???? X射線熒光分析儀近年來(lái)廣泛應(yīng)用于建材、冶金、采礦等行業(yè)，可對(duì)物料或產(chǎn)品成份組成和含量進(jìn)行快速、無(wú)損的物理分析，其分析結(jié)果不僅依賴于該儀器的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，還取決于所使用的分析方法。因此，自從X射線熒光分析儀研制成功以后，無(wú)論在國(guó)際還是在國(guó)內(nèi)，分析方法和軟件開(kāi)發(fā)的研究成為改善儀器分析精度、擴(kuò)大使用范圍的主要研究?jī)?nèi)容。近年來(lái)，隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)化學(xué)分析方法因其無(wú)法實(shí)現(xiàn)數(shù)字化自動(dòng)輸入逐漸被現(xiàn)代電子測(cè)量分析儀器所取代，本文結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)對(duì)開(kāi)發(fā)應(yīng)用于自動(dòng)化生產(chǎn)總線結(jié)構(gòu)中的X射線熒光分析儀物質(zhì)成分定量分析的能譜分析方法和軟件開(kāi)發(fā)做一探討。
1 能譜分析
1.1 基本測(cè)量原理
??? 高能光子(X射線)或高速帶電粒子轟擊樣品中的原子時(shí)，會(huì)將自己的一部分能量傳遞給原子，從而激發(fā)原子中的某些能級(jí)上的電子，原子中的空穴由外層軌道上的電子填滿，多余的能量以X射線的形式釋放出來(lái)。各種元素所發(fā)出的X射線光子具有不同的特征能量，稱為該元素的X特征射線。因此，利用連續(xù)X射線轟擊樣品，使之產(chǎn)生熒光光譜，再通過(guò)由單板機(jī)構(gòu)成的多道脈沖幅度分析器和計(jì)算機(jī)對(duì)特征譜線進(jìn)行檢測(cè)、鑒別、分析，則可對(duì)樣品中的元素組成進(jìn)行定性或定量分析。并將分析結(jié)果經(jīng)總線直接傳送至中控室實(shí)現(xiàn)真正的閉環(huán)控制。其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

1.2 譜數(shù)據(jù)處理
??? 由圖1可知，由射線探測(cè)器得到的能譜脈沖信號(hào)經(jīng)放大器和多道分析器，進(jìn)入微機(jī)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)通過(guò)軟件對(duì)X射線能譜的常規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而對(duì)樣品的含量做定性和定量分析。譜數(shù)據(jù)處理包括：原始譜數(shù)據(jù)的光滑；自動(dòng)尋峰及確定峰位的能量：待測(cè)元素的定性分析：峰邊界道的確定；峰面積計(jì)算等內(nèi)容。
??????? (1)原始譜數(shù)據(jù)的光滑預(yù)處理
??? 由于測(cè)量過(guò)程的統(tǒng)計(jì)性原理誤差，使得X射線譜形式帶有統(tǒng)計(jì)漲落的特點(diǎn)。所獲取的X射線譜統(tǒng)計(jì)誤差更為明顯。在尋峰時(shí)，計(jì)數(shù)的統(tǒng)計(jì)漲落可能被誤認(rèn)為是一個(gè)譜峰，因此需要對(duì)譜先進(jìn)行光滑預(yù)處理。本系統(tǒng)選用二階多項(xiàng)式五點(diǎn)光滑法。具體計(jì)算公式為：

式中，n_i-2、n_i-1、n_i+1、n_i+2為待光滑的第i道光滑前及光滑后的計(jì)數(shù)。在進(jìn)行譜線光滑時(shí)，可以重復(fù)數(shù)次，以達(dá)到需要的光滑效果。?
??????? (2)自動(dòng)尋峰?
??? 從獲取的X射線譜中找到峰位并換算成相應(yīng)的能量是X射線能譜定性分析的基礎(chǔ)。本軟件系統(tǒng)選用比較法作為計(jì)算機(jī)自動(dòng)尋峰的方法。具體方法如下
??? 如果第i道計(jì)數(shù)滿足以下不等式：

??? 則認(rèn)為峰位在i-1，i，i+l道中，再?gòu)倪@三道中選出計(jì)數(shù)最大的道址即為峰位。k為找峰閾值，一般取值為1—1.5。
??????? (3)系統(tǒng)的能量刻度?
??? 能量刻度是確定本測(cè)量系統(tǒng)的道址m與Ｘ射線能量E之關(guān)系。即：

??? 經(jīng)過(guò)自動(dòng)尋峰得到特征X射線的峰位m，代入(3)式即可求解出該峰位對(duì)應(yīng)的X射線能量。經(jīng)與元素特征X射線能量庫(kù)的逐一檢索、查證，即可確定待測(cè)元素的種類。
??????? (4)峰邊界道的確定?
??? 準(zhǔn)確計(jì)算特征峰的凈峰面積是定量分析的依據(jù)。為此，必須根據(jù)實(shí)際情況確定特征峰的邊界道址。由于采用的半導(dǎo)體探測(cè)器具有很好的能量分辨率，對(duì)于較高含量的元素，一般都能得到清晰的譜峰。因此，我們采用譜峰的全寬度做為確定本底計(jì)數(shù)的依據(jù)。
??????? (5)凈峰面積計(jì)算
??? 本系統(tǒng)選用沃森法計(jì)算凈峰面積(圖2)。在峰邊界L、H內(nèi)取點(diǎn)F作為計(jì)算本底的寬度(F又稱為面積因子)，β₁，β₂為左、

2 軟件開(kāi)發(fā)
2.1 軟件系統(tǒng)構(gòu)成
??? 軟件系統(tǒng)是進(jìn)行能譜分析實(shí)現(xiàn)物質(zhì)元素定性、定量分析的基礎(chǔ)，也是“熒光分析儀”的重要組成部分，本系統(tǒng)以Windows98為工作平臺(tái)，Microsoft Visual C++6.0為開(kāi)發(fā)工具。
??????? (1)軟件系統(tǒng)框圖
??? 計(jì)算機(jī)通過(guò)接口與硬件多道脈沖幅度分析器(MCA)相連，轉(zhuǎn)換結(jié)果直接通過(guò)接口部分送入計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)完成采集、顯示、處理以及數(shù)據(jù)通訊。整個(gè)軟件系統(tǒng)主要包括文件管理、數(shù)據(jù)采集、譜數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)通訊、能量刻度、系數(shù)標(biāo)定、譜分析等幾部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

??????? (2)主要的類
??? 本軟件是多任務(wù)系統(tǒng)，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)通過(guò)建立不同的“類”來(lái)管理各項(xiàng)任務(wù)。下面簡(jiǎn)單介紹軟件中建立的主要“類”：
??????? (1)主框架類。主要完成生成各模塊的工具條、狀態(tài)條及返回程序的主界面對(duì)話框。
??????? (2)應(yīng)用程序類。主要完成創(chuàng)建文檔模塊類，啟動(dòng)應(yīng)用程序。
??????? (3)文檔類。主要完成譜數(shù)據(jù)管理的功能。如打開(kāi)、保存譜數(shù)據(jù)文件；能量刻度；譜分析計(jì)算。?
??????? (4)視類。主要完成屏幕顯示的功能。如譜線顯示；含量顯示；加亮操作；數(shù)據(jù)采集等。
??????? (5)子框架類。完成與框架窗口有關(guān)的功能。
??? 根據(jù)需要，除了上述的主要的類外，本軟件還包括許多為獲得用戶輸入的對(duì)話框建立的對(duì)話框類。如：編輯元素庫(kù)對(duì)話框類，手動(dòng)計(jì)算含量對(duì)話框類，系數(shù)標(biāo)定對(duì)話框類。尋峰求分辨率對(duì)話框類，能量刻度的對(duì)話框類，選擇測(cè)量樣品種類對(duì)話框類以及設(shè)置采集參數(shù)對(duì)話框和串口數(shù)據(jù)通訊類等。
2.2 主要模塊功能簡(jiǎn)介
??????? (1)譜數(shù)據(jù)顯示模塊?
??? 該軟件系統(tǒng)采用Windows標(biāo)準(zhǔn)窗口界面，主要由菜單條、工具條、狀態(tài)條、譜線顯示區(qū)等幾部分組成。窗口如圖4所示。

??? 菜單條包括文件、采集、顯示、分析、查看等各主要功能項(xiàng)，點(diǎn)擊菜單條中項(xiàng)目可彈出下拉菜單。
??? 工具條中加入了較常用的功能按鈕。如：開(kāi)始測(cè)量、停止測(cè)量、清除數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)樣、能量刻度等功能。
??? 狀態(tài)條中顯示當(dāng)前光標(biāo)所在的道址、能量、計(jì)數(shù)、縱坐標(biāo)大小、測(cè)量時(shí)間、測(cè)量狀態(tài)等信息。在測(cè)量顯示區(qū)內(nèi)，為測(cè)量時(shí)便于觀察數(shù)據(jù)情況，直接以譜線形式顯示全譜的情況，監(jiān)測(cè)整體測(cè)量情況。含量顯示區(qū)在主窗口的右上角，每次樣品測(cè)量結(jié)束后，顯示含量更新，在測(cè)量過(guò)程中可顯示前一樣品的分析含量。
??? 該軟件是一個(gè)多文檔用戶窗口，可以同時(shí)打開(kāi)多個(gè)譜文件，便于幾條譜線的對(duì)比、查看。?
??????? (2)數(shù)據(jù)采集模塊?
??? 數(shù)據(jù)采集模塊包括參數(shù)設(shè)置、開(kāi)始測(cè)量、停止測(cè)量、清除數(shù)據(jù)、控制轉(zhuǎn)樣五部分。系統(tǒng)與多道脈沖幅度分析器之間通過(guò)并口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。?
??????? (3)能量刻度模塊?
??? 能量刻度是指道址和能量的關(guān)系。經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)元素樣品檢測(cè)，在本儀器中道址與能量具有良好的線性關(guān)系，所以采用直線來(lái)描述能量刻度曲線。?
??????? (4)系數(shù)標(biāo)定模塊?
??????? X熒光分析是根據(jù)樣品中被分析元素的特征射線峰的峰面積與樣品中該元素的含量成分正比線性關(guān)系的原理進(jìn)行樣品分析的。在進(jìn)行樣品分析前，必須先進(jìn)行系數(shù)標(biāo)定，即建立樣品中被分析元素特征峰峰面積與該元素化學(xué)分析結(jié)果之間的工作曲線。
??????? (5)譜分析模塊?
??? 譜分析模塊包括：尋峰、譜光滑、含量計(jì)算等。?
??????? (6)數(shù)據(jù)通訊模塊?
??? 在自動(dòng)化生產(chǎn)線上，配料比例是根據(jù)樣品分析系統(tǒng)返回給總控制系統(tǒng)的樣品分析結(jié)果，然后再由總控制系統(tǒng)向自動(dòng)進(jìn)料系統(tǒng)發(fā)控制命令，以調(diào)整配料的。本軟件系統(tǒng)與總控制系統(tǒng)之間采用通訊協(xié)議，通過(guò)485接口完成樣品分析結(jié)果數(shù)據(jù)向總線控制系統(tǒng)的傳輸，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)閉環(huán)控制。樣品測(cè)量結(jié)束后，系統(tǒng)立即分析，當(dāng)控制系統(tǒng)向系統(tǒng)發(fā)出取數(shù)命令后，本系統(tǒng)立即響應(yīng)?將分析結(jié)果傳輸給控制系統(tǒng)。
??????? (7)文件管理模塊?
??? 當(dāng)每次測(cè)量結(jié)束時(shí)，系統(tǒng)可根據(jù)用戶選擇的測(cè)樣種類，將樣品譜數(shù)據(jù)和分析結(jié)果文件自動(dòng)保存在相應(yīng)的文件夾下。??
3 系統(tǒng)分析準(zhǔn)確性驗(yàn)證?
??? 將本系統(tǒng)用于水泥生料分析，其結(jié)果與化學(xué)分析比較見(jiàn)表l。

??????? (1)實(shí)踐證明，本系統(tǒng)分析方法簡(jiǎn)單、快速、準(zhǔn)確，與化學(xué)分析結(jié)果相比其測(cè)量準(zhǔn)確性及重復(fù)性平均算術(shù)偏差均符合設(shè)計(jì)要求。?
??????? (2)系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集、顯示、自動(dòng)處理樣品X射線譜數(shù)據(jù)，并可以保存全譜數(shù)據(jù)文件和計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)文件，便于信息交流、存檔。?
??????? (3)采用Modbus通訊協(xié)議，通過(guò)485接口實(shí)現(xiàn)與自動(dòng)生產(chǎn)線其他控制部分的樣品分析結(jié)果數(shù)字化傳輸。

參考文獻(xiàn)：

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