針對土壤重金屬污染的X熒光測試儀的設(shè)計

殷慶縱 夏劼清 馮家林

(蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系1，江蘇 蘇州 215104;蘇州市電子產(chǎn)品檢驗所有限公司2，江蘇 蘇州 215104)

0 引言

隨著工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，各種工業(yè)廢液滲入土壤與水體，使土壤與水體中的重金屬和有機物含量越來越高，嚴(yán)重影響了人類的生命健康及其他生物的生存[1－2]。傳統(tǒng)的檢測土壤重金屬污染的化學(xué)方法需要在現(xiàn)場取樣后進行，由實驗室通過強酸將土壤樣品消解，然后將消解液中的金屬元素用原子吸收法進行分析。該方法由于工作周期長而不能滿足現(xiàn)場快速分析測試的要求。而目前，X射線熒光分析儀在檢測元素的種類、檢出限、靈敏度和測試條件方面還不能完全滿足土壤中重金屬含量的快速檢測要求。

為了實現(xiàn)對土壤中重金屬含量的快速檢測，本文研制了一種高靈敏度手提式土壤重金屬污染X熒光測試儀，可現(xiàn)場對土壤中的 As、Cr、Zn、Cu、Pb、Ni等重金屬元素的含量進行快速檢測。測試儀具有輕便靈活、穩(wěn)定可靠、能同時分析多種元素、檢出限低、靈敏度高等特點[3－4]。

1 儀器的結(jié)構(gòu)

土壤重金屬污染X熒光測試儀主要由低功率X光管激發(fā)源、Si-PIN半導(dǎo)體探測器組件、脈沖信號放大器、嵌入式微處理器系統(tǒng)、多道脈沖幅度分析器、LCD顯示/觸摸屏和各類電源等組成[5－6]，其結(jié)構(gòu)如圖 1所示。

圖1 測試儀的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structural block diagram of the tester

土壤重金屬污染X熒光測試儀的工作原理如下。將高壓電源產(chǎn)生的高壓加到X光管激發(fā)源，以產(chǎn)生X射線。該射線通過照射被檢測的土壤，能夠激發(fā)土壤中重金屬元素產(chǎn)生特征X射線(稱為X熒光)。Si-PIN半導(dǎo)體探測器收集特征X射線并轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號，通過放大器放大整形后，送到ARM進行模數(shù)轉(zhuǎn)換并對這些數(shù)字信息進行處理。由于不同的重金屬產(chǎn)生的特征X射線能量值不同，因此可根據(jù)探測的X射線能量值來判斷土壤中存在的重金屬元素種類;再根據(jù)重金屬元素特征線的峰面積計算出重金屬元素的濃度，從而得出被測土壤中重金屬的種類和含量。

1.1 X光管激發(fā)源

小型低功率可控X光管激發(fā)源，產(chǎn)生的X射線強度比放射性核素源提高了3～5個數(shù)量級，可有效改善重金屬的檢出限，提高測量精度和準(zhǔn)確度，消除工作場所環(huán)境的輻射污染;并可根據(jù)檢測需要選擇激勵電壓和電流數(shù)值，調(diào)整X射線強度。

1.2 Si-PIN半導(dǎo)體探測器組件

Si-PIN半導(dǎo)體探測器組件采用美國Amptek公司生產(chǎn)的電制冷型探測器組件。該組件包括Si-PIN探測器、電制冷模塊和前置放大器，功耗僅1 W，能量分辨率可達(dá)180 eV，為實現(xiàn)多元素同時測定和高精度、高準(zhǔn)確度分析提供了技術(shù)保證。Si-PIN半導(dǎo)體探測器組件用來收集土壤中重金屬元素的特征X射線，并轉(zhuǎn)換為電壓脈沖信號。

1.3 脈沖信號放大器

Si-PIN半導(dǎo)體探測器輸出的信號在脈沖信號的幅度和信噪比方面都不能滿足后級多道脈沖分析器的要求，因此，該輸出信號需要通過脈沖信號放大器對信號進行放大、整形和濾波。

脈沖信號放大器要達(dá)到以下技術(shù)指標(biāo)要求：①增益0～10倍可調(diào);②Si-PIN半導(dǎo)體探測器輸出幅度和成形電路輸出幅度應(yīng)嚴(yán)格保持線性關(guān)系;③抑制系統(tǒng)的噪聲，使系統(tǒng)信噪比達(dá)到最佳;④輸出波形應(yīng)符合后續(xù)多道分析測量參數(shù)要求，成形時間設(shè)計為20 μs，脈寬 54 μs。

根據(jù)對脈沖信號放大器的要求，設(shè)計的脈沖信號放大器電路圖如圖2所示。

圖2 脈沖信號放大器Fig.2 Pulse signal amplifier

圖2中，運算放大器采用低溫度系數(shù)漂移的OP37，以減小脈沖信號放大器的零點漂移。脈沖信號放大器電路主要包括極零相消、放大失調(diào)、有源積分濾波和電路增益調(diào)節(jié)等電路。C1、R1組成一級RC微分電路，可消除探測器輸出的信號脈沖疊加現(xiàn)象，并使信號寬度變窄，提高電路計數(shù)率。C1、R1、R0同時又是該電路的極零相消電路，以消除脈沖信號的下沖或上沖現(xiàn)象。運放U0與R2、R3構(gòu)成增益為(1+R2/R3)的放大電路，電位器RX用來調(diào)節(jié)運放U0的失調(diào)電壓。

通過最佳濾波器的理論分析可知，對稱無限寬尖頂脈沖具有最佳的信噪比，即高斯型波形具有最佳信噪比，所以，脈沖的成形一般為高斯型波形。脈沖放大器電路設(shè)計的RC積分電路采用有源積分濾波器，采用了兩級并串聯(lián)組成的RC有源積分電路，相當(dāng)于4級普通RC積分電路。

根據(jù)后續(xù)的多道分析儀要求，為了提高分辨率，選取 C5=2C4=C7=2C6，使脈沖的成形時間為20 μs，脈沖寬度為54 μs。脈沖信號放大器增益的調(diào)節(jié)范圍為0～10。由運放U3、可調(diào)增益電位器RY、二極管D1組成的成形電路實現(xiàn)了增益的可調(diào)功能，能夠滿足后續(xù)多道脈沖幅度分析電路的需求，其中，D1的作用是防止運算放大器過載造成輸出信號削頂。

1.4 多道脈沖幅度分析器

多道脈沖幅度分析器以ARM S3C2440A為控制核心，對來自脈沖信號放大器的信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，并依據(jù)模數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果對信號進行分類。多道脈沖幅度分析器如圖3所示。

圖3 多道脈沖幅度分析器Fig.3 Multi-channel pulse amplitude analyzer

由于ARM S3C2440A的A/D轉(zhuǎn)換為10位A/D轉(zhuǎn)換器，因此，多道脈沖幅度分析器的道數(shù)最多為210道，即1 024道，可實現(xiàn)1 024道譜數(shù)據(jù)的分析、保存、顯示和處理;也可通過接口電路把數(shù)據(jù)傳送給上位機，具有設(shè)計簡潔、接口標(biāo)準(zhǔn)等特點。

峰值檢測保持電路由PKD01構(gòu)成。該芯片具有響應(yīng)速度快、通頻帶寬、線性好、峰值保持精度高等優(yōu)點。通過恰當(dāng)?shù)剡x擇外接保持電容，PKD01能夠快速、準(zhǔn)確地檢測并保持峰值脈沖信號，直至發(fā)送RST復(fù)位信號清除為止[7]。PKD01芯片內(nèi)部原理圖如圖4所示。

圖4 PKD01芯片內(nèi)部原理圖Fig.4 Principle of PKD01 chip

脈沖信號放大器輸出的脈沖信號從峰值保持電路PKD01的+IN輸入，峰值保持電路將脈沖轉(zhuǎn)換成峰值幅度相等的直流電平，從OUT(3腳)端輸出到-IN端，并在PKD01比較器上用該直流電平與原始信號進行比較產(chǎn)生過峰信號。當(dāng)輸入信號增加時，比較器的輸出端為高電位;當(dāng)輸入信號達(dá)到峰值后開始下降時，比較器的輸出端從高電位變?yōu)榈碗娢?，產(chǎn)生過峰信號，將這個信號作為ARM的中斷信號，然后由ARM啟動內(nèi)部A/D進行轉(zhuǎn)換。ARM的A/D轉(zhuǎn)換速度非?？?，僅為10 μs。ARM讀取A/D結(jié)果后，以此為地址讀取該通道的數(shù)據(jù)，加1后送回原地址。這就完成了一個模擬信號的峰值幅度分析。

測量時間結(jié)束時，存儲器中就存儲了一條以道址為峰值幅度的信息。存儲器中的數(shù)據(jù)表示同一峰值的脈沖個數(shù)，其通過ARM發(fā)送到液晶顯示屏上顯示。如果以信號道址為橫坐標(biāo)，道址對應(yīng)的記數(shù)率為縱坐標(biāo)，可以得到一條核輻射譜線[8－9]。

1.5 LCD 顯示/觸摸屏

本測試儀選用WXCAT35-TG3#001F(簡稱W35)作為顯示/觸摸屏。它是一種透射式的非晶硅薄膜晶體管液晶顯示器模塊，液晶面板尺寸為3.5英寸(1英寸=25.4 mm)，分辨率為320×240，擁有24位 RGB接口、4線模擬電阻式觸摸，并支持條紋式線性翻轉(zhuǎn)模式、數(shù)據(jù)啟用模式和垂直同步模式三種模式，可用3.3 V供電，功耗為384 mW。在亮度為180 cd/m2、對比度≥10的情況下可視角為60°，圖像質(zhì)量高。該LCD顯示/觸摸屏可顯示被測重金屬的核輻射譜線和測量結(jié)果，同時，利用觸摸屏的菜單控制整臺儀器工作。S3C2440A的LCD控制器產(chǎn)生的控制和數(shù)據(jù)信號主要有幀同步信號VFRAME、行同步信號VLINE、像素時鐘信號VCLK、數(shù)據(jù)輸出使能信號VM、RGB信號VD0-23，以及W35產(chǎn)生的接觸位置信號X+、X－、Y+、Y－。

2 軟件設(shè)計

ARM S3C2440A軟件部分的設(shè)計基于嵌入式C語言，采用模塊化程序結(jié)構(gòu)。軟件具有以下功能：文件管理、設(shè)置操作、測量控制、X熒光譜分析和譜線顯示等。文件管理的主要功能是控制文件的打開和關(guān)閉、譜線保存;設(shè)置操作的主要功能是設(shè)置能量刻度、測量時間、系統(tǒng)調(diào)整等;測量控制的主要功能是控制測量過程、選擇省電測量和自檢等;X熒光譜分析的主要功能是譜線平滑、元素含量分析、譜線面積計算等;譜線顯示的主要功能是顯示測量元素的譜線。一次測量完畢后，由分析與顯示軟件自動計算 As、Cr、Cu、Pb、Zn、Ni等的含量并顯示，基本實現(xiàn)了自動測試。軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖5 所示[10]。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)框圖Fig.5 Structural block diagram of software

3 測試比較

對土壤樣品國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)GBW 07404進行10次測定，并對比測量平均值與標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)果如表1所示。

表1 樣品測定值與標(biāo)準(zhǔn)值對照表Tab.1 Measured values vs.certified values of the samples

由表1可看出，各測定指標(biāo)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation，RSD)均小于4%，精密度良好，符合設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)(精密度±5%)。

4 結(jié)束語

基于ARM S3C2440A的土壤重金屬污染X熒光測試儀，充分利用了S3C2440A內(nèi)置的各種功能，降低了成本，具有較高的性價比;采用觸摸屏控制，操作界面簡單，測試速度快，結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，功耗低。實際應(yīng)用表明，該測試儀工作可靠，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計指標(biāo)。

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