QPQ氮化盐成分分析仪控制与信号处理软件系统设计

戴贤明+魏康林+周丰

摘要：

根据QPQ氮化盐成分分析仪控制与信号处理的技术要求，结合仪器的基本工作原理和测试方法，设计了QPQ氮化盐成分分析仪控制与信号处理系统软件的总体结构，并以此为基础完成了控制系统软件、信号处理系统软件及图形用户界面的设计，并开展系统联机测试实验。实验结果表明，控制与信号处理系统软件能实现仪器的精确控制与检测，且检测结果重复性好，准确度高，可满足实际应用要求。

关键词：成分分析仪；控制与信号处理；成分检测

DOIDOI：10.11907/rjdk.172227

中图分类号：TP319

文献标识码：A 文章编号：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盐浴复合表面处理技术是广泛应用于汽车、摩托车、轴类产品、电子零件、纺机、机床等生产制造领域的金属表面强化改性技术，QPQ技术工艺过程中对氮化盐浴中氰酸根、氰根和铁离子3种物质含量的检测与控制是保证QPQ工艺质量的重要依据[1-2]。然而，目前分析仪器市场却没有能够同时检测氮化盐中上述3种物质成分及含量的仪器。针对以上技术现状，笔者所在技术团队在长期生化检测仪器研制的基础上，设计并研发了QPQ技术氮化盐成分分析仪原理样机。控制与数据处理系统是QPQ技术氮化盐成分分析仪的核心组成部分，针对基于光谱分析技术的QPQ氮化盐成分分析仪控制与数据处理的技术要求，设计可靠、稳定、智能化的控制与数据处理软件系统，对于提高仪器的整体性能水平具有重要意义。

1 QPQ氮化盐成分分析仪控制与信号处理系统

QPQ氮化盐成分分析仪控制与信号处理系统结构如图1所示，LED光源發出特定波长的光透过在样品检测室中完成化学前处理显色反应的待测溶液后，由光电二极管检测光强变化后，输出模拟电压信号，交由信号处理系统处理，最终经光谱分析方法分析出被测参数的含量。控制与信号处理系统是仪器的核心，能实现流路控制、光源控制及样品化学前处理控制（显色反应所需的电磁搅拌控制和恒温控制），对测量信号进行相应处理（信号的误差处理、建标、样品检测、数据查询等）[3]。控制与信号处理系统是QPQ氮化盐成分分析仪准确分析氮化盐中各成分含量的关键，设计控制性强、运行效率高、界面友好的控制与信号处理软件，对于实现氮化盐成分分析仪的精确检测及提高其智能化程度具有重要意义。

2 控制与信号处理系统软件设计

2.1 软件总体结构

根据QPQ氮化盐成分分析仪的基本原理，结合仪器的测试测量方法，采用自上而下的模块化设计准则，设计了基于C#语言的QPQ氮化盐成分分析仪控制与信号处理系统软件的总体结构，如图2所示。其中，控制系统包括光源控制、流路控制、样品化学前处理控制（电磁搅拌控制与恒温控制）；信号处理系统包括光强信号处理（读取光强信号、系统误差处理、噪声信号处理与背景干扰消除）与测试方法（标准曲线建立、实际样品检测、标准曲线的校准）等[6]。

2.2 控制系统软件设计

根据氮化盐成分检测的具体需求，结合仪器的原理及测试测量方法，设计了控制系统软件工作流程。检测时，首先进行系统初始化，然后关闭光源，读取暗噪声光强，然后开启光源，待LED光源稳定后，读取参考光强；根据提示放入移取了一定体积待测溶液和试剂的比色皿，经固定时间的搅拌和静置后，读取光强数据，并进行相关数据处理，代入标准工作曲线得出分析结果；最后，结束实验流程。如图3所示，分别为仪器的建标流程和检测流程。

2.3 信号处理系统软件设计

信号处理系统软件主要是对采集的信号进行处理，建立待测样品的吸光度—浓度标准工作曲线，并依据标准工作曲线检测被测样品待测参数的浓度及含量。

首先对数据采集电路传来的初始光强信号进行处理，具体做法是每间隔10ms采集一次光强数据，连续采集10次；然后采用冒泡算法进行排序，分别去除最大和最小的3组光强数据，对剩下4组数据进行平均处理，以达到去除粗大误差及减小随机误差的目的；得到光强数据后，扣除暗噪声光强（暗噪声LED光源关闭时采集的蒸馏水光强）；扣除暗噪声后根据朗伯-比尔定律计算出吸光度。依次采集不同浓度标准溶液的吸光度后，建立吸光度-浓度标准工作曲线[6]；最后采集被测样品的吸光度，并进行相关数据处理，根据标准工作曲线得出被测样品待测参数浓度及含量。

2.4 软件图形用户界面设计

根据QPQ表面处理工艺对氮化盐中3种成分含量的检测要求，结合仪器的检测流程及功能需求，设计了控制与信号处理系统软件的图形化用户界面。整个界面分为系统设置、参数设置、参数测试、历史数据4个模块[7-8]，如图5所示。系统设置用于编辑系统参数及开发人员界面与用户界面的切换等；参数设置用于编辑测试相关参数；参数测试用于选择测试项目，进行建标与检测并显示测试结果等；历史数据用于查询、编辑历史测试数据。

3 控制与信号处理系统软件联机测试实验

3.1 标准工作曲线建立实验

标准曲线是仪器检测的标准尺度，标线的建立直接影响到仪器检测结果的准确度。以QPQ表面处理盐浴中最重要的检测指标氰酸根为例，进行仪器的标准曲线建立测试实验。取标准浓度为0mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L、0.6mg/L的氰酸根溶液（氰酸根浓度以氮计算）进行建标实验，测试结果如表1与图7所示。

由氰酸根建标实验结果可知，应用软件能自动完成建标且效果良好。标准曲线斜率大，线性相关系数为0.999 9。这表明仪器氰酸根检测标准曲线具有很高的灵敏度和线性度，对于氰酸根含量的精确检测具有重要意义。

3.2 实际样品测试实验

为测试仪器的准确度及重复性，取实际工业应用的QPQ技术氮化盐样品进行对比测试实验。以QPQ技术质量控制中最重要的检测指标氰酸根含量检测为例，检测结果与行业（东风汽车液压动力有限公司）普遍采用的甲醛定氮法所得结果进行对比，实验结果如表2、表3所示。从表中可以看出，仪器的测量准确度（相对误差）在±5%以内，重复性（相对标准偏差）小于 3%，说明设计的QPQ氮化盐成分分析仪控制与信号处理软件系统能够满足实际应用要求[9-11]。

4 结语

根据QPQ氮化盐成分分析仪的系统结构和原理，结合仪器的测试测量方法，采用自上而下的模块化设计准则，设计了控制与信号处理系统软件的总体架构，并以此为基础完成了软件系统设计。实验结果表明，系统软件界面友好，运行效率高，提高了仪器性能，具有较好的准确性和重复性，可满足实际应用要求。

参考文献：

[1] 李惠友.QPQ技术的原理与应用[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] 周鼎华.QPQ处理工艺及其质量控制[J].热处理技术与装备，2006，27（1）：28-30.

[3] 魏康林.基于微型光谱仪的多参数水质检测儀关键技术研究[D].重庆：重庆大学，2012.

[4] JACKY J， VEANES M， CAMPBELL C， et al. Model-based software testing and analysis with C#[M]. Cambridge university Press，2008：72-89.

[5] AMMAR MAHJOUBI， RIDHA FETHI MECHLOUCH， AMMAR BEN BRAHIM. Data acquisition system for photovoltaic water pumping system in the desert of tunisia original research article[J]. Procedia Engineering， 2012，33：268-277.

[6] 韩孝贞，温志渝，谢瑛珂，等.多参数水质检测仪控制与信号处理系统软件设计[J].仪表技术与传感器，2014（8）：20-22.

[7] 蒙艳玫，苏建军，罗赟，等.甘蔗煮糖过程参数自动检测系统的研究[J].机械与电子，2008（12）：28-30.

[8] 宋卉.全自动生化分析仪软件设计与GUI实现[D].长春：吉林大学，2015.

[9] 陈松柏.基于微型光谱仪的多参数水质检测仪应用软件设计与实验[D].重庆：重庆大学，2012.

[10] 黄俭，温志渝，洪明坚，等.基于微型光谱仪的生化分析系统的软件设计与实现[J].仪器仪表学报，2005，26（S2）：296-298.

[11] 韩孝贞.多参数水质检测仪控制与数据处理软件系统设计[D].重庆：重庆大学，2014.

（责任编辑：黄 健）