高精度自反馈式陶瓷原料化学成份快速分析仪研发

于昕梅，蒋业文，周　燕，曾凡智，曾启汉YU Xin-mei，　JIANG Ye-wen，　ZHOU Yan，　ZENG Fan-zhi，　ZENG Qi-han（.佛山科学技术学院 电子信息工程系，佛山 58000；.佛山科学技术学院 计算机系，佛山 58000；.佛山市华洋仪器有限公司，佛山 58000）

高精度自反馈式陶瓷原料化学成份快速分析仪研发

于昕梅1，蒋业文1，周燕2，曾凡智2，曾启汉3
YU Xin-mei1，JIANG Ye-wen1，ZHOU Yan2，ZENG Fan-zhi2，ZENG Qi-han3
（1.佛山科学技术学院 电子信息工程系，佛山 528000；2.佛山科学技术学院 计算机系，佛山 528000；3.佛山市华洋仪器有限公司，佛山 528000）

采用自反馈式自适应的两次校准技术和高精度的数据分析与同构算法，研制出了陶瓷原料化学成分分析仪，符合国家的相关各项测试标准，达到了高精快速检测的设计目标。

高精度；自反馈；化学成分分析仪

0　引言

中国是世界第一产瓷大国，日用陶瓷、建筑卫生陶瓷产量都占世界陶瓷总产量的70%以上。由于陶瓷原料种类繁多结构复杂且成分多变，现阶段又缺乏稳定的标准化原料供应，这给配方时选择原料和替代原料带来困难。中国每年需采购的陶瓷原料种类繁多数量巨大，如何快速准确地检测、识别陶瓷原料中各化学成分的含量具有重大意义。本项目组研制的“高精度自反馈式陶瓷原料化学成分快速分析仪”通过综合拟合-同构算法和自适应校准技术，完成陶瓷原料化学成分分析过程的高精度化、快速化，并提高了多浓度溶液测试的适应性。

1　系统组成

“高精度自反馈式陶瓷原料化学成分快速分析仪”的测定过程如图1所示。

图1　高精度自反馈式陶瓷原料化学成份快速分析仪测定过程

系统主要的测定环节为显色、测定和数据处理三部分。其中显色环节采用国标QBT 2578-2002标准，用于测试的各溶液应不易受环境和其他化学因素影响，颜色能稳定足够长的时间，保证在测定过程中，溶液的吸光度基本不发生变化，而如何消除多个元素同时显色而引起的相互干扰，则是准确测量的关键问题。此外，还要求显色反应的灵敏度高，有利于微量组分的测定。溶剂的种类及容量、温度、时间以及共存离子干扰等都会影响显色反应。因此，建立稳定的快速准确的显色体系，才能确保达到测量的速度和准确性要求。

测定环节采用嵌入式自反馈的数据采集与测定方法，系统的下位机采用嵌入式的数据处理芯片，对每个通道进行自反馈式的自动调零过程，减少由于周围的环境、温度、光线等对测试精度的影响，对测试的光信号进行A/D转换后，使用积分方法进行加权处理，保证数据的稳定性。数据处理环节对系统数据处理和计算分析，包括绘制和校正吸光度—浓度标准工作曲线，提供各类数据拟合算法以及仪器自动校准等，根据多次的检测结果进行自动计算，分析陶瓷原料样品的各类化学成分的含量。这也是仪器研发的重要内容。

此外，系统建立原料的基础化学成分知识库，对标样溶液的多级浓度进行测试，测试数据进行存储，作为仪器的知识信息，支持对其他待测样品的进行数据测定与拟合的基础数据。系统提供各次各类检测信息的查询、统计、报表等功能，对各类基础数据、各次测试数据进行关联存储，提供数据分析统计。最后，系统提供软件的加密、数据证书等加密技术，保护产品的知识产权。

2　关键技术和创新点

1）自反馈式自适应的两次校准技术

仪器除了在初次使用和使用一段时间后，需要校准以外，由于信号处理环节的非线性因素以及环境温度等影响，也会使仪器偏离零点。本仪器在每次测试过程中对仪器进行了自适应校准。采用下位机自反馈机制，通过自反馈和自适应算法自用调整入射光的强度，使系统测试开始时自动处于优化的光度上，与此同时，上位机设立一个自动调零的功能，采用迭代算法调整入射光的强度，使系统处于优化的光度上，通过上位机、下位机两次自动调零，消除系统的干扰，提高测试精度与稳定性。

本仪器特有的测定过程中的自适应校准技术，可排除光强、电压、温度等外界干扰，可以消除长时间使用产生的漂移。确保了仪器在连续测定过程中的准确性。

2）高精度的数据分析与同构拟合算法

因陶瓷原料等测定物质种类繁杂结构多变，在数据分析处理系统中，为用户提供了多种数据处理中的同构拟合方法，最小二乘、折线、样条等多样化插值进行选择，系统根据已有标样溶液的知识库的数据进行双精度的数据计算，通过对通道参数进行辅助设置，确保该仪器的适应范围更广，测定结果更准确，精度更高。

3）适用于多种浓度的检测

通过对于浓度过高或过低的试液，设置高浓度、微量浓度的标样数据库，采用小数点后四位高精度的采样数据，使用多种同构拟合方法进行数据计算，提高系统对多浓度的适用性。

3　系统测试

图2和图3为系统多通道同时测试时化学成分分配管理和通道参数采集和设置图。系统采用关系数据库对测试记录、测试成分、标样数据进行关联，方便上位机数据维护，可以做到连续测量多个样品，对测试记录进行多维度统计分析以及打印提供各种统计报表。

4　结论

本仪器在测量范围内，所测标准点之间线性相关系数达到0.999，预热15min后，5min内读数漂移不大于0.2%，符合GB/T 4734-1996《陶瓷材料及制品化学分析方法》、GB/T 6900-2006《铝硅系耐火材料化学分析方法》和QB/T 2578-2002 《陶瓷原料化学成分光度分析方法》等有关分析方法对分析精度的要求。此外，仪器波长在380nm～800nm之间连续可调，精度误差不大于0.2nm，全分析总量介于100±0.5%，达到了高精快速检测的设计目标。

图2　多通道同时测试过程

图3　通道参数采集和设置

［1］ GB/T 6900-2006《铝硅系耐火材料化学分析方法》.［EB/ OL］.http://www.spsp.gov.cn/Page/CN/2006/GBT%206900-2006. shtml.

［2］ GB/T4734-1996《陶瓷材料及制品化学分析方法》.［EB/OL］. http://www.51zbz.com/biaozhun/130367.html.

［3］ QB/T 2578-2002《陶瓷原料化学成分光度分析方法》. ［EB/ OL］.http://www.spsp.gov.cn/Page/QT/2002/QBT%202578-2002. shtml.

Research and development of high precision self-feedback ceramic ingredient analyzer

TP18

A

1009-0134（2016）06-0104-02

2016-03-03

广东省自然科学基金资助（2015A030313639）；佛山市科技计划项目资助（20121011010070）

于昕梅（1974 -），女，内蒙古人，高级工程师，硕士，研究方向为信号与信息处理、嵌入式系统设计等。