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专利名称：全数字脉冲组合式光源的制作方法
技术领域：
本发明属光谱分析技术领域，特别是提供了 一种全数字脉冲组合式光源。用于直读光谱分析仪器。
背景技术：
激发光源是光谱分析仪器中极为重要的核心部件。它的作用是给分析试样提供蒸发、原子化的激发能量。在光谱分析时，试样的蒸发、原子化和激发之间没有明显界限，这些过程几乎是同时进行的，而这一系列过程均直接影响谱线的发射以及谱线的强度。不同能量的激发光源对各类样品、各种元素具有不同的蒸发行为。光谱分析的误差主要来源是光源。因此激发光源的水平直接决定了光谱仪器的整机水平。目前国产火花光谱仪配备的火花激发光源，激发能量无法根据材料的不同而灵活调整，导致分析的稳定性和准确度差。

发明内容
本发明目的在于提供一种全数字脉冲组合式光源，能够适应各种不同材料的全数字脉冲组合式激发光源，应用中可以根据不同的材料，对激发光源的火花和电弧进行任意组合，以适应各种材料对光源的不同要求，并能获得良好的灵敏度、稳定性和重现性。本发明包括计算机控制系统、下位机控制系统、火花电源、电弧电源、高压引燃电路、以及电流检测与调节电路6个部分。计算机控制系统包括计算机及安装在计算机上的控制软件，计算机带有RS-232接口，通过RS-232接口与下位机控制系统连接，将计算机控制系统的指令发到下位机控制系统。下位机控制系统通过光纤与火花电源、电弧电源连接，光纤的作用是传递下位机控制系统的控制信号。火花电源、电弧电源的输出都与高压引燃电路连接，高压引燃电路的输出通过高压线接到样品台的电极上，并且高压线穿过电流检测的传感器，传感器的信号输出接到电流检测与调节电路，电流检测与调节电路和下位机控制系统相连接，将实际测量的电流信号作为反馈连到下位机控制系统，经过下位机中的PID算法，输出的结果调节电弧电源，使得电弧电流保持稳定。本发明各个部分的组成及功能如下1、计算机控制系统包括计算机及安装在计算机上的控制软件，计算机带有RS-232接口，通过RS-232接口与下位机控制系统连接，将计算机控制系统的指令发到下位机控制系统；计算机控制系统的功能是发出控制指令控制指令包括激发的参数、时间、工作模式以及串口选择；激发参数包括光源激发频率、火花充电的电压值、电弧放电电流、电弧宽度，控制指令经RS-232接口，发到下位机，下位机是由基于STM32处理器开发的控制系统。计算机与下位机通讯发送的命令流包含头文字、数据位、结束位，通过头文字和结束位的校验尽可能地将误码率降到最低，保证设备正常运行。2、下位机控制系统通过RS-232接口与计算机控制系统连接，下位机控制系统包括主控板及下载到主控板芯片(MCU)的控制程序，下位机控制系统的主控板包括两部分第一部分是MCU核心板，包括处理器、电源和接口，处理器是STM32F103C8T6，处理器的外部时钟采用8M晶振和32. 768K晶振，电源是AMSl 17-3. 3V, JTAG接口是核心板下载程序和联机调试的接口 ；第二部分是外围接口电路，包括电源及滤波电路、RS-232接口电路、光电耦合器、光信号发射电路及其驱动，通过RS-232接口与计算机相连，经光电耦合器4N37与核心板的MCU连接，完成上、下位机的通讯；下载到主控板芯片(MCU)的控制程序经JTAG接口下载，MCU的输出经过由三极管BC557组成的驱动电路，接到光信号发射电路，经HFBR1524转换为光信号分别传到火花和电弧的电源板，下位机控制系统的主要功能是通过接收上位机指令来产生放电所需时序，并通过光纤将信号传给火花电源板和电弧电源板；另外主控板接收霍尔电流传感器检测到的放电电流，进行滤波处理后经处理器进行采集，并与设定的电流值比较以此改变电弧电源板调节信号的占空比从而稳定电弧放电的电流。处理器通过接收到的数据计算出需要输出信号的时序，并使用定时器定时控制各信号输出端口的电平变化来产生所需时序。下位机控制系统通过光纤与火花电源、电弧电源连接，光纤的作用是传递下位机控制系统的控制信号。3、火花电源电路包括电源电路、驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、整流电路、高压点火电路及滤波电感。电源电路接到驱动电路为驱动电路提供相互隔离的电源，驱动电路的输出接到全桥逆变电路，作为全桥逆变电路的控制信号，主回路交流220V接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到全桥逆变电路，全桥逆变电路的输出经过整流电路接到高压点火电路，再经过限流电感，作为火花电源电路的输出接到后续的高压引燃电路。火花电源主回路输入电源为交流220V，整流滤波后经全桥逆变为高频交流电，再经高频变压器将电压升高到400V，然后经过高频整流桥将交流电变为直流脉冲电源，经过一个限流电感给高压点火板的电容充电。下位机控制系统的主控板输出不同的充电占空比和充电时间就可以得到不同的充电电压，即火花电压。由HFBR2524组成的光信号接收电路，接收下位机发来的控制信号，作为火花电源的控制信号，火花电源板全桥逆变信号通过两根光纤接收，两路控制信号经低通滤波器滤除干扰后，通过逻辑电路实现互锁以防止全桥上下桥臂同时导通而造成短路，经过互锁的信号再经过低通滤波器进一步滤除干扰后分别通过TC4427将上拉信号转换为推挽信号增加信号的驱动能力和抗干扰能力。信号经过TC4427增强后输入IGBT驱动器驱动全桥IGBT工作。火花电源板其他控制信号也都经过TC4427进行转换，以保证控制信号的驱动能力和抗干扰能力。全桥驱动器由三路相互隔离的24V电源供电以保证IGBT正常开关。4、电弧电源电路包括电源电路、驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、整流电路、高频调制电路。电源电路接到驱动电路为驱动电路提供相互隔离的电源，驱动电路的输出接到全桥逆变电路，作为全桥逆变电路的控制信号，主回路交流220V接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到全桥逆变电路，经过全桥逆变电路降压后的输出经过整流电路，接到高频调制电路，电弧电源电路的输出与火花电源的输出连接到一起，火花电源电路和电弧电源电路之间由二极管隔开，最后接到高压引燃电路。电弧电源主回路输入电源为交流220V，整流滤波后经全桥逆变为高频交流电，再经全桥逆变电路的高频变压器将电压降到150V，经过整流滤波后，变为电压较低的直流电，然后通过高频调制电路的开关管进行调制，调制后再经过整流滤波形成电压可变的直流电，电弧电源电路的输出与火花电源电路的输出接到一起，两者之间经过二极管隔离，最后接到高压引燃电路。电弧电源板主要功能是输出电压可变的直流电来保持电弧放电时电流的稳定，电源可设定电弧放电时间O 2000US之间可任意设定；电弧电流可以在5A 20A之间任意设定，电源均可将电弧放电电流稳定在设定值。由HFBR2524组成的光信号接收电路，接收下位机发来的控制信号，作为电弧电源的控制信号，电弧电源板全桥逆变信号通过I根光纤接收，接收到的信号经过由两个单稳态触发器组成的移向电路移向90度，形成两路互补且带死区的全桥控制信号。两路控制信号与火花电源板相同，经低通滤波器滤除干扰后通过逻辑电路实现互锁以防止全桥上下桥臂同时导通而造成短路，经过互锁的信号再经低通滤波器，进一步滤除干扰后分别通过TC4427将上拉信号转换为推挽信号增强信号的驱动能力和抗干扰能力。信号经过TC4427增强后输入IGBT驱动器驱动全桥工作。电弧板其他控制信号也都由TC4427转换，以保证控制信号的驱动能力和抗干扰能力。电弧电源板集成PLS控制信号，PLS控制信号经光纤接收后通过上拉电阻上拉到15V后，输出控制高压点火板上的IGBT驱动电路。PLS信号由一路15V电源单独供电，防止相互干扰。5、高压引燃电路由高压点火电路及其驱动电路组成，驱动电路连接到高压点火电路，驱动高压点火电路的功率管，由光信号接收电路，接收下位机发来的控制信号，控制高压点火线圈的驱动电路，产生高压使电极与样品之间在通入氩气后产生电离。火花电源和电弧电源连在一起后，也接到高压引燃电路中，与高压点火线圈的输出连接，中间由高压硅堆隔开；高压引燃电路产生高压信号引燃后，火花电源和电弧电源进行续流，为火花放电和电弧放电提供放电能量。高压引燃电路的输出使用高压线。6、电流检测与控制电路由电流传感器、功率管及其驱动电路组成，高压引燃电路输出的高压线穿过电流传感器，传感器的信号输出接到控制电路中，控制电路的输出接到驱动电路，驱动电路直接驱动功率管，电流检测与调节电路和下位机控制系统相连接，将实际测量的电流信号作为反馈连到下位机控制系统，经过下位机中的PID算法，输出的结果调节电弧电源，使得电弧电流保持稳定。按照上述技术方案，本发明全数字脉冲组合式激发光源，由计算机控制系统、下位机控制系统、火花电源、电弧电源、高压引燃电路、以及电流检测与调节电路组成。其特征在于计算机发出控制指令，将激发的参数、时间、工作模式通过RS-232接口发到下位机控制系统；下位机控制系统由STM32处理器、外围电路及其控制软件组成，激发参数包括光源激发频率、火花充电的电压值、电弧放电电流、电弧宽度，通过下位机控制软件，控制激发所需的控制时序、控制信号，分别通过不同的光纤接到火花电源电路和电弧电源电路中，作为各电路全桥逆变电源开关管的控制脉冲，其中一路使火花电源由输入的交流220V变为直流400V，作为火花放电的电源；另外一路使电弧电源由输入的交流220V变为直流150V，作为电弧放电的电源；电弧电源电路同时产生高压点火的控制脉冲，控制IGBT功率管，使高压点火线圈产生高压，使电极与样品之间在通入氩气后产生电离；电极与样品的分析间隙电离后，为火花和电弧建立起了放电的通道，因此，间隙在高压电离击穿后，接着是火花放电和电弧放电。本发明全数字周期式火花加电弧的激发光源，频率范围50Hz 800Hz，高压电离击穿、火花放电、电弧放电这三个过程是连续的，并且在激发的一个周期内完成。在实际应用中，可根据分析材料的不同需要，通过调整计算机控制软件中的参数，对电弧的有无、火花和电弧成分的宽度进行任意组合。传统的光谱仪光源，或是火花光源(周期式)或是直流电弧光源(非周期式)，传统光源在实际应用中，都有一定的局限性，本发明的全数字脉冲组合式激发光源，实现了激发光源在一个放电周期内，火花和电弧的成分都有，并且可以根据需要灵活调整电弧的有无、火花和电弧的任意组合；频率范围较宽50Hz 800Hz，激发参数由计算机控制软件进行设定。传统的直流电弧光源，放电电流不能稳流，本发明的周期式火花加电弧的激发光源，实现了对放电电流实时采集和控制，电弧放电的稳定性对分析结果的稳定性和重现性至关重要。上位机控制软件使用VB编写，主要功能是输入各种放电参数，并通过RS232串口发送到下位机。发送的命令流包含头文字、数据位、结束位，通过头文字和结束位的校验尽可能的将误码率降到最低，保证设备正常运行。下位机控制电路与火花电源电路、电弧电源电路之间采用光纤连接，数字量的脉冲信号是通过光信号进行传输的，隔离了控制电路和电源电路，具有较强的抗干扰能力。本发明全数字脉冲组合式激发光源，激发频率为50Hz 800Hz连续可调，火花电压可以从100V 400V连续设定，电弧放电时间可以从O 2000US之间连续设定，电弧电流可以在5A 20A之间任意设定，以上参数作为控制光源激发的参数，由计算机控制软件进行设定。与现有技术相比，本发明具有如下优点1、本发明实现了 一个脉冲放电周期内火花加电弧的组合式放电，两者的放电过程是连续的，并且可以根据需要对电源的火花和电弧成分进行任意组合。2、本发明中火花电源的电压可以在100V 400V的范围内连续调整，电弧放电的过程中实时采样电流值，用PID控制算法实现电弧电流的稳定。3、火花电源电路和电弧电源电路输入电源均为交流220V，都采用IGBT全桥逆变技术，进行DC-AC-DC变换，分别作为火花电源和电弧电源，能源利用率高。4、计算机与下位机通讯采用RS-232串口，发送的命令流包含头文字、数据位、结束位，通过头文字和结束位的校验尽可能地将误码率降到最低，保证设备正常运行。5、下位机控制电路与火花电源电路、电弧电源电路之间采用光纤连接，数字量的脉冲信号是通过光信号进行传输的，隔离了控制电路和电源电路，具有较强的抗干扰能力。


图1为本发明全数字脉冲组合式光源的框图。
具体实施例方式图1是全数字脉冲组合式光源框图。本发明包括计算机控制系统、下位机控制系统、火花电源、电弧电源、高压引燃电路、以及电流检测与调节电路6个部分。计算机控制系统包括计算机及安装在计算机上的控制软件，计算机带有RS-232接口，通过RS-232接口与下位机控制系统连接，将计算机控制系统的指令发到下位机控制系统。下位机控制系统通过光纤与火花电源、电弧电源连接，光纤的作用是传递下位机控制系统的控制信号。火花电源、电弧电源的输出都与高压引燃电路连接，高压引燃电路的输出通过高压线接到样品台的电极上，并且高压线穿过电流检测的传感器，传感器的信号输出接到电流检测与调节电路，电流检测与调节电路和下位机控制系统相连接，将实际测量的电流信号作为反馈连到下位机控制系统，经过下位机中的PID算法，输出的结果调节电弧电源，使得电弧电流保持稳定。火花电源电路包括电源电路、驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、整流电路、高压点火电路及滤波电感。电源电路接到驱动电路为驱动电路提供相互隔离的电源，驱动电路的输出接到全桥逆变电路，作为全桥逆变电路的控制信号，主回路交流220V接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到全桥逆变电路，经过全桥逆变电路升压后的输出经过整流电路接到高压点火电路，再经过限流电感，火花电源电路的输出接到后续的高压引燃电路。电弧电源电路包括电源电路、驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、整流电路、高频调制电路。电源电路接到驱动电路为驱动电路提供相互隔离的电源，驱动电路的输出接到全桥逆变电路，作为全桥逆变电路的控制信号，主回路交流220V接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到全桥逆变电路，经过全桥逆变电路降压后的输出经过整流电路，接到高频调制电路，电弧电源电路的输出与火花电源的输出连接到一起，火花电源电路和电弧电源电路之间由二极管隔开。高压引燃电路火花电源电路的输出接到高压引燃电路的输入；高压引燃电路的输出与电弧电源电路的输出经二极管隔开，接高压线输出。电流检测与控制电路高压线穿过电流传感器，接到样品台；电流传感器的输出信号接到控制电路作为电流反馈。
权利要求
1.一种全数字脉冲组合式光源，计算机控制系统、下位机控制系统、火花电源、电弧电源、高压引燃电路、以及电流检测与调节电路；计算机控制系统包括计算机及安装在计算机上的控制软件，计算机带有RS-232接口，通过RS-232接口与下位机控制系统连接，将计算机控制系统的指令发到下位机控制系统； 下位机控制系统通过光纤与火花电源、电弧电源连接，光纤的作用是传递下位机控制系统的控制信号； 火花电源、电弧电源的输出都与高压引燃电路连接，高压引燃电路的输出通过高压线接到样品台的电极上，并且高压线穿过电流检测的传感器，传感器的信号输出接到电流检测与调节电路，电流检测与调节电路和下位机控制系统相连接，将实际测量的电流信号作为反馈连到下位机控制系统，经过下位机中的PID算法，输出的结果调节电弧电源，使得电弧电流保持稳定。
2.根据权利要求1所述的全数字脉冲组合式光源，其特征在于，所述的计算机控制系统的功能是发出控制指令控制指令包括激发的参数、时间、工作模式以及串口选择；激发参数包括光源激发频率、火花充电的电压值、电弧放电电流、电弧宽度，控制指令经RS-232接口，发到下位机，下位机是由基于STM32处理器开发的控制系统；计算机与下位机通讯发送的命令流包含头文字、数据位、结束位，通过头文字和结束位的校验尽可能地将误码率降到最低，保证设备正常运行。
3.根据权利要求1所述的全数字脉冲组合式光源，其特征在于，所述的下位机控制系统包括主控板及下载到主控板芯片MCU的控制程序； 主控板包括两部分第一部分是MCU核心板，MCU核心板包括处理器、电源和接口，处理器是STM32F103C8T6，处理器的外部时钟采用8M晶振和32. 768K晶振，电源是AMSl 17-3. 3V, JTAG接口是核心板下载程序和联机调试的接口；第二部分是外围接口电路，包括电源及滤波电路、RS-232接口电路、光电耦合器、光信号发射电路及其驱动，通过RS-232接口与计算机相连，经光电耦合器4N37与核心板的MCU连接，完成上、下位机的通讯；下载到主控板芯片MCU的控制程序经JTAG接口下载，MCU的输出经过由三极管BC557组成的驱动电路，接到光信号发射电路，经HFBR1524转换为光信号分别传到火花和电弧的电源板； 下位机控制系统的功能是通过接收上位机指令来产生放电所需时序，并通过光纤将信号传给火花电源板和电弧电源板；另外主控板接收霍尔电流传感器检测到的放电电流，进行滤波处理后经处理器进行采集，并与设定的电流值比较以此改变电弧电源板调节信号的占空比从而稳定电弧放电的电流；处理器通过接收到的数据计算出需要输出信号的时序，并使用定时器定时控制各信号输出端口的电平变化来产生所需时序。
4.根据权利要求1所述的全数字脉冲组合式光源，其特征在于，所述的火花电源电路包括包括电源电路、驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、整流电路、高压点火电路及滤波电感；电源电路接到驱动电路为驱动电路提供相互隔离的电源，驱动电路的输出接到全桥逆变电路，作为全桥逆变电路的控制信号，主回路交流220V接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到全桥逆变电路，全桥逆变电路的输出经过整流电路接到高压点火电路，再经过限流电感，作为火花电源电路的输出接到后续的高压引燃电路。
5.根据权利要求1所述的全数字脉冲组合式光源，其特征在于，所述的电弧电源电路包括电源电路、驱动电路、整流滤波电路、全桥逆变电路、整流电路、高频调制电路；电源电路接到驱动电路为驱动电路提供相互隔离的电源，驱动电路的输出接到全桥逆变电路，作为全桥逆变电路的控制信号，主回路交流220V接到整流滤波电路，整流滤波电路的输出接到全桥逆变电路，经过全桥逆变电路降压后的输出经过整流电路，接到高频调制电路，电弧电源电路的输出与火花电源的输出连接到一起，火花电源电路和电弧电源电路之间由二极管隔开，最后接到高压引燃电路。
6.根据权利要求1所述的全数字脉冲组合式光源，其特征在于，所述的高压引燃电路由高压点火电路及其驱动电路组成，驱动电路连接到高压点火电路，驱动高压点火电路的功率管，由光信号接收电路，接收下位机发来的控制信号，控制高压点火线圈的驱动电路， 产生高压使电极与样品之间在通入氩气后产生电离；火花电源和电弧电源连在一起后，也接到高压引燃电路中，与高压点火线圈的输出连接，中间由高压硅堆隔开；高压引燃电路产生高压信号弓丨燃后，火花电源和电弧电源进行续流，为火花放电和电弧放电提供放电能量。
7.根据权利要求1所述的全数字脉冲组合式光源，其特征在于，所述的电流检测与控制电路由电流传感器、功率管及其驱动电路组成，高压引燃电路输出的高压线穿过电流传感器，传感器的信号输出接到控制电路中，控制电路的输出接到驱动电路，驱动电路直接驱动功率管，电流检测与调节电路和下位机控制系统相连接，将实际测量的电流信号作为反馈连到下位机控制系统，经过下位机中的PID算法，输出的结果调节电弧电源，使得电弧电流保持稳定。
全文摘要
一种全数字脉冲组合式光源，属光谱分析技术领域。包括计算机控制系统、下位机控制系统、火花电源、电弧电源、高压引燃电路、以及电流检测与调节电路6个部分。计算机控制系统包括计算机及安装在计算机上的控制软件，计算机带有RS-232接口，通过RS-232接口与下位机控制系统连接，将计算机控制系统的指令发到下位机控制系统。下位机控制系统通过光纤与火花电源、电弧电源连接，光纤的作用是传递下位机控制系统的控制信号。优点在于，能够适应各种不同材料的全数字脉冲组合式激发光源，应用中可以根据不同的材料，对激发光源的火花和电弧进行任意组合，以适应各种材料对光源的不同要求，并能获得良好的灵敏度、稳定性和重现性。
文档编号G01N21/25GK103025036SQ20121051825
公开日2013年4月3日 申请日期2012年12月5日 优先权日2012年12月5日
发明者常丽莉, 杨新生, 李宏伟, 陈吉文, 丁振敏, 于雷, 吴凤雅, 史孝侠 申请人:钢研纳克检测技术有限公司