2和圖3為系統(tǒng)多通道同時(shí)測(cè)試時(shí)化學(xué)成分分配管理和通道參數(shù)采集和設(shè)置圖。系統(tǒng)采用關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)對(duì)測(cè)試記錄、測(cè)試成分、標(biāo)樣數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，方便上位機(jī)數(shù)據(jù)維護(hù)，可以做到連續(xù)測(cè)量多個(gè)樣品，對(duì)測(cè)試記錄進(jìn)行多維度統(tǒng)計(jì)分析以及打印提供各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表。

4　結(jié)論

本儀器在測(cè)量范圍內(nèi)，所測(cè)標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)之間線性相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.999，預(yù)熱15min后，5min內(nèi)讀數(shù)漂移不大于0.2%，符合GB/T 4734-1996《陶瓷材料及制品化學(xué)分析方法》、GB/T 6900-2006《鋁硅系耐火材料化學(xué)分析方法》和QB/T 2578-2002 《陶瓷原料化學(xué)成分光度分析方法》等有關(guān)分析方法對(duì)分析精度的要求。此外，儀器波長(zhǎng)在380nm～800nm之間連續(xù)可調(diào)，精度誤差不大于0.2nm，全分析總量介于100±0.5%，達(dá)到了高精快速檢測(cè)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖2　多通道同時(shí)測(cè)試過(guò)程

圖3　通道參數(shù)采集和設(shè)置

［1］ GB/T 6900-2006《鋁硅系耐火材料化學(xué)分析方法》.［EB/ OL］.http://www.spsp.gov.cn/Page/CN/2006/GBT%206900-2006. shtml.

［2］ GB/T4734-1996《陶瓷材料及制品化學(xué)分析方法》.［EB/OL］. http://www.51zbz.com/biaozhun/130367.html.

［3］ QB/T 2578-2002《陶瓷原料化學(xué)成分光度分析方法》. ［EB/ OL］.http://www.spsp.gov.cn/Page/QT/2002/QBT%202578-2002. shtml.

Research and development of high precision self-feedback ceramic ingredient analyzer

TP18

A

1009-0134（2016）06-0104-02

2016-03-03

廣東省自然科學(xué)基金資助（2015A030313639）；佛山市科技計(jì)劃項(xiàng)目資助（20121011010070）

于昕梅（1974 -），女，內(nèi)蒙古人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)樾盘?hào)與信息處理、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。