掃描式ICP-AES控制系統研究

(1.北京工商大學 材料與機械工程學院，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射光譜儀(Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，簡稱ICP-AES)是以電感耦合等離子體為激發光源的原子發射光譜分析技術，是根據每種原子或離子在熱或電的激發下，處于激發態的待測元素原子回到基態時所激發輻射出各種不同特征波長的復合光而進行元素定性和定量分析的一種方法。由于待測元素原子濃度與光譜發射強度成正比，可以根據每種元素發射的譜線強度實現元素的定量測定，并且ICP-AES光譜儀具有多元素同時檢測能力、分析速度快、準確度高、檢出限低、較容易建立分析方法等特點。現已被廣泛應用于稀土、冶金、化工、農業、地礦、食品、環保、有機和無機材料、醫學等眾多領域。本課題所研發的控制系統采用高性能的主控與關鍵功能芯片與通信技術完成對ICP-AES光譜儀的控制[1]。

1 電感耦合等離子體原子發射光譜儀的總體結構及工作原理

該分析儀器主要由ICP發生裝置、分光系統、光電轉換、嵌入式控制系統以及分析軟件等組成。其中ICP發生裝置又包括高頻發生器和感應線圈、石英炬管和供氣系統、進樣系統等三部分。電感耦合等離子體原子發射光譜儀的結構框圖如圖1所示。

ICP-AES光譜儀的工作原理：待測樣品經預處理后被送入霧化器霧化，使形成的樣品氣溶膠進入到ICP焰炬。高頻發生器產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以后在冷卻過程中以光的形式輻射出不同波長的特征譜線，通過透鏡進入到掃描分光器的光柵上，由計算機控制步進電機驅動。光電轉換器件將特征譜線光強轉變為光電流，光電流經放大、濾波后輸入到模數轉換器變換后通過串口與計算機相連，最后將數據傳遞給計算機控制軟件進行分析和處理。

圖1 電感耦合等離子體原子發射光譜儀的結構框圖

2 電感耦合等離子體原子發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，其結構圖如圖2所示。

圖2 等離子體炬管結構圖

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“點燃”等離子體；中心管用于導入霧化氣，其作用是：形成樣品氣溶膠，將樣品氣溶膠引入ICP，對霧化器、霧化室及中心管起清洗作用。對專供光譜分析用的ICP光源來說，最重要的是形成一個環形或具有通道的等離子體，因為當氣溶膠通過一個環形或具有通道的等離子體時，所形成的尾焰又長又窄且邊界分明，在環狀ICP上，單位體積的發射很強，用這種尾焰作光譜光源時，可得到很好的檢測能力和靈敏度。

2.2 霧化器

霧化器的種類有很多，主要包括氣動霧化器和超聲霧化器。考慮到經濟因素和操作方便性，選用全玻璃同心式氣動霧化器。玻璃同心型霧化器具有良好的長期穩定性、記憶效應小、耐酸等優點，但由于其環狀出口處的間隙很小，所以很容易被堵塞。全玻璃同心型氣動霧化器的結構圖如圖3所示。

圖3 全玻璃同心型氣動霧化器的結構圖

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。

2.3 霧化室

由于氣動霧化器所產生的氣溶膠都具有高度的分散性，其霧滴直徑可達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。其結構圖如圖4所示。它是由兩個同心的玻璃管組成，同心型玻璃霧化器的噴嘴與霧化室左側連接，工作時載氣攜帶氣溶膠進入霧化室，在內管霧化后，經外管反向流出，由上部出口進入等離子體炬管。

圖4 霧化室結構圖

2.4 分光系統

分光系統是將激發試樣所得到的輻射光分解成按波長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。分光系統置于光譜儀內的局部恒溫環境中，以保證光學系統的穩定性[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。而在光譜系統中通常希望要有適當的波長選擇和能從被監測的輻射源的特定區域中采集到盡可能多的光，為達到這兩個目標，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，用來接收光信號并轉換為電流信號，然后傳送給信號處理電路及數據采集和處理。其光柵掃描機構為轉動光柵型，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，通過調制入射光的振幅，從而改變了入射光反射系數的分布。本系統采用的是衍射光柵，其刻痕密度為1200～3600條/mm。

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

3 電感耦合等離子體原子發射光譜儀控制系統組成

控制系統是整個儀器的核心，是用來控制儀器各個部分之間的協調工作，所以就要求其不僅具有高速運算的能力而且能夠實時發出各種控制命令，驅動各個部件統一運行，同時又能和計算機進行實時數據交換。控制系統主要由高頻發生器、信號采集、步進電機細分驅動、通訊接口等組成。主控電路結構如圖6所示。

圖6 主控電路結構圖

3.1 核心控制器的選擇

核心控制系統采用ST公司STM32F4xx MCU。該控制器擁有180MHz 主頻，包括32位內核和浮點運算單元，支持單周期指令、高效率的數字信號處理單元，工作電壓為1.7V～3.6V。

STM32F4相對于STM32F1主要優勢如表1所示。

表1 STM32F4XX、STM32F1XX的性能對比

對于STM32F1與STM32F4相同的外設部分，STM32F4具有更高的模數轉換速度、更低的ADC/DAC工作電壓、32位定時器、IO復用功能大大增強、更快的USART和SPI通信速度。

3.2 高頻發生器的設計

ICP高頻發生器是產生等離子體炬的核心裝置，其功率穩定度是衡量ICP高頻發生器優劣的重要指標，高頻功率穩定與否，將直接影響譜線的精度，影響分析結果的準確性[3]，因此從光譜分析上要求發生器的高頻功率越穩越好，但是高穩定度的發生器造價高，故根據不同類型的光譜分析要求，選擇滿足其要求的穩定度。本系統選用他激式高頻發生器，其優點是輸出效率高、振蕩頻率穩定。

高頻發生器的工作頻率是形成等離子體環狀結構的重要條件。本研究采用高穩定度的石英晶體作振源。通過倍頻和放大供給激勵級，進一步通過功率放大級、匹配網絡、定向耦合器以及匹配電路輸出到負載。根據該掃描光譜儀的工作要求，本系統選擇27.12MHz，輸出功率常為1.0～2.0kW。高頻發生器設計框圖如圖7所示。

圖7 高頻發生器設計框圖

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，采用一體化結構[4]。高頻電源與負載之間的匹配狀態會影響電能的傳輸效率，兩者電抗相等時其功率傳輸效率最高，故采用由可調電容和電感組成的調諧電路。其功能是調節可變電容使負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，維持等離子體穩定運行。

3.3 光電倍增管驅動電路的設計

在光譜分析儀器中，由光信號轉換為電信號的過程中，光電倍增管起到一個光電轉換的作用。光電倍增管的高壓接口給光電倍增管提供高壓。負高壓的大小決定光電倍增管的放大倍數，負高壓越高，放大倍數越高。負高壓值低，光電倍增管靈敏度就低，直接影響到檢測光信號的強度；負高壓過高，雖然光電倍增管的靈敏度提高了，但是管子內部的光子噪聲也相應的被放大，其結果直接影響到檢測光信號的噪聲和重現性。

針對待檢測的等離子體放電過程產生的波長范圍為190nm～800nm，因此綜合考慮各種光電倍增管的相關參數，最終選用能有效覆蓋其光譜范圍的H11461P-11作為本光電檢測系統的光電檢測器。

3.4 信號處理與A/D轉換電路的設計

信號處理的目的是增加測量準確度及線性動態范圍。由于光電倍增管輸出的電流信號非常微弱，所以需經處理后再輸入到計算機。

本系統采用凌力爾特公司的LTC2508-32作為A/D轉換芯片。該芯片是一款低噪聲、低功耗、高性能的32 位ADC，具有一個集成的可配置數字濾波器。為了能夠最大限度地縮減采集期間的穩定時間，從而優化ADC的線性，前級應采用一個緩沖放大器來驅動LTC2508-32的模擬輸入。放大器設計時要保證足夠的帶寬，以提高信號的響應速度，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現了模擬信號的快速穩定，另外，它還在信號源與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導致ADC噪聲和失真的增加，故應采用一個低帶寬濾波器在緩沖放大器之前對含有噪聲的輸入信號進行濾波，以最大限度地降低噪聲。可以使用簡單單極點RC低通濾波器。另還應在緩沖器和 ADC 輸入之間采用一個耦合濾波器網絡，旨在盡量地抑制因采樣瞬變而反射至緩沖器中的擾動[5]。AD轉換芯片電路原理如圖8所示。

3.5 步進電機細分驅動電路的設計

步進電機是帶動光柵進行光譜掃描的主要部件，為了能夠獲得較好的分辨率，光柵轉動的角度應盡量要小，所以步進電機的步距角要在細分的基礎上實現多級細分[6]。

圖8 AD轉換芯片電路原理圖

本系統中步進驅動模塊實現了超小細分驅動控制設計，使得電機轉矩波動小、低速運行平穩、極小振動和噪音、高速時輸出力矩大以及定位精度高。該控制系統硬件有STM32F4xx芯片、TMC26x驅動模塊、兩相步進電機，硬件電路外圍元件少、集成度高。其中TMC26x是一款兩相步進電機驅動芯片，精度高，節能效果好，高達256細分步[7]。步進電機驅動器需要主控電路提供方向信號和步進脈沖信號，最后經細分之后，主控電路每給一個脈沖，步進電機轉動0.007°。控制系統結構框圖如圖9所示。

圖9 控制系統結構圖

3.6 通信接口設計

通信接口的作用是將光譜儀采集到的數據發送給PC機，對其基本要求有兩點：帶寬和可靠。根據工作要求本課題的通訊接口采用工業控制總線RS-485接口實現MCU和計算機之間的連接。因為RS485具有接口電平低，不易損壞芯片、傳輸速率高、抗干擾能力強、傳輸距離遠，支持節點多等特點。考慮到將來的發展和改進，選擇帶寬余量較大的通信協議，同時保證數據通訊的可靠性。

本課題采用SP3485作為收發器，該芯片支持3.3V供電，最大傳輸速度可達10Mbps，支持多達32個節點，并且有輸出短路保護。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定為2線，半雙工，多點通信的標準。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。RS485僅僅規定了接收端和發送端的電氣特性。它沒有規定或推薦任何數據協議。

CAN總線協議就是為了保證通訊(收發)數據在CAN總線上能穩定傳輸而制定的一套協議。CAN經過ISO標準化后有兩個標準：ISO11898標準和ISO11519-2標準。其中ISO11898是針對通訊速率為125Kbps∽1Mbps的高速通訊標準，而ISO11519-2是針對通訊速率為125Kbps以下的低速通訊標準。本課題使用的是500Kbps的通訊速率，使用的是ISO11898標準。

CAN協議具有多主控制、系統柔韌性、速度快，距離遠、具有錯誤檢測、錯誤通知和錯誤恢復功能、故障封閉、連接節點多等特點，正是因為CAN協議的這些特點，使得CAN特別適合工業過程監控設備的互連。本課題采用CAN總線實現等離子體火焰控制器與掃描系統和數據采集控制器之間的交換數據，以保證頻繁交換數據的專用性、快速性與可靠性。CAN控制器根據兩根線上的電位差來判斷總線電平。總線電平分為顯性電平和隱形電平，二者必居其一。發送方通過使總線電平發生變化，將消息發送給接收方。

CAN總線與其它通信協議的不同之處主要有兩方面：一是報文傳送不包含目標地址，它是以全網廣播為基礎，各接收站根據報文中反映數據性質的標識符過濾報文；另外一個方面就是強化了數據安全性，滿足控制系統及其它較高數據要求系統的需求。

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

圖11 CAN接口電路

TJA1050是CAN協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送性能，為CAN控制器提供不同的接收性能，而且它與“ISO11898”標準完全兼容[8]。

4 結束語

該電感耦合等離子體原子發射光譜儀用于測定各種物質(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。采用先進的電子電路系統和網絡接口的通訊方式，實現了儀器的尋峰、測試、譜圖描跡快等優點。

電感耦合等離子體原子發射光譜儀的研發成功，極大提高了該分析領域的技術水平，而且全中文操作界面，更方便國內使用，在分析速度、精度方面都可以與國外同類產品相競爭，并具有成本和維護費用低的特點，適合在我國推廣。