CN204740207U - 一种用于icp离子源火焰检测的位置调整装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种用于ICP离子源火焰检测的位置，包括支架、固定在支架上的X方向移动组件和Y方向移动组件，以及用于安装ICP离子源火焰检测组件的基座，X方向移动组件和Y方向移动组件均包括电动机、滚珠丝杠副、导轨滑块副和滚轮，导轨滑块副安装于支架上，电动机固定于导轨滑块副的滑块上，滚珠丝杠副的丝杠一端连接电动机的输出轴，另一端与滚轮连接，支架上沿X方向或Y方向设有滑槽，滚轮位于滑槽中并且可沿滑槽滚动，X方向滚珠丝杠副和Y方向滚珠丝杠副均与基座螺纹连接，基座的四个侧面上均设有限位开关；本实用新型能够快速实现最佳检测位置的调节，具有快速调节、定位准确、运行稳定的特点。

Description

一种用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置

技术领域

本实用新型涉及一种用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，属于ICP离子源检测技术领域。

背景技术

ICP离子源是20世纪60年代研制的新型光源，由于它的性能优异，70年代迅速发展并获得广泛应用，如今已经应用于各行各业中，主要用来进行物质成分的检测和分析。电感耦合等离子体原子发射光谱仪是常用的分析仪器，利用物质在ICP离子源的加热下，元素的原子或者离子发射特征光谱来判断物质的组成，从而进行元素的定性或者定量的分析。其中，光谱的分析是很重要的环节，在采集光谱时，ICP离子源火焰和采光检测光纤的位置都起到关键作用。分别从这两个方面阐述：

1、ICP离子源方面。现有的ICP离子源在火焰点着之后，会出现火焰闪烁的情况，主要有两种情况：在炬管底部通入载气进样后，样品在灼烧时产生尾焰，尾焰不稳定，持续地跳跃；在阻抗匹配不完全的时候，一部分功率会返还给射频电源，导致仪器发热，使反射功率发生变化，而ICP离子源的能量完全由射频电源输出功率提供，火焰不稳。同时，射频电源的升功率的过程中，总的输出功率改变，提供给ICP离子源的能量也发生变化，火焰的高度自然不同；

2、采光位置方面。在炬管垂直放置的情况下，采用侧向采光，各种元素的最佳激发区因元素而异。具有较难激发的原子谱线的元素如As、Sb、Se等，它们的最佳激发区在ICP通道偏低的位置。而具有较易激发的离子谱线的元素如碱土族、碱金属元素，周期表的第三、四副族元素，最佳激发区则应在ICP通道偏高的位置。原子发射光谱分析的一个重大优势是多元素同时分析，很难仅考虑个别元素的最佳观察高度，必须兼顾一次采样分析所有待测元素，所以一般采用折中的观察高度。

由于火焰高度不易控制，一般均通过改变光谱检测装置的采光位置来获取最佳光谱。在调试仪器时，一般以1ppm的Cd元素来选择最佳的观察高度(通常在15mm左右)。然而，一般的ICP离子源采光位置固定不变，很难保证大部分时间均处于最佳观测位置。或者采用轴向观测方式采光，这样导致基体干扰大、需要去尾焰，因而带来的问题较多。因此，保证光谱检测装置时刻处于最佳观测位置，对于样品元素的准确分析，具有十分重要的意义。

发明内容

本实用新型的目的在于解决现有技术的不足，并提供一种用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，该装置具有快速调节、定位准确、运行稳定、结构简单的特点，能够快速实现最佳采光位置的调节，对ICP离子源火焰的光谱的准确分析产生重要作用。

实现本实用新型目的所采用的技术方案为，一种用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，至少包括支架、固定在支架上的电动机和由电动机驱动的滚珠丝杠副，支架上固定有X方向移动组件、Y方向移动组件和用于安装ICP离子源火焰检测组件的基座，X方向移动组件和Y方向移动组件所在平面平行于ICP离子源火焰，X方向移动组件和Y方向移动组件均包括电动机、滚珠丝杠副、导轨滑块副和滚轮，导轨滑块副安装于支架上，电动机固定于导轨滑块副的滑块上，滚珠丝杠副的丝杠一端连接电动机的输出轴，另一端与滚轮连接，支架上沿X方向或Y方向设有滑槽，滚轮位于滑槽中并且可沿滑槽滚动，X方向滚珠丝杠副和Y方向滚珠丝杠副均与基座螺纹连接，基座的四个侧面上均设有限位开关。

装置中设有控制单元，所述控制单元包括控制器和由线性光敏传感器及其输出端上并联的电阻构成的光电转换模块，限位开关与线性光敏传感器均连接控制器的输入端，电动机连接控制器的输出端，线性光敏传感器位于ICP离子源火焰检测组件的出光侧。

所述控制器为哈佛结构的8位工业级单片机，单片机内置ADC模数转换电路，电动机优选步进电机。

所述ICP离子源火焰检测组件为由聚光镜、检测光纤和带通滤光片构成的光谱获取单元，聚光镜与带通滤光片通过检测光纤连接，线性光敏传感器位于带通滤光片的出光侧，带通滤光片与线性光敏传感器封装于遮光管中。

所述检测光纤为Y型检测光纤，Y型检测光纤的公共端通过接头连接聚光镜，两个分叉端的其中一个连接带通滤光片。

基座上设有安装板，安装板的一端固定于基座上表面，另一端上开设有圆通孔，聚光镜固定于圆通孔中。

所述支架包括两个U型支架和两个矩形支架，滑槽开设于矩形支架上，导轨滑块副安装于U型支架上。

由上述技术方案可知，本实用新型提供的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，X方向移动组件和Y方向移动组件所在平面平行于ICP离子源火焰，即ICP离子源火焰检测组件平行于ICP离子源火焰，检测采用侧向采光的方式，X方向与Y方向的移动均通过步进电机和滚珠丝杠副实现，步进电机和滚珠丝杠副的非连接端分别固定于导轨滑块副的滑块和滚轮上，X方向滚珠丝杠副和Y方向滚珠丝杠副均与基座螺纹连接，因此X/Y任一方向的移动均可带动另一方向移动组件整体的移动，基座的移动更灵活、精度更高；装置中电动机优选步进电机，步进电机的步长即为相邻两个检测点的间距；基座的四个侧面均有限位开关，用于确定移动步数。

步进电机的转角通过控制单元控制，光敏传感器位于ICP离子源火焰检测组件的出光侧，光敏传感器将ICP离子源火焰检测组件处理后的光谱信号的强度转化为电压信号输入控制器中，控制器控制步进电机的转角，实现光谱获取单元检测位置的精确调整；光电转换模块由线性光敏传感器及其输出端上并联的电阻构成，线性光敏传感器的光照强度与电流输出成线性关系，通过并联电阻，将电流信号转化为易于测量的电压信号，根据信号的大小，可以即时的判断出此时位置的光照强度的相对大小；控制器为内置ADC模数转换电路的单片机，ADC模数转换电路用于获取转换后的电信号，单片机根据电信号控制步进电机的运行位置，达到位置调节的目的。

本实用新型中ICP离子源火焰检测组件由聚光镜、检测光纤和带通滤光片构成，由于带通滤光片可滤出不需要的光谱，而检测所需光谱信号可通过带通滤光片，采用带通滤光片以获取特定范围内的光谱信号，即光敏传感器获取的光信号为带通滤光片过滤后的有效光，将ICP离子源中波峰最显著的光信号(有效光)接入到线性光敏传感器中，通过控制器AD采样，根据信号强度大小，控制电动机带动检测光纤运行到光谱强度最大的位置；线性光敏传感器与带通滤光片封装于遮光管中，避免线性光敏传感器接收杂光影响位置调节精度。

光谱获取单元中检测光纤为Y型检测光纤，Y型检测光纤的公共端通过接头连接聚光镜，用于光谱的获取，两个分叉端的其中一个连接带通滤光片，用于位置调节，另一个可接入光谱仪，用于光谱信号的分析。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1、本装置由比较常见的部件组成，相对于现有仪器使用价格较高的光学器件，结构简单，成本低，体积小，易于制作；

2、处理器使用8位工业级单片机PIC16F877，采用哈佛结构，即芯片内部数据总线和指令总线分离，在一个机器周期可同时获得指令和操作数，避免了因外界因素导致指令和数据的冲突，因此具有较强抗干扰能力；自带AD转换模块，简化电路，整个装置的稳定性大大提高，低速运行震动噪音小；电动机驱动电路简单，工作可靠；

3、较难激发元素的谱线，最佳激发区在ICP通道偏低的位置，若想获得它们的谱线，只需要更换带通滤光片，使ICP通道偏低位置的谱线通过即可。

附图说明

图1为本实用新型提供的位置移动平台的结构示意图。

图2为本实用新型提供的光谱获取单元的结构示意图。

图3为聚光镜位于两个不同位置时候的原检测光谱图。

图4为经过位置调整后的检测光谱图。

其中，1-步进电机，2-滚珠丝杠副，3-导轨滑块副，4-滚轮，5-基座，6-U型支架，7-矩形支架，8-电机安装座，9-安装板，10-限位开关，11-滑槽，12-四角铁片，13-聚光镜，14-检测光纤，15-带通滤光片，16-SMA905接头，17-光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进行详细具体说明，本实用新型的内容不局限于以下实施例。

本实用新型提供的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，包括光谱获取单元、控制单元和位置移动平台，光谱获取单元通过控制单元和位置移动平台进行位置调节，其结构如图2所示，包括聚光镜13、检测光纤14和带通滤光片15，所述检测光纤15为UV-VIS类型Y型检测光纤，共同端有2根纤芯，并排放置，有效范围为200～1100nm，Y型检测光纤的公共端通过SMA905接头16连接聚光镜，两个分叉端的其中一个连接带通滤光片，另一个接入光谱仪17；

所述位置移动平台的结构如图1所示，为便于说明，位置移动平台的附图采用水平布置的形式，实际使用中X方向(见附图1X箭头)为水平方向，Y方向(见附图1Y箭头)为竖直方向，所述位置移动平台包括支架、固定在支架上的X方向移动组件和Y方向移动组件，以及用于安装光谱获取单元的基座5，X方向移动组件和Y方向移动组件均包括步进电机1、滚珠丝杠副2、导轨滑块副3和滚轮4，支架包括两个U型支架6和两个矩形支架7，导轨滑块副安装于U型支架6上，矩形支架7上沿X方向或Y方向开设有滑槽，滚轮位于滑槽中并且可沿滑槽滚动，步进电机固定于导轨滑块副的滑块上，其步距角为1.8度，每转一圈的位移距离为5mm，滚珠丝杠副的丝杠一端连接步进电机的输出轴，另一端与滚轮连接，X方向滚珠丝杠副和Y方向滚珠丝杠副均穿过基座5，可根据实际需要采用滚珠丝杠副+基座的方式，基座与滚珠丝杠副的螺母固连，或丝杠+带内螺纹的基座的方式，基座即为滚珠丝杠副的螺母，X方向滚珠丝杠副和Y方向滚珠丝杠副位于不同的XY平面上，确保基座可以在丝杠上来回移动，基座的四个侧面上均设有限位开关10，用于确定移动步数，基座上设有安装板9，安装板的一端固定于基座上表面，另一端上开设有圆通孔，聚光镜通过螺纹紧固件固定于圆通孔中，安装板9位于基座的左上方，聚光镜垂直于位置移动平台XY平面，通过步进电机的控制确保聚光镜在XY平面(检测区域)内移动，即改变检测位置；

所述控制单元包括控制器和光电转换模块，控制器为PIC16F877单片机，其为8位工业级单片机，可有效地减小电磁辐射的影响，确保装置的正常工作，内置ADC模数转换电路，用于检测转换后的电信号，外接步进电机驱动芯片AT8435H，该芯片低速运行震动噪音小，驱动电路简单，工作可靠，从芯片输出端引出接口，接口连接到步进电机上，进行位置控制，光电转换模块由线性光敏传感器及其输出端上并联的电阻构成，线性光敏传感器与带通滤光片封装于遮光管中，限位开关与线性光敏传感器均连接控制器的输入端，线性光敏传感器的光照强度与电流输出成线性关系，通过并联电阻，将电流信号转化为易于测量的电压信号。线性光敏传感器位于带通滤光片的出光侧，光电转换模块与带通滤光片封装于遮光管中。

实施使用中，位置移动平台竖直布置，安装光谱获取单元时，确保炬管的水平投影位于四个支架围成的矩形区域内，并且ICP离子源火焰与聚光镜位于同一水平面上，使尽可能多的光线通过，位置移动平台与ICP离子源火焰的水平间距为12～25cm，优选15cm，位置移动平台X方向下边沿与矩管管口的竖直间距为5～15mm，优选10mm；由于绝大部分元素的最佳观测区相差不大，还有一些元素最佳观测区的位置偏高或偏低，可以通过更换可通过所测元素波长的滤光片来达到目的，装置的工作过程如下：

电信号通入单片机中分析，然后进行步进电机的驱动控制，步进电机的运行方式为：每次运行前，采集一次电压信号，判断火焰是否点亮；火焰点亮后，步进电机运行使基座到达起始位置(起始和终止位置均通过与设定值的比较来确定)，记录此时步数为0，由于火焰成水滴状，且为左右对称，X方向达到光谱强度最大位置可能不止一个，单步运行遍历X方向所有位置，记录所有运行的步数和相对应的电压信号，将电压值最大的几个位置的步数按照从小到大排列，最小步数作为起始位置，最大步数作为终止位置，计算步数的中间值，运行步进电机到达此位置；接着Y方向步进电机运行，由于最佳观测位置在滚珠丝杆中部，可以采用二分法快速寻找最佳位置，Y方向步进电机先运行至中间位置记录此时的电压值，再运行至滚珠丝杆的顶端极限位置，记录此时的电压值，比较起始、中间、顶端的电压值，取较大两个作为起始和终止位置，继续运行步进电机到此时的中间位置，接着比较，以此类推，直到步进电机到达最佳位置不再运行，这样可以使基座快速到达最佳观测位置。

火焰点亮初始，将光谱获取单元移动至任意两个检测位置，其检测光谱图如图3所示，图中，两个光谱图整体上高度有一定的差异，说明整体光谱变化趋势相同，此时在300nm～320nm之间的波峰有明显的差异，且与其他几处较高的波峰相差较大，判断300nm～320nm之间的波峰为试验检测的元素光谱，由于此处的波峰未饱和，因此两个检测位置均不是该元素光谱的最佳检测位置；采用本实用新型提供的调整装置对光谱获取单元的位置进行调正，调整后的检测光谱图如图4所示，300nm～320nm之间的出现一个独立的波峰，由于该波峰已经趋于饱和，且比其他波峰还要高，因此可确定此时的检测位置为最佳检测位置；将采集到的光通过中心波长为310nm的带通滤光片获取此处的波峰。

Claims (7)

1.一种用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，至少包括支架、固定在支架上的电动机和由电动机驱动的滚珠丝杠副，其特征在于：支架上固定有X方向移动组件、Y方向移动组件和用于安装ICP离子源火焰检测组件的基座，X方向移动组件和Y方向移动组件所在平面平行于ICP离子源火焰，X方向移动组件和Y方向移动组件均包括电动机、滚珠丝杠副、导轨滑块副和滚轮，导轨滑块副安装于支架上，电动机固定于导轨滑块副的滑块上，滚珠丝杠副的丝杠一端连接电动机的输出轴，另一端与滚轮连接，支架上沿X方向或Y方向设有滑槽，滚轮位于滑槽中并且可沿滑槽滚动，X方向滚珠丝杠副和Y方向滚珠丝杠副均与基座螺纹连接，基座的四个侧面上均设有限位开关。

2.根据权利要求1所述的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，其特征在于：装置中设有控制单元，所述控制单元包括控制器和由线性光敏传感器及其输出端上并联的电阻构成的光电转换模块，限位开关与线性光敏传感器均连接控制器的输入端，电动机连接控制器的输出端，线性光敏传感器位于ICP离子源火焰检测组件的出光侧。

3.根据权利要求2所述的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，其特征在于：所述控制器为哈佛结构的8位工业级单片机，单片机内置ADC模数转换电路，电动机优选步进电机。

4.根据权利要求2所述的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，其特征在于：所述ICP离子源火焰检测组件为由聚光镜、检测光纤和带通滤光片构成的光谱获取单元，聚光镜与带通滤光片通过检测光纤连接，线性光敏传感器位于带通滤光片的出光侧，带通滤光片与线性光敏传感器封装于遮光管中。

5.根据权利要求4所述的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，其特征在于：所述检测光纤为Y型检测光纤，Y型检测光纤的公共端通过接头连接聚光镜，两个分叉端的其中一个连接带通滤光片。

6.根据权利要求4所述的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，其特征在于：基座上设有安装板，安装板的一端固定于基座上表面，另一端上开设有圆通孔，聚光镜固定于圆通孔中。

7.根据权利要求1所述的用于ICP离子源火焰检测的位置调整装置，其特征在于：所述支架包括两个U型支架和两个矩形支架，滑槽开设于矩形支架上，导轨滑块副安装于U型支架上。