QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號(hào)處理軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

戴賢明+魏康林+周豐

摘要：

根據(jù)QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號(hào)處理的技術(shù)要求，結(jié)合儀器的基本工作原理和測(cè)試方法，設(shè)計(jì)了QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)完成了控制系統(tǒng)軟件、信號(hào)處理系統(tǒng)軟件及圖形用戶界面的設(shè)計(jì)，并開(kāi)展系統(tǒng)聯(lián)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，控制與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件能實(shí)現(xiàn)儀器的精確控制與檢測(cè)，且檢測(cè)結(jié)果重復(fù)性好，準(zhǔn)確度高，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

關(guān)鍵詞：成分分析儀；控制與信號(hào)處理；成分檢測(cè)

DOIDOI：10.11907/rjdk.172227

中圖分類號(hào)：TP319

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-7800（2017）012-0118-04

Abstract：According to the requirements of the control and signal processing technology of QPQ nitriding salt composition analyzer， and based on principle and test method of the instrument， designed the overall structure of the QPQ nitriding composition analyzer control and signal processing system software， and then completed the design of the control module， the signal processing module and the graphical user interface of the software， and the on-line debugging experiments of the system were completed. The experimental results show that the software of the control and signal processing achieve the precise control and detection， and the detection result has good repeatability and high accuracy， which meets the requirements of practical application.

Key Words：composition analyzer； control and signal processing； composition detection

0 引言

QPQ鹽浴復(fù)合表面處理技術(shù)是廣泛應(yīng)用于汽車、摩托車、軸類產(chǎn)品、電子零件、紡機(jī)、機(jī)床等生產(chǎn)制造領(lǐng)域的金屬表面強(qiáng)化改性技術(shù)，QPQ技術(shù)工藝過(guò)程中對(duì)氮化鹽浴中氰酸根、氰根和鐵離子3種物質(zhì)含量的檢測(cè)與控制是保證QPQ工藝質(zhì)量的重要依據(jù)[1-2]。然而，目前分析儀器市場(chǎng)卻沒(méi)有能夠同時(shí)檢測(cè)氮化鹽中上述3種物質(zhì)成分及含量的儀器。針對(duì)以上技術(shù)現(xiàn)狀，筆者所在技術(shù)團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)期生化檢測(cè)儀器研制的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并研發(fā)了QPQ技術(shù)氮化鹽成分分析儀原理樣機(jī)?？刂婆c數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是QPQ技術(shù)氮化鹽成分分析儀的核心組成部分，針對(duì)基于光譜分析技術(shù)的QPQ氮化鹽成分分析儀控制與數(shù)據(jù)處理的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)可靠、穩(wěn)定、智能化的控制與數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，對(duì)于提高儀器的整體性能水平具有重要意義。

1 QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號(hào)處理系統(tǒng)

QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號(hào)處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，LED光源發(fā)出特定波長(zhǎng)的光透過(guò)在樣品檢測(cè)室中完成化學(xué)前處理顯色反應(yīng)的待測(cè)溶液后，由光電二極管檢測(cè)光強(qiáng)變化后，輸出模擬電壓信號(hào)，交由信號(hào)處理系統(tǒng)處理，最終經(jīng)光譜分析方法分析出被測(cè)參數(shù)的含量?？刂婆c信號(hào)處理系統(tǒng)是儀器的核心，能實(shí)現(xiàn)流路控制、光源控制及樣品化學(xué)前處理控制（顯色反應(yīng)所需的電磁攪拌控制和恒溫控制），對(duì)測(cè)量信號(hào)進(jìn)行相應(yīng)處理（信號(hào)的誤差處理、建標(biāo)、樣品檢測(cè)、數(shù)據(jù)查詢等）[3]。控制與信號(hào)處理系統(tǒng)是QPQ氮化鹽成分分析儀準(zhǔn)確分析氮化鹽中各成分含量的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)控制性強(qiáng)、運(yùn)行效率高、界面友好的控制與信號(hào)處理軟件，對(duì)于實(shí)現(xiàn)氮化鹽成分分析儀的精確檢測(cè)及提高其智能化程度具有重要意義。

2 控制與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 軟件總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)QPQ氮化鹽成分分析儀的基本原理，結(jié)合儀器的測(cè)試測(cè)量方法，采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了基于C#語(yǔ)言的QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。其中，控制系統(tǒng)包括光源控制、流路控制、樣品化學(xué)前處理控制（電磁攪拌控制與恒溫控制）；信號(hào)處理系統(tǒng)包括光強(qiáng)信號(hào)處理（讀取光強(qiáng)信號(hào)、系統(tǒng)誤差處理、噪聲信號(hào)處理與背景干擾消除）與測(cè)試方法（標(biāo)準(zhǔn)曲線建立、實(shí)際樣品檢測(cè)、標(biāo)準(zhǔn)曲線的校準(zhǔn)）等[6]。

2.2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)氮化鹽成分檢測(cè)的具體需求，結(jié)合儀器的原理及測(cè)試測(cè)量方法，設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)軟件工作流程。檢測(cè)時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后關(guān)閉光源，讀取暗噪聲光強(qiáng)，然后開(kāi)啟光源，待LED光源穩(wěn)定后，讀取參考光強(qiáng)；根據(jù)提示放入移取了一定體積待測(cè)溶液和試劑的比色皿，經(jīng)固定時(shí)間的攪拌和靜置后，讀取光強(qiáng)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，代入標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得出分析結(jié)果；最后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)流程。如圖3所示，分別為儀器的建標(biāo)流程和檢測(cè)流程。

2.3 信號(hào)處理系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

信號(hào)處理系統(tǒng)軟件主要是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理，建立待測(cè)樣品的吸光度—濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線，并依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線檢測(cè)被測(cè)樣品待測(cè)參數(shù)的濃度及含量。

首先對(duì)數(shù)據(jù)采集電路傳來(lái)的初始光強(qiáng)信號(hào)進(jìn)行處理，具體做法是每間隔10ms采集一次光強(qiáng)數(shù)據(jù)，連續(xù)采集10次；然后采用冒泡算法進(jìn)行排序，分別去除最大和最小的3組光強(qiáng)數(shù)據(jù)，對(duì)剩下4組數(shù)據(jù)進(jìn)行平均處理，以達(dá)到去除粗大誤差及減小隨機(jī)誤差的目的；得到光強(qiáng)數(shù)據(jù)后，扣除暗噪聲光強(qiáng)（暗噪聲LED光源關(guān)閉時(shí)采集的蒸餾水光強(qiáng)）；扣除暗噪聲后根據(jù)朗伯-比爾定律計(jì)算出吸光度。依次采集不同濃度標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度后，建立吸光度-濃度標(biāo)準(zhǔn)工作曲線[6]；最后采集被測(cè)樣品的吸光度，并進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)處理，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)工作曲線得出被測(cè)樣品待測(cè)參數(shù)濃度及含量。

2.4 軟件圖形用戶界面設(shè)計(jì)

根據(jù)QPQ表面處理工藝對(duì)氮化鹽中3種成分含量的檢測(cè)要求，結(jié)合儀器的檢測(cè)流程及功能需求，設(shè)計(jì)了控制與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件的圖形化用戶界面。整個(gè)界面分為系統(tǒng)設(shè)置、參數(shù)設(shè)置、參數(shù)測(cè)試、歷史數(shù)據(jù)4個(gè)模塊[7-8]，如圖5所示。系統(tǒng)設(shè)置用于編輯系統(tǒng)參數(shù)及開(kāi)發(fā)人員界面與用戶界面的切換等；參數(shù)設(shè)置用于編輯測(cè)試相關(guān)參數(shù)；參數(shù)測(cè)試用于選擇測(cè)試項(xiàng)目，進(jìn)行建標(biāo)與檢測(cè)并顯示測(cè)試結(jié)果等；歷史數(shù)據(jù)用于查詢、編輯歷史測(cè)試數(shù)據(jù)。

3 控制與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件聯(lián)機(jī)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

3.1 標(biāo)準(zhǔn)工作曲線建立實(shí)驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)曲線是儀器檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)尺度，標(biāo)線的建立直接影響到儀器檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確度。以QPQ表面處理鹽浴中最重要的檢測(cè)指標(biāo)氰酸根為例，進(jìn)行儀器的標(biāo)準(zhǔn)曲線建立測(cè)試實(shí)驗(yàn)。取標(biāo)準(zhǔn)濃度為0mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L、0.6mg/L的氰酸根溶液（氰酸根濃度以氮計(jì)算）進(jìn)行建標(biāo)實(shí)驗(yàn)，測(cè)試結(jié)果如表1與圖7所示。

由氰酸根建標(biāo)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，應(yīng)用軟件能自動(dòng)完成建標(biāo)且效果良好。標(biāo)準(zhǔn)曲線斜率大，線性相關(guān)系數(shù)為0.999 9。這表明儀器氰酸根檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)曲線具有很高的靈敏度和線性度，對(duì)于氰酸根含量的精確檢測(cè)具有重要意義。

3.2 實(shí)際樣品測(cè)試實(shí)驗(yàn)

為測(cè)試儀器的準(zhǔn)確度及重復(fù)性，取實(shí)際工業(yè)應(yīng)用的QPQ技術(shù)氮化鹽樣品進(jìn)行對(duì)比測(cè)試實(shí)驗(yàn)。以QPQ技術(shù)質(zhì)量控制中最重要的檢測(cè)指標(biāo)氰酸根含量檢測(cè)為例，檢測(cè)結(jié)果與行業(yè)（東風(fēng)汽車液壓動(dòng)力有限公司）普遍采用的甲醛定氮法所得結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。從表中可以看出，儀器的測(cè)量準(zhǔn)確度（相對(duì)誤差）在±5%以內(nèi)，重復(fù)性（相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差）小于 3%，說(shuō)明設(shè)計(jì)的QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號(hào)處理軟件系統(tǒng)能夠滿足實(shí)際應(yīng)用要求[9-11]。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)QPQ氮化鹽成分分析儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和原理，結(jié)合儀器的測(cè)試測(cè)量方法，采用自上而下的模塊化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，設(shè)計(jì)了控制與信號(hào)處理系統(tǒng)軟件的總體架構(gòu)，并以此為基礎(chǔ)完成了軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)軟件界面友好，運(yùn)行效率高，提高了儀器性能，具有較好的準(zhǔn)確性和重復(fù)性，可滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

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（責(zé)任編輯：黃 ?。?