QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號處理軟件系統設計

戴賢明+魏康林+周豐

摘要：

根據QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號處理的技術要求，結合儀器的基本工作原理和測試方法，設計了QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號處理系統軟件的總體結構，并以此為基礎完成了控制系統軟件、信號處理系統軟件及圖形用戶界面的設計，并開展系統聯機測試實驗。實驗結果表明，控制與信號處理系統軟件能實現儀器的精確控制與檢測，且檢測結果重復性好，準確度高，可滿足實際應用要求。

關鍵詞：成分分析儀；控制與信號處理；成分檢測

DOIDOI：10.11907/rjdk.172227

中圖分類號：TP319

文獻標識碼：A 文章編號：1672-7800（2017）012-0118-04

Abstract：According to the requirements of the control and signal processing technology of QPQ nitriding salt composition analyzer， and based on principle and test method of the instrument， designed the overall structure of the QPQ nitriding composition analyzer control and signal processing system software， and then completed the design of the control module， the signal processing module and the graphical user interface of the software， and the on-line debugging experiments of the system were completed. The experimental results show that the software of the control and signal processing achieve the precise control and detection， and the detection result has good repeatability and high accuracy， which meets the requirements of practical application.

Key Words：composition analyzer； control and signal processing； composition detection

0 引言

QPQ鹽浴復合表面處理技術是廣泛應用于汽車、摩托車、軸類產品、電子零件、紡機、機床等生產制造領域的金屬表面強化改性技術，QPQ技術工藝過程中對氮化鹽浴中氰酸根、氰根和鐵離子3種物質含量的檢測與控制是保證QPQ工藝質量的重要依據[1-2]。然而，目前分析儀器市場卻沒有能夠同時檢測氮化鹽中上述3種物質成分及含量的儀器。針對以上技術現狀，筆者所在技術團隊在長期生化檢測儀器研制的基礎上，設計并研發了QPQ技術氮化鹽成分分析儀原理樣機。控制與數據處理系統是QPQ技術氮化鹽成分分析儀的核心組成部分，針對基于光譜分析技術的QPQ氮化鹽成分分析儀控制與數據處理的技術要求，設計可靠、穩定、智能化的控制與數據處理軟件系統，對于提高儀器的整體性能水平具有重要意義。

1 QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號處理系統

QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號處理系統結構如圖1所示，LED光源發出特定波長的光透過在樣品檢測室中完成化學前處理顯色反應的待測溶液后，由光電二極管檢測光強變化后，輸出模擬電壓信號，交由信號處理系統處理，最終經光譜分析方法分析出被測參數的含量。控制與信號處理系統是儀器的核心，能實現流路控制、光源控制及樣品化學前處理控制（顯色反應所需的電磁攪拌控制和恒溫控制），對測量信號進行相應處理（信號的誤差處理、建標、樣品檢測、數據查詢等）[3]。控制與信號處理系統是QPQ氮化鹽成分分析儀準確分析氮化鹽中各成分含量的關鍵，設計控制性強、運行效率高、界面友好的控制與信號處理軟件，對于實現氮化鹽成分分析儀的精確檢測及提高其智能化程度具有重要意義。

2 控制與信號處理系統軟件設計

2.1 軟件總體結構

根據QPQ氮化鹽成分分析儀的基本原理，結合儀器的測試測量方法，采用自上而下的模塊化設計準則，設計了基于C#語言的QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號處理系統軟件的總體結構，如圖2所示。其中，控制系統包括光源控制、流路控制、樣品化學前處理控制（電磁攪拌控制與恒溫控制）；信號處理系統包括光強信號處理（讀取光強信號、系統誤差處理、噪聲信號處理與背景干擾消除）與測試方法（標準曲線建立、實際樣品檢測、標準曲線的校準）等[6]。

2.2 控制系統軟件設計

根據氮化鹽成分檢測的具體需求，結合儀器的原理及測試測量方法，設計了控制系統軟件工作流程。檢測時，首先進行系統初始化，然后關閉光源，讀取暗噪聲光強，然后開啟光源，待LED光源穩定后，讀取參考光強；根據提示放入移取了一定體積待測溶液和試劑的比色皿，經固定時間的攪拌和靜置后，讀取光強數據，并進行相關數據處理，代入標準工作曲線得出分析結果；最后，結束實驗流程。如圖3所示，分別為儀器的建標流程和檢測流程。

2.3 信號處理系統軟件設計

信號處理系統軟件主要是對采集的信號進行處理，建立待測樣品的吸光度—濃度標準工作曲線，并依據標準工作曲線檢測被測樣品待測參數的濃度及含量。

首先對數據采集電路傳來的初始光強信號進行處理，具體做法是每間隔10ms采集一次光強數據，連續采集10次；然后采用冒泡算法進行排序，分別去除最大和最小的3組光強數據，對剩下4組數據進行平均處理，以達到去除粗大誤差及減小隨機誤差的目的；得到光強數據后，扣除暗噪聲光強（暗噪聲LED光源關閉時采集的蒸餾水光強）；扣除暗噪聲后根據朗伯-比爾定律計算出吸光度。依次采集不同濃度標準溶液的吸光度后，建立吸光度-濃度標準工作曲線[6]；最后采集被測樣品的吸光度，并進行相關數據處理，根據標準工作曲線得出被測樣品待測參數濃度及含量。

2.4 軟件圖形用戶界面設計

根據QPQ表面處理工藝對氮化鹽中3種成分含量的檢測要求，結合儀器的檢測流程及功能需求，設計了控制與信號處理系統軟件的圖形化用戶界面。整個界面分為系統設置、參數設置、參數測試、歷史數據4個模塊[7-8]，如圖5所示。系統設置用于編輯系統參數及開發人員界面與用戶界面的切換等；參數設置用于編輯測試相關參數；參數測試用于選擇測試項目，進行建標與檢測并顯示測試結果等；歷史數據用于查詢、編輯歷史測試數據。

3 控制與信號處理系統軟件聯機測試實驗

3.1 標準工作曲線建立實驗

標準曲線是儀器檢測的標準尺度，標線的建立直接影響到儀器檢測結果的準確度。以QPQ表面處理鹽浴中最重要的檢測指標氰酸根為例，進行儀器的標準曲線建立測試實驗。取標準濃度為0mg/L、0.2mg/L、0.3mg/L、0.4mg/L、0.5mg/L、0.6mg/L的氰酸根溶液（氰酸根濃度以氮計算）進行建標實驗，測試結果如表1與圖7所示。

由氰酸根建標實驗結果可知，應用軟件能自動完成建標且效果良好。標準曲線斜率大，線性相關系數為0.999 9。這表明儀器氰酸根檢測標準曲線具有很高的靈敏度和線性度，對于氰酸根含量的精確檢測具有重要意義。

3.2 實際樣品測試實驗

為測試儀器的準確度及重復性，取實際工業應用的QPQ技術氮化鹽樣品進行對比測試實驗。以QPQ技術質量控制中最重要的檢測指標氰酸根含量檢測為例，檢測結果與行業（東風汽車液壓動力有限公司）普遍采用的甲醛定氮法所得結果進行對比，實驗結果如表2、表3所示。從表中可以看出，儀器的測量準確度（相對誤差）在±5%以內，重復性（相對標準偏差）小于 3%，說明設計的QPQ氮化鹽成分分析儀控制與信號處理軟件系統能夠滿足實際應用要求[9-11]。

4 結語

根據QPQ氮化鹽成分分析儀的系統結構和原理，結合儀器的測試測量方法，采用自上而下的模塊化設計準則，設計了控制與信號處理系統軟件的總體架構，并以此為基礎完成了軟件系統設計。實驗結果表明，系統軟件界面友好，運行效率高，提高了儀器性能，具有較好的準確性和重復性，可滿足實際應用要求。

參考文獻：

[1] 李惠友.QPQ技術的原理與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[2] 周鼎華.QPQ處理工藝及其質量控制[J].熱處理技術與裝備，2006，27（1）：28-30.

[3] 魏康林.基于微型光譜儀的多參數水質檢測儀關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2012.

[4] JACKY J， VEANES M， CAMPBELL C， et al. Model-based software testing and analysis with C#[M]. Cambridge university Press，2008：72-89.

[5] AMMAR MAHJOUBI， RIDHA FETHI MECHLOUCH， AMMAR BEN BRAHIM. Data acquisition system for photovoltaic water pumping system in the desert of tunisia original research article[J]. Procedia Engineering， 2012，33：268-277.

[6] 韓孝貞，溫志渝，謝瑛珂，等.多參數水質檢測儀控制與信號處理系統軟件設計[J].儀表技術與傳感器，2014（8）：20-22.

[7] 蒙艷玫，蘇建軍，羅赟，等.甘蔗煮糖過程參數自動檢測系統的研究[J].機械與電子，2008（12）：28-30.

[8] 宋卉.全自動生化分析儀軟件設計與GUI實現[D].長春：吉林大學，2015.

[9] 陳松柏.基于微型光譜儀的多參數水質檢測儀應用軟件設計與實驗[D].重慶：重慶大學，2012.

[10] 黃儉，溫志渝，洪明堅，等.基于微型光譜儀的生化分析系統的軟件設計與實現[J].儀器儀表學報，2005，26（S2）：296-298.

[11] 韓孝貞.多參數水質檢測儀控制與數據處理軟件系統設計[D].重慶：重慶大學，2014.

（責任編輯：黃 健）