重金属在线检测（精选8篇）
重金属在线检测 篇1
引言
在拉链视觉检测领域, 前辈们的探讨还不够深入, 大多只停留在一小块功能上, 没有实现的可行方案, 我们将在他们的基础上对各模块功能进行整合优化, 进一步开发出一个相对完整的金属拉链在线视觉缺陷检测系统, 着力解决实际应用性能以及准确率的提高, 能实现从实验室走进工业生产中去。
一、拉链监测系统设计
我们在本设计中, 是使用摄像机将拉链的图片摄取, 将采集到的信息传到处理中心进行二值化, 分割, 投影, 边缘检测等处理分析图像判断拉链是否用缺陷, 是否要控制弹射装置工作, 来达到自动对拉链进行筛选实现自动化。下面我们来具体介绍一下我们所设计的机械部分的装置, 该系统主要是由摄像机、儿字型导轨、弹射装置、传送导轨和处理中心 (不在图一中) 五部分组成 (如图一所示) ;
具体运作流程:第一、拉链在传送带动下向前进, 由于儿字型导轨的作用, 是拉链摆正;第二、当拉链到达了摄像机的摄像范围时, 摄像机采集图像, 拉链继续前进;第三、摄像机将采集到的图像信号传输到处理中心, 判断该拉链是否有缺陷, 若有却缺陷则弹射装置将会运作将该拉链弹射到不合格产品盒里, 否则就让拉链前进到合格产品盒里。
该设计比较结构简单, 比普通传送带多了摄像机极其机罩和弹射装置成本低, 也有利于后去的维护。
二、检测方法
我们检测的拉链缺陷主要是:拉链下止, 上止的缺失, 闭合部分叉开, 或者折断, 链头缺失或者链头的拉片扣环缺失还有就是布条的两侧的缺失 (如图五 (a) 所示) 。根据拉链的结构, 我们将拉链分成两部分检查:
(一) 拉链的链齿部分:A闭合部分检查;B叉开部分检查
(二) 拉链布条部分
a) 链齿检测预处理。第一部分链齿部分是拉链的重要部分, 也是我们检查重点部分主要是判断是否出现拉链下止, 上止的缺失, 闭合部分叉开, 或者折断, 链头缺失或者链头的拉片扣环缺失等缺陷。直接检查由于有很多干扰因素如传送带反光导致部分像素较高, 要检查特定的拉链部分是比较困难的;既然要这样, 我们想方法在检查链齿部分之前, 将链齿部分分离出来, 要实现分离的方法:
先自动确定一个阈值, (这里的自动确定阈值是根据图像的分辨率的大小不一样, 按照下面的算法
注:R、C表示要采取R行C列个点;r、c代表要检查图片的像素点为r行c列
来确定所要采取的样点, 然后将最大值去掉, 剩下来的点中最大的那个值就是阈值T, 这样就会确保这个点不会是整个图像中的最大值而导致处理后的图像会是黑色的即全部都是零) ;获得阈值T后就可以按照一下算法
注:Iij为图片中的任意像素点灰度值, 其中下标i, j分辨是要满足 (i≤r) 、 (j≤c) 。
将原图处理成只有黑白颜色 (只有0和255两种灰度值) 的二值图像这样我们的二值化处理完毕了。而其中的白色就是我们想要的链齿部分的, 其他部分变成黑色如 (图二 (b) 所示) 。
当我们获得了二值图像后, 自然而然地就会想到是将链齿部分分割为闭合部分和不闭合部分。根据图二 (b) 可以看出链齿闭合部分是一块灰度值均为255相连像素点组成的;可以将图中与某个灰度值相等且位置连续的部分提取出来, 提取方法按如下所:
当检查到了一个灰度值为255的像素点则就已改点为标准点, 分辨检查标准点的上下右三个方向的像素点的灰度值 (Y1, Y2, Y3) 是不是为255, 若是则就将其为标准点;依次类推直到上下右三个点灰度值均不是255为止;将得到图像如图二 (c) 所示。
首先将闭合部分提取出来, 然后用原来的二值图像减去它就剩下不闭合部分及其对应的投影图的图像 (如图二 (d) 所示) 这里就不详细说明了。
i.闭合部分检测
经过以上的一些步骤处理之后我们就可以进行了第一部的检查了。我们的检查代码是分模块的, 可以更改顺序的。在这里我们处理的图像中在闭合部分出现的问题比较多, 所以我们就先检查闭合部分。我们先图二 (c) 中的图像每一列的数值总和求出来, 变成投影图, 得到的是一个以列为横坐标, 以格列的元素总和为纵坐标曲线图如图三所示。根据投影图我们可以看到, 拉链不同部分对应的投影曲线是有相应的规则的:
1. 如下止部分先是比较陡比较平缓, 平均高度比链齿部分2倍 (h2≈2h1) , 根据这一点可以判断下止部分是否存在;既是:
如果h2≈2h1则下止部分是存在的, 否则不存在。
2. 而链齿部分则是起伏跌宕, 但是我们可以看出曲线上下波动有一个中心线, 而且这条中心线会上出现一些水平的线段 (高度大概是h1) 我们就是根据这些水平线段求出中心线的高度的;链齿闭合部分最高点不会超过下止的高度 (h2) , 既是h2>h1 (如果不是由于图形中过度颜色部分会出现一些灰度值不一样的像素点, 理想情况链齿部分的投影也应当是如中心线一样水平的) 。为了判断是否有断齿和折断现象我们根据单调性求出下止以后的所有转折点, 根据研究发现若转折点 (Bi) 满足一下条件:
注:Bi是表示转折点, i∈N, h2为下止得高度
则出现折断;
若出现有三个连续的转折点均低于中心线的高度则出现断齿;既是若转折点满足一下条件:
注:h1是拉链链齿闭合部分的中心高度如图三所示
则出现断齿现象。
3. 链头部分也是出现了起伏跌宕的曲线, 但是平均高度和限制的高度差不多高甚至更高, 而且最低点一般都比链齿的中心线还要高, 则转折点Bj里的最大值必定会大于于h1+h2。则:若
注:m为最后一个转折点的标码既是最后个转折点是Bm
则连头部分缺失或者拉链折断
为了判断链头的拉片扣环是否失我们还总结出一个规律, 这个规律就是由于拉片扣环的存在, 导致链头的投影曲线会是起伏跌宕, 如果没有拉片扣环的话曲线将会是比较平滑的我们就是根据这个特点判断最后面五个转折点中如果三个或者都大于下止的过度则出现了拉片扣环缺失的情况;令Bm为最后一个转折点, 则:
根据以上的一些的规则依据我们可以判断出闭合链齿部分的缺陷情况了, 并有相应的提示。
ii.叉开部分检测。将图二 (d) 中第二部分的分叉分成上下两部分及其对应的投影图分别如图图四 (b) 和图四 (d) 。更具投影图我们可以比较直观的看出上部分对应的曲线在80到第90列之间有明显较大的间隔 (我们就是根据连续出现0的个数是否大于于链齿的宽度来判断这部分是否出现缺齿) , 还有的就是就是最后一个突起是比较宽的 (我们就是根据最后一个链齿的宽度是否接近别的链齿宽度来判断上止是否正常) 。根据这些就可以很容易地检查出这部分的缺陷是与否了;
b) 布条部分检查。至于布条部分我们只是检查其长边两端的缺陷, 且由于大多数布条的拉丝现在是可以修理好的, 就忽略这种情况所以我们只对两长边进行检查即可。这样我们就很自然而然地就会想到边缘检测了, 只要将边缘提取出来就可以根据边缘的斜率是否突变来判断布条的长边两端是否有缺陷。首先第一步我们的想方法提取边缘, 迄今已有许多边缘检测方法, 其中Robert算子、Sobel算子、Laplac算子、Prewitt算子、Krisdl算子、Canny算子、Gauss边缘检测算子及轮廓提取或轮廓跟踪、利用平滑技术提取图像边缘、利用差分技术提取图像边缘、利用小波分析技术提取图像边缘等方法是常用的方法, 但各种算法结果差异很大。这里我们使用Sobel算子提取图像如图五所示;
我们使用Sobel算值得原因如下:
虽然Canny算子提取的图像较Sobel算子提取的图像的连续性较好, 清晰度也挺高的, 能够较准确的提取出边缘, 但是Canny算值得程序量较大, 请运行速度较慢, 严重影响到了检查速率, 不利于减低成本, 而且Sobel算子提取图像的所处想的缺陷都与我们的检查影响不大, 我们可以用较少的代码避免掉, 因此我们使用了Sobel算子。要是对精度要求高且度速率要求低的话, 可以考虑使用Canny算子。
使用Sobel算子获得图像之后, 我们就可以看到该图像中的布条长边有缺陷处明显的凹进出, 因此我们就根据边缘的斜率是否有较大的突变来判断是否有缺陷。这里主要是要找到了起点, 我们是先按照纵向 (间隔五列才扫描一列) 地扫面检查如果遇到了1, 我们就向前跳五列在按照横向检查如果连续出现十个1, 出现的话我们就以当前的行和列为起始点记为X0 (R, C) 。由于后面的点不一定出像现地r行所以我们把地c+5列中第r-8到r+5行所出现的1为X1, 按照这种方法求出X2, X 3…;这样我们就可以算出两点之间的斜率可以按照Ti= (Ri+1-Ri) / (Ci+1-Ci) 求出来。如果布条是好的话这条曲线的斜率的变化情况将会是缓和的, 连续的两个斜率之间的差值不会超过的范围, 根据斜率差是否有突变来判断边缘是否有缺陷, 有缺陷将会提示error==>布条有缺陷并且将error=1;到了这一步我们的检查就算是到了尾声。如果一路检查下来error没有等于1的话就说明拉链是好的。如过已发现error=1我们就停止对该图像的检查。
三、实例应用
根据实验数据统计共有72个拉链被检测, 有六个是误报的错误率为0.0833在允许范围之内。
四、总结
拉链检查主要是分成两部分:第一是拉链的链齿部分;第二是拉链布条部分。链齿部分主要是检查拉链下止, 上止的缺失, 闭合部分叉开, 或者折断, 链头缺失或者链头的拉片扣环缺失等问题;
为了将链齿分离开来, 就对图像进行二值化处理获得比较明显的突出链齿部分如图二所示。二值化处理将拉齿分成两部分检查:1.链头到下止为一块;2.剩下分叉的为一块。对第一部分进行投影将会得到一个以列为横坐标, 以格列的元素总和为纵坐标曲线图。我们就可以根据曲线规则变化就会明显的看出了链齿与投影曲线的对应关系, 根据曲线纵坐标高度及水平线高度对比, 我们可以检查出闭合部分所存在的缺陷。
将链齿的叉开部分分成上下两部来检查。先分别对其上下部分进行投影, 从各自对应的曲线图, 然后根据齿间连续出现0的个数是否大于正常齿间连续0的个数就可以分析出是否有缺齿。我们只对将布条的长边两端的缺陷进行检查, 在这里我们使用sobel算子进行缘测提取;我们根据提取图可以看出如果布条是好的话这条曲线的斜率的变化情况将会是缓和的, 有缺陷的就会有明显的凹陷, 所以根据斜率差是否有突变来判断边缘是否有缺陷。H
参考文献
[1]陈建飞等.拉链齿数的数字图像处理研究[J].工业控制计机, 2011.03:10-11, 14.
[2]程西云, 张婕敏等.图像处理技术在拉链齿数检测中的研究[J].汕头大学学报 (自然科学版) , 2006, 02:65-69.
[3]刘萍.基于图像的产品缺陷特征提取方法[J].西安工业大学学报, 2012.09:707-711.
[4]张旭等.数字拼接图像检测技术[J].仪表技术, 2009.08:46-54.
三类薯片中有害重金属的检测 篇2
关键词：微波消解/电感耦合等离子质谱仪 薯片 铝 镉 铅
中图分类号：R155.5 文献标识码：A 文章编号：1672-5336（2013）24-0000-00
近年来食品健康问题越来越受到人们的关注：薯片等膨化食品因其小作坊生产可口、品味多样一直以来赢得众多青少年儿童的青眯，但其在生产加工过程中因需添加膨松剂、通过高温金属管道而常常受到铅、镉、铝等重金属的污染。以其中的铅为例，病症早期表现为贫血，并感到衰弱和疲倦，出现运动和感觉异常，严重时出现末梢神经炎等精神症状，铅还会引起妇女不孕和停经，孕妇及胎儿特别容易受到铅的伤害[1，2]。
1实验部分
1.1实验材料
1.3方法与步骤
1.3.1样品的前处理
装袋：将三种薯片的样品分别装入样品袋中标号为1、2、3，将样品袋中的样品均匀打碎。取样：将打碎后的样品每个称取0.5g，装入已经标号的消化管中。标号分别为A1、A2、A3、A4、B1、B2、B3、B4。A4、B4是空白对照。消化：用移液枪准确称取5ml硝酸（优级纯）加入每一个消化管。将消化管装填平衡后放入MARS-X微波消化器内开始消化，时间为90分钟。排气：将消化结束的样品冷却至室温，在通风柜中消化瓶口朝上打开消化管，将消A系列化管中的消化液全部移至三角瓶中。将B系列消化管中的消化液全部移至200ml容量瓶中去离子水定容然后过滤。移液：将消化结束后的消化管内的液体移到带标记三角瓶中，反复冲洗至少三次。排酸：三角瓶全部放在放置在通风柜中的加热平板加热至尽干，取下加热平板上的尽干三角瓶冷却至室温。定容：将排酸结束后的液体移到容100mL量瓶中，用3%硝酸溶液定容。过滤：由于膨化食品没有完全被粉碎有些固形物存在，因此需要过滤。
1.3.2薯片中铝、镉和铅的测定
（1）仪器工作条件。
功率：1kw
雾化气流量0.9L/min
透镜电压：6.2V
氩气：0.4Mpa
（2）绘制标准曲线。按实验要求及仪器规定，设置仪器最佳条件，并调节仪器最佳工作状态，绘制标准曲线。
（3）样品测定。在选择的最佳条件下，测定空白溶液和试样溶液中铝的含量，电脑自动从工作曲线上计算出相应浓度。
2结果与分析
2.1三种薯片中铝含量的测定结果与分析
根据国家标准：膨化食品中铝的含量要低于100mg/kg[4]，从测量结果上看，三种薯片的铝含量均符合国家标准。
2.2三种薯片中镉含量的测定结果与分析
根据国家标准：膨化食品中镉的含量要低于0.1 mg/kg[5]，从测量结果上看，样1的含量不符合国家标准。
2.3三种薯片中铅的测量结果与分析
根据国家标准：膨化食品中铅的含量要低于0.40 mg/kg[6]，从测量结果上看，样1的含量不符合国家标准，其余的符合国家标准。
3结语
本次实验的结果让人比较满意，大部分的结果都符合国家标准。但是有铅、镉含量超标检出，充分说明了薯片中存在的一些问题。从实验结果分析虽然铝、镉含量都符合国家标准，但它的含量仍然很高。铅是膨化食品检测的重点，因为它很少的量就会给对人体带来伤害。而样1中的铅超出了国家标准1.76倍，如果经常食用该类食物必然导致铅中毒。铅最大的危害就是损伤大脑几周围神经系统，所以特别提醒家长们要提防膨化食品中重金属的危害，控制膨化食品的摄入量，特别注意的是不能购买那些”三无”散装的和三无包装的膨化食品。通过加强对膨化食品工厂的监督与管理，建议使用低金属含量或无金属的添加剂，改进膨化食品加工工艺，采用先进的生产设备。通过多种努力使膨化食品真的成为人们放心的食品。
参考文献
[1]郝守进，茹炳根，戚其平.铅的毒性机理及其解铅毒的研究进展[J].医学研究通讯，2001，30（3）：32-35
[2]蒋桂菊等.重金属的解毒机制研究[J].中国工程师，1977，1：45-47.
[3]陈培榕，李景虹，邓勃.现代仪器分析实验与技术.2006：51-52.
[4]GB17401-2003 膨化食品卫生标准.
[5]GB 15201-1994 食品中镉限量卫生标准.
重金属在线检测 篇3
目前,工业生产线上的工件或者产品检测大多是通过品质检测人员使用塞规、游标卡尺或接触式传感器等普通量具来完成。随着自动化工业的发展,在面对大批量的规则形状的工件,如垫片、套筒、齿轮内圈等小工件,用人工来进行品质检测就有些不足,主要体现在:检测效率低、检测一致性差、检测结果容易受人的主观因素的影响,特别是当零件批量较大时,效率低和一致性差的缺点就尤为突出。
随着工业控制技术的迅速发展,工业自动化控制技术和机器视觉技术越来越完善和成熟,现已经逐渐地应用在各种工业领域。运用了工业自动化技术和机器视觉的品质检测系统,与传统的品质检测相比,具有诸多优势:可以做到实时在线、非接触、无损和高精度的检测,省时省力并可以避免测量过程中检测人员主观因素的错误,同时也能够实现生产的连续性和提高生产的自动化程度,提高生产率和实现柔性化。
本文主要内容是运用PLC作为工业控制器,采用机器视觉技术作为检测技术,对工件在线检测系统总体进行设计。
1 系统工作流程
整个系统工作流程图如图1所示,系统启动后,首先检验是否有待检测的工件,如果没有待检测的工件,则系统停止。如果有零件待检测,则将零件送到摄像机下,由摄像机获取图片,经过上位机的图像处理和分析之后,得到工件是否合格的信号,然后将信号传送给剔除系统。由剔除系统将工件剔除。
2 系统总体设计
系统的总体设计如图2所示,系统分为五大模块:上料模块(未在总体图中画出)、图像处理检测模块、工件传送模块、剔除模块和控制模块。上料模块将待检测工件的位置和姿势调整好,然后由传送模块将工件传送到摄像头下进行拍照检测,检测完成后再由传送模块将工件传送给剔除模块,剔除模块得到工件不合格的信号后,将不合格工件剔除到不合格通道。
上料模块由振动盘和提升台组成,振动盘将工件的位姿一个一个地摆好,送入到提升台上,提升台上只有一个工件的位置,保证了每次送往检测的工件数量为一个。
图像处理模块是由摄像机和上位机组成,摄像机将工件的外形和表面等信息获取下来后,传送给上位机,上位机通过内部软件的二值化、降噪等处理,将有用的信息提取出来,和合格工件图样进行对比,得出工件是否合格的信息。
工件传送模块是通过PLC对伺服驱动器发送脉冲,控制传送电动机的运转和停止,从而实现将工件现在位置传送到下一个工位。
剔除模块用来剔除不合格零件的,剔除模块获得不合格零件信号后,将不合格零件剔除到不合格零件通道。
控制模块作用是控制各个模块协调运作,做到整个系统各个环节有条不紊。
3 系统各个模块的设计
3.1 上料模块的设计
大批量金属工件在检测之前是杂乱无章地堆放。拍照检测时要求工件按照规定的位姿出现在CCD摄像头下,使得CCD照相机能够获取到正确的和有用的工件边缘尺寸。
振动盘是一种自动定向排序的送料设备。其工作目的是通过振动将无序工件自动有序定向排列整齐、准确地输送到下道工序。
振动盘有两个关键技术,一是如何让小型零件在螺旋斜面上“走”。 如图3所示,振动盘由料斗、底盘、控制器、直线送料器组成。料斗下面有个脉冲电磁铁,可以使料斗垂直方向振动,由于弹簧的作用,同时还使料斗绕其垂直轴做扭摆振动。料斗内零件,由于受到这种振动,而沿螺旋轨道上升,直到送到出料口。 第二个关键技术是“机关”的设计,也就是如何让物料规范起来。如图4所示,现在将工字型零件的摆放作为例子,零件在料斗内(0号位置)是杂乱无章的,在脉冲电磁铁的振动作用下沿着螺旋轨道上升,在1号位很多零件都挤着往螺旋轨道上“走”,因为轨道上只能有容得下一个零件的位置,所以没有挤上轨道的就掉落到料斗中。挤上轨道的零件继续沿轨道往上走,在2号位突出的小挡片将竖着的零件推下轨道,掉入料斗中,3号位的小斜槽将摆放不正的零件过滤掉。通过导轨第4段的工件就能具有所需要的位姿了。
运用振动盘后,本来需要一个人操作一台检测设备,现在可以一个工人看管五台甚至更多的检测设备,大大节省了劳动力。
由于CCD摄像机在对一个工件在线拍照后,图片的处理和判断需要一定的时间,为了使整个系统能够按照一定的节奏,一个接一个地对工件单独地进行检测,必须在振动盘和传送带之间安装一个中间机构,使得一次只有一个工件被送往CCD摄像头下接受检测。
系统在振动盘的出料口处设计了一个提升台,提升台上的空间每次只允许有一个工件,当上一个工件已经检测完成后,提升台将工件提升到与传送带水平位置,由汽缸将工件顶出到传送带上,再由传送带将工件传送到CCD摄像机下进行拍摄检测。
3.2 图像处理模块的设计
摄像机是图像采集的前端设备,摄像机采集工件图像的好坏将直接影响后续的图像处理速度和品质,根据系统实际情况采用线阵CCD摄像机。光源和照明方案优良与否直接影响输入数据的品质和最后的工件图像处理结果的精确度,LED光源具有亮度高、光谱范围广、安全环保、使用寿命长、发光率高和耗能少等优点,故系统采用LED作为系统光源。为了尽量减少阴影对拍摄效果的影响,系统采用大于工件外尺寸的环形LED光源。
软件部分是整个检测系统的核心,软件部分主要包括工件图像预处理和工件图像分析检测两个模块。工件在生产过程中由于各种原因会产生不同的品质问题,例如毛刺、变形、划痕、裂痕和麻坑等缺陷,这些有缺陷的工件图像经过图像软件处理后,与合格的工件图像相比一定的差异,系统就是根据这些差异来检测出有缺陷的工件。工件图像预处理模块负责对采集的图像进行灰度化、噪声去除、边缘检测等一系列处理,得到工件图像的特征[1]。图5为各种缺陷的工件图像经图像处理后而得到的工件图像。
图像检测模块负责对工件图像的体征提取、分析、检测,主要是通过一定的检测策略与事先存储的标准件进行比较[2],然后计算工件的形状特征矩,最后把被检测工件的形状特征矩与标准工件的形状矩进行比较。如果误差不在规定的范围内,则视该工件为不合格工件,并把工件信息保存到数据库中,最后通过剔除机构把该工件剔除[3]。
设计得再好的软件也需要硬件来实现,系统采用PC机作为上位机。PC机具有丰富的输入/输出接口,良好的人机交互功能,不仅可以准确地得到工件是否合格的信息,还能够看到检测软件的中间数据,直接在PC机屏幕上看到比较过程。并且对于不同的工件,检测的标准也不一样,有些工件需要检测工件的尺寸,有些工件需要检测工件的表面品质,这就需要不同的程序来实现,运用PC机作上位机在改变程序方面非常方便,更易于实现工业流水线柔性化。
3.3 工件传送模块设计
在工件经过振动盘调整位姿后,需要将调整好位姿的工件传送到CCD照相机下,这需要一套传动装置来实现。由于CCD摄像机图像的获取,需要工件有平稳的直线运动,可以选择带式或板式具有牵引件的传送机,本系统针对的是中小型金属零件,质量在1kg以下,则用带式传送机就足够了。
3.4 控制模块设计
西门子PLC具有强大的编程能力,目前已成为世界上PLC最大的供应厂家之一。它与其他各国的产品相比具有结构精美,硬件配置灵活方便,可靠性高,抗干扰能力强,编程功能多,易于操作人员掌握,性能价格比高等优点。西门子S7-200有输入接口14个,输出接口10个,并且可以扩展,能够很好地实现本系统的功能。所以选择西门子S7-200 型号为:ES7 214-1 BD23-OXB8(图6).
3.5 剔除模块的设计
现在常规的剔除方法有气缸,机械手,高压气枪。气缸可以将工件踢出当前运行轨道,是一种简单、造价低、易于实现的方法。机械手臂准确度高,能够实现特殊轨迹的抓取和剔除,但是造价昂贵。高压气枪则更为简单,但是它的不确定性太大,不能准确地将工件剔除到不合格零件通道,只适用于比较轻的工件,对于金属工件来说,高压气枪不适用。故可以根据现场需要选取用气缸还是机械手,系统选用价格较为低廉的气缸。
4 系统运行过程
参照图2,PLC控制整个系统,在系统通电启动后,打开振动盘开关,振动盘将零件的位姿调整好,送到提升台上。当提升台上的光电传感器1在3s内都没有感应到零件时,系统发出声光报警,提醒工人出现故障,并且系统停止运行。当提升台上的光电传感器1感应到有工件的时候,将工件提升起来,提升上限位与传送带水平,再由上料汽缸将零件顶出到传送带上,皮带将零件送到CCD摄像机正下方,CCD相机下方的金属传感器1检测到零件,传感器1传送一个信号给PLC。PLC控制传送电动机停止3s,同时PLC控制CCD相机进行拍照。3s钟过后传送带继续运行,将零件送往剔除工位。CCD相机拍摄的图像信号经过图像预处理、边缘检测算子、轮廓曲线定位等算法处理后,将所得到零件实际轮廓曲线同标准曲线进行比较,获得偏差数据,进而判断零件品质是否合格。如果零件不合格,PC机将信号传送给PLC。PLC获得工件不合格信号和零件到达金属传感器2处的信号时,PLC再次控制皮带停止,剔除气缸将工件剔除。
5 结语
系统从提高工件检测效率出发,调研了国内外自动检测技术的发展及其研究现状,设计了基于PLC的工件在线检测系统硬件及控制程序。系统也可通过对上位机中检测程序和传感器的调整来检测不同材料的工件,实现工业检测的柔性化。该系统具有非接触、在线、不干扰生产过程的特点,具有很好的实用推广价值。
参考文献
[1]高晟丽.基于机器视觉的工件检测技术研究[D].郑州:中国人民解放军信息工程大学,2006.
[2]张留刚.基于机器视觉技术的烟条检测系统研究[D].南京:南京航空航天大学,2008.
浅析重金属离子在线自动监测仪 篇4
该仪器的基本原理是根据传感器敏感膜/溶液界面上发生的faraday过程引起的“时滞现象”提出“时滞”与去极剂浓度的关系式以及“时滞”与去极剂浓度关系的线性范围。采用微分信号, 在液晶屏上直接按环保要求检测限量显示。重金属离子浓度与垂线间的距离成线性关系, 通过仪器软件的换算得出重金属离子的浓度, 并通过液晶屏显示出来。
2 仪器的技术特点
该仪器的理论创新点主要在于采用E～t和dE/dt曲线而不是采用dE/dt～E曲线的方式, 建立了去极剂浓度与“时滞”信号的数学关联。根据E～t和dE/dt曲线上提供的一个暂态电化学进程的极具丰富的信息, 在高扫描速率下, 电极表面不断更新, 解决了电极老化的问题, 应用在水质监测仪上可解决电极寿命短的问题。通过采用注入信号的变化, 使传感器能够对多种离子响应, 通过设计信号相位角及暂态T, 可设定环保标准要求的灵敏度。采集E～t和dE/dt曲线上有价值的数据信息, 进行相关处理, 直接显示出去极剂的浓度。此方法可应用在水体中重金属离子的监测上, 使用一台仪器可同时快速监测铜、锌、铅、镉等多种重金属离子。“时滞”信号的提取方法、信号的处理方法、测定结果的多种显示方法均为首创性提出。以上几种方法在技术上的创新为仪器测量的准确度、可靠性提供了保证。该仪器研制成功以后同国内外其他厂家的仪器相比, 在技术性能方面, 具有测量量程大, 检测下限低、测量速度快、准确度高、性能稳定等特点, 同时, 该仪器的电极简单、易制备、使用寿命长, 一种电极能够同时测量多种重金属离子, 而国内外其他厂家的一台仪器只能测量一种重金属国内外其他仪器低, 销售价格将大幅度降低。该仪器的研制成功能够填补该领域的空白, 能够达到国内领先和国际先进的水平。
3 仪器的技术设计方案
该仪器的技术方案是在重金属离子快速监测仪的传感器上施加交变电压E, 水体中的去极剂与传感器敏感膜相互作用, 在E-t曲线上发生“时滞”, 对“时滞”信号进行提取, 可定性分析出待测重金属离子的类型和浓度。
本项目的主要研究内容及关键技术包括:研制伏安传感器, 该传感器研制成功后, 在定量测量多种重金属离子含量、易制备和耐久性方面都是其他仪器使用的离子选择电极所不能比拟的;研究敏感膜/溶液界面上发生的faraday过程, 找出内在联系;根据内在联系关系, 寻求水体中重金属离子浓度与信号的数学关联;寻求检测信号的可靠方便的提取方法;寻求简单明了的结果显示方法。
4仪器的试验报告
在试验过程中, 我们用自己研制的简易模拟设备对水体中的铜、锌、铅、镉等重金属离子进行检测, 测定结果表明, 该方法可行, 测量结果准确度高, 测定速度快, 性能稳定, 在一定的浓度范围内线性相关性较好。试验报告如下表所示:
金属离子浓度与时滞在一定浓度范围内的线性关系:
5仪器的主要技术指标
测量范围:0～10mg/L;检测下限:0.1μg/L;准确度:≤±10% (0～0.1mg/L) 或≤±5% (>0.1mg/L) 重现性:≤±5%;零点漂移:≤±5%;量程漂移:≤±5%;响应时间:0.01S (测定离子浓度大于10-5mol/l) 、30S (测定离子浓度大于10-7mol/l) 、120S (测定离子浓度大于10-9mol/l) 。
摘要：随着工业的发展, 水体重金属污染已经成为全球性的环境污染问题。前几年, 我们国家主要加强了对水体中COD、NH3-N、PH等指标的治理和监测, 对水体中重金属离子的治理和监测力度还远远不够。在今后的几年, 质量性能稳定可靠, 测量数据准确, 价格合理的国产重金属离子监测仪会有很好的市场需求。
关键词：重金属,离子,在线,自动,检测
参考文献
[1]TURNER R B F, HARRISON D J, BALTES H P.A CMOS potentiostatfor amperometric chemical sensors[M].IEEE J.Solid—State Circuits, 1987.
[2]KAKEROW R G, KAPPERT H, SPIEGEL E.et a1.Low power singlechip CMOS potentiostat.The 8th International Conference on Solid—State Sensors and Actuators, and Eurosensors IX[M].Stockholm Sweden, 1995.
[6]李素芬, 刘钟阳, 许东卫.控制电位型水中臭氧电化学传感器的试验研究[J].传感器与微系统, 2006.
重金属在线监测仪产品设计研究 篇5
重金属主要是指汞 (水银) 、镉、铅、六价铬以及类金属砷等生物毒性显著的重元素, 其中, 六价铬、汞、砷、铅和镉已经被国家列入重点监测指标, 由于重金属不能被生物降解, 相反却能在食物链的生物放大作用下, 成千百倍地富集, 最后进入人体, 同时, 重金属元素由于某些原因未经处理就被排入河流、湖泊或海洋, 或者进入了土壤中, 使得这些河流、湖泊、海洋和土壤受到污染, 它们不能被生物降解, 因此, 在线监测重金属污染情况是非常有必要的。
2 设计需求
本研究根据以上国内外厂家性能和环保等角度分析, 采用有毒试剂循环回收利用的方法研制新型重金属监测仪器, 同时根据国家相关标准, 确定重金属监测仪市场需求, 请看下表:
3 设计方案
3.1 产品工作原理
溶出伏安法 (又称反向极谱法) 是从电化学分析中的极谱法发展起来的, 分为阳极溶出伏安法与阴极溶出伏安法, 但阳极溶出伏安法更为重要。在电解池内放入一个悬汞电极或其他固体电极代替极谱法的滴汞电极作为研究电极, 以饱和甘汞电极兼作辅助电极和参比电极。先将研究电极置于待测离子的极限盛有支持电解质和含有浓度很低的金属离子。在不断搅拌溶液下进行电解, 此时扩散电流的电位上, 一般负于半波电位0.2-0.3V, 金属离子在电极上还原成金属并生成汞齐, 这一步称为电积, 经过一定时间电积富集之后, 汞电极中的金属提高到必要浓度, 停止搅拌, 约20-30秒后把研究电极的电位向正方扫描, 这时汞齐中的金属在半波电位附近又重新溶解成为离子进入溶液, 这一步称为溶出, 在溶出过程中记录的电流—电位曲线上出现溶出峰型, 峰高或峰面积与待测离子的浓度成正比, 这是定量分析的基础。峰电位与离子的性质有关, 这是定性分析的基础。锌、镉、铅、铜等可以在适当的支持电解质溶液中, 以汞膜电极作工作电极, 以银-氯化银电极作参比电极, 加以适当的预电解电位, 经过一定时间的预电解富集, 还原到汞膜电极上, 于汞生成汞齐, 然后在较短的时间内作反向溶出扫描, 记录其溶出伏安曲线。根据溶出峰电位和峰高, 用标准加入法定量地测定每个杂质的含量。
3.2 硬件设计要求
控制原理:仪器配有三电极系统, 分别是研究电极 (玻碳电极) 、辅助电极 (铂电极) 和参比电极 (银-氯化银电极) , 分析过程分为三个主要步骤, 分别是富集、静置和溶出。电路设计结构图如下图所示:
D/A恒电位控制:电位控制精度1mV, 电位控制范围±12V, 电位能从-12V到12V扫描, 扫描速度控制范围1-1000mV/S;
电流采集单元:由于需要检测的电流属于微弱信号, 并且不同浓度下的电流大小不一样, 所以电流采集时需要选择不同的灵敏度, 灵敏度的控制可以通过精密电阻来切换, 切换原理图如图2, 电流通过电阻后产生电压, 根据U=I*R, 通过检测电压大小采集电流大小, 一般情况下, 0-10uA范围电流采用100K电阻, 10-100uA范围电流采用10K电阻, 0.1-1mA范围电流采用1K电阻, 1-10mA范围电流采用100Ω电阻, 电阻精度要求0.1%;
A/D转换:根据电流采集精度选用, 建议采用16位;
阀体控制:至少能控制30路电磁阀, 20路带24V电源, 10路不带电源;
试剂报警:6路液位AD输入;
3.3 软件设计
软件功能:
通讯模式:具有232串口数据输出端口, 可以通过数采仪上传数据, 同时具有四路4-20mA输出端口, 能同时输出4路数据;
参数设置:设定测量参数 (以Zn、Cd、Pb、Cu联测为例) :富集电位 (-1.3V) 、静置电位 (-1.2V) 、终止电位 (0V) 、富集时间 (120s) 、灵敏度选择 (10uA) 、是否消解, 如果需要设定好消解时间;寻峰范围设置:Zn (-1200—-800mV) 、Cd (-800—-600mV) 、Pb (-600—-300mV) 、Cu (-300—0mV) ;
3.4 工作电极设计
工作电极与电极线连接采用M3的铜螺纹连接, 保证接触良好, 玻碳采用日本进口材料, 直径为5mm, 与检测池的密封采用O型圈密封方式, 需要注意O型圈、塑料直径、检测池工作电极孔直径之间的配合间隙, 结构示意图如图4。
4 结论
通过软件设计、电路设计和电极设计, 成功研制了重金属在线监测仪器, 能应用于水质中重金属的在线实时监测, 具有准确、快速、安全和可靠等特点, 具备了良好的市场推广前景。
摘要：通过研究重金属监测技术, 提出电化学电位控制方法、硬件设计平台和软件设计, 基于阳极溶出伏安法的监测系统方案, 包括单片机设计、软件设计和工作电极设计等, 实现重金属在线监测。
关键词：电化学,在线监测,工作电极
参考文献
[1]高鹏.智能电化学工作站DSP软件的总体设计与研究[J].科学与研究, 2007.
[2]朱日龙, 胡军, 易颖, 潘大为, 谭杰, 潘海婷.阳极溶出伏安法快速测定地表水中镉[J].环境监测管理与技术, 2010-08-25.
重金属在线检测 篇6
关键词：气体绝缘金属封闭开关柜,红外线,辐射,在线温度监测
0 引言
气体绝缘金属封闭开关柜(Gas Insulated Swichgear),简称GIS,是一种重要的高压电气配电装置。GIS由断路器、母线、隔离开关、电流互感器、电压互感器、避雷器、套管等电器元件以及这些元件的封闭外壳、伸缩节和出线套管等组合而成,内充一定压力的SF6气体作为绝缘和灭弧介质。GIS设备所有带电部分都被金属外壳包围,外壳经铜母线接地,内部是SF6气体。由于采用SF6气体作为绝缘介质,其绝缘性能、灭弧性能都比空气好得多。
和常规的敞开式高压电器设备相比,GIS设备具有以下优点:(1)占地面积小。有关文献统计表明500 k V GIS设备的占地面积只有常规设备的25%左右[1]。(2)不受外界环境影响。GIS设备是全封闭电气设备,导电部分全部在金属外壳之内,并以SF6气体绝缘,与外界不发生接触,因此不受外界环境的影响。(3)维护方便,检修周期长。由于GIS加工工艺严格,技术先进,且绝缘介质使用SF6气体,绝缘性能、灭弧性能都优于空气断路器,其开断能力大、触头烧伤轻微,故GIS的检修周期长,故障率低。所以GIS设备运行安全可靠,维护费用少。(4)施工周期短。由于GIS设备各个元件的通用性强,整套设备采用积木式结构,因此可在工厂内进行整机装配和试验合格后,以单元或间隔的形式运达现场,与常规设备相比,现场安装的工作量减少80%左右。
正是由于GIS设备与敞开式设备相比的突出优点,GIS在变电站中的应用越来越广泛,并得到广大工程技术人员的推崇。
1 开发GIS红外在线测温系统的必要性
1.1 GIS测温的重要性及目前测温方法所存在的问题
GIS设备触头接触不良时,因接触电阻变大,在负载电流流过时会产生发热现象。触点、母线过热会引起绝缘老化甚至击穿,从而引发短路,形成重大事故,造成重大经济损失。因此,检测和监视GIS设备触点、母线和高压电缆接头的温度,提前发现和排除热故障隐患,对GIS的安全可靠运行具有非常重要的意义。据不完全统计,国内的众多发电公司、电力公司所采用的GIS设备均不同程度地出现过封闭母线、隔离开关、电缆头等部件由于绝缘老化或接触不良而造成温度异常变化,进而引发事故的现象。为此,电网公司制定专门技术规范,要求对GIS设备的过热部位进行温度监测,做到温度越限报警,以保障电力设备的安全生产和提高设备运行的可靠性[2]。
GIS是全封闭式高压带电设备,发热点处于设备内部不便检测。目前主要采用在GIS柜体上开监视窗孔,然后使用热像仪或点温仪对设备进行定期巡检的方法。而热像仪只能反映巡检当时触点的发热情况,不能实现实时测温,更不能及时发现温度场的持续性变化,对于及时发现设备隐患帮助不大。此外,还有通过光纤传导的方式进行温度监测的方法,这种方法可以实现在线测温,但是由于该方法需将感温元件紧贴在被测物表面,属于接触式测温,对于GIS的安全运行无疑会造成一定的隐患[3]。
1.2 GIS红外测温系统的特点
1.2.1 红外测温原理
自然界一切温度高于绝对零度的物体都在不断地、自发地辐射出红外线。红外辐射是一种波长在0.76~1 000μm之间的电磁波。红外辐射的物理本质是热辐射,其热效应较可见光强得多。向外发出的红外辐射,以光的速度传播能量,辐射能量的大小及其按波长的分布,与它的表面温度有着十分密切的关系。对于黑体物质而言(也就是能全部吸收辐射到它上面的任何辐射能量的物体),辐射的能量完全决定于该物体的温度。物体的温度越高,发出红外辐射的能量也越大,而且只要温度出现微小变化,就可引起辐射能量明显的变化。因此,通过测量物体自身辐射的红外能量就可准确测定该物体的表面温度[4]。
1.2.2 该系统功能简介及特点
GIS运行时必然伴随着内部温度场的改变,该系统就根据红外线测温原理,将高精度无源本质安全型红外温度传感器内置于GIS各SF6气室中,实时监测气室中各节点温度场的变化,并通过相应的硬件及软件设计将监测结果反应于变电站综合自动化系统主控计算机中,据此实现在线监测GIS温度变化,对触点过热等现象做出判断,并可根据温升程度发出不同级别的警报通知运行人员采取不同的措施。
与目前常用的GIS测温方法相比,该系统应用于GIS设备具有明显的优点:(1)由于GIS内部结构紧凑,需要测温的触点不多,故该系统只需很少几只红外温度传感器就能实现整台GIS的在线监测,简化了系统结构并大大降低成本。(2)由于采用本质安全型红外温度传感器,采取了非接触测温方式,因此对GIS的安全运行不会产生任何影响。(3)红外传感器抗干扰能力强,GIS装置内的强电场电磁干扰对它影响相对较小,并可以简化抗干扰系统的设计。
2 系统的基本结构
系统的基本结构如图1所示,图1为GIS红外在线测温系统原理框图。
该系统由终端测温单元、数据采集单元、数据监测管理单元三部分组成。终端测温单元的最底层是红外温度传感器,在GIS各个气室需要监测的节点上安装相应的红外温度传感器,通过数据线将温度数据温差电势上传至数据采集单元;数据采集单元负责将数据汇总,同时将温度数据和报警信号通过RS485总线上传至数据监测管理单元;数据监测管理系统将数据采集单元传来的信息汇总,并留出通信口,以便依据标准协议通过RS485总线将该系统与变电站综合自动化系统相连。
3 系统的硬件实现
3.1 信号采集单元的硬件实现
选用EXERGEN公司标准型IRt/c红外温度传感器作为终端测温元件,IRt/c系列红外线温度传感器具有高精度,非接触,无需电源,热电偶信号输出的特点,对GIS的正常运行不会造成不利影响。
考虑到现场的测量要求和安装方式,需要确定红外温度传感器的光学参数。目标测量距离为10~50 cm,目标直径小于或等于10 cm,应选取的红外传感器视场张角为60。,距离系数(即视场直径与测量距离的比值)为5:1。
红外温度传感器所采集的温度信息在其内部转换为温差电势的形式,由其自带的双绞屏蔽电缆输出送至数据采集单元。由于IRt/c型红外传感器采用超过NEMA4等级的封装技术,故而信号采集单元对电磁干扰有着很好的抵抗作用,可以大大简化抗干扰系统的设计,进一步减少开发成本。
3.2 数据采集单元的硬件实现
信号采集单元所采集的温度信号以温差电势的形式由红外温度传感器自带的双屏蔽电缆线传输至数据采集单元。选取功能强大的AVR单片机作为数据采集单元的控制芯片[5],AVR单片机其内部包括有FLASH、EEPROM和RAM存储器,可分别存储运行程序和数据。AVR单片机利用其片内自带的10位A/D转换器将红外温度传感器输出的经调理放大后的温差电势转换为数字信号,然后将信号加以处理后由串口输出,再经电平转换后由RS485总线将数据上送至数据监测管理单元。
3.3 数据监测管理单元的硬件实现
选用INTEL16位单片机80C196KC作为主控制芯片,外扩了RAM、ROM以及FLASH,分别用于数据寄存、程序存储和历史数据记录;选用时钟芯片DS12C887记录系统时间;选用点阵式液晶显示操作界面、温度数据及报警画面等;利用65HVD3082芯片实现485通信,它具有1/8单位负载接收器输入阻抗,允许多达256个收发器接于单总线上;利用80C196KC芯片的I/O口控制5个按键实现系统复位和相关的菜单操作;选用IMP705芯片实现看门狗功能,它能够在程序出错或电源过低时对系统复位。
对于数据监测管理单元,由于需要随时与变电站综合自动化系统的通信,故保证与上层系统通信的可靠性就显得非常重要。因此选用串口扩展芯片ST2250外扩出一个串口与上层通信,而单片机自带的串口负责与下层的通信,数据监测管理单元的硬件结构如图2所示。
4 系统的软件实现
4.1 数据采集单元的软件实现
用汇编语言编写数据采集单元程序,程序流程如图3所示。
主程序60 s循环一次,以查询方式取得红外温度传感器的数据,以中断方式响应数据监测管理单元的数据传送请求,将处理后的数据上送。
4.2 数据监测管理单元的软件实现
数据监测管理单元主程序每60 s循环一次,将接收到的下级数据采集单元数据加以处理。若温度场正常则继续循环,若有异常则弹出报警画面并闪动示警,同时以中断方式与变电站综合自动化系统通信,程序采用汇编语言编写,流程如图4所示。
5 结语
该系统应用于气体绝缘金属封闭开关柜(GIS)中,可以对GIS内部温度场的变化进行在线监测,并能够根据温升程度发出不同级别的警报,用户可以通过液晶屏查看各监测点的状态,并可通过键盘设置报警参数及环境参数以适应不同条件的需要。监测网络既可以独立工作,也可以依据实际需要与变电站综合自动化系统相连。由于采用了本质安全型红外线温度传感器作为终端测温元件,与其他常用的GIS测温方法相比,该系统具有安全、非接触、高精度、能够实现在线测温和远程通信等优点,非常适合各电压等级无人值守变电站采用。
参考文献
[1]李建基.高压气体绝缘金属封闭开关设备(GIS)的主要合资企业概况及产品[J].电力设备,2007,8(3).
[2]Q/GDW-10-316-200720kV交流气体绝缘金属封闭开关技术规范[S].
[3]时斌.光纤传感器在高压设备在线测温系统中的应用[J].高电压技术,2007(8).
[4]陈衡,侯善敬.电力设备故障红外诊断[M].北京:中国电力出版社,1999.
重金属在线检测 篇7
1 原子吸收光谱法检测技术
1.1 原子吸收光谱法
所谓的原子吸收光谱法 (Atomic Absorption Spectroscopy) , 是在气态的基态原子外层电子对紫外光以及可见光范畴的相对应原子共振辐射线, 吸取强度来对被检测元素含量进行定量的前提条件下的一种分析方式, 它就是特定的气态原子对光辐射吸取进行测定的一种方法[2]。原子吸收光谱法最早起源于21世纪的50年代, 随着社会的发展与科技的进步, 它逐渐成为一种新兴的仪器分析办法。该办法是目前无机元素定量分析使用最为普遍的分析手段之一。
原子吸收光谱法具有一定的优越性, 具体体现在:较低的检出限, 较高的正确性, 具有良好的选择性能, 较高的分析速度, 能够在多个领域中使用, 其中火焰原子吸收光谱法能够对30~70多种元素进行检查与分析, 氢化物发生法能够对11种元素进行分析, 石墨炉法能够对70多种元素进行分析。
1.2 原子吸收光谱法原理
一种元素的原子不但能够发射一系列的特征谱线, 同时还能够吸取和所发射线波长一样的特征谱线。如果光源所发射光具有某种特征波长, 且经过原子蒸汽时, 也就是原子内的电子从基态跳跃到比较大的能态所要求的能量频率和入辐射频率相同时, 原子内的外层电子将对其他相同元素发射的特征谱线进行选择性的吸收, 以便削弱入射的光。特征谱线由于吸收进而削弱的水平叫做吸光度A, 吸光度和被检测的元素含量成正比例关系, 公式为:A=KC。
其中, C代表的是元素试样的浓度, K代表的是全部的常数。这个公式说明了原子吸收光谱法施行定量分析的一个基本理论。
因为原子能级属于量子化, 所以, 在各种的状况下, 原子在吸收辐射的过程中均有一定的选择性。又因为各种元素的外层电子与原子结构的分布是不一样的, 元素由基态跳跃到第一激发态的过程中, 能量的吸收是不一样的, 所以, 各种元素的共振吸收线的特征是不同的。此外, 原子吸收光谱是处在光谱的可见区域与紫外区域。
1.3 原子吸收光谱仪
原子吸收光谱仪主要是由四个部分构成, 分别是光源、分光系统、原子化系统以及检测系统等[3]。其中对于光源有一定的要求, 即被检测元素所发射的锐线光谱必须具备稳定性、背景较小以及强度充足等条件。分光系统, 即单色器, 主要是由狭缝元件和凹面反射镜构成, 分光的作用包含集光、分辨率以及色散率等。由于原子吸收光谱仪具有精确、灵活敏锐且简单便捷等优点, 被普遍运用到各个领域的常量与微衡量元素的检测分析中。
原子吸收光谱仪的基本原理为:设备由光源处发射光, 且该光带有被检测元素特征谱线, 在经过试样蒸汽的过程中, 被检测元素中的基态原子将带有特征谱线的光吸收, 依据带有特征谱线的光的削弱程度, 来判定试样内被检测元素的含量。
2 样品准备过程
首先必须选择有代表性的中药材样品, 并且及时对其进行保护, 避免受到污染。尽可能的将附着在样品中的烟尘去除, 且利用不包含待检测重金属元素的材料进行包装, 以最快的速度送至分析室, 放在冰箱内, 冰箱内的温度控制在4℃, 保存时必须其它化学试剂隔开。将中药材样品进行粉碎, 并实行四分法取样且缩分, 取适量的样品在烧杯内, 且放到温度在80~100℃的烘箱内烘烤, 然后放到干燥器内进行冷却, 对样品进行称量, 记录样品中的含水量[4]。之后利用不锈钢粉碎机把样品粉碎, 在通过50~60的目尼龙筛, 并放置在聚乙烯瓶内。通过这种办法做所制作的干样能够存储较长的时间。在完成样品的制作之后, 及时对制样工具进行清洁, 防止样品交叉污染的出现。
3 分析试样的选择
3.1 干灰化处理法
干灰化处理法是一种较为传统的样品处理办法。在高温电炉内开展实验, 操作方便, 大批量的试样可以使用该方法, 在进行灰化时受到的污染较小, 空白值不高, 这是该方法的优点。该方法的缺点有:高温电炉的温度不均衡, 实验周期较长, 很难对灰化的温度进行控制, 在坩埚上会残留大量物质, 造成回收率不高, 精准度较低。具体实验操作:称量5～10g的样品放置在瓷蒸发皿上, 放置到马福炉内加热, 首先进行1小时的200℃的灰化, 之后每一个小时温度上升60～80℃, 然后进行2小时的500℃的干灰化, 将其冷却, 之后转移到聚四氟乙烯烧杯内, 并在其中添加10ml的浓硝酸和4ml的高氯酸, 在电热板上进行加热, 使其逐渐分解, 蒸干, 然后进一步冷却, 利用1%的盐酸将残渣溶解, 再对其进行过滤和定容, 最后依据被检测元素的含量来确定定溶的体积[5]。
3.2 常压湿法消解法
常压湿法消解法操作过程简单方便, 所用设备单一, 重金属元素在检测过程中损失不大, 但是检测的周期比较长, 通常情况下运用两种或者是两种以上的混合酸进行检测, 其中用酸量比较大, 酸所包含的杂质导致试剂的空白比较大, 因为检测试验在消煮时是采用敞开式的方式, 很容易导致交叉污染的发生。具体实验操作:称量5~10g的样品, 且放入聚四氟乙烯烧杯内, 在烧杯中添加20ml的浓硝酸, 侵泡12小时, 之后放到电热板进行加热, 微火, 等全部的颗粒都融化之后, 加入3~5ml的高氯酸, 再次进行消解, 假使出现呈黄色的烟, 可以在烧杯中加入一定量的浓硝酸, 直到烟消失为止, 利用1%的盐酸将残渣溶解, 再对其进行过滤和定容, 最后依据被检测元素的含量来确定定溶的体积。
3.3 微波消解法
微波消解法是一种新型的样品消解方法, 具有高效节能, 且速度快等优点, 在密闭的容器内放入实验样品, 并利用微波加热, 进而在氧化剂、强酸、高压以及高温的条件下, 使得样品迅速、高效的消解。利用该方法能够大大的加快样品消解的时间, 所需的试剂量较少, 空白值出现较低, 能够有效防止元素损失或者样品污染情况的发生, 确保了样品检测的安全、可靠、精确以及高效。一次性的消解就能够达到很多种重金属元素的检测, 常规消化必须进行隔离处理的缺陷, 得到有效的解决, 减轻了劳动的强度。由此可见微波消解法是当前效果最好的且技术较为成熟的一种样品消解办法, 特别是在处理一些很难消解的样品, 以及类似于砷与汞等容易挥发元素的分析试样的制作问题上。微波消解法在对中药材进行消解时, 可以采用HNO3—HCLO4、HNO3—H2O2等消解体系, 能够获得较好的消解效果, 如果只是单独使用HNO3来进行消解, 不一定能够达到完全消解的目标。因为HCLO4提纯比较困难, 且极易发生爆炸, 所以尽可能不使用。HNO3—H2O2是一种比较常见的混合酸, 其氧化性比较强, 在完成消解之后, 极易挥发消失, 能够避免对样品检测的妨碍。假使先利用混合酸, 提前对样品进行浸泡, 时间为20分钟, 之后再实行微波处理, 那么样品消解会更为迅速, 更安全。在压力控制罐内应该放有一定量的样品, 所有罐的罐盖都必须保持密闭状态, 在实现消解以后, 把消解罐进行冷却处理, 直到与室内温度相同时, 方能开启消解罐, 这个过程必须在通风较好的位置完成, 一旦温度太高, 相应的压力也就越大, 这种情况下的检测工作人员容易受到伤害。
4 结束语
原子吸收光谱法是当前较为实用且技术最为成熟的分析技术, 已经在石油化工、生物医学、食品、环境保护等多个领域中广泛运用, 为重金属的检测发挥极大的作用。在未来, 为了能够提升工作效率、简化工作程度、减轻劳动强度, 利用灵活性好、选择性强的检测手段与高速、高效的分离富集技术, 依然是不断研究与探索的目标。
参考文献
[1]金岚, 方海平.蒸发浓缩-火焰原子吸收光谱法测定水中铁、锰、铜、锌、铅、镉[J].中国卫生检验杂志.2010, 21 (02) :123-12
[2]王平, 徐刚.原子吸收法连续测定锌合金中镁、铁、铅、镉[J].重庆工业高等专科学校学报 (Journal of Chongqing Pol-ytechnic College) .2003, 18 (01) :47-48
重金属在线检测 篇8
多层纳米级金属薄膜在研制新型纳米器件、光电探测元件及光学元件等方面有着广泛的应用[1,2]。在蒸镀多层金属薄膜过程中其内层不宜脱离真空环境进行离线测厚,因而必须对膜层进行实时在线测量,尤其是一些特殊的纳米级组合膜层还需在蒸镀过程中根据当前膜层的光学实测参数决定总厚度的修正量。在蒸镀过程中,若蒸镀速率发生突变可导致镀层微结构的变化进而使其介电常数及SPR反射曲线随之改变[3]。通过分析SPR反射曲线的变化过程可判断出镀层是否已脱离工艺设计要求,从而实现镀膜过程的实时质量监控,而现有的称量型石英晶体微天平(QCM)测厚法不易发现此类微结构改变。
依据Kretschman棱镜型结构的等离子体波振荡原理[4],文中提出基于SPR的反射光强角度分布膜厚测量法。实验中采用了柱面光波,可一次测量得到连续的多角度所对应的反射光强分布曲线。此外,在反射光强分布曲线上可探测得反射峰与谐振吸收峰两个特征标记点,实现角度坐标值自校准,从而适于在线测量。测控实验以单层膜测量为基础,进一步进行了二、三层金属薄膜的在线测量研究[5],该方法可以扩展到三层以上的多层金属薄膜的控制与测量,具有较高的测量精度。
1 工作原理
1.1 基本测量原理
图1为具有三层金属膜层的Kretschman型结构,入射光通过棱镜在金属棱镜分界面处发生全反射。当全反射的倏逝波实现与表面等离子体波的波矢匹配,光的能量能有效的传递给表面等离子体从而激发表面等离子体振荡[6,7]。根据菲涅尔公式,三层金属薄膜结构的总反射率为
式中:
式中:kzi为穿过各层介质时的光波矢;ei为各层膜的介电常数;di为各层膜的厚度;λ为波长;θ为入射角。
可以根据式(1)建库和实测数据相匹配来获得膜厚数值,这种直接曲线匹配测量方案可以实现计算的快捷化以及在线的实时快速处理。
1.2 角度自定位原理
传统的离线SPR测量膜厚方法多采用机械转动定角,即使用平行光、机械转台、光敏器件等构成测量系统,单次测量单一角度,且每次测量需要重新调整校准,或在一定小角度范围内利用球面波局部取代机械转动进行测量,而本项研究中采用的是柱面光和CCD构成的连续多角度的无机械转动直接测量方案。
在本方案中为了满足在线测量膜厚的要求首先需要进行系统的角度自定位,即确定在本次测量中接收器件CCD的像素所对应的角度。系统角度自定位是从第一层金属薄膜的起始蒸镀时刻开始,由计算机通过曲线匹配的方法识别标记点。以K9玻璃为基板的金属膜层从0 nm开始蒸镀,膜厚逐渐增加到1 nm时,如图2所示,反射光强曲线上出现两个明确的峰值点,分别为最高点(即反射光强峰值点)与最低点(即谐振吸收峰值点),把这两点作为光强和角度标记点,比较膜厚分别为1 nm和2 nm时的反射光强角度分布曲线,可发现两个标记点对应的角度变化很小,则此时标记点对应的角度可近似视为一定值,故通过确定这两个角度标记点就可得到这两个角度所对应的CCD像素的位置,从而实现系统的角度自定位,之后再继续蒸镀薄膜时,角度已经为已知量。
2 材料特征与膜层蒸镀顺序
2.1 首层材料的选择
不同的金属材料及不同厚度都具有对应的等离子体振荡反射曲线。实验中,在K9玻璃基板上蒸镀金属薄膜,根据不同薄膜厚度与不同金属膜层蒸镀顺序所对应的反射光强角度分布曲线进行分析与研究,确定了可以用反射光强角度分布测量法实现在线测量的膜层蒸镀先后顺序与相应的膜厚测量范围。
首先,对于第一层金属薄膜的选择需要满足可实现角度自定位的条件。以硬金属铬或钛(钛的反射光强角分布曲线近似于铬),导电性良好的金属铝、银为例进行分析研究。图3给出了铬、铝、银的单层薄膜在不同膜厚时的反射光强角度分布曲线图[8,9]。对于金属铬或铝,当蒸镀膜厚逐渐增加到1 nm时,反射光强曲线出现两个峰值标记点,此时整个系统可实现角度自定位。之后,当继续蒸镀薄膜时,曲线中的两个峰值点随着膜层材料的不同或膜厚的增加,其光强与角度都发生改变,则它们的数据将分别作为相对应曲线匹配的依据之一。由图3可看出金属铬与铝在10 nm以内都为高分辨测量范围,10 nm以上由于曲线密集度增加,使得分辨度下降,故这两种金属作第一层金属薄膜时的理想测量范围是d≤10 nm。对于金属银,根据其反射光强角度分布曲线可知,当膜厚逐渐增加到10 nm开始出现谐振吸收峰,但由于膜厚改变在1 nm之内时谐振峰对应的角度变化较大,且反射曲线始终太过于密集,不易通过曲线匹配方法来得到膜厚,故使用本方法测控膜厚时金属银不适合作为首层蒸镀材料。
2.2 膜层顺序与厚度
继续镀第二、三层金属薄膜时,因角度已定,对于曲线的准确匹配,则需要考虑曲线簇的密集程度与峰值点的角度移动值。如图4所示,对于不同的膜层蒸镀顺序,具有对应的测厚范围,表1给出了一、二、三层金属膜的膜层顺序与对应的测量范围。
为了可靠确定被测膜厚的对应曲线,除去两标记点外,还需要再测取多点的数据。经实验证明,在一定入射角范围内采样含标记点在内的10个角度均分点就能可靠的匹配数据库中的一条对应曲线。对于三层以上的金属薄膜的控制与测量可以根据实际情况进一步深入研究。在实验中所用到的棱镜与玻璃基板都为K9玻璃。
3 实验与分析
在实验中建立了如图5所示的在线测量系统,由真空罩内与罩外装置两部分组成。在罩内部分,650 nm的激光经准直扩束后通过柱面透镜得到较理想的柱面光,经偏振片后入射到金属膜层。反射光经过成像透镜后由CCD接收,再经调制后由短天线发送到装在备用电极棒上的接收短天线。该部分的装置都固定在旋转工件架上,与工件架一起转动。罩外部分,传送的信号由接收天线获得后通过检波、A/D转换后进入计算机进行分析处理。
由于钟罩的屏蔽作用,模拟视频信号的传输不易受外界信号的干扰。在实验过程中依次采用了大恒公司的1/4″黑白CCD视频组件及Omni Vision公司的CMOS(OV3630)视频组件(由Omni Vision公司与上海理工大学共建实验室提供),并通过与之匹配的成像透镜获取光强分布信息。因非帧转移型的CCD对于运动场景的拍摄,行与行有时差效应,为了不影响测量精度,使用常用CCD/CMOS时,工件的转速不宜过高。图6给出了数据处理过程的框图。在计算机内根据式(1)与标记点建立一个供匹配用的数据库,可以测到每一帧之间的膜厚变化量,进而可精确控制膜厚,并根据膜厚事先设定蒸发源切断条件。每完成一次镀膜工艺之后,更换新工件时不必再重新校准测量系统。
在正常蒸镀测控过程中,随着膜厚的增加,对各帧解算所得的反射光强分布曲线是渐变的,可通过曲线匹配获得膜厚数据。当蒸镀速率等蒸镀条件一旦发生突变,镀层的微结构将随之改变,并致使其介电常数等光学参数亦发生改变[3],从而实测曲线会出现明显变化,以致曲线匹配失败,则该次蒸镀超出工艺要求,该工件已损废。
若蒸镀棱镜工件,则直接在棱镜上镀金属膜即可。若蒸镀平板工件,则需要把金属薄膜镀在平板玻璃基底上,这就需要选择合适的匹配液。实验中选用K9玻璃棱镜、K9平板玻璃和匹配液水杨酸甲酯,且匹配液的加注、密封(采用703硅橡胶)、固化、预处理等操作都是在把工件装入夹具前完成。镀膜过程中禁止高温烘烤,只允许进行短暂的离子轰击。在蒸镀过程中为防止污染光、电元件,需采用金属箔予以保护该保护方法适用于真空热蒸镀工艺,而对于罩内充有气体的离子束溅射及反应离子束溅射等镀膜工艺均不适宜。
在实验中,虽然蒸发源的温度极高,但蒸镀工件的温度改变经实测并不超过300 K,温度对金属复折射率的实部与虚部的影响都约为10-4数量级[10],则在小于300 K的温度变化范围内,金属的介电常数改变量约为10-6数量级。在35 nm的测量范围内,温度的改变并未对膜厚测量误差产生明显的影响。同时,在蒸镀工件时把蒸镀速率控制在0.2 nm/s左右,使得金属镀层的介电常数基本保持恒定。
测量时通过调整棱镜,使得入射到金属膜的柱面光入射角覆盖40°~56°并固定,CCD采集不同膜厚时的反射光强分布数据。如图7所示的二维CCD接收的反射光强信号沿纵轴方向叠加后可消除散斑的影响并得到实验数据。图8给出了铬/银二层金属膜与铬/铝/钛三层金属膜的测量数据与理论曲线图。
在实验中,为了确定该测量方法的准确性,制作若干不同厚度的单层、双层表面光洁度好的金属膜厚样板,用测头已经由上海市计量测试技术研究院改进过的纳米台阶测试仪进行精确测量(其工作原理似于原子力显微镜,分辨率为0.01 nm),测得的平均膜厚视为实际膜厚,然后用反射光强角度分布测量膜厚法进行离线比对。对于铝等易氧化金属在比对前需放置在真空环境中保存。如图9所示,根据台阶测试仪测得的样板膜厚值所对应的SPR理论曲线与测量数据基本一致,故在测量范围内可利用实验数据与理论曲线的匹配进行厚度测定,得到估算的平均误差不超过0.5 nm。对于1 nm以下的膜层,由于其表面微结构的尺度与厚度相比已不可忽略,会导致较大误差;对于35 nm以上的膜厚范围,因反射光强分布曲线簇过于密集,实现曲线匹配相对困难,同样会出现较大误差,故此方法仅适用于表1所给出的膜厚测量范围。
从测量原理中可看出,利用标记点对CCD接收的光强信息进行角度自定位后,随着膜厚的逐渐增加只要其对应的反射光强分布曲线能够被区分,则利用曲线匹配就可以得到膜厚数据。所以入射角只要能够有效覆盖两标记点,则测量系统无需很高的角度装配校准要求。根据该两标记点的数据就可以快速估测得到膜层的厚度。为了提高测量精度,可选取多个数据,用于曲线匹配。
由上述测量原理可知,该方法的测量精度主要取决于曲线匹配误差。光强误差和角度误差以及金属镀层过于粗糙都会导致曲线的匹配误差,进而影响膜厚测量的精确度。光强误差主要来自于CCD的光电响应的非线性;角度误差包括标记点的角度误差与反射光中心线未能与CCD接收面完全垂直引起的角度误差。
4 结论
本文根据表面等离子体振荡原理提出了无机械转动的反射光强角度分布测量法。该方法可用于在线测量首先需要通过标记点实现系统的角度自定位,再通过曲线匹配得到膜厚数值。对于铬、钛等硬金属以及铝、银等导电性好的金属薄膜的在线纳米测量需要按照一定的蒸镀顺序与相应的测厚范围,具体要求已由表1给出。由于测量系统结构稳定,校准调节操作便捷简单,适用于蒸发速率与转动速率为中低速的在线多层纳米金属膜厚的测量。
参考文献
[1]陈光华,邓金祥.纳米薄膜技术与应用[M].北京:化学工业出版社,2005:30.CHENG Guang-hua,DENG Jing-xiang.Technology and application of nanometer film[M].Beijing:Chemical Industry Press,2005:30.
[2]LAAZIZ Y,BEN NOUNA A.Optical characterization of low optical thickness thin films from transmittance and back reflectance measurements[J].Thin Solid Films(S0040-6090),2000,372:149-155.
[3]ZHANG San-jun,LOTFI BERGUIGA.Surface Plasmon resonance characterization of thermally evaporated thin gold films[J].Surface Sciece(S0039-6028),2007,601:5445-5458.
[4]KRETSCHMANN E.Die Besttimmung optischer konstanten vonMetallen durch Anregung von Oberflachenplasma schwingungen[J].Z.Phys(S0942-9352),1971,241:313-324.
[5]李艳敏,李孟超,刘芳芳,等.基于SPR的类铬型金属膜厚在线纳米测量研究[J].光学技术,2012,38(1):9-13.LI Yan-min,LI Meng-chao,LIU Fang-fang,et al.Study on online nanomeasurement of metal film thickness as Cr based on SPR[J].Optical Technique,2012,38(1):9-13.
[6]RAETCHER H.Surface plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings[M].New York:Springer-Verlag,1986:17-18.
[7]江月松,李翠玲,卢维强.一种简易的薄膜光学特性测量装置[J].光学技术,2002,28(1):49-51.JIANG Yue-song,LI Cui-ling,LU Wei-qiang.A simple constructed installation for determination of optical properties of thin films[J].Optical Technique,2002,28(1):49-51.
[8]王之江.光学技术手册[M].北京:机械工业出版社,1987:718.WANG Zhi-jiang.Optical Technology Handbook[M].Beijing:Machinery Industry Press,1987:718.
[9]若木守明.光学材料手册[M].北京:化学工业出版社,2010:103.MORIAKI WAKAKI.Physical Properties and Data of Optical Materials[M].Beijing:Chemical Industry Press,2010:103.