激光探针成分分析软件研发及应用

论文摘要

激光探针成分分析技术,因其具有制样简单、分析速度快、可远程、可在线等优点,近年来在冶金、农业、地质、能源及环保等领域受到了越来越多的关注。激光探针软件作为制约激光探针技术应用的关键,其研发工作也日益为人所重视。现有激光探针软件,大多仍局限于实现对设备内各个硬件模块的单独控制,而缺乏协同控制多个硬件模块、以及对光谱数据进行综合处理的能力。上述关键功能的缺失,已成为影响激光探针真正走向应用的主要因素。因此,作为亟待解决的关键技术,研发功能完善的激光探针软件迫在眉睫。为此,本文开发了一套激光探针成分分析软件,实现了硬件的协同控制和数据的定性定量分析等功能,并在自主研发的多款激光探针设备上进行了应用验证。本文的主要研究内容和成果总结如下:（1）针对软件研发过程中因设备硬件多、功能复杂、应用面广等因素导致的代码可移植性低和软件扩展性差的难题,本文研究并设计了适用于激光探针成分分析软件的模块化软件架构。这一架构通过实现模块与模块、模块与整体之间的隔离,显著改善了软件的稳定性和可靠性;与此同时,通过支持灵活高效的模块化开发,这一架构为激光探针成分分析软件奠定了实现基础。（2）基于上述软件架构,设计并实现了一套集多种功能于一体的激光探针成分分析软件。通过实现的多组硬件独立协调控制、光谱数据定性定量分析模块,这一软件对自主研发的五个系列激光探针设备实现了适配,并提供了完备的设备控制、数据分析功能,实现了激光探针成分设备的自动化采集和集成式分析。（3）针对目前激光探针设备中普遍应用的C-T光谱仪与Echelle光谱仪存在的仪器校准困难、光谱数据精度易受外界影响的难题,提出了新的标定算法。针对C-T光谱仪,新的标定算法在技术上简单易行,相比原有算法有效地改善了光谱仪图谱两端的波长准确度。针对Echelle光谱仪,新的标定算法不依赖具体的光谱仪内部器件参数,普适性好,并且通过后续的动态优化过程,有效避免了环境变化导致的光谱波长漂移,显著改善光谱强度的稳定性,使激光探针仪器的检测性能得到显著提升;以铝合金样品中的Si、Mn、Ni、Zn元素的定量分析为例,使用新算法标定后的光谱,其R2分别提高5.3%、3.3%、2%、2.8%,LoD改善46%、77%、62%、46%,RMSECV改善19%、66%、40%、43%。（4）针对谱峰重叠、背景干扰、随机噪声等因素造成的光谱数据中谱线识别困难、光谱背景扣除效果差的问题,进行了谱线识别和背景扣除算法的研究。针对谱线识别问题,在常规脊线寻峰算法基础上,提出了用于自动化确定算法参数的方法,实现了在无人工干预条件下的自动化光谱寻峰。针对光谱数据中连续背景干扰问题,在基于小波变换的背景扣除算法的基础上,提出了以谱峰拟合度作为评价因子的参数自动优化算法,实现了在无人工干预条件下的光谱连续背景扣除,有效降低光谱的波动,提高定量模型的精准性;以铁基样品中Mn、Cr、Ni、Co元素的定量分析为例,使用新算法进行背景扣除后的光谱,其R2分别提高1.9%、1.1%、0.9%、4.6%,LoD改善43%、58%、31%、55%,RMSECV改善32%、54%、30%、17%。（5）针对课题组研发的五个系列激光探针成分分析设备在不同应用场合的检测需求,对本文设计的软件系统开展了一系列应用验证。集成有这一软件系统的激光探针设备,成功用于钢铁、钛合金、铝合金、铁矿石等样品的元素定量分析,光纤预制棒、金属矿石、土壤压片等样品中的元素分布扫描,岩芯、塑料、土壤等样品的定性或半定量分析。综上所述,本文从软件构架、功能实现、关键设备控制及数据算法处理等方面对激光探针成分分析软件进行了研究,开发出了功能完备和性能良好的激光探针成分分析仪一体化控制与分析软件,并成功应用在钢铁、矿石、特种合金、非金属等材料的检测中,相关研究为激光探针技术的工业化应用奠定了基础。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 激光探针技术简介

1.3 激光探针基础技术研究现状

1.4 激光探针设备系统研发现状

1.5 国内外现状总结

1.6 课题来源、研究内容及研究意义

1.7 论文框架结构安排

2 激光探针软件的系统架构研究

2.1 激光探针成分分析概述

2.2 软件需求分析和技术难点

2.3 软件系统的架构设计

2.4 软件系统的开发框架

2.5 软件系统的架构实现

2.6 本章小结

3 激光探针硬件协同控制的软件实现

3.1 硬件系统的单元划分

3.2 硬件模块的独立控制

3.3 硬件系统的协同控制

3.4 本章小结

4 激光探针光谱仪光谱标定算法研究

4.1 C-T光谱仪光谱标定算法研究

4.2 ECHELLE光谱仪的光谱标定算法研究

4.3 本章小结

5 激光探针光谱数据处理算法研究

5.1 光谱元素谱线识别算法研究

5.2 光谱背景扣除算法研究

5.3 本章小结

6 激光探针软件在仪器上的应用

6.1 自主研发的激光探针成分分析仪

6.2 激光探针软件在仪器上的应用

6.3 本章小结

7 结论与展望

7.1 全文总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读博士学位期间发表论文

附录2 攻读博士学位期间申请的专利

附录3 攻读博士学位期间申请的软件著作权

文章来源

类型: 博士论文

作者: 沈萌

导师: 陆永枫,李祥友

关键词: 激光探针,软件系统研发,协同控制,光谱标定,光谱数据处理

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学,计算机软件及计算机应用

单位: 华中科技大学

基金: 国家重大科学仪器设备开发专项“基于共振激发与空间约束的高精度激光探针成分分析仪开发”(项目编号:2011YQ160017)中仪器研发任务“基于共振激发和空间约束的激光探针成分分析仪一体化控制与元素快速定标软件开发”

分类号: TN249;TP311.52

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.003995

总页数: 124

文件大小: 6135K

下载量: 82

激光探针成分分析软件研发及应用

论文摘要

论文目录

文章来源

相关论文文献

猜你喜欢