ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЦИФРОВОЙ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА В АНАЛОГОВОМ СПЕКТРОГРАФЕ ДФС – 8

USE OF DIGITAL SIGNAL PROCESSING IN ANALOGUE SPECTROGRAPH DFS – 8

Altyn T. Dusikeeva

master degree student, Department of Mathematics and Physics, Kostanai State University named after A. Baitursynov,

Republic of Kazakhstan, Kostanay

Vladimir M. Poezhzhalov

candidate of Physics and Mathematics, Associate Professor of the Department of Mathematics and Physics, Kostanai State University named after A. Baitursynov,

Republic of Kazakhstan, Kostanay

Yuri P. Martynyuk

senior Lecturer, Department of Mathematics and Physics, Kostanai State University named after A. Baitursynov,

Republic of Kazakhstan, Kostanay

АННОТАЦИЯ

Рассмотрен процесс эмиссионного спектрального анализа с обработкой аналоговых данных на спектрографе ДФС-8. Выявлены недостатки прибора. Главным недостатком ДФС-8 является обработка аналоговых данных, которая занимает большее время от всего анализа. Показана модернизация и автоматизация спектрографа ДФС-8.

ABSTRACT

The process of emission spectral analysis with the processing of analog data on a DFS-8 spectrograph is considered. Defects of the device are revealed. The main disadvantage of DFS-8 is the processing of analog data, which takes longer from the entire analysis. The modernization and automation of the DFS-8 spectrograph is shown.

Ключевые слова: спектральный анализ, спектрограф ДФС – 8, спектрометр, цифровая обработка сигнала.

Keywords: spectral analysis, DFS-8 spectrograph, spectrometer, digital signal processing.

Спектральный анализ является наиболее информативным инструментом для определения состава элемента. Данный анализ широко применяется в различных областях науки и техники. Используется в геологии, в поиске и переработке полезных ископаемых, для контроля технологических процессов, в атомной, авиационной, пищевой и автомобильном промышленности. Главным достоинством спектрального анализа, по сравнению с другими химическими и физико-химические методами анализа, являются возможности бесконтактного, быстрого, одновременного количественного определения большого числа элементов в большом интервале концентрации при использовании небольшого количества образца [1, с. 239].

Приборы для спектрального анализа представляют собой источник света, диспергирующий элемент и регистрацию спектра. Такие приборы остались во многих лабораториях и используются по сей день, но с обработкой аналоговых данных.

При эмиссионном спектральном анализе используется способность вещества излучать электромагнитные волны в оптическом диапазоне спектра. Процесс эмиссионного спектрального анализа представляет собой:

1. Подготовка пробы;

2. Испарение анализируемой пробы (введение пробы просыпкой при воздушном дутье);

3. Возбуждение излучения атомов и ионов элементов пробы;

4. Разложение возбужденного излучения в спектр;

5. Регистрация спектра;

6. Измерение интенсивности аналитических линий элементов пробы, подлежащих количественному определению;

7. Нахождение количественного содержания элементов с помощью установленных предварительно градуировочных зависимостей [2, с. 154].

Спектрограф (ДФС-8) с плоской дифракционной решёткой предназначен для качественного и количественного эмиссионного анализа металлов, сплавов, руд и минералов, а также для различных спектроскопических исследований в области спектра от 2000 до 10000

Главным недостатком ДФС-8 является обработка аналоговых данных, которая занимает большее время от всего анализа. Время такой обработки может занять до нескольких часов. Аналоговые данные представляют собой фотопластинку со снятыми спектрами. На обработку одной такой фотоплатинки требуется очень много времени, начиная от времени для проявления и закрепления пластинки, и заканчивая, интерпретаций самого спектра. Интерпретация спектра происходит при помощи микрофотометра, производится качественная оценка содержания элемента в пробе по длинам волн характеристического спектра и количественное определение элементов на основании оптической плотности характерных участков экспонированной фотопластинки. С помощью установленных предварительно градуировочных зависимостей находятся содержание нужных элементов.

В настоящее время цифровые спектрометры являются дорогостоящими. Оптическая схема аналогово спектрометра ДФС-8 позволяет модернизировать его в цифровой с наименьшими денежными затратами.

Спектрометры с цифровой обработкой данных обладают целым рядом преимуществ:

1. Сокращение времени на выполнения анализа в несколько раз;

2. Снижение пределов обнаружения элементов;

3. Повышение точности анализа;

4. Эффективное учитывание спектральных наложений.

Для модернизации и автоматизации спектрографа ДФС-8 было реализовано:

1. Разработка и реализация блока усиления и согласования на микроконтроллере ATmega8;

2. Проектирование основания оптического сенсора;

3. Разработка программного обеспечения для сбора данных и управления блока усиления и согласования.

Для автоматизированной регистрации результатов измерения в спектральных оптических приборах, как правило, применяют полупроводниковые светочувствительные линейки ПЗС- или КМОП-структуры.

В рассматриваемом нами спектрографе регистрация спектров выполняется с помощью фотопластинки шириной 200 мм, то одной из задач работы является выбор линейки, подходящей для модернизации спектрографа. Большая часть линеек имеет меньшую длину, чем требуется в данном случае, поэтому нами было рассмотрено несколько вариантов модернизации:

1. Использование одной линейки меньшей длины с дополнительной оптической системой;

2. Использование нескольких линеек меньшей длины без дополнительной оптики;

3. Использование одной линейки достаточной длины.

Первый из рассматриваемых вариантов в данном случае является наиболее простым с точки зрения схемотехники электронной части устройства, так как используется только одна линейка, при этом, достаточно распространенная. Однако, использование дополнительной оптической системы для проецирования более широкого спектра на более короткую линейку, может ухудшить спектральное разрешение прибора из-за возникновения аберраций, устранение которых является очень сложной задачей.

Второй вариант модернизации позволяет избежать этого недостатка, но ценой усложнения устройства. Кроме того, из-за небольшой высоты проецируемого спектра (около 2 мм) неизбежно возникновение сложностей в юстировке линеек.

Так как все указанные недостатки являются критическими, способными сделать модернизацию спектрографа затруднительной или невозможной, то было принято решение остановиться на третьем варианте. Ассортимент линеек длиной 200 мм, выпускаемых промышленностью, ограничен – в основном они применяются в сканерах документов. По этой причине для модернизации нами был выбран датчик типа контактный CIS (Contact Image Sensors).

Данная линейка представляет собой массив из 5378 светочувствительных элементов (фототранзисторов), снабженных схемой выборки. Все элементы выполнены на одной полупроводниковой пластине, которая помещена в пластмассовый корпус. Линейка снабжена простейшей оптической системой, представляющей собой набор световодов-коллиматоров (по одному на каждый фототранзистор). Линейка имеет два информационных цифровых входа (сброс и тактовый сигнал), которые предназначены для выбора требуемого пиксела и один информационный выход видеосигнала.

Рисунок 1. Структурная схема блока усиления и согласования на микроконтроллере ATmega8

Основным элементом блока является микроконтроллер ATmega8, который согласно программе выдает тактовые и синхронизирующие сигналы на оптический сенсор, выполняет преобразование результатов измерения в цифровой вид с помощью встроенного в него десятиразрядного модуля АЦП и их передачу на компьютер с помощью модуля универсального синхронно-асинхронного приемопередатчика, работающего в асинхронном режиме, скорость передачи данных составляет 921600 бод. Для связи модуля с компьютером используется преобразователь USB-TTL на микросхеме CH340.

Рисунок 2. Принципиальная схема блока усиления и согласования на микроконтроллере ATmega8

На микросхеме DA1 выполнен стабилизатор напряжения 3.3 В, которое используется для питания контроллера и оптического сенсора. Благодаря применению микросхемы LD1117 с низким падениям напряжения, питание всего устройства стало возможно осуществлять непосредственно от шины USB, используемой для сопряжения с компьютером. Оптический сенсор подключается к разъему Х1. Схема его включения – типовая.

Видеосигнал с выхода сенсора подается на вывод 23 (вход АЦП) микроконтроллера DD1. С выводов 5 и 6 снимаются сигналы управления сенсором.

Первые полученные экспериментальные данные на участке спектра от 390 до 510нм, снят спектр стандартного образца. Где, пики соответствуют содержаниям элемента в пробе. В данном случае определяем нахождение элементов: Lu(Лютеций) и Sn(Олово) на соответствующих длинах волн, равным 451,8 нм и 452,41 нм.

Рисунок 3. Спектр стандартного образца

Обработка аналоговых данныхс помощью микрофотометра.

Рисунок 4. Спектр стандартного образца.

Обработка данных с помощью датчика типа контактный CIS.

Рисунок 5. Спектр стандартного образца.

Обработка данных с помощью датчика типа контактный CIS, с учетом вычета фона

Таким образом, в результате сравнения обработки данных с помощью микрофотометра и описываемого оптического сенсора, значительно уменьшилось время эмиссионного спектрального анализа. Время уменьшилось с нескольких часов, учитывая обработку аналоговых данных до нескольких минут при цифровой обработке.

Сравнивая два спектра видно, что при обработке данных с помощью микрофотометра не учитывалось большинство линий, не имеющих высокую интенсивность и эти линий прячутся на уровне фона. В то время, как после цифровой обработки и вычитания фона видно, что эти линии существуют и имеют немалые содержания.

По значениям элементов на графике видно, что повысилась точность всего анализа. Например, интенсивность аналитических линий Lu (Лютеций) и Sn (Олово) при цифровой обработки значительно повысилась. При цифровой обработки данных также эффективно учитывались спектральные наложения.

Использование цифровой обработки сигнала в спектрографе ДФС-8, дало возможность существенно улучшить все параметры анализа.

Список литературы:

1. Бесков, В.С. Общая химическая технология и основы промышленной экологии: учеб. пособие. М.: Химия, 1999. — 472с.
2. Лонцих С. В., Недлер В. В., Райхбаум Я. Д., Хохлов В. В. Спектральный анализ при поисках рудных месторождений: учеб. пособие. Л.: Недра, 1969 — 296с.