一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其包括控制电路、光电倍增管、前置放大器、变增益积分器及A/D变换器，所述光电倍增管接受用于背景校正的脉冲氙灯和空心阴极灯的复合光强信号，将其转换为电信号；所述前置放大器连接光电倍增管，将光电流信号转换为电压信号；所述变增益积分器连接前置放大器，并受控于控制电路，所述变增益积分器对背景校正光源脉冲氙灯与空心阴极灯的光能量信号对应电压信号进行积分匹配；所述A/D变换器连接变增益积分器和控制电路，将脉冲氙灯与空心阴极灯的积分电压转换为对应的能量数字信号。该方案简单易实现，通过改变脉冲氙灯光信号积分次数来实现空心阴极灯和脉冲氙灯光能量匹配，免去了较为复杂的光学衰减系统。
【专利说明】—种脉冲氣灯原子吸收背景校正的分时法检测电路
【技术领域】
[0001]本发明涉及原子吸收技术，具体涉及原子吸收背景校正技术。
【背景技术】
[0002]连续光源背景校正是原子吸收光谱法背景校正主要方法之一，也是最经典的背景校正法。较之空心阴极灯自吸收法和塞曼法背景校正灵敏度损失少。
[0003]使用氘灯作为连续光源背景校正光源是最为常见的方法，通常使用分时调制:SP空心阴极灯和氘灯都采用方波脉冲供电而在点亮时间上分开，在检测电路中分别检测氘灯和空心阴极灯的光强及被样品吸收的信号，进行背景校正。
[0004]第二种方法:使用氘灯+钨灯作为复合式校正光源。而钨灯，由于是热辐射，所以不能以通常频率(例如:原子吸收中需要的最低50Hz)脉冲供电方式调制光能量大小。往往在这种装置中，氘灯和钨灯都使用直流供电，使用切光方式，以便把连续光源的光和空心阴极灯锐线光源的光从时间上分开。
[0005]上面两种方式，对于迅速变化的背景都会产生背景校正的时间差误差:即，测定背景信号的连续光源背景校正光源的光和测量总吸收信号的空心阴极灯光源的光不在同一时间，它们测定到的背景吸收不完全相同。
[0006]再者，现有的技术中使用氘灯为原子吸收背景校正光源，其在使用过程中存在以下缺点:
[0007]1.波长范围短:仅190_340nm，使用氘灯作为背景校正光源时，分析波长大于340nm的元素背景校正十分困难，例如:Cr (分析线波长为357.9nm)Ca(分析线波长为422.7nm)这样一些常见元素，在样品复杂时仍有严重背景吸收，此时氘灯无法进行背景校正。
[0008]2.功耗大，发热严重:一般用于原子吸收的氘灯为30W。仪器达到热平衡的时间长。
[0009]3.供电复杂，通常氘灯需要3组供电电源:灯丝供电电源，启辉电源，工作电源。其开启和关闭有严格的时序，且灯丝供电电压(电流)在预热时和工作时不同。
[0010]4.需要较长的预热时间，一般氘灯需要预热30分钟才能投入使用。
[0011]5.寿命短，通常的氘灯寿命为500小时，好的氘灯寿命为2000小时。
[0012]6.氘灯法还有一个重要缺陷，即一般而言通过电流调整改变其光能量最多只有5倍的区间，低电流下的氘灯会熄灭。因此往往还需要借助于光学平衡，那就是需要增加光学元件及其调整它的机械结构，并辅以相应的控制电路，以美国帕金埃尔默公司的原子吸收为例除了调整氘灯电流，还有一个五倍的衰减器。这样具有总共25倍的调整区间，并且在调整能量平衡的过程也相对复杂。
【发明内容】
[0013]本发明的目的在于提供一种使用脉冲氙灯为背景校正光源的原子吸收背景校正的分时法检测电路，并且仅使用电学调整实现背景校正空心阴极灯和背景校正光源(在本发明中使用脉冲氙灯)的光能量平衡。
[0014]为了达到上述目的，本发明采用如下的技术方案:
[0015]一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，该检测电路包括:
[0016]光电倍增管，所述光电倍增管接受用于背景校正的脉冲氙灯和空心阴极灯的复合光强信号，将其转换为电信号；
[0017]前置放大器，所述前置放大器连接光电倍增管，将光电流信号转换为电压信号；
[0018]变增益积分器，所述变增益积分器连接前置放大器，对背景校正光源脉冲氙灯与空心阴极灯的光能量信号对应电压信号进行积分匹配；
[0019]A/D变换器，所述A/D变换器连接变增益积分器，将脉冲氙灯与空心阴极灯的积分电压转换为对应的能量数字信号；
[0020]控制电路，所述控制电路连接A/D变换器，并控制连接变增益积分器。
[0021]在该检测电路的优选方案中，所述前置放大器包括运算放大器0P1、电阻R1以及电容C1，所述电阻R1和电容C1并接在运算放大器0P1两端，实现阻抗变换。
[0022]进一步的，所述变增益积分器包括:运算放大器0P2、电阻R2、开关K11、开关K12、开关K13、电容C2、开关K14、电容C3、开关K15、电容C4、开关K16、电容C5，所述运算放大器0P2依次通过开关K11和电阻R2连接至前置放大器，所述开关K12连接在运算放大器0P2两端，所述开关K13、电容C2串接后连接在运算放大器0P2两端，所述开关K14、电容C3串接后连接在运算放大器0P2两端，所述开关K15、电容C4串接后连接在运算放大器0P2两端，所述开关K16、电容C5串接后连接在运算放大器0P2两端；所述开关K11、开关K12、开关K13、开关K14、开关K15以及开关K16受控于控制电路。
[0023]再进一步，所述开关K11为积分开关，在需要对空心阴极灯和脉冲氙灯信号积分时导通。
[0024]再进一步的，所述开关K12为放电开关，在空心阴极灯积分完成并经过A/D变换后导通，将积分电容所积电荷放净。
[0025]再进一步的，所述电容C2为空心阴极灯信号积分电容，在对空心阴极灯信号积分时导通。
[0026]再进一步的，所述电容C3，C4，C5为脉冲氙灯信号积分电容，其容量比之为C3:C4:C5 = 1:3:5。
[0027]本发明提供的方案在结构上，简单易于实现；在功能上，通过改变脉冲氙灯光信号积分次数来实现空心阴极灯和脉冲氙灯光能量匹配，免去了较为复杂的光学衰减系统。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]以下结合附图和【具体实施方式】来进一步说明本发明。
[0029]图1为本发明中脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路的电路图；
[0030]图2为本发明实施时，空心阴极灯，脉冲氙灯的电流波形，光电倍增管的信号波形，变增益积分电路后且A/D变换前的信号波形的对比图。
【具体实施方式】
[0031]为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
[0032]针对采用脉冲氙灯作为原子吸收背景校正光源的原子吸收背景校正光学系统，为了能够在同一时间测定背景信号的连续光源背景校正光源脉冲氙灯的光和测量总吸收信号的空心阴极灯光源的光，保证它们测定到的背景吸收相同，本发明采用如图1所示的分时法检测电路。
[0033]由图可知，该检测电路包括:光电倍增管1，前置放大器2，变增益积分器3，A/D变换器4，以及控制电路(图中未给出)。
[0034]其中光电倍增管1接受用于背景校正的脉冲氙灯和空心阴极灯的复合光强信号，将其转换为电信号。
[0035]前置放大器2连接光电倍增管1，将光电流信号转换为光电压信号。
[0036]变增益积分器3，其连接前置放大器2，对背景校正光源脉冲氙灯与空心阴极灯的光能量信号对应电压信号进行积分匹配。
[0037]由于在背景校正时，不同的待测元素，不同的待测元素空心阴极灯灯电流，以及其它仪器条件，得到的空心阴极灯光能量信号大小不同，需要将背景校正光源脉冲氙灯的光能量信号与空心阴极灯光能量信号匹配。本方案中通过变增益积分器3的积分电容选择和对相对高频的脉冲氙灯光信号进行积分次数的改变进行匹配。
[0038]A/D变换器4，其连接变增益积分器3，将脉冲氙灯与空心阴极灯的积分电压转换为对应的能量数字信号。
[0039]控制电路，其为整个检测电路的中心，完成相关数据的处理和控制检测电路配合实现连续光源背景校正的实时背景校正系统。该控制电路具体由相应的控制芯片来实现，其为现有技术，此处不加以赘述
[0040]以下通过一具体实例来进一步说明本发明方案的实现(参见图2):
[0041]参见图2，其第一行所示为采用脉冲氙灯作为原子吸收背景校正光源的原子吸收背景校正光学系统的中空心阴极灯的点灯波形图。
[0042]本实例中，空心阴极灯点灯周期为20ms。其中，5ms点亮，15ms熄灭。
[0043]参见图2，其第二行所示为采用脉冲氙灯作为原子吸收背景校正光源的原子吸收背景校正光学系统的中脉冲氙灯的点灯波形图。
[0044]本实例中，在空心阴极灯熄灭的15ms时间内，以1ms周期点灯，每个空心阴极灯点灯周期的空隙内最多可以点売15次。
[0045]同时，本实例中空心阴极灯和脉冲氙灯的电灯频率和工作电流由控制电路控制。
[0046]针对上述光路，本实例中光电倍增管1连接前置放大器2，其接收到的光信号转换为电信号，并传至前置放大器2。
[0047]本实例中，光电倍增管接收到的复合光强信号经过前置放大器波形如图2第三行所示，其中包括了空心阴极灯的50Hz占空比为1:3的光信号以及在空心阴极灯熄灭期间的1kHz的脉冲氙灯点灯信号。
[0048]本实例中前置放大器2具体包括运算放大器0P1和电阻R1，电容C1，电阻R1和电容C1并接在运算放大器0P1两端，由此构成前置放大器2，实现阻抗变换，将接接收的光电流信号转换为电压信号，并传至变增益积分器3。
[0049]本实例中，变增益积分器3由电阻R2，开关K11，开关K12，开关K13，电容C2，开关K14，电容C3，开关K15，电容C4，开关K16，电容C5和运算放大器0P2组成，其中运算放大器0P2依次通过开关K11和电阻R2连接至前置放大器；开关K12连接在运算放大器0P2两端；开关K13、电容C2串接后连接在运算放大器0P2两端；开关K14、电容C3串接后连接在运算放大器0P2两端；开关K15、电容C4串接后连接在运算放大器0P2两端；开关K16、电容C5串接后连接在运算放大器0P2两端；开关K11、开关K12、开关K13、开关K14、开关K15以及开关K16受控于控制电路。
[0050]具体的，ΚΙΙ为积分开关，在需要对空心阴极灯和脉冲氣灯信号积分时导通。
[0051]电容C2为空心阴极灯信号积分电容,在对空心阴极灯信号积分时导通。
[0052]电容C3，C4，C5为脉冲氙灯信号积分电容，其容量比之为C3:C4:C5 = 1:3:5，选择不同的电容对脉冲氙灯光信号积分可以让脉冲氙灯在分析线波长匹配空心阴极灯的信号强度。
[0053]开关K12为放电开关，在空心阴极灯积分完成并经过A/D变换后导通，将积分电容所积电荷放净，积分电容两端电压回复为零，能正确的对后续信号积分。
[0054]开关Kll，K12，以及与C2相连接的K13还有与C3，C4，C5相连接的K14，K15，K16导通和断开由控制电路和数据处理系统控制。
[0055]经过前置放大器2转换得到的电压信号传至变增益积分器，经过变增益积分器后的信号波形如图2第四行所示，图中分别标出了空心阴极灯和脉冲氙灯的积分时间和A/D变换时间。
[0056]图2中第四行第一个斜坡为电容C2对空心阴极灯的5ms积分,积分完毕后,A/D变换器4将该电压(斜坡后的平台)变换为空心阴极灯能量的数字信号。
[0057]在每个背景校正周期内，脉冲氙灯可以点亮15次，可以通过改变积分次数来实现光能量匹配，在进行背景校正光能量平衡时，当脉冲氙灯信号积分到与空心阴极灯能量相当时便停止积分，便确定了脉冲氙灯积分次数。由此针对图2所示情况，当脉冲氙灯信号积分三次以后便与空心阴极灯信号强度相当。
[0058]此后，积分器便停止积分，确定在该测试条件下每一个测量周期只积分三个脉冲氙灯点灯周期。并在此后，由A/D变换器将此脉冲氙灯的积分电压转换为脉冲氙灯的能量数字信号，并将该能量数字信号传至控制电路，最有由控制电路进行数据处理，实现原子吸收背景校正。
[0059]在本实例方案中:每个周期15次积分，乘以10倍的电容变化，这样背景校正中光信号的平衡理论上有150倍的调整范围。
[0060]以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
【权利要求】
1.一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其包括控制电路，其特征在于，所述检测电路还包括: 光电倍增管，所述光电倍增管接受用于背景校正的脉冲氙灯和空心阴极灯的复合光强信号，将其转换为电信号； 前置放大器，所述前置放大器连接光电倍增管，将光电流信号转换为电压信号； 变增益积分器，所述变增益积分器连接前置放大器，并受控于控制电路，所述变增益积分器对背景校正光源脉冲氙灯与空心阴极灯的光能量信号对应电压信号进行积分匹配； A/D变换器，所述Α/D变换器连接变增益积分器和控制电路，将脉冲氙灯与空心阴极灯的积分电压转换为对应的能量数字信号。
2.根据权利要求1所述的一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其特征在于，所述前置放大器包括运算放大器OPl、电阻Rl以及电容Cl，所述电阻Rl和电容Cl并接在运算放大器OPl两端，实现阻抗变换。
3.根据权利要求1所述的一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其特征在于，所述变增益积分器包括:运算放大器0P2、电阻R2、开关1(11、开关1(12、开关1(13、电容C2、开关K14、电容C3、开关K15、电容C4、开关K16、电容C5，所述运算放大器0P2依次通过开关Kll和电阻R2连接至前置放大器，所述开关K12连接在运算放大器0P2两端，所述开关K13、电容C2串接后连接在运算放大器0P2两端，所述开关K14、电容C3串接后连接在运算放大器0P2两端，所述开关K15、电容C4串接后连接在运算放大器0P2两端，所述开关K16、电容C5串接后连接在运算放大器0P2两端；所述开关KU、开关K12、开关K13、开关K14、开关K15以及开关K16受控于控制电路。
4.根据权利要求3所述的一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其特征在于，所述开关KlI为积分开关，在需要对空心阴极灯和脉冲氙灯信号积分时导通。
5.根据权利要求3所述的一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其特征在于所述开关K12为放电开关，在空心阴极灯积分完成并经过Α/D变换后导通，将积分电容所积电荷放净。
6.根据权利要求3所述的一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其特征在于所述电容C2为空心阴极灯信号积分电容，在对空心阴极灯信号积分时导通。
7.根据权利要求3所述的一种脉冲氙灯原子吸收背景校正的分时法检测电路，其特征在于，所述电容C3，C4，C5为脉冲氙灯信号积分电容，其容量比之为C3:C4:C5 = 1:3:5。
【文档编号】G01J3/42GK104390700SQ201410577381
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月24日 优先权日:2014年10月24日
【发明者】陈建钢, 杨啸涛 申请人:上海光谱仪器有限公司