CN109187497B - 一种元素检测光谱仪的初始化方法 - Google Patents

Abstract

一种元素检测光谱仪的初始化方法，首先设置初始波长像素，再通过寻峰算法确定峰值位置，计算0ppm标准油带外像素和元素谱线峰值像素的相关度，其次，通过设置相关度阈值，自动选取高相关度的带外像素，以此计算不同浓度标准油的特征值，随后，对每个带外像素计算得到的每种浓度标准油的特征值计算其不确定度，对不同浓度标准油特征值设置统计权重，最后综合每根谱线结合不同带外像素参考点的不确定度，根据最小不确定度得到最终谱线及带外像素参考点。本发明能够实现自动化选择最优波长及相关参数的初始化方法，解决因为器件、模块等的差异导致初始参数不同，对设备调试带来的繁重工作的问题，提高工作效率以及保证设备达到最佳性能。

Description

一种元素检测光谱仪的初始化方法

技术领域

本发明属于光电检测领域，具体涉及一种元素检测光谱仪的初始化方法。

背景技术

光谱法是元素检测常用的方法，常见的有电弧光谱仪、电火花发射光谱仪、电感耦合等离子体光谱仪、光电光谱仪、摄谱仪等等。通过高压放电激励是一种较为简便的方法。其通过高压放电激励待测样品中所含原子跃迁到激发态，通过自发跃迁回落到较低能级，从而辐射出原子所具有的特征谱线，通过检测该种元素对应的特征谱线的信号大小，来确定样品中所含该种元素的含量。在探测器选择方面，常见的有光电倍增管，CCD(电荷耦合元件)感光传感器和CMOS(互补金属氧化物半导体)感光传感器等。基于光电倍增管的光谱仪具有检测灵敏度好，动态范围高的优点，缺点是一般需要针对每一条需要检测的元素谱线单独的设置一个光电倍增管，因此如果所需检测的谱线较多，则会导致结构庞大，成本较高。基于CCD感光传感器和CMOS感光传感器的光谱仪是通过感光像素阵列，检测整个所需的光谱，具有结构紧凑，成本低的优点，缺点则是动态范围和灵敏度相比光电倍增管要差。但是随着工艺的发展，CCD和CMOS感光传感器的性能也在提升，在满足灵敏度和动态范围要求的情况下，基于CCD和CMOS感光传感器的光谱仪具有体积和成本的优势。

本发明针对的是一种基于一维像素阵列的CCD感光传感器和CMOS感光传感器的通过空气中高压放电激发样品材料的元素检测光谱仪。这种元素检测光谱仪在产品调试初始化的阶段需要进行一系列的校准和参数确定的初始化行为，具体包括确定待测波长峰值像素位置，确定计算本底信号参考像素位置，确定本底信号参考像素和待测谱线带内本底信号关系，扣除本底信号，计算信号强度以及优选谱线。由于这种设备是基于大气放电，由于大气本身成分复杂，形成一定的基底光谱，会对确定峰值像素位置和计算信号强度产生影响。

在实际操作过程中，一般通过简单的寻峰算法加上目测进行人工调整选择波长峰值像素和本底信号参考像素，然后通过多次测试验证，来回迭代调整本底信号参考像素以及选择不同的元素谱线，来达到设备的最优性能。这种过程对材料，人力和时间都是一种巨大的消耗。

发明内容

本发明的目的是提供一种元素检测光谱仪的初始化方法，主要针对基于高压放电激发原子光谱的元素检测光谱仪，实现自动化选择最优波长及相关参数的初始化方法，解决因为器件、模块等的差异导致初始参数不同，对设备调试带来的繁重工作的问题，提高工作效率以及保证设备达到最佳性能。

本发明采用的技术方案是：

一种元素检测光谱仪的初始化方法，包括以下步骤：

(1)根据元素特征波长λ₁，λ₂，……，λ_n对光谱仪设置初始波长像素:

[P1₀,P2₀,…Pn₀]；尽管光谱仪本身已经对波长进行了标定，但是最终装配到设备上时还会略有偏移，所以首先设置初始波长像素。

(2)获取并保存最大量程浓度标准油光谱，通过寻峰算法确定峰值像素，设其像素集合为A＝[P1,P2,……，Pn]；

(3)获取并保存多组0ppm浓度标准油光谱，作为本底光谱模板，设整个本底光谱的像素集合为S，并有传感器总共是2048个像素(S)，显然峰值像素只是这2048像素里面的某几个，所以在本底光谱模板S中选择不受元素浓度影响的元素光谱带外像素集B，所谓带外像素即B和A的交集为空集Φ，即Φ＝A∩B；

计算多组0ppm浓度标准油光谱在B集像素强度和A集像素的强度之间的相关度R，设定相关度阈值R_th，选择B集中和A集的相关度大于R_th的带外像素点作为后续计算谱线本底噪声的参考点，其集合为Br，并有

(4)获取并保存从0到最大量程之间多种浓度标准油的光谱，其中每种浓度标准油至少获取三组数据，采用集合Br中的参考点计算元素光谱峰值像素处的本底噪声，对元素光谱扣除本底噪声后计算得到可以指示所测量元素的浓度的特征量；

(5)对每种浓度标准油的特征量计算不确定度，对标准油在不同浓度特征量的不确定度设置计算权重，然后综合计算每条谱线的特征量的不确定度；

(6)对每一种元素选择特征量的不确定度最低的谱线和参考点的组合作为设备的最终参数。

本发明的有益效果为：

1、参考点优化以及谱线优选过程全部由计算机软件实现，所以，实现了全自动优化设备的元素谱线选择以及扣除本底参考点选择，降低设备调试优化工作量。

2、通过相关性自动判断本底参考点的扫描计算选择，可以达到参数的最优选择。

附图说明

图1为本发明方法的整体流程图。

具体实施方式

本发明是一种基于带外像素和谱线峰值像素本底的相关性以及元素浓度检测特征值不确定度选择最优参数设置参数的自动化参数确定技术，总体方法流程图如图1所示。

本发明的初始化步骤如下：

1、根据需要检索的n个元素特征波长λ₁，λ₂，……，λ_n对光谱仪设置初始波长像素[P1₀,P2₀,…Pn₀]，此处可以通过光谱仪预先定标，对所有设备进行统一的设置，无需人工参与。

2、以0到100ppm量程为例，首先获取并保存100ppm浓度标准油光谱，通过寻峰算法设定峰值像素，设其像素集合为A＝[P1,P2,……，Pn]；由于光谱仪定标所用光源与测量过程中的光源不同，其峰值像素可能与初始波长像素不同。

3、获取并保存10组0ppm浓度标准油光谱，作为本底光谱模板，设整个光谱的像素集合为S，显然在本底光谱模板S中选择不受元素光谱影响的元素光谱带外像素集B，所谓带外像素即B和A的交集为空集Φ，即Φ＝A∩B。计算10组0ppm浓度标准油光谱在B集像素强度和A集像素的强度之间的线性相关度R。设定相关度阈值R_th，选择B集中和A集的相关度大于R_th的带外像素点作为后续计算谱线本底噪声的参考点，设其集合为Br，显然

4、获取并保存0、10、100ppm三种浓度标准油的光谱，其中每种浓度标准油获取三次光谱数据。根据集合Br中的参考点和元素光谱峰值像素的拟合线性比例关系，算出元素光谱峰值像素处的本底噪声，通过元素光谱峰值像素处的光谱强度减去本底噪声幅度，作为指代元素浓度的特征量。从而对所有元素谱线，对应集合Br中的每一个参考点，都得到一组完整的特征值描述各三次光谱的0、10、100ppm浓度标准油；

5、根据Br中的每一个参考点计算得到的每种浓度标准油的特征量，计算同一浓度同一元素谱线特征量在三次光谱下的相对标准差偏差RSD，设置在0,5,10,30,50,100ppm浓度下特征量相对标准差的统计权重k分别为0,0.2，0.2，0.2，0.2，0.2。每条元素谱线的综合不确定度等于统计权重乘以相对标准偏差的和，其数学形式可以写成不确定度

6、对每一种元素选择特征量不确定度U最小的参数组合作为设置设备的最终参数，包括元素谱线以及其对应的带外参考点。

Claims (1)

1.一种元素检测光谱仪的初始化方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据元素特征波长λ₁，λ₂，……，λ_n对光谱仪设置初始波长像素:[P1₀,P2₀,…Pn₀]；

(2)获取并保存最大量程浓度标准油光谱，通过寻峰算法确定峰值像素，设其像素集合为A＝[P1,P2,...，Pn]；

(3)获取并保存多组0ppm浓度标准油光谱，作为本底光谱模板，设整个本底光谱的像素集合为S，并有在本底光谱模板S中选择不受元素浓度影响的元素光谱带外像素集B，所谓带外像素即B和A的交集为空集Φ，即Φ＝A∩B；

计算多组0ppm浓度标准油光谱在B集像素强度和A集像素的强度之间的相关度R，设定相关度阈值R_th，选择B集中和A集的相关度大于R_th的带外像素点作为后续计算谱线本底噪声的参考点，其集合为Br，并有

(4)获取并保存从0到最大量程之间多种浓度标准油的光谱，其中每种浓度标准油至少获取三组数据，采用集合Br中的参考点计算元素光谱峰值像素处的本底噪声，对元素光谱扣除本底噪声后计算得到可以指示所测量元素的浓度的特征量；

(5)对每种浓度标准油的特征量计算不确定度，对标准油在不同浓度特征量的不确定度设置计算权重，然后综合计算每条谱线的特征量的不确定度；

(6)对每一种元素选择特征量的不确定度最低的谱线和参考点的组合作为设备的最终参数。