基于数据采集卡的离子迁移谱仪测控系统

李 立，李宏杰，姚 琏

(安阳工学院电子信息与电气工程学院，河南安阳 455000)

0 引言

离子迁移谱(ion mobility spectrometry，IMS)检测技术是一种分析痕量有机化合物的新方法。其主要特点是：价格低、灵敏度高、响应快、检出限低、体积小和便于携带。

除去IMS硬件本身对特性的影响，数据采集和处理控制部分可以提高系统的可靠性、增强系统的数据处理能力。目前通用的嵌入式操作系统包括：MS-DOS、WinCE和Nucleus PLUS等[3]；由于其成本高、不便携等缺点，为此，本文开发了一套基于PC机和数据采集卡PCI2003、VB的实验型通用测控系统。该系统可以配合多种迁移管和进样器，用于IMS技术的研究。经测试证实在大气污染物、爆炸物品的IMS检测技术的研究中发挥重要作用。

1 迁移管原理

IMS由迁移管和外围测控系统组成。等间距排列的金属环在迁移管内部产生均匀电场。气态样品由载气带入电离区，在电离源(紫外灯、放射源、高压放电)作用下发生电离。离子受电场推动到达离子门，载气和其他中性分子从出气口排出。离子门开通瞬间，部分离子进入迁移区。在弱电场作用下，不同离子因迁移率不同被分离。离子电流信号由法拉第盘接微电流放大器输出，进一步可以测出迁移时间(drift time)和标准迁移率。漂气(迁移气体)的作用是阻止中性分子进入迁移区。

2 IMS测控系统的基本功能及要求

与迁移管配合工作的电子装置包括：高压电源、分压电路、微电流放大器、数据采集装置、离子门控制电路，温度检测和控制系统。高压电源通常是3 000～5 000 V，由电阻分压电路均匀分压，迁移区的电场强度一般在200至400 V/cm。微电流放大器由OP129或AD549构成，放大倍数为108～109 V/A 、时间常数<100 μs。为测定迁移时间，数据采集装置必须与离子门同步。离子门控制信号通常是由逻辑电路产生的200至1 000 μs 的脉冲信号。温度控制包括迁移管、进样器、载气入口、漂气入口多点温度检测及控制，其中重点是迁移管和进样器的温度控制。载气及漂气流量需实时监测。

3 测控系统设计

3.1 系统的总体设计思路

针对实验型IMS开发了一套基于PC机和数据采集卡的通用测控系统。该系统配合多种迁移管和进样器，已在可挥发性有机污染物、爆炸物及易制毒品IMS检测技术的研究中发挥了重要作用。

系统设计时选用PC机配数据采集卡，主要原因是为了适应基础研究的需要。在IMS的研究过程中，经常改变迁移管结构、电路结构，进行测试；多个运行参数需要在实验中寻找最佳组合；依据用途不同，需要开发多种电离源、进样器。这就要求测控系统有较强的通用性、灵活性，可以方便的改变结构和参数，增加新功能，甚至可以由非电子专业的研究人员对软件升级、改造。考虑到嵌入式系统硬件依赖性较高、编程的专业性较强，不利于系统的不断调整和持续开发。而数据采集卡可以方便地构成数据采集、波形分析和处理系统，也可构成过程控制监控系统；软件使用VC、VB、LabVIES等常用工具开发[4-6]。因此，选择了PC机配数据采集卡的方案。已经使用的采集卡有PCI2003、USB2005、USB2009，软件设计中分别使用过VB、BC、LabVIES等多种开发工具[7-8]。实践证明，本方案具有开发周期短、适应性强、硬件依赖性小、软件可移植性好等特点。本文主要采用PCI2003和VB开发的系统。系统结构如图1所示。

图1 系统原理框图

3.2 离子门控制系统设计

离子门的作用是控制进入迁移区的离子数，其开启时间大小对信号强度、峰宽等有重要影响。通常需要硬件产生脉冲信号(脉冲宽度200至1 000 μs、周期几十ms),通过驱动电路控制离子门动作。本系统中采用软件产生离子门控制信号，从采集卡的D/A00端口输出。优点是：便于同采集系统同步、参数调整方便、系统结构简单。实现时主要有以下几个问题。

3.2.1 定时精度

离子门开启时间最小值100 μs。但VB提供的定时器定时精度为ms级。使用了API函数lpPerformanceCount和 lpFrequency。读取系统定时器，精度达到μs级。准确测定输出高低电平信号的时间及脉冲宽度，必要时还将不符合的过程剔除。实测当系统主频>100 MHz时可以满足要求(程序运行时禁止其他软件运行)。

3.2.2 上升沿和下降沿时间

上升时间与下降时间主要由采集卡的D/A建立时间决定。按使用说明书给出的指标，建立时间为10 μs，实测约为2 μs。图2是实测的脉冲上升沿和下降沿。

图2 门脉冲的上升沿和下降沿

3.2.3 同步误差和脉冲宽度

当系统配置较低或执行多任务时，会随机出现D/A指令延时执行的情况，使上升或下降沿平移，分别造成同步误差和脉冲宽度变化。为此，软件中使用定时器监视高电平和低电平输出指令的执行时间，与设定的上限比较。当超出上限时，设置一个标记，待完成数据采集后将该组数据取消。图3为产生门信号的软件流程。超时情况下仍需完成数据采集，目的是等待这一批离子穿过迁移管。否则，若发现超时后立即返回执行门脉冲输出指令，会造成连续两次打开离子门。上限值的大小，应根据情况适应调整。上限值大，定时误差大；上限值小，采集效率低。为避免出现超时，PC机配置应尽可能高，采集数据时不要执行其他操作。图4是用示波器间隔2 min测得的两个脉冲后沿，均以脉冲前沿触发。两后沿的时间差反映脉冲宽度误差。

图3 离子门信号软件流程

图4 脉冲后沿的抖动范围

3.2.4 输出匹配

离子门驱动电路是一个光电耦合器(Moc 3042)。为防止产生高频振荡。可在PCI2003与光电耦合器之间接入一个射极跟随器作为隔离。

3.3 数据采集系统设计

数据采集是系统的核心功能，主要考虑采集速度、与离子门同步、程控增益、数据处理等问题。采集卡的主要性能有：100 kHz 12位A/D转换器， 建立时间10 μs，程控增益1、10、100、1 000(PGA202)倍[3]。

数据采集过程与离子门同步工作，周期采集微电流放大器的输出信号。当离子门打开时开始A/D转换，完成1 Kbit(卡上缓存数量)数据时停止并读入数据。程序控制转换速率等于采样周期除以缓存数(1 K)，保证每个采样周期有1 K采样点。这样每次采样的点数相同，且能充分使用缓存，但时间分辨率不同(也可以采用固定采样率的方法。考虑到前者采集效率更高，选择了固定采样点数的方法)。使用软件方法保证采样与离子门的同步，即软件触发采集后立即输出门信号。同步误差与PC机的运行速度有关。根据信号最大值自动调整采集卡增益，保证A/D转换工作在正常范围(微放增益为108～109 V/A时，采集卡增益一般为102～103)。数据处理方面主要注意两点：

(1)数字滤波及多次采样平均。实际信号信噪比较低，约为-20～26 dB。为提高信噪比，分别对每次采样信号进行一阶数字滤波(时间常数约为采样间隔的1.5倍)，然后对多次采样信号进行平均(平均次数1～155)。

(2)发现被检物时自动报警。根据被检物的迁移率、迁移管工作温度、电场强度等参数，计算得到出峰时间；然后动态监视该点数值变化量对基线变化量的比值，该数值超限时报警并保存当前数据。

3.4 迁移管温度、流量控制系统设计

准确控制迁移管的温度是IMS工作的必要条件，应该对迁移区、样气、漂气、进样器等多点温度进行控制或测量[6]。实验中依据迁移管的结构和样品的情况确定温度值，通常在300 ℃以下。使用电加热板或加热带作加热元件，K分度号热电偶测温。采集卡直接测量热电势(手工做冷端补偿)，PID运算结果由D/A输出控制固态继电器(SSR)。温度控制效果与热电偶安装位置关系密切。最初安装在加热板旁，测温速度快、稳定度高，但迁移管内部升温慢、温度误差大；改进后，热电偶安装在图1所示位置。另外，PC机可靠性较差，除软件中采取保护措施外，还必须设置硬件过热保护报警装置。

4 实验结果

实验装置见图1(测温点在加热板旁)，电离源63Ni 15mCi箔片，迁移区长度11 cm，电场强度301 V/cm，漂移气和载气均为空气。图5给出背景及TNT样品的测试结果。实验参数如下：温度100 ℃、开门时间0.5 ms、平均次数64、采集周期50 ms。图中曲线1是背景，迁移时间13.67 ms处是空气峰。曲线2是TNT样品的测试曲线，13.23 ms处是空气峰，18.80 ms是TNT峰。两曲线的空气峰相差0.44 ms，估计是由于测温点远离迁移区，导致迁移区温度波动造成的。

图5 迁移谱图

图6反映数字滤波对采样结果的影响。实验装置同上，实验参数：温度常温、开门时间0.2 ms、平均次数128、采集周期25 ms。3条曲线均为背景曲线，图中为便于区分，1、3两组数据分别加2 mV、-2 mV的移动。曲线1不经过数字滤波，曲线2滤波时间常数0.04 ms，曲线3滤波时间常数1 ms。

图6 不同滤波时间常数对比

表1是图6数据的处理结果。其中基线平均值和基线标准差是前600个(15 ms)数据的统计结果，可以看出，滤波时间常数越大，滤波效果越明显。半高宽、峰值时间和峰高(括号内为实测值)是图6经高斯拟合得到的。可以发现：合适的滤波时间可以提升峰高，但峰宽和峰值时间都随滤波时间增大。因此，数字滤波能够减小随机干扰、提高信噪比，但也会对迁移时间及峰型产生影响，应通过实验确定最佳滤波时间常数。

表1 数字滤波时间常数的影响

5 结束语

本文采用PCI与VB结合的开发方式设计基于数据采集卡的IMS测控系统并通过实验验证方案可行性，使用该系统可以为调子迁移谱仪的研制提供有效的支持。经过一段时间的实验和测试，表明不同采集卡的性能各有不同，PCI卡的运行速度快，性能稳定，但必须配用台式机；USB采集卡的通讯速度慢，无法实现实时处理。当使用USB卡的硬件定时器产生离子门信号时，系统总体性能能够接近PCI卡的性能。为大气污染物、爆炸物的IMS检测技术的研究中发挥重要作用。