(1.北京工商大學(xué) 材料與機(jī)械工程學(xué)院，北京100048；2.北京泊菲萊科技有限公司，北京100081)

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，簡(jiǎn)稱ICP-AES)是以電感耦合等離子體為激發(fā)光源的原子發(fā)射光譜分析技術(shù)，是根據(jù)每種原子或離子在熱或電的激發(fā)下，處于激發(fā)態(tài)的待測(cè)元素原子回到基態(tài)時(shí)所激發(fā)輻射出各種不同特征波長(zhǎng)的復(fù)合光而進(jìn)行元素定性和定量分析的一種方法。由于待測(cè)元素原子濃度與光譜發(fā)射強(qiáng)度成正比，可以根據(jù)每種元素發(fā)射的譜線強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)元素的定量測(cè)定，并且ICP-AES光譜儀具有多元素同時(shí)檢測(cè)能力、分析速度快、準(zhǔn)確度高、檢出限低、較容易建立分析方法等特點(diǎn)。現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于稀土、冶金、化工、農(nóng)業(yè)、地礦、食品、環(huán)保、有機(jī)和無機(jī)材料、醫(yī)學(xué)等眾多領(lǐng)域。本課題所研發(fā)的控制系統(tǒng)采用高性能的主控與關(guān)鍵功能芯片與通信技術(shù)完成對(duì)ICP-AES光譜儀的控制[1]。

1 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀的總體結(jié)構(gòu)及工作原理

該分析儀器主要由ICP發(fā)生裝置、分光系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換、嵌入式控制系統(tǒng)以及分析軟件等組成。其中ICP發(fā)生裝置又包括高頻發(fā)生器和感應(yīng)線圈、石英炬管和供氣系統(tǒng)、進(jìn)樣系統(tǒng)等三部分。電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

ICP-AES光譜儀的工作原理：待測(cè)樣品經(jīng)預(yù)處理后被送入霧化器霧化，使形成的樣品氣溶膠進(jìn)入到ICP焰炬。高頻發(fā)生器產(chǎn)生的高頻電流通過電感線圈加到石英炬管上，使樣品中的元素受到高溫激發(fā)以后在冷卻過程中以光的形式輻射出不同波長(zhǎng)的特征譜線，通過透鏡進(jìn)入到掃描分光器的光柵上，由計(jì)算機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。光電轉(zhuǎn)換器件將特征譜線光強(qiáng)轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娏?，光電流?jīng)放大、濾波后輸入到模數(shù)轉(zhuǎn)換器變換后通過串口與計(jì)算機(jī)相連，最后將數(shù)據(jù)傳遞給計(jì)算機(jī)控制軟件進(jìn)行分析和處理。

圖1 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀的結(jié)構(gòu)框圖

2 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀的硬件組成

2.1 石英炬管

等離子體炬管是形成ICP的核心部件，它是外型為圓柱體的三層同心石英炬管，其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 等離子體炬管結(jié)構(gòu)圖

該石英炬管的外管與中間管之間通入的氬氣作冷卻使用，用于保護(hù)石英炬管免被高溫融化；中間管與中心管之間通入的氬氣作為輔助氣使之電離形成等離子體并引入電火花用來“點(diǎn)燃”等離子體；中心管用于導(dǎo)入霧化氣，其作用是：形成樣品氣溶膠，將樣品氣溶膠引入ICP，對(duì)霧化器、霧化室及中心管起清洗作用。對(duì)專供光譜分析用的ICP光源來說，最重要的是形成一個(gè)環(huán)形或具有通道的等離子體，因?yàn)楫?dāng)氣溶膠通過一個(gè)環(huán)形或具有通道的等離子體時(shí)，所形成的尾焰又長(zhǎng)又窄且邊界分明，在環(huán)狀I(lǐng)CP上，單位體積的發(fā)射很強(qiáng)，用這種尾焰作光譜光源時(shí)，可得到很好的檢測(cè)能力和靈敏度。

2.2 霧化器

霧化器的種類有很多，主要包括氣動(dòng)霧化器和超聲霧化器?？紤]到經(jīng)濟(jì)因素和操作方便性，選用全玻璃同心式氣動(dòng)霧化器。玻璃同心型霧化器具有良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性、記憶效應(yīng)小、耐酸等優(yōu)點(diǎn)，但由于其環(huán)狀出口處的間隙很小，所以很容易被堵塞。全玻璃同心型氣動(dòng)霧化器的結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 全玻璃同心型氣動(dòng)霧化器的結(jié)構(gòu)圖

它是由兩根同心玻璃管組成，在樣品吸入管中插上一根毛細(xì)管，從而使“液體死容積”降低到最小程度，就可以提高樣品分析的效率并減弱記憶效應(yīng)。

2.3 霧化室

由于氣動(dòng)霧化器所產(chǎn)生的氣溶膠都具有高度的分散性，其霧滴直徑可達(dá)100μm，所以這些大霧滴必須用霧化室除去。通常選用雙管霧化室用于ICP光譜法的霧化室。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。它是由兩個(gè)同心的玻璃管組成，同心型玻璃霧化器的噴嘴與霧化室左側(cè)連接，工作時(shí)載氣攜帶氣溶膠進(jìn)入霧化室，在內(nèi)管霧化后，經(jīng)外管反向流出，由上部出口進(jìn)入等離子體炬管。

圖4 霧化室結(jié)構(gòu)圖

2.4 分光系統(tǒng)

分光系統(tǒng)是將激發(fā)試樣所得到的輻射光分解成按波長(zhǎng)順序排列的單色光的裝置，常用的分光組件有棱鏡和光柵兩類。分光系統(tǒng)置于光譜儀內(nèi)的局部恒溫環(huán)境中，以保證光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。

本課題所研究的ICP單道掃描型光譜儀采用光柵作為分光組件。而在光譜系統(tǒng)中通常希望要有適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)選擇和能從被監(jiān)測(cè)的輻射源的特定區(qū)域中采集到盡可能多的光，為達(dá)到這兩個(gè)目標(biāo)，掃描分光器包括入射狹縫、入射反射鏡、光柵、出射反射鏡、出射狹縫。在出射狹縫后面安裝光電倍增管，用來接收光信號(hào)并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，然后傳送給信號(hào)處理電路及數(shù)據(jù)采集和處理。其光柵掃描機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)動(dòng)光柵型，光路圖如圖5所示。

圖5 ICP-AES光譜儀光路圖

光柵根據(jù)其工作方式分為兩類，一類是透射光柵，另一類是反射光柵，二者都屬于振幅光柵，通過調(diào)制入射光的振幅，從而改變了入射光反射系數(shù)的分布。本系統(tǒng)采用的是衍射光柵，其刻痕密度為1200～3600條/mm。

以往光柵掃描機(jī)構(gòu)采用正弦機(jī)構(gòu)，由于加工和裝配上不能保障機(jī)械精度，造成掃描回差大，為了改善這種狀況，改用蝸輪蝸桿傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，由于加工精度高，裝配合理，所以掃描精度可在0.001nm之內(nèi)。

3 電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀控制系統(tǒng)組成

控制系統(tǒng)是整個(gè)儀器的核心，是用來控制儀器各個(gè)部分之間的協(xié)調(diào)工作，所以就要求其不僅具有高速運(yùn)算的能力而且能夠?qū)崟r(shí)發(fā)出各種控制命令，驅(qū)動(dòng)各個(gè)部件統(tǒng)一運(yùn)行，同時(shí)又能和計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換?？刂葡到y(tǒng)主要由高頻發(fā)生器、信號(hào)采集、步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)、通訊接口等組成。主控電路結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 主控電路結(jié)構(gòu)圖

3.1 核心控制器的選擇

核心控制系統(tǒng)采用ST公司STM32F4xx MCU。該控制器擁有180MHz 主頻，包括32位內(nèi)核和浮點(diǎn)運(yùn)算單元，支持單周期指令、高效率的數(shù)字信號(hào)處理單元，工作電壓為1.7V～3.6V。

STM32F4相對(duì)于STM32F1主要優(yōu)勢(shì)如表1所示。

表1 STM32F4XX、STM32F1XX的性能對(duì)比

對(duì)于STM32F1與STM32F4相同的外設(shè)部分，STM32F4具有更高的模數(shù)轉(zhuǎn)換速度、更低的ADC/DAC工作電壓、32位定時(shí)器、IO復(fù)用功能大大增強(qiáng)、更快的USART和SPI通信速度。

3.2 高頻發(fā)生器的設(shè)計(jì)

ICP高頻發(fā)生器是產(chǎn)生等離子體炬的核心裝置，其功率穩(wěn)定度是衡量ICP高頻發(fā)生器優(yōu)劣的重要指標(biāo)，高頻功率穩(wěn)定與否，將直接影響譜線的精度，影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[3]，因此從光譜分析上要求發(fā)生器的高頻功率越穩(wěn)越好，但是高穩(wěn)定度的發(fā)生器造價(jià)高，故根據(jù)不同類型的光譜分析要求，選擇滿足其要求的穩(wěn)定度。本系統(tǒng)選用他激式高頻發(fā)生器，其優(yōu)點(diǎn)是輸出效率高、振蕩頻率穩(wěn)定。

高頻發(fā)生器的工作頻率是形成等離子體環(huán)狀結(jié)構(gòu)的重要條件。本研究采用高穩(wěn)定度的石英晶體作振源。通過倍頻和放大供給激勵(lì)級(jí)，進(jìn)一步通過功率放大級(jí)、匹配網(wǎng)絡(luò)、定向耦合器以及匹配電路輸出到負(fù)載。根據(jù)該掃描光譜儀的工作要求，本系統(tǒng)選擇27.12MHz，輸出功率常為1.0～2.0kW。高頻發(fā)生器設(shè)計(jì)框圖如圖7所示。

圖7 高頻發(fā)生器設(shè)計(jì)框圖

為了降低傳輸引起的高頻損耗，將高頻電源和等離子體炬管裝在一起，采用一體化結(jié)構(gòu)[4]。高頻電源與負(fù)載之間的匹配狀態(tài)會(huì)影響電能的傳輸效率，兩者電抗相等時(shí)其功率傳輸效率最高，故采用由可調(diào)電容和電感組成的調(diào)諧電路。其功能是調(diào)節(jié)可變電容使負(fù)載與高頻電源之間阻抗相匹配，以保持等離子體獲得足夠的功率，維持等離子體穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 光電倍增管驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

在光譜分析儀器中，由光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的過程中，光電倍增管起到一個(gè)光電轉(zhuǎn)換的作用。光電倍增管的高壓接口給光電倍增管提供高壓。負(fù)高壓的大小決定光電倍增管的放大倍數(shù)，負(fù)高壓越高，放大倍數(shù)越高。負(fù)高壓值低，光電倍增管靈敏度就低，直接影響到檢測(cè)光信號(hào)的強(qiáng)度；負(fù)高壓過高，雖然光電倍增管的靈敏度提高了，但是管子內(nèi)部的光子噪聲也相應(yīng)的被放大，其結(jié)果直接影響到檢測(cè)光信號(hào)的噪聲和重現(xiàn)性。

針對(duì)待檢測(cè)的等離子體放電過程產(chǎn)生的波長(zhǎng)范圍為190nm～800nm，因此綜合考慮各種光電倍增管的相關(guān)參數(shù)，最終選用能有效覆蓋其光譜范圍的H11461P-11作為本光電檢測(cè)系統(tǒng)的光電檢測(cè)器。

3.4 信號(hào)處理與A/D轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)

信號(hào)處理的目的是增加測(cè)量準(zhǔn)確度及線性動(dòng)態(tài)范圍。由于光電倍增管輸出的電流信號(hào)非常微弱，所以需經(jīng)處理后再輸入到計(jì)算機(jī)。

本系統(tǒng)采用凌力爾特公司的LTC2508-32作為A/D轉(zhuǎn)換芯片。該芯片是一款低噪聲、低功耗、高性能的32 位ADC，具有一個(gè)集成的可配置數(shù)字濾波器。為了能夠最大限度地縮減采集期間的穩(wěn)定時(shí)間，從而優(yōu)化ADC的線性，前級(jí)應(yīng)采用一個(gè)緩沖放大器來驅(qū)動(dòng)LTC2508-32的模擬輸入。放大器設(shè)計(jì)時(shí)要保證足夠的帶寬，以提高信號(hào)的響應(yīng)速度，而且線性要好。該放大器提供了低輸出阻抗，從而在采集階段中實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)的快速穩(wěn)定，另外，它還在信號(hào)源與ADC輸入電流之間提供了隔離。

由于輸入緩沖放大器和其他支持電路的噪聲和失真會(huì)導(dǎo)致ADC噪聲和失真的增加，故應(yīng)采用一個(gè)低帶寬濾波器在緩沖放大器之前對(duì)含有噪聲的輸入信號(hào)進(jìn)行濾波，以最大限度地降低噪聲?？梢允褂煤?jiǎn)單單極點(diǎn)RC低通濾波器。另還應(yīng)在緩沖器和 ADC 輸入之間采用一個(gè)耦合濾波器網(wǎng)絡(luò)，旨在盡量地抑制因采樣瞬變而反射至緩沖器中的擾動(dòng)[5]。AD轉(zhuǎn)換芯片電路原理如圖8所示。

3.5 步進(jìn)電機(jī)細(xì)分驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

步進(jìn)電機(jī)是帶動(dòng)光柵進(jìn)行光譜掃描的主要部件，為了能夠獲得較好的分辨率，光柵轉(zhuǎn)動(dòng)的角度應(yīng)盡量要小，所以步進(jìn)電機(jī)的步距角要在細(xì)分的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)多級(jí)細(xì)分[6]。

圖8 AD轉(zhuǎn)換芯片電路原理圖

本系統(tǒng)中步進(jìn)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)了超小細(xì)分驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)，使得電機(jī)轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小、低速運(yùn)行平穩(wěn)、極小振動(dòng)和噪音、高速時(shí)輸出力矩大以及定位精度高。該控制系統(tǒng)硬件有STM32F4xx芯片、TMC26x驅(qū)動(dòng)模塊、兩相步進(jìn)電機(jī)，硬件電路外圍元件少、集成度高。其中TMC26x是一款兩相步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，精度高，節(jié)能效果好，高達(dá)256細(xì)分步[7]。步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器需要主控電路提供方向信號(hào)和步進(jìn)脈沖信號(hào)，最后經(jīng)細(xì)分之后，主控電路每給一個(gè)脈沖，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)0.007°?？刂葡到y(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

圖9 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.6 通信接口設(shè)計(jì)

通信接口的作用是將光譜儀采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送給PC機(jī)，對(duì)其基本要求有兩點(diǎn)：帶寬和可靠。根據(jù)工作要求本課題的通訊接口采用工業(yè)控制總線RS-485接口實(shí)現(xiàn)MCU和計(jì)算機(jī)之間的連接。因?yàn)镽S485具有接口電平低，不易損壞芯片、傳輸速率高、抗干擾能力強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)，支持節(jié)點(diǎn)多等特點(diǎn)?？紤]到將來的發(fā)展和改進(jìn)，選擇帶寬余量較大的通信協(xié)議，同時(shí)保證數(shù)據(jù)通訊的可靠性。

本課題采用SP3485作為收發(fā)器，該芯片支持3.3V供電，最大傳輸速度可達(dá)10Mbps，支持多達(dá)32個(gè)節(jié)點(diǎn)，并且有輸出短路保護(hù)。其RS485接口電路如圖10所示。

圖10 RS485接口電路

RS485是隸屬于OSI模型物理層的電氣特性規(guī)定為2線，半雙工，多點(diǎn)通信的標(biāo)準(zhǔn)。它的電氣特性和RS232不大一樣。用纜線兩端的電壓差值來表示傳遞信號(hào)。RS485僅僅規(guī)定了接收端和發(fā)送端的電氣特性。它沒有規(guī)定或推薦任何數(shù)據(jù)協(xié)議。

CAN總線協(xié)議就是為了保證通訊(收發(fā))數(shù)據(jù)在CAN總線上能穩(wěn)定傳輸而制定的一套協(xié)議。CAN經(jīng)過ISO標(biāo)準(zhǔn)化后有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)：ISO11898標(biāo)準(zhǔn)和ISO11519-2標(biāo)準(zhǔn)。其中ISO11898是針對(duì)通訊速率為125Kbps∽1Mbps的高速通訊標(biāo)準(zhǔn)，而ISO11519-2是針對(duì)通訊速率為125Kbps以下的低速通訊標(biāo)準(zhǔn)。本課題使用的是500Kbps的通訊速率，使用的是ISO11898標(biāo)準(zhǔn)。

CAN協(xié)議具有多主控制、系統(tǒng)柔韌性、速度快，距離遠(yuǎn)、具有錯(cuò)誤檢測(cè)、錯(cuò)誤通知和錯(cuò)誤恢復(fù)功能、故障封閉、連接節(jié)點(diǎn)多等特點(diǎn)，正是因?yàn)镃AN協(xié)議的這些特點(diǎn)，使得CAN特別適合工業(yè)過程監(jiān)控設(shè)備的互連。本課題采用CAN總線實(shí)現(xiàn)等離子體火焰控制器與掃描系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集控制器之間的交換數(shù)據(jù)，以保證頻繁交換數(shù)據(jù)的專用性、快速性與可靠性。CAN控制器根據(jù)兩根線上的電位差來判斷總線電平?？偩€電平分為顯性電平和隱形電平，二者必居其一。發(fā)送方通過使總線電平發(fā)生變化，將消息發(fā)送給接收方。

CAN總線與其它通信協(xié)議的不同之處主要有兩方面：一是報(bào)文傳送不包含目標(biāo)地址，它是以全網(wǎng)廣播為基礎(chǔ)，各接收站根據(jù)報(bào)文中反映數(shù)據(jù)性質(zhì)的標(biāo)識(shí)符過濾報(bào)文；另外一個(gè)方面就是強(qiáng)化了數(shù)據(jù)安全性，滿足控制系統(tǒng)及其它較高數(shù)據(jù)要求系統(tǒng)的需求。

由于CAN總線不能直接連接到STM32F4xx，所以本課題使用電平轉(zhuǎn)換芯片TJA1050做CAN電平轉(zhuǎn)換，其接口電路如圖11所示。

圖11 CAN接口電路

TJA1050是CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口。TJA1050可以為總線提供不同的發(fā)送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能，而且它與“ISO11898”標(biāo)準(zhǔn)完全兼容[8]。

4 結(jié)束語(yǔ)

該電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀用于測(cè)定各種物質(zhì)(可溶于鹽酸、硝酸、氫氟酸等)中常量、微量、痕量金屬元素或非金屬元素的含量。采用先進(jìn)的電子電路系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口的通訊方式，實(shí)現(xiàn)了儀器的尋峰、測(cè)試、譜圖描跡快等優(yōu)點(diǎn)。

電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀的研發(fā)成功，極大提高了該分析領(lǐng)域的技術(shù)水平，而且全中文操作界面，更方便國(guó)內(nèi)使用，在分析速度、精度方面都可以與國(guó)外同類產(chǎn)品相競(jìng)爭(zhēng)，并具有成本和維護(hù)費(fèi)用低的特點(diǎn)，適合在我國(guó)推廣。