一種全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法，用于單基體材料的分析，包括：光譜儀標(biāo)定操作，設(shè)定各個探測器監(jiān)控像素，各個監(jiān)控像素的光強(qiáng)值組成監(jiān)控光強(qiáng)，設(shè)定位置校正參考光譜，異常光譜剔除操作。本發(fā)明專利技術(shù)的方法能夠剔除異常光譜對應(yīng)的數(shù)據(jù)，提高分析數(shù)據(jù)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及全譜式直讀光譜儀的數(shù)據(jù)采集
，尤其是一種全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法。
技術(shù)介紹
直讀光譜儀是一種精密的光學(xué)儀器，其光學(xué)結(jié)構(gòu)置于密封的光室內(nèi)部，在儀器的使用過程中激發(fā)樣品產(chǎn)生的光信號進(jìn)入光室，通過光學(xué)結(jié)構(gòu)投射到線陣傳感器上轉(zhuǎn)換為電信號，然后通過電子模塊轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲在單片機(jī)中，運(yùn)行在電腦上的分析軟件從單片機(jī)中讀取數(shù)字信號，進(jìn)行分析和計(jì)算，得到樣品中各個化學(xué)元素的含量。直讀光譜儀依據(jù)探測器可以分為通道式和全譜式兩種。通道式直讀光譜儀采用光電倍增光管(PMT)作為探測器，每個PMT對應(yīng)于一個通道，測量一個分析元素；全譜式直讀光譜儀采用電荷耦合原件(CCD)作為探測器，CCD是一種線陣探測器，每片CCD可以采集一定范圍的光譜信號，可以測量多個分析元素。全譜式直讀光譜儀的工作過程是：電極與分析樣品表面之間產(chǎn)生高壓放電，進(jìn)入光室后經(jīng)過分光系統(tǒng)產(chǎn)生光譜，落在線陣探測器上，線陣探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)由A/D器件轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和預(yù)處理，然后通過以太網(wǎng)或者USB等數(shù)據(jù)傳輸方式傳輸給計(jì)算機(jī)，由計(jì)算機(jī)在進(jìn)行后續(xù)的計(jì)算處理，換算為元素含量并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕或者打印成紙質(zhì)報(bào)告。在其工作過程中，電極與分析樣品表面之間進(jìn)行放電產(chǎn)生光譜，則分析樣品表面的平整度、潔凈度、氬氣環(huán)境的純度等因素都會影響每次放電的效果，造成光譜的變化和波動，當(dāng)分析樣品表面存在雜質(zhì)、氣孔、裂紋，或者氬氣純度不均勻等情形時，必然產(chǎn)生異常光譜，如果這些異常光譜對應(yīng)的數(shù)據(jù)不能有效剔除，則必然造成最終分析數(shù)據(jù)的重復(fù)性不好，甚至出現(xiàn)異常數(shù)據(jù)。通道式直讀光譜儀剔除異常光譜的過程是：在分析過程中，通常持續(xù)N秒，放電頻率為M，則總共放電次數(shù)為K＝N*M，分組火花個數(shù)是L(每L放電，采集一次數(shù)據(jù))，則單次分析過程中，每個通道可以采集到P＝K/L個光強(qiáng)值，將這個P個光強(qiáng)值進(jìn)行排序，兩端的小部分?jǐn)?shù)值，判定是異常值，直接剔除后，將中間部分?jǐn)?shù)據(jù)取平均，作為該通道當(dāng)次分析的光強(qiáng)。至于兩端要剔除數(shù)據(jù)的個數(shù)，則可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。該方法可以有效的提高分析數(shù)據(jù)的重復(fù)性。通道式直讀光譜儀剔除異常光譜的方法能夠?qū)崿F(xiàn)是因?yàn)閿?shù)據(jù)量較小，簡單估算，假設(shè)分析3秒，放電頻率400Hz，分組火花是5個，則每個通道單次分析的光強(qiáng)值個數(shù)是240個，如果分析通道是20個，總共才4800個數(shù)據(jù)，對于現(xiàn)代的單片機(jī)和計(jì)算機(jī)，毫無難度。但是對于全譜式直讀光譜儀，則不適用，全譜式直讀光譜儀單次分析的光譜數(shù)據(jù)，如果每組火花對應(yīng)的光譜都要保存下來，通常達(dá)到幾十兆，對于FPGA或者普通單片機(jī)而言，存儲和預(yù)處理都是有一定難度的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有的缺陷，提供一種全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法，能夠剔除異常光譜對應(yīng)的數(shù)據(jù)，提高分析數(shù)據(jù)的重復(fù)性和準(zhǔn)確性。為了解決上述技術(shù)問題，本專利技術(shù)提供了如下的技術(shù)方案：本專利技術(shù)一種全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法，用于單基體材料的分析，包括以下步驟：(1)光譜儀標(biāo)定操作：在光譜儀標(biāo)定過程中，激發(fā)樣品采集所有光譜，平均后作為當(dāng)次分析的光譜，用于標(biāo)定；(2)各個探測器設(shè)定3-5個像素位置，作為監(jiān)控像素；(3)將監(jiān)控像素的光強(qiáng)值記錄下來，組成一組向量，作為剔除異常光譜的監(jiān)控光強(qiáng)向量；(4)設(shè)定位置校正參考光譜；(5)根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)募ぐl(fā)參數(shù)和監(jiān)控像素與光強(qiáng)，開始放電激發(fā)樣品采集光譜，計(jì)算受控光強(qiáng)與監(jiān)控光強(qiáng)相關(guān)系數(shù)與閾值比較，進(jìn)行異常光譜剔除。進(jìn)一步地，步驟(2)中可以取基體元素譜線對應(yīng)的像素位置，組成一組向量，作為監(jiān)控像素向量。進(jìn)一步地，步驟(5)的具體操作如下：(1)儀器根據(jù)激發(fā)參數(shù)激發(fā)樣品，分組火花個數(shù)為L，則每放電L次，采集一次數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA控制電路，將探測器接受的光電信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，并讀入FPGA的內(nèi)存中，得到一條光譜數(shù)據(jù)；(2)根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)谋O(jiān)控像素，獲取當(dāng)前受控光強(qiáng)，計(jì)算監(jiān)控光強(qiáng)和受控光強(qiáng)之間的相關(guān)系數(shù)，如果相關(guān)系數(shù)低于設(shè)定的閾值，則判斷該次采集的光譜異常，則該光譜數(shù)據(jù)直接拋棄，不計(jì)入有效光譜，同時異常光譜計(jì)數(shù)加1，否則該次光譜將與之前采集到的正常光譜值進(jìn)行累加，同時正常光譜計(jì)數(shù)加1；(3)當(dāng)分析階段完成時，正常光譜累加值除以正常光譜數(shù)，作為該次分析階段的光譜數(shù)據(jù)，傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，參與后續(xù)計(jì)算。本專利技術(shù)的有益效果：1.本專利技術(shù)不需要改變現(xiàn)有的FPGA和單片機(jī)架構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)部分異常光譜的剔除。2.本專利技術(shù)的算法相對簡單，可以有效的改善全譜式直讀光譜儀分析數(shù)據(jù)的精密度，提升儀器的使用效果。附圖說明圖1為采用本專利技術(shù)方法的全譜式直讀光譜儀的操作流程圖；圖2為本專利技術(shù)的異常光譜剔除方法的操作流程圖。具體實(shí)施方式本專利技術(shù)所列舉的實(shí)施例，只是用于幫助理解本專利技術(shù)，不應(yīng)理解為對本專利技術(shù)保護(hù)范圍的限定，對于本
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本專利技術(shù)思想的前提下，還可以對本專利技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)和修飾，這些改進(jìn)和修飾也落入本專利技術(shù)權(quán)利要求保護(hù)的范圍內(nèi)。本專利技術(shù)適用于全譜式直讀光譜儀，僅用于單基體材料的分析。操作流程如圖1所示，詳細(xì)步驟如下：步驟1、光譜儀標(biāo)定操作，在光譜儀標(biāo)定過程中，激發(fā)樣品采集光譜時，并不對每組火花采集的光譜進(jìn)行異常剔除，而是所有光譜全部采集，平均后作為當(dāng)次分析的光譜，用于標(biāo)定。該過程關(guān)注的焦點(diǎn)在于光譜的形狀，光譜峰形的組合是否滿足特定的要求，用于確定某個像素對應(yīng)某個波長的譜線，對于光譜的重現(xiàn)性要求不高。異常光譜總是占比較低，不影響譜線的標(biāo)定。步驟2、各個探測器設(shè)定3-5個像素位置，作為監(jiān)控像素。通常可以取基體元素譜線對應(yīng)的像素位置，組成一組向量，作為監(jiān)控像素向量。步驟3、將各個監(jiān)控像素的光強(qiáng)值記錄下來，組成一組向量，作為剔除異常光譜的監(jiān)控光強(qiáng)向量。步驟4、設(shè)定位置校正參考光譜，因?yàn)楣庾V儀在實(shí)際使用過程中，會受到環(huán)境因素影響，造成光譜的偏移。在光譜儀的使用過程中，每次執(zhí)行位置校正時，都需要更新監(jiān)控像素向量和監(jiān)控光強(qiáng)向量。步驟5、建立分析曲線，激發(fā)成套標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)(樣品)采集光譜，建立光強(qiáng)和元素含量之間的映射關(guān)系。步驟6、分析樣品，根據(jù)得到的光強(qiáng)，基于分析曲線所描述的光強(qiáng)和含量之間的該映射關(guān)系，即可計(jì)算出元素含量。在分析步驟5和步驟6中，激發(fā)樣品采集光譜時，就必須執(zhí)行剔除異常光譜的操作，其操作流程如圖2所示，詳細(xì)過程如下：計(jì)算機(jī)傳輸激發(fā)參數(shù)和監(jiān)控像素與光強(qiáng)，儀器根據(jù)激發(fā)參數(shù)開始放電激發(fā)樣品，分組火花個數(shù)為L，則每放電L次，采集一次數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA控制電路，將探測器接受的光電信號經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換后成為數(shù)字信號，并讀入FPGA的內(nèi)存中，得到一條光譜數(shù)據(jù)；根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)谋O(jiān)控像素，獲取當(dāng)前受控光強(qiáng)，計(jì)算監(jiān)控光強(qiáng)和受控光強(qiáng)之間的相關(guān)系數(shù)，與閾值比較，如果相關(guān)系數(shù)低于設(shè)定的閾值，則判斷該次采集的光譜異常，則該光譜數(shù)據(jù)直接拋棄，不計(jì)入有效光譜，同時異常光譜計(jì)數(shù)加1，否則該次光譜將與之前采集到的正常光譜值進(jìn)行累加，同時正常光譜計(jì)數(shù)加1，當(dāng)分析階段完成時，計(jì)算正常平均光譜即正常光譜累加值除以正常光譜數(shù)，作為該次分析該階段的光譜數(shù)據(jù)，與正常異常光譜計(jì)數(shù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)，參與后續(xù)計(jì)算顯示。本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法，其特征在于，所述方法用于單基體材料的分析，包括以下步驟：(1)光譜儀標(biāo)定操作：在光譜儀標(biāo)定過程中，激發(fā)樣品采集所有光譜，平均后作為當(dāng)次分析的光譜，用于標(biāo)定；(2)各個探測器設(shè)定3?5個像素位置，作為監(jiān)控像素；(3)將監(jiān)控像素的光強(qiáng)值記錄下來，組成一組向量，作為剔除異常光譜的監(jiān)控光強(qiáng)向量；(4)設(shè)定位置校正參考光譜；(5)根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)募ぐl(fā)參數(shù)和監(jiān)控像素與光強(qiáng)，開始放電激發(fā)樣品采集光譜，計(jì)算受控光強(qiáng)與監(jiān)控光強(qiáng)相關(guān)系數(shù)與閾值比較，進(jìn)行異常光譜剔除。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法，其特征在于，所述方法用于單基體材料的分析，包括以下步驟：(1)光譜儀標(biāo)定操作：在光譜儀標(biāo)定過程中，激發(fā)樣品采集所有光譜，平均后作為當(dāng)次分析的光譜，用于標(biāo)定；(2)各個探測器設(shè)定3-5個像素位置，作為監(jiān)控像素；(3)將監(jiān)控像素的光強(qiáng)值記錄下來，組成一組向量，作為剔除異常光譜的監(jiān)控光強(qiáng)向量；(4)設(shè)定位置校正參考光譜；(5)根據(jù)計(jì)算機(jī)傳輸?shù)募ぐl(fā)參數(shù)和監(jiān)控像素與光強(qiáng)，開始放電激發(fā)樣品采集光譜，計(jì)算受控光強(qiáng)與監(jiān)控光強(qiáng)相關(guān)系數(shù)與閾值比較，進(jìn)行異常光譜剔除。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全譜式直讀光譜儀的異常光譜剔除方法，其特征在于，所述步驟(2)中可以取基體元素譜線對應(yīng)的像素位置，組成一組向量，作為監(jiān)控像素向量。3.根據(jù)權(quán)利要...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：袁海軍，馬建州，廖波，顧德安，
申請(專利權(quán))人：無錫創(chuàng)想分析儀器有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇;32