针对土壤重金属污染的X荧光测试仪的设计

殷庆纵 夏劼清 冯家林

(苏州工业职业技术学院电子工程系1，江苏 苏州 215104;苏州市电子产品检验所有限公司2，江苏 苏州 215104)

0 引言

随着工业技术的迅速发展，各种工业废液渗入土壤与水体，使土壤与水体中的重金属和有机物含量越来越高，严重影响了人类的生命健康及其他生物的生存[1－2]。传统的检测土壤重金属污染的化学方法需要在现场取样后进行，由实验室通过强酸将土壤样品消解，然后将消解液中的金属元素用原子吸收法进行分析。该方法由于工作周期长而不能满足现场快速分析测试的要求。而目前，X射线荧光分析仪在检测元素的种类、检出限、灵敏度和测试条件方面还不能完全满足土壤中重金属含量的快速检测要求。

为了实现对土壤中重金属含量的快速检测，本文研制了一种高灵敏度手提式土壤重金属污染X荧光测试仪，可现场对土壤中的 As、Cr、Zn、Cu、Pb、Ni等重金属元素的含量进行快速检测。测试仪具有轻便灵活、稳定可靠、能同时分析多种元素、检出限低、灵敏度高等特点[3－4]。

1 仪器的结构

土壤重金属污染X荧光测试仪主要由低功率X光管激发源、Si-PIN半导体探测器组件、脉冲信号放大器、嵌入式微处理器系统、多道脉冲幅度分析器、LCD显示/触摸屏和各类电源等组成[5－6]，其结构如图 1所示。

图1 测试仪的结构框图Fig.1 Structural block diagram of the tester

土壤重金属污染X荧光测试仪的工作原理如下。将高压电源产生的高压加到X光管激发源，以产生X射线。该射线通过照射被检测的土壤，能够激发土壤中重金属元素产生特征X射线(称为X荧光)。Si-PIN半导体探测器收集特征X射线并转换为电压脉冲信号，通过放大器放大整形后，送到ARM进行模数转换并对这些数字信息进行处理。由于不同的重金属产生的特征X射线能量值不同，因此可根据探测的X射线能量值来判断土壤中存在的重金属元素种类;再根据重金属元素特征线的峰面积计算出重金属元素的浓度，从而得出被测土壤中重金属的种类和含量。

1.1 X光管激发源

小型低功率可控X光管激发源，产生的X射线强度比放射性核素源提高了3～5个数量级，可有效改善重金属的检出限，提高测量精度和准确度，消除工作场所环境的辐射污染;并可根据检测需要选择激励电压和电流数值，调整X射线强度。

1.2 Si-PIN半导体探测器组件

Si-PIN半导体探测器组件采用美国Amptek公司生产的电制冷型探测器组件。该组件包括Si-PIN探测器、电制冷模块和前置放大器，功耗仅1 W，能量分辨率可达180 eV，为实现多元素同时测定和高精度、高准确度分析提供了技术保证。Si-PIN半导体探测器组件用来收集土壤中重金属元素的特征X射线，并转换为电压脉冲信号。

1.3 脉冲信号放大器

Si-PIN半导体探测器输出的信号在脉冲信号的幅度和信噪比方面都不能满足后级多道脉冲分析器的要求，因此，该输出信号需要通过脉冲信号放大器对信号进行放大、整形和滤波。

脉冲信号放大器要达到以下技术指标要求：①增益0～10倍可调;②Si-PIN半导体探测器输出幅度和成形电路输出幅度应严格保持线性关系;③抑制系统的噪声，使系统信噪比达到最佳;④输出波形应符合后续多道分析测量参数要求，成形时间设计为20 μs，脉宽 54 μs。

根据对脉冲信号放大器的要求，设计的脉冲信号放大器电路图如图2所示。

图2 脉冲信号放大器Fig.2 Pulse signal amplifier

图2中，运算放大器采用低温度系数漂移的OP37，以减小脉冲信号放大器的零点漂移。脉冲信号放大器电路主要包括极零相消、放大失调、有源积分滤波和电路增益调节等电路。C1、R1组成一级RC微分电路，可消除探测器输出的信号脉冲叠加现象，并使信号宽度变窄，提高电路计数率。C1、R1、R0同时又是该电路的极零相消电路，以消除脉冲信号的下冲或上冲现象。运放U0与R2、R3构成增益为(1+R2/R3)的放大电路，电位器RX用来调节运放U0的失调电压。

通过最佳滤波器的理论分析可知，对称无限宽尖顶脉冲具有最佳的信噪比，即高斯型波形具有最佳信噪比，所以，脉冲的成形一般为高斯型波形。脉冲放大器电路设计的RC积分电路采用有源积分滤波器，采用了两级并串联组成的RC有源积分电路，相当于4级普通RC积分电路。

根据后续的多道分析仪要求，为了提高分辨率，选取 C5=2C4=C7=2C6，使脉冲的成形时间为20 μs，脉冲宽度为54 μs。脉冲信号放大器增益的调节范围为0～10。由运放U3、可调增益电位器RY、二极管D1组成的成形电路实现了增益的可调功能，能够满足后续多道脉冲幅度分析电路的需求，其中，D1的作用是防止运算放大器过载造成输出信号削顶。

1.4 多道脉冲幅度分析器

多道脉冲幅度分析器以ARM S3C2440A为控制核心，对来自脉冲信号放大器的信号进行模数转换，并依据模数转换的结果对信号进行分类。多道脉冲幅度分析器如图3所示。

图3 多道脉冲幅度分析器Fig.3 Multi-channel pulse amplitude analyzer

由于ARM S3C2440A的A/D转换为10位A/D转换器，因此，多道脉冲幅度分析器的道数最多为210道，即1 024道，可实现1 024道谱数据的分析、保存、显示和处理;也可通过接口电路把数据传送给上位机，具有设计简洁、接口标准等特点。

峰值检测保持电路由PKD01构成。该芯片具有响应速度快、通频带宽、线性好、峰值保持精度高等优点。通过恰当地选择外接保持电容，PKD01能够快速、准确地检测并保持峰值脉冲信号，直至发送RST复位信号清除为止[7]。PKD01芯片内部原理图如图4所示。

图4 PKD01芯片内部原理图Fig.4 Principle of PKD01 chip

脉冲信号放大器输出的脉冲信号从峰值保持电路PKD01的+IN输入，峰值保持电路将脉冲转换成峰值幅度相等的直流电平，从OUT(3脚)端输出到-IN端，并在PKD01比较器上用该直流电平与原始信号进行比较产生过峰信号。当输入信号增加时，比较器的输出端为高电位;当输入信号达到峰值后开始下降时，比较器的输出端从高电位变为低电位，产生过峰信号，将这个信号作为ARM的中断信号，然后由ARM启动内部A/D进行转换。ARM的A/D转换速度非常快，仅为10 μs。ARM读取A/D结果后，以此为地址读取该通道的数据，加1后送回原地址。这就完成了一个模拟信号的峰值幅度分析。

测量时间结束时，存储器中就存储了一条以道址为峰值幅度的信息。存储器中的数据表示同一峰值的脉冲个数，其通过ARM发送到液晶显示屏上显示。如果以信号道址为横坐标，道址对应的记数率为纵坐标，可以得到一条核辐射谱线[8－9]。

1.5 LCD 显示/触摸屏

本测试仪选用WXCAT35-TG3#001F(简称W35)作为显示/触摸屏。它是一种透射式的非晶硅薄膜晶体管液晶显示器模块，液晶面板尺寸为3.5英寸(1英寸=25.4 mm)，分辨率为320×240，拥有24位 RGB接口、4线模拟电阻式触摸，并支持条纹式线性翻转模式、数据启用模式和垂直同步模式三种模式，可用3.3 V供电，功耗为384 mW。在亮度为180 cd/m2、对比度≥10的情况下可视角为60°，图像质量高。该LCD显示/触摸屏可显示被测重金属的核辐射谱线和测量结果，同时，利用触摸屏的菜单控制整台仪器工作。S3C2440A的LCD控制器产生的控制和数据信号主要有帧同步信号VFRAME、行同步信号VLINE、像素时钟信号VCLK、数据输出使能信号VM、RGB信号VD0-23，以及W35产生的接触位置信号X+、X－、Y+、Y－。

2 软件设计

ARM S3C2440A软件部分的设计基于嵌入式C语言，采用模块化程序结构。软件具有以下功能：文件管理、设置操作、测量控制、X荧光谱分析和谱线显示等。文件管理的主要功能是控制文件的打开和关闭、谱线保存;设置操作的主要功能是设置能量刻度、测量时间、系统调整等;测量控制的主要功能是控制测量过程、选择省电测量和自检等;X荧光谱分析的主要功能是谱线平滑、元素含量分析、谱线面积计算等;谱线显示的主要功能是显示测量元素的谱线。一次测量完毕后，由分析与显示软件自动计算 As、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni等的含量并显示，基本实现了自动测试。软件结构框图如图5 所示[10]。

图5 软件结构框图Fig.5 Structural block diagram of software

3 测试比较

对土壤样品国家标准物质GBW 07404进行10次测定，并对比测量平均值与标准值，结果如表1所示。

表1 样品测定值与标准值对照表Tab.1 Measured values vs.certified values of the samples

由表1可看出，各测定指标相对标准偏差(relative standard deviation，RSD)均小于4%，精密度良好，符合设计标准(精密度±5%)。

4 结束语

基于ARM S3C2440A的土壤重金属污染X荧光测试仪，充分利用了S3C2440A内置的各种功能，降低了成本，具有较高的性价比;采用触摸屏控制，操作界面简单，测试速度快，结构紧凑，体积小，功耗低。实际应用表明，该测试仪工作可靠，达到了预期的设计指标。

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