2020年01月20日 | 基于现场总线的X射线能谱分析仪软件设计

    X射线荧光分析仪近年来广泛应用于建材、冶金、采矿等行业，可对物料或产品成份组成和含量进行快速、无损的物理分析，其分析结果不仅依赖于该仪器的各项技术指标，还取决于所使用的分析方法。因此，自从X射线荧光分析仪研制成功以后，无论在国际还是在国内，分析方法和软件开发的研究成为改善仪器分析精度、扩大使用范围的主要研究内容。近年来，随着现场总线技术的不断发展，传统化学分析方法因其无法实现数字化自动输入逐渐被现代电子测量分析仪器所取代，本文结合实践经验对开发应用于自动化生产总线结构中的X射线荧光分析仪物质成分定量分析的能谱分析方法和软件开发做一探讨。

1 能谱分析
1.1 基本测量原理
    高能光子(X射线)或高速带电粒子轰击样品中的原子时，会将自己的一部分能量传递给原子，从而激发原子中的某些能级上的电子，原子中的空穴由外层轨道上的电子填满，多余的能量以X射线的形式释放出来。各种元素所发出的X射线光子具有不同的特征能量，称为该元素的X特征射线。因此，利用连续X射线轰击样品，使之产生荧光光谱，再通过由单板机构成的多道脉冲幅度分析器和计算机对特征谱线进行检测、鉴别、分析，则可对样品中的元素组成进行定性或定量分析。并将分析结果经总线直接传送至中控室实现真正的闭环控制。其结构框图如图1所示：

1.2 谱数据处理
    由图1可知，由射线探测器得到的能谱脉冲信号经放大器和多道分析器，进入微机系统。计算机通过软件对X射线能谱的常规数据进行处理，从而对样品的含量做定性和定量分析。谱数据处理包括：原始谱数据的光滑；自动寻峰及确定峰位的能量：待测元素的定性分析：峰边界道的确定；峰面积计算等内容。

    (1)原始谱数据的光滑预处理
    由于测量过程的统计性原理误差，使得X射线谱形式带有统计涨落的特点。所获取的X射线谱统计误差更为明显。在寻峰时，计数的统计涨落可能被误认为是一个谱峰，因此需要对谱先进行光滑预处理。本系统选用二阶多项式五点光滑法。具体计算公式为：

式中，ni-2、ni-1、ni+1、ni+2为待光滑的第i道光滑前及光滑后的计数。在进行谱线光滑时，可以重复数次，以达到需要的光滑效果。

    (2)自动寻峰
    从获取的X射线谱中找到峰位并换算成相应的能量是X射线能谱定性分析的基础。本软件系统选用比较法作为计算机自动寻峰的方法。具体方法如下
    如果第i道计数满足以下不等式：

    则认为峰位在i-1，i，i+l道中，再从这三道中选出计数最大的道址即为峰位。k为找峰阈值，一般取值为1—1.5。

    (3)系统的能量刻度
    能量刻度是确定本测量系统的道址m与Ｘ射线能量E之关系。即：

    经过自动寻峰得到特征X射线的峰位m，代入(3)式即可求解出该峰位对应的X射线能量。经与元素特征X射线能量库的逐一检索、查证，即可确定待测元素的种类。

    (4)峰边界道的确定?
    准确计算特征峰的净峰面积是定量分析的依据。为此，必须根据实际情况确定特征峰的边界道址。由于采用的半导体探测器具有很好的能量分辨率，对于较高含量的元素，一般都能得到清晰的谱峰。因此，我们采用谱峰的全宽度做为确定本底计数的依据。

    (5)净峰面积计算
    本系统选用沃森法计算净峰面积(图2)。在峰边界L、H内取点F作为计算本底的宽度(F又称为面积因子)，β1，β2为左、

2 软件开发
2.1 软件系统构成
    软件系统是进行能谱分析实现物质元素定性、定量分析的基础，也是“荧光分析仪”的重要组成部分，本系统以Windows98为工作平台，Microsoft Visual C++6.0为开发工具。

    (1)软件系统框图
    计算机通过接口与硬件多道脉冲幅度分析器(MCA)相连，转换结果直接通过接口部分送入计算机，由计算机完成采集、显示、处理以及数据通讯。整个软件系统主要包括文件管理、数据采集、谱数据显示、数据通讯、能量刻度、系数标定、谱分析等几部分，其结构如图3所示。

    (2)主要的类
    本软件是多任务系统，在软件设计时通过建立不同的“类”来管理各项任务。下面简单介绍软件中建立的主要“类”：
    (1)主框架类。主要完成生成各模块的工具条、状态条及返回程序的主界面对话框。
    (2)应用程序类。主要完成创建文档模块类，启动应用程序。
    (3)文档类。主要完成谱数据管理的功能。如打开、保存谱数据文件；能量刻度；谱分析计算。
    (4)视类。主要完成屏幕显示的功能。如谱线显示；含量显示；加亮操作；数据采集等。
    (5)子框架类。完成与框架窗口有关的功能。

    根据需要，除了上述的主要的类外，本软件还包括许多为获得用户输入的对话框建立的对话框类。如：编辑元素库对话框类，手动计算含量对话框类，系数标定对话框类。寻峰求分辨率对话框类，能量刻度的对话框类，选择测量样品种类对话框类以及设置采集参数对话框和串口数据通讯类等。

2.2 主要模块功能简介
    (1)谱数据显示模块

    该软件系统采用Windows标准窗口界面，主要由菜单条、工具条、状态条、谱线显示区等几部分组成。窗口如图4所示。

    菜单条包括文件、采集、显示、分析、查看等各主要功能项，点击菜单条中项目可弹出下拉菜单。

    工具条中加入了较常用的功能按钮。如：开始测量、停止测量、清除数据、转样、能量刻度等功能。

    状态条中显示当前光标所在的道址、能量、计数、纵坐标大小、测量时间、测量状态等信息。在测量显示区内，为测量时便于观察数据情况，直接以谱线形式显示全谱的情况，监测整体测量情况。含量显示区在主窗口的右上角，每次样品测量结束后，显示含量更新，在测量过程中可显示前一样品的分析含量。

    该软件是一个多文档用户窗口，可以同时打开多个谱文件，便于几条谱线的对比、查看。

    (2)数据采集模块
    数据采集模块包括参数设置、开始测量、停止测量、清除数据、控制转样五部分。系统与多道脉冲幅度分析器之间通过并口进行数据传输。

    (3)能量刻度模块?
    能量刻度是指道址和能量的关系。经标准元素样品检测，在本仪器中道址与能量具有良好的线性关系，所以采用直线来描述能量刻度曲线。

    (4)系数标定模块
    X荧光分析是根据样品中被分析元素的特征射线峰的峰面积与样品中该元素的含量成分正比线性关系的原理进行样品分析的。在进行样品分析前，必须先进行系数标定，即建立样品中被分析元素特征峰峰面积与该元素化学分析结果之间的工作曲线。

    (5)谱分析模块
    谱分析模块包括：寻峰、谱光滑、含量计算等。

    (6)数据通讯模块
    在自动化生产线上，配料比例是根据样品分析系统返回给总控制系统的样品分析结果，然后再由总控制系统向自动进料系统发控制命令，以调整配料的。本软件系统与总控制系统之间采用通讯协议，通过485接口完成样品分析结果数据向总线控制系统的传输，从而实现整个生产系统的自动闭环控制。样品测量结束后，系统立即分析，当控制系统向系统发出取数命令后，本系统立即响应?将分析结果传输给控制系统。

    (7)文件管理模块
    当每次测量结束时，系统可根据用户选择的测样种类，将样品谱数据和分析结果文件自动保存在相应的文件夹下。

3 系统分析准确性验证
    将本系统用于水泥生料分析，其结果与化学分析比较见表l。

    (1)实践证明，本系统分析方法简单、快速、准确，与化学分析结果相比其测量准确性及重复性平均算术偏差均符合设计要求。
    (2)系统可实时采集、显示、自动处理样品X射线谱数据，并可以保存全谱数据文件和计算结果数据文件，便于信息交流、存档。
    (3)采用Modbus通讯协议，通过485接口实现与自动生产线其他控制部分的样品分析结果数字化传输。

参考文献：

［１］Mark Andrews 著.Visual C++自学指南［Ｍ］.北京：清华大学出版社，1997
［２］李瑞城，等.Ｘ射线光谱分析的原理和应用［Ｍ］.北京：国防工业出版社，1983
［３］谢中信，等.Ｘ射线光谱分析［Ｍ］.北京：科学出版社，1982
［４］赵保经.A／D和D／A转换器应用手册［Ｍ］.上海：上海科学普及出版社1995
［５］刘培奇，席一凡，等.Visual C++ for Windows面向对象程序设计［Ｍ］.西安：西安电子科技大学出版社，1996