扫描式ICP-AES控制系统研究

2019-04-04

分析仪器 2019年2期

(1.北京工商大学材料与机械工程学院，北京100048；2.北京泊菲莱科技有限公司，北京100081)

电感耦合等离子体原子发射光谱仪(Inductively coupled plasma atomic emission spectrometry，简称ICP-AES)是以电感耦合等离子体为激发光源的原子发射光谱分析技术，是根据每种原子或离子在热或电的激发下，处于激发态的待测元素原子回到基态时所激发辐射出各种不同特征波长的复合光而进行元素定性和定量分析的一种方法。由于待测元素原子浓度与光谱发射强度成正比，可以根据每种元素发射的谱线强度实现元素的定量测定，并且ICP-AES光谱仪具有多元素同时检测能力、分析速度快、准确度高、检出限低、较容易建立分析方法等特点。现已被广泛应用于稀土、冶金、化工、农业、地矿、食品、环保、有机和无机材料、医学等众多领域。本课题所研发的控制系统采用高性能的主控与关键功能芯片与通信技术完成对ICP-AES光谱仪的控制[1]。

1 电感耦合等离子体原子发射光谱仪的总体结构及工作原理

该分析仪器主要由ICP发生装置、分光系统、光电转换、嵌入式控制系统以及分析软件等组成。其中ICP发生装置又包括高频发生器和感应线圈、石英炬管和供气系统、进样系统等三部分。电感耦合等离子体原子发射光谱仪的结构框图如图1所示。

ICP-AES光谱仪的工作原理：待测样品经预处理后被送入雾化器雾化，使形成的样品气溶胶进入到ICP焰炬。高频发生器产生的高频电流通过电感线圈加到石英炬管上，使样品中的元素受到高温激发以后在冷却过程中以光的形式辐射出不同波长的特征谱线，通过透镜进入到扫描分光器的光栅上，由计算机控制步进电机驱动。光电转换器件将特征谱线光强转变为光电流，光电流经放大、滤波后输入到模数转换器变换后通过串口与计算机相连，最后将数据传递给计算机控制软件进行分析和处理。

图1 电感耦合等离子体原子发射光谱仪的结构框图

2 电感耦合等离子体原子发射光谱仪的硬件组成

2.1 石英炬管

等离子体炬管是形成ICP的核心部件，它是外型为圆柱体的三层同心石英炬管，其结构图如图2所示。

图2 等离子体炬管结构图

该石英炬管的外管与中间管之间通入的氩气作冷却使用，用于保护石英炬管免被高温融化；中间管与中心管之间通入的氩气作为辅助气使之电离形成等离子体并引入电火花用来“点燃”等离子体；中心管用于导入雾化气，其作用是：形成样品气溶胶，将样品气溶胶引入ICP，对雾化器、雾化室及中心管起清洗作用。对专供光谱分析用的ICP光源来说，最重要的是形成一个环形或具有通道的等离子体，因为当气溶胶通过一个环形或具有通道的等离子体时，所形成的尾焰又长又窄且边界分明，在环状ICP上，单位体积的发射很强，用这种尾焰作光谱光源时，可得到很好的检测能力和灵敏度。

2.2 雾化器

雾化器的种类有很多，主要包括气动雾化器和超声雾化器。考虑到经济因素和操作方便性，选用全玻璃同心式气动雾化器。玻璃同心型雾化器具有良好的长期稳定性、记忆效应小、耐酸等优点，但由于其环状出口处的间隙很小，所以很容易被堵塞。全玻璃同心型气动雾化器的结构图如图3所示。

图3 全玻璃同心型气动雾化器的结构图

它是由两根同心玻璃管组成，在样品吸入管中插上一根毛细管，从而使“液体死容积”降低到最小程度，就可以提高样品分析的效率并减弱记忆效应。

2.3 雾化室

由于气动雾化器所产生的气溶胶都具有高度的分散性，其雾滴直径可达100μm，所以这些大雾滴必须用雾化室除去。通常选用双管雾化室用于ICP光谱法的雾化室。其结构图如图4所示。它是由两个同心的玻璃管组成，同心型玻璃雾化器的喷嘴与雾化室左侧连接，工作时载气携带气溶胶进入雾化室，在内管雾化后，经外管反向流出，由上部出口进入等离子体炬管。

图4 雾化室结构图

2.4 分光系统

分光系统是将激发试样所得到的辐射光分解成按波长顺序排列的单色光的装置，常用的分光组件有棱镜和光栅两类。分光系统置于光谱仪内的局部恒温环境中，以保证光学系统的稳定性[2]。

本课题所研究的ICP单道扫描型光谱仪采用光栅作为分光组件。而在光谱系统中通常希望要有适当的波长选择和能从被监测的辐射源的特定区域中采集到尽可能多的光，为达到这两个目标，扫描分光器包括入射狭缝、入射反射镜、光栅、出射反射镜、出射狭缝。在出射狭缝后面安装光电倍增管，用来接收光信号并转换为电流信号，然后传送给信号处理电路及数据采集和处理。其光栅扫描机构为转动光栅型，光路图如图5所示。

图5 ICP-AES光谱仪光路图

光栅根据其工作方式分为两类，一类是透射光栅，另一类是反射光栅，二者都属于振幅光栅，通过调制入射光的振幅，从而改变了入射光反射系数的分布。本系统采用的是衍射光栅，其刻痕密度为1200～3600条/mm。

以往光栅扫描机构采用正弦机构，由于加工和装配上不能保障机械精度，造成扫描回差大，为了改善这种状况，改用蜗轮蜗杆传动机构，由于加工精度高，装配合理，所以扫描精度可在0.001nm之内。

3 电感耦合等离子体原子发射光谱仪控制系统组成

控制系统是整个仪器的核心，是用来控制仪器各个部分之间的协调工作，所以就要求其不仅具有高速运算的能力而且能够实时发出各种控制命令，驱动各个部件统一运行，同时又能和计算机进行实时数据交换。控制系统主要由高频发生器、信号采集、步进电机细分驱动、通讯接口等组成。主控电路结构如图6所示。

图6 主控电路结构图

3.1 核心控制器的选择

核心控制系统采用ST公司STM32F4xx MCU。该控制器拥有180MHz 主频，包括32位内核和浮点运算单元，支持单周期指令、高效率的数字信号处理单元，工作电压为1.7V～3.6V。

STM32F4相对于STM32F1主要优势如表1所示。

表1 STM32F4XX、STM32F1XX的性能对比

对于STM32F1与STM32F4相同的外设部分，STM32F4具有更高的模数转换速度、更低的ADC/DAC工作电压、32位定时器、IO复用功能大大增强、更快的USART和SPI通信速度。

3.2 高频发生器的设计

ICP高频发生器是产生等离子体炬的核心装置，其功率稳定度是衡量ICP高频发生器优劣的重要指标，高频功率稳定与否，将直接影响谱线的精度，影响分析结果的准确性[3]，因此从光谱分析上要求发生器的高频功率越稳越好，但是高稳定度的发生器造价高，故根据不同类型的光谱分析要求，选择满足其要求的稳定度。本系统选用他激式高频发生器，其优点是输出效率高、振荡频率稳定。

高频发生器的工作频率是形成等离子体环状结构的重要条件。本研究采用高稳定度的石英晶体作振源。通过倍频和放大供给激励级，进一步通过功率放大级、匹配网络、定向耦合器以及匹配电路输出到负载。根据该扫描光谱仪的工作要求，本系统选择27.12MHz，输出功率常为1.0～2.0kW。高频发生器设计框图如图7所示。

图7 高频发生器设计框图

为了降低传输引起的高频损耗，将高频电源和等离子体炬管装在一起，采用一体化结构[4]。高频电源与负载之间的匹配状态会影响电能的传输效率，两者电抗相等时其功率传输效率最高，故采用由可调电容和电感组成的调谐电路。其功能是调节可变电容使负载与高频电源之间阻抗相匹配，以保持等离子体获得足够的功率，维持等离子体稳定运行。

3.3 光电倍增管驱动电路的设计

在光谱分析仪器中，由光信号转换为电信号的过程中，光电倍增管起到一个光电转换的作用。光电倍增管的高压接口给光电倍增管提供高压。负高压的大小决定光电倍增管的放大倍数，负高压越高，放大倍数越高。负高压值低，光电倍增管灵敏度就低，直接影响到检测光信号的强度；负高压过高，虽然光电倍增管的灵敏度提高了，但是管子内部的光子噪声也相应的被放大，其结果直接影响到检测光信号的噪声和重现性。

针对待检测的等离子体放电过程产生的波长范围为190nm～800nm，因此综合考虑各种光电倍增管的相关参数，最终选用能有效覆盖其光谱范围的H11461P-11作为本光电检测系统的光电检测器。

3.4 信号处理与A/D转换电路的设计

信号处理的目的是增加测量准确度及线性动态范围。由于光电倍增管输出的电流信号非常微弱，所以需经处理后再输入到计算机。

本系统采用凌力尔特公司的LTC2508-32作为A/D转换芯片。该芯片是一款低噪声、低功耗、高性能的32 位ADC，具有一个集成的可配置数字滤波器。为了能够最大限度地缩减采集期间的稳定时间，从而优化ADC的线性，前级应采用一个缓冲放大器来驱动LTC2508-32的模拟输入。放大器设计时要保证足够的带宽，以提高信号的响应速度，而且线性要好。该放大器提供了低输出阻抗，从而在采集阶段中实现了模拟信号的快速稳定，另外，它还在信号源与ADC输入电流之间提供了隔离。

由于输入缓冲放大器和其他支持电路的噪声和失真会导致ADC噪声和失真的增加，故应采用一个低带宽滤波器在缓冲放大器之前对含有噪声的输入信号进行滤波，以最大限度地降低噪声。可以使用简单单极点RC低通滤波器。另还应在缓冲器和 ADC 输入之间采用一个耦合滤波器网络，旨在尽量地抑制因采样瞬变而反射至缓冲器中的扰动[5]。AD转换芯片电路原理如图8所示。

3.5 步进电机细分驱动电路的设计

步进电机是带动光栅进行光谱扫描的主要部件，为了能够获得较好的分辨率，光栅转动的角度应尽量要小，所以步进电机的步距角要在细分的基础上实现多级细分[6]。

图8 AD转换芯片电路原理图

本系统中步进驱动模块实现了超小细分驱动控制设计，使得电机转矩波动小、低速运行平稳、极小振动和噪音、高速时输出力矩大以及定位精度高。该控制系统硬件有STM32F4xx芯片、TMC26x驱动模块、两相步进电机，硬件电路外围元件少、集成度高。其中TMC26x是一款两相步进电机驱动芯片，精度高，节能效果好，高达256细分步[7]。步进电机驱动器需要主控电路提供方向信号和步进脉冲信号，最后经细分之后，主控电路每给一个脉冲，步进电机转动0.007°。控制系统结构框图如图9所示。

图9 控制系统结构图

3.6 通信接口设计

通信接口的作用是将光谱仪采集到的数据发送给PC机，对其基本要求有两点：带宽和可靠。根据工作要求本课题的通讯接口采用工业控制总线RS-485接口实现MCU和计算机之间的连接。因为RS485具有接口电平低，不易损坏芯片、传输速率高、抗干扰能力强、传输距离远，支持节点多等特点。考虑到将来的发展和改进，选择带宽余量较大的通信协议，同时保证数据通讯的可靠性。

本课题采用SP3485作为收发器，该芯片支持3.3V供电，最大传输速度可达10Mbps，支持多达32个节点，并且有输出短路保护。其RS485接口电路如图10所示。

图10 RS485接口电路

RS485是隶属于OSI模型物理层的电气特性规定为2线，半双工，多点通信的标准。它的电气特性和RS232不大一样。用缆线两端的电压差值来表示传递信号。RS485仅仅规定了接收端和发送端的电气特性。它没有规定或推荐任何数据协议。

CAN总线协议就是为了保证通讯(收发)数据在CAN总线上能稳定传输而制定的一套协议。CAN经过ISO标准化后有两个标准：ISO11898标准和ISO11519-2标准。其中ISO11898是针对通讯速率为125Kbps∽1Mbps的高速通讯标准，而ISO11519-2是针对通讯速率为125Kbps以下的低速通讯标准。本课题使用的是500Kbps的通讯速率，使用的是ISO11898标准。

CAN协议具有多主控制、系统柔韧性、速度快，距离远、具有错误检测、错误通知和错误恢复功能、故障封闭、连接节点多等特点，正是因为CAN协议的这些特点，使得CAN特别适合工业过程监控设备的互连。本课题采用CAN总线实现等离子体火焰控制器与扫描系统和数据采集控制器之间的交换数据，以保证频繁交换数据的专用性、快速性与可靠性。CAN控制器根据两根线上的电位差来判断总线电平。总线电平分为显性电平和隐形电平，二者必居其一。发送方通过使总线电平发生变化，将消息发送给接收方。

CAN总线与其它通信协议的不同之处主要有两方面：一是报文传送不包含目标地址，它是以全网广播为基础，各接收站根据报文中反映数据性质的标识符过滤报文；另外一个方面就是强化了数据安全性，满足控制系统及其它较高数据要求系统的需求。

由于CAN总线不能直接连接到STM32F4xx，所以本课题使用电平转换芯片TJA1050做CAN电平转换，其接口电路如图11所示。