CN102384784A - 动态调节系统能量的分光光度计及其动态调节方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种动态调节系统能量的分光光度计及其动态调节方法，该分光光度计包括电源单元21，光电检测单元22，控制单元23，该动态调节方法包括步骤：S31加负高压；S32获取系统能量值和负高压值；S33判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；S34如系统能量值不在大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值之间，判断负高压值是否大于等于负高压阈值；S35如负高压值小于负高压阈值，将负高压值刷新为负高压阈值，并重新获取系统能量值和负高压值；S36如负高压值大于等于负高压阈值，判断系统能量值是否大于能量阈值；S37如系统能量值大于等于能量阈值，调节负高压值。本发明使系统能量时刻保证在适合的能量范围，提高了系统的测量精度。

Description

动态调节系统能量的分光光度计及其动态调节方法

技术领域

本发明涉及采用光学测量方法的通用测量装置领域，尤其涉及到一种分光光度计。

背景技术

分光光度计是利用物质对光的选择吸收现象，进行物质的定性和定量分析的光电式分析仪器，也是一种光谱仪器。根据电磁辐射原理，不同的物质具有不同的选择吸收，也即具有不同的吸收光谱。通过对吸收光谱的分析可方便的判断物质的内部结构和化学组成。分光光度计是分光仪器和光度计的一种组合。按工作光谱原理的不同，分光光度计可分为研究物质分子吸收光谱的分光光度计、研究物质中原子吸收的原子吸收分光光度计、研究物质分子荧光发射的荧光分光光度计和研究物质原子荧光发射的原子荧光分光光度计等。由于分光光度法具有分析精度高、测量范围广、分析速度快、样品用量少等优点，分光光度计已成为现代化分析实验室必备的常规仪器之一。

分光光度计中必不可少的一个组成部分是光电检测器，光电检测器将光信号转换为电信号，目前常用的光电检测器是光电倍增管，光电倍增管的使用方法如图1所示，阴极由于外光电效应而产生光电子，多级分离式倍增级进行二次电子倍增，最后经过阳极输出。R1~R6是分压电阻，将各倍增级上加上电压。实际使用中，也可以选用更多或更少的分压电阻。在使用光电倍增管作为光电检测器的分光光度计中，需要给光电倍增管提供一个负高压，当负高压越高时，光电倍增管输出的电流越大。可以得到不同负高压和电流增益之间的关系式，其关系式见公式(1)。

$\frac{V_1}{V_2}={\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2}\right)}^{\frac{1}{(k*n)}}---\left(1\right)$

其中，V₁和V₂是不同的负高压，μ₁是对应负高压V₁的光电倍增管的电流增益，μ₂是对应负高压V₂的光电倍增管的电流增益，n是光电倍增管的级数，也就是使用的光电倍增极的个数，例如，图1所示电路中，使用了5个光电倍增极，n的取值就是5，k是常数，由光电倍增管电极的构造和材料决定，一般在0.7~0.8范围之内。利用公式(1)，根据当前的负高压和电流增益以及一个目标电流增益，就可以推算出需要达到目标电流增益所需要的负高压。

由于光源的能量随波长的变化而变化，衍射光栅存在闪耀波长，在闪耀波长附近的波长的光强度较高，其他波长的光强度较弱，为了获取适合的系统能量，这里的系统能量指的是光电倍增管的输出电压，一般的做法是将系统设置到某个波长，通过做实验获得一个合适的负高压，当需要对某一波段的光进行光电转换时，就对光电倍增管施加预先得出的基于这一波段的负高压，负高压是固定不可调整的。

这种按照波长分段设置固定负高压的方式存在如下的一些缺点，例如当需要把全波段的能量都提高到比较适合的时候，分段计算量较大；另外，随着使用时间的延长，当光源老化或器件老化时，光源能量会降低，光源向系统中提供光能量，如果光源的能量降低了，系统中其他部件即使工作正常也会导致整个系统能量降低，表现为光电倍增管转换后的电流降低，这样取样电阻上的电压也降低，系统能量也就降低了。系统能量不能够时刻保证在适合的能量范围，势必会影响到系统的测量精度，此时，最有效的办法是通过提高负高压的方式来提高系统能量，负高压越高，输出的系统越高。可是采用上述负高压固定不可调的方式难以解决上述问题。

专利号为ZL200510067966.8，专利名称为“多通道信号增益控制系统及其控制方法”，提到了由于光电倍增管的负高压固定，导致光电倍增管放大倍数固定的问题。该专利采用的技术手段是控制固态继电器按通道顺序进行负高压切换，光电倍增管高压电源组只能产生2至12路输出信号，光电倍增管高压电源组的2至12路输出信号线路连接到固态继电器，固态继电器的受控端接收信号发生器的时序指令，选择光电倍增管高压电源组的一路提供给光电倍增管。但是，由于该发明中涉及到继电器，难免会使电路结构复杂，而且光电倍增管的高压电源组限制了路数，无法实现放大倍数任意可调，因次无法解决因光源老化和器件老化带来的系统能量降低的问题，也就无法解决使系统能量时刻保证在适合的能量范围，提高系统测量精度的问题。

特开JP2000-9644公报及公开号为CN101629905A，专利名称为分光光度计的发明专利说明书中也提到了调节光电倍增管的负高压的问题，但上述两篇专利解决的技术问题只是为了避免流过光电倍增管的电流超过界限电流而导致增益恶化的问题，特开JP2000-9644公报给出的解决方法是将导致光电倍增管增益恶化的界限电流值作为阈值，将光电倍增管输出的电流与该阈值相比较，如果输出电流超过阈值，则降低对光电倍增管的施加电压而减低倍增率，从而减小流过光电倍增管的电流，CN101629905A给出的解决方法是，控制单元增加一个预测部，预测部根据光检测部的输出信号，预测来自后续周期的光检测部的输出信号强度，控制部根据由信号预测部预测的预测值，调整施加到光电倍增管的施加电压值，使得来自后续周期的光检测部的输出信号强度不超过界限电流值。上述两件专利中的技术方案只实现了电流超过阈值而向下调整负高压的单向调节，无法解决因光源老化和器件老化带来的系统能量降低的问题，无法实现为了获得适合的系统能量，为光电倍增管实时地调整一个合适的负高压，因此也无法解决使系统能量时刻保证在适合的能量范围，提高系统测量精度的问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是，解决因光源老化和器件老化带来的系统能量降低的问题，实现依据适合的系统能量，为光电倍增管实时地调整一个合适的负高压，使系统能量时刻保证在适合的能量范围，提高系统测量精度的问题。

解决上述技术问题，本发明提供了一种动态调节系统能量的分光光度计。本发明的动态调节系统能量的分光光度计，包括一个电源单元、一个光电检测单元、一个控制单元，

所述电源单元用于为光电检测单元提供一个负高压值；

所述光电检测单元用于依据所述负高压值输出一个系统能量值；

所述控制单元用于控制所述电源单元为所述光电检测单元提供所述负高压值；

还包括一个负高压阈值、一个能量阈值，一个系统能量上限值和一个系统能量下限值；

所述控制单元还用于执行系统调整操作：

判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；

在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，且负高压值小于负高压阈值时，将负高压值刷新为负高压阈值；

在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，且负高压值大于等于负高压阈值，系统能量值大于等于能量阈值时，改善所述负高压值。

在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，负高压值大于等于负高压阈值，且所述系统能量值小于所述能量阈值，所述控制单元结束所述系统调整操作。

所述控制单元包括一个粗调单元、一个微调单元、一个负高压值调节控制器：

负高压值调节控制器，用于计算所述粗调单元和所述微调单元的连续运行次数，

在粗调单元的连续运行次数为0时，使粗调单元用于改善所述的负高压值；在粗调单元的运行次数为1，且系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值时，使微调单元用于改善所述的负高压值。

所述粗调单元，可以依据负高压值、系统能量值，所述系统能量下限值及系统能量上限值的中间值，计算负高压值的调整量；

所述微调单元，用于在所述系统能量值高于所述系统能量上限值时，将当前负高压值减去一个步进单位；

在所述系统能量值低于所述系统能量下限值时，将当前负高压值加上一个步进单位；

可以在微调单元的执行次数为10时，所述控制单元结束所述系统调整操作。

在所述系统能量值大于等于所述系统能量下限值且小于等于所述系统能量上限值时，所述控制单元结束所述系统调整操作。

解决上述技术问题，本发明还提供了一种动态调节系统能量的动态调节方法。

本发明的动态调节系统能量的动态调节方法，包括如下步骤：

加负高压；

获取系统能量值和负高压值；

判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；

如果系统能量值不在大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值之间，判断负高压值是否大于等于负高压阈值；

如果负高压值小于负高压阈值，将负高压值刷新为负高压阈值，并重新获取系统能量值和负高压值；

如果负高压值大于等于负高压阈值，判断系统能量值是否大于能量阈值；

如果系统能量值大于等于能量阈值，调节负高压值。

如果所述系统能量值大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值，转入后续测量步骤，如果所述系统能量值小于所述能量阈值，转入故障处理步骤。

所述调节负高压值包括如下步骤：

依据光电倍增管的特性进行一次粗调负高压值；

判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；

如果系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值；

依据一个步进单位微调负高压值。

在所述微调负高压值的步骤之后，还有一个判断步骤，判断微调负高压值的次数是否大于等于一个设定值，如果判断大于等于所述设定值，微调步骤结束，如果判断小于所述设定值，返回微调负高压值的步骤。

所述微调负高压值包括如下步骤：

判断所述系统能量值是否高于所述系统能量上限值；

如果所述系统能量值高于所述系统能量上限值，将所述负高压值向下微调一个步进；

如果所述系统能量值不高于所述系统能量上限值，判断所述系统能量值是否低于所述系统能量下限值；

如果所述系统能量值低于所述系统能量下限值，将所述负高压值向上微调一个步进；

如果所述系统能量值不低于所述系统能量下限值，结束调节。

本发明的动态调节系统能量的分光光度计及其动态调节方法，解决了因光源老化和器件老化带来的系统能量降低的问题，实现了依据适合的系统能量，为光电倍增管实时地调整一个合适的负高压，使系统能量时刻保证在适合的能量范围，提高系统测量精度的问题。

附图说明

图1是光电倍增管示意图

图2是本发明的一个优选实施例的装置示意图

图3是本发明的一个优选实施例的方法流程图

图4是本发明S37调节负高压值的一个优选实施例的方法流程图

图5是本发明S373微调负高压值的一个优选实施例的方法流程图

具体实施方式

参照图2，本发明的优选实施例的装置1、一种动态调节系统能量的分光光度计，包括一个电源单元21、一个光电检测单元22、一个控制单元23，电源单元21用于为光电检测单元22提供一个负高压值；光电检测单元22用于依据所述负高压值输出一个系统能量值；控制单元23用于控制所述电源单元21为所述光电检测单元22提供所述负高压值；还包括一个负高压阈值、一个能量阈值，一个系统能量上限值和一个系统能量下限值；所述控制单元23还用于执行系统调整操作：判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，且负高压值小于负高压阈值时，将负高压值刷新为负高压阈值；在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，且负高压值大于等于负高压阈值，系统能量值大于等于能量阈值时，改善所述负高压值。在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，负高压值大于等于负高压阈值，且所述系统能量值小于所述能量阈值，控制单元23结束所述系统调整操作。

本实施例的分光光度计每针对一个波长调整好一个负高压值，就将该负高压值加到光电倍增管，进行对样品的测量，波长改变后又针对该波长调整一个负高压值，再次加到光电倍增管，进行对样品的后续测量。

在负高压值低于负高压阀值时，需要将负高压值刷新为阀值电压再判断系统能量值的原因是：如果负高压值达到负高压阀值，但是系统能量值低于能量阀值时，系统处于不正常状态或故障状态。所述改善负高压值是通过控制单元23向电源单元21发出控制信号来完成的，由于控制单元23输出的是数字信号，所以，在控制单元23和电源单元21之间通常都加一个D/A转换模块。

作为举例说明，所述控制单元23可以是单片机、MCU、CPU或FPGA可编程逻辑门阵列等，本优选实施例中的控制单元23采用MCU来完成。

所述控制单元23包括一个粗调单元231、一个微调单元232、一个负高压值调节控制器233，负高压值调节控制器233，用于计算粗调单元231和微调单元232的连续运行次数，在粗调单元231的连续运行次数为0时，使粗调单元231改善所述的负高压值；在粗调单元231的运行次数为1，即粗调单元231已经对系统负高压值进行了一次改善，且系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值时，使微调单元232改善所述的负高压值。

粗调单元231依据负高压值、系统能量值，系统能量下限值及系统能量上限值的中间值，计算负高压值的调整量。具体的粗调过程是利用所述公式(1)实现的：已知当前负高压值V1，光电倍增管输出的系统能量值V1’，且通过上述比较判断过程，得知V1’不在期望的系统能量值范围内，需要粗调，由前文可知，使用者期望的系统能量值范围值在所述系统能量上限值和所述系统能量下限值之间的，此时控制单元23会选取所述系统能量上限值和所述系统能量下限值的一个中间值V2’，作为举例说明，V2’也可以选取所述系统能量上限值和所述系统能量下限值中的任意其他值。由于对同一个波段的波来说，光电倍增管的输入值是相同的，所以所述公式(1)可以转化为公式(2)

$\frac{V_1}{V_2}={\left(\frac{{\mathrm{\μ}}_1}{{\mathrm{\μ}}_2}\right)}^{\frac{1}{(k*n)}}---\left(1\right)$

$\frac{V_1}{V_2}={\left(\frac{{V_1}^{\′}}{{V_2}^{\′}}\right)}^{\frac{1}{(k*n)}}---\left(2\right)$

所以，在已知V1、V1’、V2’、K和n的情况下，依据所述公式(2)，就可以得出粗调的负高压值V2。由于公式(1)是光电倍增管处于正常使用状态时的特性公式，当光电倍增管长期使用而出现劣化时，使用上述公式(1)粗调出的负高压施加到光电倍增管时，有可能出现达不到期望的系统能量值的情况，此时就需要对负高压进行微调，微调单元232，在系统能量值高于系统能量上限值时，将当前负高压值减去一个步进单位；在系统能量值低于所述系统能量下限值时，将当前负高压值加上一个步进单位。在微调单元的执行次数为10时，控制单元23结束系统调整操作。在系统能量值大于等于系统能量下限值且小于等于所述系统能量上限值时，控制单元23也结束系统调整操作。

作为举例说明，微调单元的执行次数也可以不是10次，例如5次，15次都可以。

作为举例说明，设定上述一个步进为5v，也可以是其他值，如10v等。

作为举例说明，上述调节负高压值也可以直接选用一个步进单位来调节。如果希望调节的速度快一些，就设定一个比较大的步进值，如果希望调节精准一些，就设定一个比较小的步进值。

作为举例说明，本系统中，所述系统能量下限值定义为1.5v，所述系统能量上限值定义为3.5v，还可以针对系统情况和测量需求设置其他的系统能量下限值和系统能量上限值。

作为举例说明，所述的负高压阈值是-50v，这个值是通过实验得到的一个比较合适的值，也可以选取其他值作为负高压阈值。

作为举例说明，所述的能量阈值是0.01v，也可以依据其他可选的负高压阈值，选取其他的能量阈值。

参照图3，本发明的动态调节方法的一个优选实施例，包括如下步骤：

S31加负高压，此处的加负高压是所述控制单元23通过一个D/A转换单元控制所述电源单元21为所述光电检测单元22加负高压；

S32获取系统能量值和负高压值，获取系统能量值是通过所述控制23对所述光电检测单元22的输出测量得到的，负高压值是所述控制单元23设定的，直接存储在所述控制单元23的存储单元中，需要时，可以直接从存储单元中提取；

S33判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；

S34如果系统能量值不在大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值之间，判断负高压值是否大于等于负高压阈值；

S35如果负高压值小于负高压阈值，将负高压值刷新为负高压阈值，并重新获取系统能量值和负高压值；

S36如果负高压值大于等于负高压阈值，判断系统能量值是否大于能量阈值；

S37如果系统能量值大于等于能量阈值，调节负高压值。

S38如果所述系统能量值大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值，转入后续测量步骤。

S39如果所述系统能量值小于所述能量阈值，转入故障处理步骤。

参照图4所述S37调节负高压值包括如下步骤：

S371依据光电倍增管的特性粗调负高压值；

S372判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值

S373依据一个步进单位微调负高压值。

在所述微调负高压值的步骤之后，还有一个判断步骤S374，判断微调负高压值的次数是否大于等于一个设定值，如果判断大于等于所述设定值，微调步骤结束，如果判断小于所述设定值，返回微调负高压值的步骤。

作为举例说明，上述设定值取10，也可以取5或者15等其他设定值。

作为举例说明，上述S37调节负高压值也可以不包括S371粗调负高压和S373微调负高压，而可以直接选用一个步进单位来调节。如果希望调节的速度快一些，就设定一个比较大的步进值，如果希望调节精准一些，就设定一个比较小的步进值。

参照图5，所述S373微调负高压值包括如下步骤：

S3731判断所述系统能量值是否高于所述系统能量上限值；

S3732如果所述系统能量值高于所述系统能量上限值，将所述负高压值向下微调一个步进；

S3733如果所述系统能量值不高于所述系统能量上限值，判断所述系统能量值是否低于所述系统能量下限值；

S3734如果所述系统能量值低于所述系统能量下限值，将所述负高压值向上微调一个步进；

S3735如果所述系统能量值不低于所述系统能量下限值，结束调节。

作为举例说明，设定上述一个步进为5v，也可以是其他值，如10v等。

作为举例说明，所述S373微调负高压值也可以是先判断所述系统能量值是否低于所述系统能量下限值，再判断所述系统能量值是否高于所述系统能量上限值。

作为举例说明，所述系统能量下限值定义为1.5v，所述系统能量上限值定义为3.5v，还可以针对系统情况和测量需求设置其他的系统能量下限值和系统能量上限值。

作为举例说明，所述的负高压阈值是-50v，这个值是通过实验得到的一个比较合适的值，也可以选取其他值作为负高压阈值。

作为举例说明，所述的能量阈值是0.01v，也可以依据其他可选的负高压阈值，选取其他的能量阈值。

本发明的动态调节系统能量的分光光度计及其动态调节方法，通过控制单元对光电倍增管的负高压的实时控制和调整，解决了因光源老化和器件老化带来的系统能量降低的问题，实现了依据适合的系统能量，为光电倍增管实时地调整一个合适的负高压，使系统能量时刻保证在适合的能量范围，提高系统测量精度的问题。

虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形和修改。

Claims (11)

1.一种动态调节系统能量的分光光度计，包括一个电源单元、一个光电检测单元、一个控制单元，

所述电源单元用于为光电检测单元提供一个负高压值；

所述光电检测单元用于依据所述负高压值输出一个系统能量值；

所述控制单元用于控制所述电源单元为所述光电检测单元提供所述负高压值；

其特征在于，还包括一个负高压阈值、一个能量阈值，一个系统能量上限值和一个系统能量下限值；

所述控制单元还用于执行系统调整操作：

判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；

在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，且负高压值小于负高压阈值时，将负高压值刷新为负高压阈值；

在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，且负高压值大于等于负高压阈值，系统能量值大于等于能量阈值时，改善所述负高压值。

2.根据权利要求1所述的分光光度计，其特征在于，

在系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，负高压值大于等于负高压阈值，且所述系统能量值小于所述能量阈值，所述控制单元结束所述系统调整操作。

3.根据权利要求1所述的分光光度计，其特征在于，

所述控制单元包括一个粗调单元、一个微调单元、一个负高压值调节控制器：负高压值调节控制器，用于计算所述粗调单元和所述微调单元的连续运行次数，

在粗调单元的连续运行次数为0时，使粗调单元用于改善所述的负高压值；在粗调单元的运行次数为1，且系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值时，使微调单元用于改善所述的负高压值。

4.根据权利要求3所述的分光光度计，其特征在于，

所述粗调单元，用于依据负高压值、系统能量值，所述系统能量下限值及系统能量上限值的中间值，计算负高压值的调整量；

所述微调单元，用于在所述系统能量值高于所述系统能量上限值时，将当前负 高压值减去一个步进单位；

在所述系统能量值低于所述系统能量下限值时，将当前负高压值加上一个步进单位。

5.根据权利要求3或4所述的分光光度计，其特征在于，

在微调单元的执行次数为10时，所述控制单元结束所述系统调整操作。

6.根据权利要求4所述的分光光度计，其特征在于，在所述系统能量值大于等于所述系统能量下限值且小于等于所述系统能量上限值时，所述控制单元结束所述系统调整操作。

7.一种动态调节系统能量的动态调节方法，用于权利要求1的分光光度计，其特征在于，包括如下步骤：

加负高压；

获取系统能量值和负高压值；

判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；

如果系统能量值不在大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值之间，判断负高压值是否大于等于负高压阈值；

如果负高压值小于负高压阈值，将负高压值刷新为负高压阈值，并重新获取系统能量值和负高压值；

如果负高压值大于等于负高压阈值，判断系统能量值是否大于能量阈值；

如果系统能量值大于等于能量阈值，调节负高压值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，如果系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值，负高压值大于等于负高压阈值，且所述系统能量值小于所述能量阈值，转入故障处理步骤。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述调节负高压值包括如下步骤：

依据光电倍增管的特性进行一次粗调负高压值；

判断系统能量值是否大于等于系统能量下限值并小于等于系统能量上限值；

如果系统能量值小于系统能量下限值或大于系统能量上限值；

依据一个步进单位微调负高压值。 

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在所述微调负高压值的步骤之后，还有一个判断步骤，判断微调负高压值的次数是否大于等于一个设定值，如果判断大于等于所述设定值，微调步骤结束，如果判断小于所述设定值，返回微调负高压值的步骤。

11.根据权利要求9或10所述的方法，其特征在于，所述微调负高压值包括如下步骤：

判断所述系统能量值是否高于所述系统能量上限值；

如果所述系统能量值高于所述系统能量上限值，将所述负高压值向下微调一个步进；

如果所述系统能量值不高于所述系统能量上限值，判断所述系统能量值是否低于所述系统能量下限值；

如果所述系统能量值低于所述系统能量下限值，将所述负高压值向上微调一个步进；

如果所述系统能量值不低于所述系统能量下限值，结束调节。 

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