李 立，李宏杰，姚 璉

(安陽工學院電子信息與電氣工程學院，河南安陽 455000)

0 引言

離子遷移譜(ion mobility spectrometry，IMS)檢測技術是一種分析痕量有機化合物的新方法。其主要特點是：價格低、靈敏度高、響應快、檢出限低、體積小和便于攜帶。

除去IMS硬件本身對特性的影響，數(shù)據(jù)采集和處理控制部分可以提高系統(tǒng)的可靠性、增強系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力。目前通用的嵌入式操作系統(tǒng)包括：MS-DOS、WinCE和Nucleus PLUS等[3]；由于其成本高、不便攜等缺點，為此，本文開發(fā)了一套基于PC機和數(shù)據(jù)采集卡PCI2003、VB的實驗型通用測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以配合多種遷移管和進樣器，用于IMS技術的研究。經(jīng)測試證實在大氣污染物、爆炸物品的IMS檢測技術的研究中發(fā)揮重要作用。

1 遷移管原理

IMS由遷移管和外圍測控系統(tǒng)組成。等間距排列的金屬環(huán)在遷移管內(nèi)部產(chǎn)生均勻電場。氣態(tài)樣品由載氣帶入電離區(qū)，在電離源(紫外燈、放射源、高壓放電)作用下發(fā)生電離。離子受電場推動到達離子門，載氣和其他中性分子從出氣口排出。離子門開通瞬間，部分離子進入遷移區(qū)。在弱電場作用下，不同離子因遷移率不同被分離。離子電流信號由法拉第盤接微電流放大器輸出，進一步可以測出遷移時間(drift time)和標準遷移率。漂氣(遷移氣體)的作用是阻止中性分子進入遷移區(qū)。

2 IMS測控系統(tǒng)的基本功能及要求

與遷移管配合工作的電子裝置包括：高壓電源、分壓電路、微電流放大器、數(shù)據(jù)采集裝置、離子門控制電路，溫度檢測和控制系統(tǒng)。高壓電源通常是3 000～5 000 V，由電阻分壓電路均勻分壓，遷移區(qū)的電場強度一般在200至400 V/cm。微電流放大器由OP129或AD549構(gòu)成，放大倍數(shù)為108～109 V/A 、時間常數(shù)<100 μs。為測定遷移時間，數(shù)據(jù)采集裝置必須與離子門同步。離子門控制信號通常是由邏輯電路產(chǎn)生的200至1 000 μs 的脈沖信號。溫度控制包括遷移管、進樣器、載氣入口、漂氣入口多點溫度檢測及控制，其中重點是遷移管和進樣器的溫度控制。載氣及漂氣流量需實時監(jiān)測。

3 測控系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)的總體設計思路

針對實驗型IMS開發(fā)了一套基于PC機和數(shù)據(jù)采集卡的通用測控系統(tǒng)。該系統(tǒng)配合多種遷移管和進樣器，已在可揮發(fā)性有機污染物、爆炸物及易制毒品IMS檢測技術的研究中發(fā)揮了重要作用。

系統(tǒng)設計時選用PC機配數(shù)據(jù)采集卡，主要原因是為了適應基礎研究的需要。在IMS的研究過程中，經(jīng)常改變遷移管結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)，進行測試；多個運行參數(shù)需要在實驗中尋找最佳組合；依據(jù)用途不同，需要開發(fā)多種電離源、進樣器。這就要求測控系統(tǒng)有較強的通用性、靈活性，可以方便的改變結(jié)構(gòu)和參數(shù)，增加新功能，甚至可以由非電子專業(yè)的研究人員對軟件升級、改造?？紤]到嵌入式系統(tǒng)硬件依賴性較高、編程的專業(yè)性較強，不利于系統(tǒng)的不斷調(diào)整和持續(xù)開發(fā)。而數(shù)據(jù)采集卡可以方便地構(gòu)成數(shù)據(jù)采集、波形分析和處理系統(tǒng)，也可構(gòu)成過程控制監(jiān)控系統(tǒng)；軟件使用VC、VB、LabVIES等常用工具開發(fā)[4-6]。因此，選擇了PC機配數(shù)據(jù)采集卡的方案。已經(jīng)使用的采集卡有PCI2003、USB2005、USB2009，軟件設計中分別使用過VB、BC、LabVIES等多種開發(fā)工具[7-8]。實踐證明，本方案具有開發(fā)周期短、適應性強、硬件依賴性小、軟件可移植性好等特點。本文主要采用PCI2003和VB開發(fā)的系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理框圖

3.2 離子門控制系統(tǒng)設計

離子門的作用是控制進入遷移區(qū)的離子數(shù)，其開啟時間大小對信號強度、峰寬等有重要影響。通常需要硬件產(chǎn)生脈沖信號(脈沖寬度200至1 000 μs、周期幾十ms),通過驅(qū)動電路控制離子門動作。本系統(tǒng)中采用軟件產(chǎn)生離子門控制信號，從采集卡的D/A00端口輸出。優(yōu)點是：便于同采集系統(tǒng)同步、參數(shù)調(diào)整方便、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。實現(xiàn)時主要有以下幾個問題。

3.2.1 定時精度

離子門開啟時間最小值100 μs。但VB提供的定時器定時精度為ms級。使用了API函數(shù)lpPerformanceCount和 lpFrequency。讀取系統(tǒng)定時器，精度達到μs級。準確測定輸出高低電平信號的時間及脈沖寬度，必要時還將不符合的過程剔除。實測當系統(tǒng)主頻>100 MHz時可以滿足要求(程序運行時禁止其他軟件運行)。

3.2.2 上升沿和下降沿時間

上升時間與下降時間主要由采集卡的D/A建立時間決定。按使用說明書給出的指標，建立時間為10 μs，實測約為2 μs。圖2是實測的脈沖上升沿和下降沿。

圖2 門脈沖的上升沿和下降沿

3.2.3 同步誤差和脈沖寬度

當系統(tǒng)配置較低或執(zhí)行多任務時，會隨機出現(xiàn)D/A指令延時執(zhí)行的情況，使上升或下降沿平移，分別造成同步誤差和脈沖寬度變化。為此，軟件中使用定時器監(jiān)視高電平和低電平輸出指令的執(zhí)行時間，與設定的上限比較。當超出上限時，設置一個標記，待完成數(shù)據(jù)采集后將該組數(shù)據(jù)取消。圖3為產(chǎn)生門信號的軟件流程。超時情況下仍需完成數(shù)據(jù)采集，目的是等待這一批離子穿過遷移管。否則，若發(fā)現(xiàn)超時后立即返回執(zhí)行門脈沖輸出指令，會造成連續(xù)兩次打開離子門。上限值的大小，應根據(jù)情況適應調(diào)整。上限值大，定時誤差大；上限值小，采集效率低。為避免出現(xiàn)超時，PC機配置應盡可能高，采集數(shù)據(jù)時不要執(zhí)行其他操作。圖4是用示波器間隔2 min測得的兩個脈沖后沿，均以脈沖前沿觸發(fā)。兩后沿的時間差反映脈沖寬度誤差。

圖3 離子門信號軟件流程

圖4 脈沖后沿的抖動范圍

3.2.4 輸出匹配

離子門驅(qū)動電路是一個光電耦合器(Moc 3042)。為防止產(chǎn)生高頻振蕩。可在PCI2003與光電耦合器之間接入一個射極跟隨器作為隔離。

3.3 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

數(shù)據(jù)采集是系統(tǒng)的核心功能，主要考慮采集速度、與離子門同步、程控增益、數(shù)據(jù)處理等問題。采集卡的主要性能有：100 kHz 12位A/D轉(zhuǎn)換器， 建立時間10 μs，程控增益1、10、100、1 000(PGA202)倍[3]。

數(shù)據(jù)采集過程與離子門同步工作，周期采集微電流放大器的輸出信號。當離子門打開時開始A/D轉(zhuǎn)換，完成1 Kbit(卡上緩存數(shù)量)數(shù)據(jù)時停止并讀入數(shù)據(jù)。程序控制轉(zhuǎn)換速率等于采樣周期除以緩存數(shù)(1 K)，保證每個采樣周期有1 K采樣點。這樣每次采樣的點數(shù)相同，且能充分使用緩存，但時間分辨率不同(也可以采用固定采樣率的方法。考慮到前者采集效率更高，選擇了固定采樣點數(shù)的方法)。使用軟件方法保證采樣與離子門的同步，即軟件觸發(fā)采集后立即輸出門信號。同步誤差與PC機的運行速度有關。根據(jù)信號最大值自動調(diào)整采集卡增益，保證A/D轉(zhuǎn)換工作在正常范圍(微放增益為108～109 V/A時，采集卡增益一般為102～103)。數(shù)據(jù)處理方面主要注意兩點：

(1)數(shù)字濾波及多次采樣平均。實際信號信噪比較低，約為-20～26 dB。為提高信噪比，分別對每次采樣信號進行一階數(shù)字濾波(時間常數(shù)約為采樣間隔的1.5倍)，然后對多次采樣信號進行平均(平均次數(shù)1～155)。

(2)發(fā)現(xiàn)被檢物時自動報警。根據(jù)被檢物的遷移率、遷移管工作溫度、電場強度等參數(shù)，計算得到出峰時間；然后動態(tài)監(jiān)視該點數(shù)值變化量對基線變化量的比值，該數(shù)值超限時報警并保存當前數(shù)據(jù)。

3.4 遷移管溫度、流量控制系統(tǒng)設計

準確控制遷移管的溫度是IMS工作的必要條件，應該對遷移區(qū)、樣氣、漂氣、進樣器等多點溫度進行控制或測量[6]。實驗中依據(jù)遷移管的結(jié)構(gòu)和樣品的情況確定溫度值，通常在300 ℃以下。使用電加熱板或加熱帶作加熱元件，K分度號熱電偶測溫。采集卡直接測量熱電勢(手工做冷端補償)，PID運算結(jié)果由D/A輸出控制固態(tài)繼電器(SSR)。溫度控制效果與熱電偶安裝位置關系密切。最初安裝在加熱板旁，測溫速度快、穩(wěn)定度高，但遷移管內(nèi)部升溫慢、溫度誤差大；改進后，熱電偶安裝在圖1所示位置。另外，PC機可靠性較差，除軟件中采取保護措施外，還必須設置硬件過熱保護報警裝置。

4 實驗結(jié)果

實驗裝置見圖1(測溫點在加熱板旁)，電離源63Ni 15mCi箔片，遷移區(qū)長度11 cm，電場強度301 V/cm，漂移氣和載氣均為空氣。圖5給出背景及TNT樣品的測試結(jié)果。實驗參數(shù)如下：溫度100 ℃、開門時間0.5 ms、平均次數(shù)64、采集周期50 ms。圖中曲線1是背景，遷移時間13.67 ms處是空氣峰。曲線2是TNT樣品的測試曲線，13.23 ms處是空氣峰，18.80 ms是TNT峰。兩曲線的空氣峰相差0.44 ms，估計是由于測溫點遠離遷移區(qū)，導致遷移區(qū)溫度波動造成的。

圖5 遷移譜圖

圖6反映數(shù)字濾波對采樣結(jié)果的影響。實驗裝置同上，實驗參數(shù)：溫度常溫、開門時間0.2 ms、平均次數(shù)128、采集周期25 ms。3條曲線均為背景曲線，圖中為便于區(qū)分，1、3兩組數(shù)據(jù)分別加2 mV、-2 mV的移動。曲線1不經(jīng)過數(shù)字濾波，曲線2濾波時間常數(shù)0.04 ms，曲線3濾波時間常數(shù)1 ms。

圖6 不同濾波時間常數(shù)對比

表1是圖6數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。其中基線平均值和基線標準差是前600個(15 ms)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果，可以看出，濾波時間常數(shù)越大，濾波效果越明顯。半高寬、峰值時間和峰高(括號內(nèi)為實測值)是圖6經(jīng)高斯擬合得到的?？梢园l(fā)現(xiàn)：合適的濾波時間可以提升峰高，但峰寬和峰值時間都隨濾波時間增大。因此，數(shù)字濾波能夠減小隨機干擾、提高信噪比，但也會對遷移時間及峰型產(chǎn)生影響，應通過實驗確定最佳濾波時間常數(shù)。

表1 數(shù)字濾波時間常數(shù)的影響

5 結(jié)束語

本文采用PCI與VB結(jié)合的開發(fā)方式設計基于數(shù)據(jù)采集卡的IMS測控系統(tǒng)并通過實驗驗證方案可行性，使用該系統(tǒng)可以為調(diào)子遷移譜儀的研制提供有效的支持。經(jīng)過一段時間的實驗和測試，表明不同采集卡的性能各有不同，PCI卡的運行速度快，性能穩(wěn)定，但必須配用臺式機；USB采集卡的通訊速度慢，無法實現(xiàn)實時處理。當使用USB卡的硬件定時器產(chǎn)生離子門信號時，系統(tǒng)總體性能能夠接近PCI卡的性能。為大氣污染物、爆炸物的IMS檢測技術的研究中發(fā)揮重要作用。