動態調節系統能量的分光光度計及其動態調節方法

2023-09-17 03:39:00

專利名稱：動態調節系統能量的分光光度計及其動態調節方法
技術領域：
本發明涉及採用光學測量方法的通用測量裝置領域，尤其涉及到一種分光光度計。
背景技術：
分光光度計是利用物質對光的選擇吸收現象，進行物質的定性和定量分析的光電式分析儀器，也是一種光譜儀器。根據電磁輻射原理，不同的物質具有不同的選擇吸收，也即具有不同的吸收光譜。通過對吸收光譜的分析可方便的判斷物質的內部結構和化學組成。分光光度計是分光儀器和光度計的一種組合。按工作光譜原理的不同，分光光度計可分為研究物質分子吸收光譜的分光光度計、研究物質中原子吸收的原子吸收分光光度計、 研究物質分子螢光發射的螢光分光光度計和研究物質原子螢光發射的原子螢光分光光度計等。由於分光光度法具有分析精度高、測量範圍廣、分析速度快、樣品用量少等優點，分光光度計已成為現代化分析實驗室必備的常規儀器之一。分光光度計中必不可少的一個組成部分是光電檢測器，光電檢測器將光信號轉換為電信號，目前常用的光電檢測器是光電倍增管，光電倍增管的使用方法如圖1所示，陰極由於外光電效應而產生光電子，多級分離式倍增級進行二次電子倍增，最後經過陽極輸出。 RfR6是分壓電阻，將各倍增級上加上電壓。實際使用中，也可以選用更多或更少的分壓電阻。在使用光電倍增管作為光電檢測器的分光光度計中，需要給光電倍增管提供一個負高壓，當負高壓越高時，光電倍增管輸出的電流越大。可以得到不同負高壓和電流增益之間的關係式，其關係式見公式(1)。其中，V1和V2是不同的負高壓，μ ！是對應負高壓V1的光電倍增管的電流增益，μ 2 是對應負高壓V2的光電倍增管的電流增益，η是光電倍增管的級數，也就是使用的光電倍增極的個數，例如，圖1所示電路中，使用了 5個光電倍增極，η的取值就是5，k是常數，由光電倍增管電極的構造和材料決定，一般在0.7、. 8範圍之內。利用公式(1)，根據當前的負高壓和電流增益以及一個目標電流增益，就可以推算出需要達到目標電流增益所需要的負尚壓。由於光源的能量隨波長的變化而變化，衍射光柵存在閃耀波長，在閃耀波長附近的波長的光強度較高，其他波長的光強度較弱，為了獲取適合的系統能量，這裡的系統能量指的是光電倍增管的輸出電壓，一般的做法是將系統設置到某個波長，通過做實驗獲得一個合適的負高壓，當需要對某一波段的光進行光電轉換時，就對光電倍增管施加預先得出的基於這一波段的負高壓，負高壓是固定不可調整的。這種按照波長分段設置固定負高壓的方式存在如下的一些缺點，例如當需要把全波段的能量都提高到比較適合的時候，分段計算量較大；另外，隨著使用時間的延長，當光源老化或器件老化時，光源能量會降低，光源向系統中提供光能量，如果光源的能量降低了，系統中其他部件即使工作正常也會導致整個系統能量降低，表現為光電倍增管轉換後的電流降低，這樣取樣電阻上的電壓也降低，系統能量也就降低了。系統能量不能夠時刻保證在適合的能量範圍，勢必會影響到系統的測量精度，此時，最有效的辦法是通過提高負高壓的方式來提高系統能量，負高壓越高，輸出的系統越高。可是採用上述負高壓固定不可調的方式難以解決上述問題。專利號為ZL200510067966. 8，專利名稱為「多通道信號增益控制系統及其控制方法」，提到了由於光電倍增管的負高壓固定，導致光電倍增管放大倍數固定的問題。該專利採用的技術手段是控制固態繼電器按通道順序進行負高壓切換，光電倍增管高壓電源組只能產生2至12路輸出信號，光電倍增管高壓電源組的2至12路輸出信號線路連接到固態繼電器，固態繼電器的受控端接收信號發生器的時序指令，選擇光電倍增管高壓電源組的一路提供給光電倍增管。但是，由於該發明中涉及到繼電器，難免會使電路結構複雜，而且光電倍增管的高壓電源組限制了路數，無法實現放大倍數任意可調，因次無法解決因光源老化和器件老化帶來的系統能量降低的問題，也就無法解決使系統能量時刻保證在適合的能量範圍，提高系統測量精度的問題。特開JP2000-9644公報及公開號為CN1016^905A，專利名稱為分光光度計的發明專利說明書中也提到了調節光電倍增管的負高壓的問題，但上述兩篇專利解決的技術問題只是為了避免流過光電倍增管的電流超過界限電流而導致增益惡化的問題，特開 JP2000-9644公報給出的解決方法是將導致光電倍增管增益惡化的界限電流值作為閾值， 將光電倍增管輸出的電流與該閾值相比較，如果輸出電流超過閾值，則降低對光電倍增管的施加電壓而減低倍增率，從而減小流過光電倍增管的電流，CN101629905A給出的解決方法是，控制單元增加一個預測部，預測部根據光檢測部的輸出信號，預測來自後續周期的光檢測部的輸出信號強度，控制部根據由信號預測部預測的預測值，調整施加到光電倍增管的施加電壓值，使得來自後續周期的光檢測部的輸出信號強度不超過界限電流值。上述兩件專利中的技術方案只實現了電流超過閾值而向下調整負高壓的單向調節，無法解決因光源老化和器件老化帶來的系統能量降低的問題，無法實現為了獲得適合的系統能量，為光電倍增管實時地調整一個合適的負高壓，因此也無法解決使系統能量時刻保證在適合的能量範圍，提高系統測量精度的問題。

發明內容
本發明解決的技術問題是，解決因光源老化和器件老化帶來的系統能量降低的問題，實現依據適合的系統能量，為光電倍增管實時地調整一個合適的負高壓，使系統能量時刻保證在適合的能量範圍，提高系統測量精度的問題。解決上述技術問題，本發明提供了一種動態調節系統能量的分光光度計。本發明的動態調節系統能量的分光光度計，包括一個電源單元、一個光電檢測單元、一個控制單元，所述電源單元用於為光電檢測單元提供一個負高壓值；所述光電檢測單元用於依據所述負高壓值輸出一個系統能量值；所述控制單元用於控制所述電源單元為所述光電檢測單元提供所述負高壓值；還包括一個負高壓閾值、一個能量閾值，一個系統能量上限值和一個系統能量下限值；所述控制單元還用於執行系統調整操作判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值；在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，且負高壓值小於負高壓閾值時，將負高壓值刷新為負高壓閾值；在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，且負高壓值大於等於負高壓閾值，系統能量值大於等於能量閾值時，改善所述負高壓值。在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，負高壓值大於等於負高壓閾值，且所述系統能量值小於所述能量閾值，所述控制單元結束所述系統調整操作。所述控制單元包括一個粗調單元、一個微調單元、一個負高壓值調節控制器負高壓值調節控制器，用於計算所述粗調單元和所述微調單元的連續運行次數，在粗調單元的連續運行次數為0時，使粗調單元用於改善所述的負高壓值；在粗調單元的運行次數為1，且系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值時，使微調單元用於改善所述的負高壓值。所述粗調單元，可以依據負高壓值、系統能量值，所述系統能量下限值及系統能量上限值的中間值，計算負高壓值的調整量；所述微調單元，用於在所述系統能量值高於所述系統能量上限值時，將當前負高壓值減去一個步進單位；在所述系統能量值低於所述系統能量下限值時，將當前負高壓值加上一個步進單位；可以在微調單元的執行次數為10時，所述控制單元結束所述系統調整操作。在所述系統能量值大於等於所述系統能量下限值且小於等於所述系統能量上限值時，所述控制單元結束所述系統調整操作。解決上述技術問題，本發明還提供了一種動態調節系統能量的動態調節方法。本發明的動態調節系統能量的動態調節方法，包括如下步驟加負高壓；獲取系統能量值和負高壓值；判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值；如果系統能量值不在大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值之間， 判斷負高壓值是否大於等於負高壓閾值；如果負高壓值小於負高壓閾值，將負高壓值刷新為負高壓閾值，並重新獲取系統能量值和負高壓值；如果負高壓值大於等於負高壓閾值，判斷系統能量值是否大於能量閾值；如果系統能量值大於等於能量閾值，調節負高壓值。如果所述系統能量值大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值，轉入後續測量步驟，如果所述系統能量值小於所述能量閾值，轉入故障處理步驟。所述調節負高壓值包括如下步驟依據光電倍增管的特性進行一次粗調負高壓值；判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值；
如果系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值；依據一個步進單位微調負高壓值。在所述微調負高壓值的步驟之後，還有一個判斷步驟，判斷微調負高壓值的次數是否大於等於一個設定值，如果判斷大於等於所述設定值，微調步驟結束，如果判斷小於所述設定值，返回微調負高壓值的步驟。所述微調負高壓值包括如下步驟判斷所述系統能量值是否高於所述系統能量上限值；如果所述系統能量值高於所述系統能量上限值，將所述負高壓值向下微調一個步進；如果所述系統能量值不高於所述系統能量上限值，判斷所述系統能量值是否低於所述系統能量下限值；如果所述系統能量值低於所述系統能量下限值，將所述負高壓值向上微調一個步進；如果所述系統能量值不低於所述系統能量下限值，結束調節。本發明的動態調節系統能量的分光光度計及其動態調節方法，解決了因光源老化和器件老化帶來的系統能量降低的問題，實現了依據適合的系統能量，為光電倍增管實時地調整一個合適的負高壓，使系統能量時刻保證在適合的能量範圍，提高系統測量精度的問題。


圖1是光電倍增管示意2是本發明的一個優選實施例的裝置示意3是本發明的一個優選實施例的方法流程4是本發明S37調節負高壓值的一個優選實施例的方法流程5是本發明S373微調負高壓值的一個優選實施例的方法流程圖
具體實施例方式參照圖2，本發明的優選實施例的裝置1、一種動態調節系統能量的分光光度計， 包括一個電源單元21、一個光電檢測單元22、一個控制單元23，電源單元21用於為光電檢測單元22提供一個負高壓值；光電檢測單元22用於依據所述負高壓值輸出一個系統能量值；控制單元23用於控制所述電源單元21為所述光電檢測單元22提供所述負高壓值；還包括一個負高壓閾值、一個能量閾值，一個系統能量上限值和一個系統能量下限值；所述控制單元23還用於執行系統調整操作判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值；在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，且負高壓值小於負高壓閾值時，將負高壓值刷新為負高壓閾值；在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，且負高壓值大於等於負高壓閾值，系統能量值大於等於能量閾值時，改善所述負高壓值。在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，負高壓值大於等於負高壓閾值，且所述系統能量值小於所述能量閾值，控制單元23結束所述系統調整操作。
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本實施例的分光光度計每針對一個波長調整好一個負高壓值，就將該負高壓值加到光電倍增管，進行對樣品的測量，波長改變後又針對該波長調整一個負高壓值，再次加到光電倍增管，進行對樣品的後續測量。在負高壓值低於負高壓閥值時，需要將負高壓值刷新為閥值電壓再判斷系統能量值的原因是如果負高壓值達到負高壓閥值，但是系統能量值低於能量閥值時，系統處於不正常狀態或故障狀態。所述改善負高壓值是通過控制單元23向電源單元21發出控制信號來完成的，由於控制單元23輸出的是數位訊號，所以，在控制單元23和電源單元21之間通常都加一個D/A轉換模塊。作為舉例說明，所述控制單元23可以是單片機、MCU、CPU或FPGA可編程邏輯門陣列等，本優選實施例中的控制單元23採用MCU來完成。所述控制單元23包括一個粗調單元231、一個微調單元232、一個負高壓值調節控制器233，負高壓值調節控制器233，用於計算粗調單元231和微調單元232的連續運行次數，在粗調單元231的連續運行次數為0時，使粗調單元231改善所述的負高壓值；在粗調單元231的運行次數為1，即粗調單元231已經對系統負高壓值進行了一次改善，且系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值時，使微調單元232改善所述的負高壓值。粗調單元231依據負高壓值、系統能量值，系統能量下限值及系統能量上限值的中間值，計算負高壓值的調整量。具體的粗調過程是利用所述公式(1)實現的已知當前負高壓值Vl，光電倍增管輸出的系統能量值Vl，，且通過上述比較判斷過程，得知Vl，不在期望的系統能量值範圍內，需要粗調，由前文可知，使用者期望的系統能量值範圍值在所述系統能量上限值和所述系統能量下限值之間的，此時控制單元23會選取所述系統能量上限值和所述系統能量下限值的一個中間值V2』，作為舉例說明，V2』也可以選取所述系統能量上限值和所述系統能量下限值中的任意其他值。由於對同一個波段的波來說，光電倍增管的輸入值是相同的，所以所述公式⑴可以轉化為公式O)
V1 U1 1— = (―⑴
V2 W
V1 V1 『 1一 =(々)(_ (2)所以，在已知V1、V1』、V2』、K和η的情況下，依據所述公式0)，就可以得出粗調的
負高壓值V2。由於公式(1)是光電倍增管處於正常使用狀態時的特性公式，當光電倍增管長期使用而出現劣化時，使用上述公式(1)粗調出的負高壓施加到光電倍增管時，有可能出現達不到期望的系統能量值的情況，此時就需要對負高壓進行微調，微調單元232，在系統能量值高於系統能量上限值時，將當前負高壓值減去一個步進單位；在系統能量值低於所述系統能量下限值時，將當前負高壓值加上一個步進單位。在微調單元的執行次數為10 時，控制單元23結束系統調整操作。在系統能量值大於等於系統能量下限值且小於等於所述系統能量上限值時，控制單元23也結束系統調整操作。作為舉例說明，微調單元的執行次數也可以不是10次，例如5次，15次都可以。作為舉例說明，設定上述一個步進為5ν，也可以是其他值，如IOv等。作為舉例說明，上述調節負高壓值也可以直接選用一個步進單位來調節。如果希望調節的速度快一些，就設定一個比較大的步進值，如果希望調節精準一些，就設定一個比較小的步進值。作為舉例說明，本系統中，所述系統能量下限值定義為1. 5v，所述系統能量上限值定義為3. 5v，還可以針對系統情況和測量需求設置其他的系統能量下限值和系統能量上限值。作為舉例說明，所述的負高壓閾值是-50v，這個值是通過實驗得到的一個比較合適的值，也可以選取其他值作為負高壓閾值。作為舉例說明，所述的能量閾值是O.Olv，也可以依據其他可選的負高壓閾值，選取其他的能量閾值。參照圖3，本發明的動態調節方法的一個優選實施例，包括如下步驟S31加負高壓，此處的加負高壓是所述控制單元23通過一個D/A轉換單元控制所述電源單元21為所述光電檢測單元22加負高壓；S32獲取系統能量值和負高壓值，獲取系統能量值是通過所述控制23對所述光電檢測單元22的輸出測量得到的，負高壓值是所述控制單元23設定的，直接存儲在所述控制單元23的存儲單元中，需要時，可以直接從存儲單元中提取；S33判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值；S34如果系統能量值不在大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值之間，判斷負高壓值是否大於等於負高壓閾值；S35如果負高壓值小於負高壓閾值，將負高壓值刷新為負高壓閾值，並重新獲取系統能量值和負高壓值；S36如果負高壓值大於等於負高壓閾值，判斷系統能量值是否大於能量閾值；S37如果系統能量值大於等於能量閾值，調節負高壓值。S38如果所述系統能量值大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值， 轉入後續測量步驟。S39如果所述系統能量值小於所述能量閾值，轉入故障處理步驟。參照圖4所述S37調節負高壓值包括如下步驟S371依據光電倍增管的特性粗調負高壓值；S372判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值S373依據一個步進單位微調負高壓值。在所述微調負高壓值的步驟之後，還有一個判斷步驟S374，判斷微調負高壓值的次數是否大於等於一個設定值，如果判斷大於等於所述設定值，微調步驟結束，如果判斷小於所述設定值，返回微調負高壓值的步驟。作為舉例說明，上述設定值取10，也可以取5或者15等其他設定值。作為舉例說明，上述S37調節負高壓值也可以不包括S371粗調負高壓和S373微調負高壓，而可以直接選用一個步進單位來調節。如果希望調節的速度快一些，就設定一個比較大的步進值，如果希望調節精準一些，就設定一個比較小的步進值。參照圖5，所述S373微調負高壓值包括如下步驟S3731判斷所述系統能量值是否高於所述系統能量上限值；S3732如果所述系統能量值高於所述系統能量上限值，將所述負高壓值向下微調一個步進；S3733如果所述系統能量值不高於所述系統能量上限值，判斷所述系統能量值是否低於所述系統能量下限值；S3734如果所述系統能量值低於所述系統能量下限值，將所述負高壓值向上微調一個步進；S3735如果所述系統能量值不低於所述系統能量下限值，結束調節。作為舉例說明，設定上述一個步進為5v，也可以是其他值，如IOv等。作為舉例說明，所述S373微調負高壓值也可以是先判斷所述系統能量值是否低於所述系統能量下限值，再判斷所述系統能量值是否高於所述系統能量上限值。作為舉例說明，所述系統能量下限值定義為1.5v，所述系統能量上限值定義為 3. 5v，還可以針對系統情況和測量需求設置其他的系統能量下限值和系統能量上限值。作為舉例說明，所述的負高壓閾值是-50v，這個值是通過實驗得到的一個比較合適的值，也可以選取其他值作為負高壓閾值。作為舉例說明，所述的能量閾值是O.Olv，也可以依據其他可選的負高壓閾值，選取其他的能量閾值。本發明的動態調節系統能量的分光光度計及其動態調節方法，通過控制單元對光電倍增管的負高壓的實時控制和調整，解決了因光源老化和器件老化帶來的系統能量降低的問題，實現了依據適合的系統能量，為光電倍增管實時地調整一個合適的負高壓，使系統能量時刻保證在適合的能量範圍，提高系統測量精度的問題。雖然結合附圖描述了本發明的實施方式，但是本領域普通技術人員可以在所附權利要求的範圍內做出各種變形和修改。
權利要求
1.一種動態調節系統能量的分光光度計，包括一個電源單元、一個光電檢測單元、一個控制單元，所述電源單元用於為光電檢測單元提供一個負高壓值； 所述光電檢測單元用於依據所述負高壓值輸出一個系統能量值； 所述控制單元用於控制所述電源單元為所述光電檢測單元提供所述負高壓值； 其特徵在於，還包括一個負高壓閾值、一個能量閾值，一個系統能量上限值和一個系統能量下限值；所述控制單元還用於執行系統調整操作判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值； 在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，且負高壓值小於負高壓閾值時，將負高壓值刷新為負高壓閾值；在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，且負高壓值大於等於負高壓閾值，系統能量值大於等於能量閾值時，改善所述負高壓值。
2.根據權利要求1所述的分光光度計，其特徵在於，在系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，負高壓值大於等於負高壓閾值，且所述系統能量值小於所述能量閾值，所述控制單元結束所述系統調整操作。
3.根據權利要求1所述的分光光度計，其特徵在於，所述控制單元包括一個粗調單元、一個微調單元、一個負高壓值調節控制器負高壓值調節控制器，用於計算所述粗調單元和所述微調單元的連續運行次數，在粗調單元的連續運行次數為0時，使粗調單元用於改善所述的負高壓值；在粗調單元的運行次數為1，且系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值時，使微調單元用於改善所述的負高壓值。
4.根據權利要求3所述的分光光度計，其特徵在於，所述粗調單元，用於依據負高壓值、系統能量值，所述系統能量下限值及系統能量上限值的中間值，計算負高壓值的調整量；所述微調單元，用於在所述系統能量值高於所述系統能量上限值時，將當前負高壓值減去一個步進單位；在所述系統能量值低於所述系統能量下限值時，將當前負高壓值加上一個步進單位。
5.根據權利要求3或4所述的分光光度計，其特徵在於，在微調單元的執行次數為10時，所述控制單元結束所述系統調整操作。
6.根據權利要求4所述的分光光度計，其特徵在於，在所述系統能量值大於等於所述系統能量下限值且小於等於所述系統能量上限值時，所述控制單元結束所述系統調整操作。
7.一種動態調節系統能量的動態調節方法，用於權利要求1的分光光度計，其特徵在於，包括如下步驟加負高壓；獲取系統能量值和負高壓值；判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值； 如果系統能量值不在大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值之間，判斷負高壓值是否大於等於負高壓閾值；如果負高壓值小於負高壓閾值，將負高壓值刷新為負高壓閾值，並重新獲取系統能量值和負高壓值；如果負高壓值大於等於負高壓閾值，判斷系統能量值是否大於能量閾值； 如果系統能量值大於等於能量閾值，調節負高壓值。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，如果系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值，負高壓值大於等於負高壓閾值，且所述系統能量值小於所述能量閾值，轉入故障處理步驟。
9.根據權利要求7所述的方法，其特徵在於，所述調節負高壓值包括如下步驟 依據光電倍增管的特性進行一次粗調負高壓值；判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值； 如果系統能量值小於系統能量下限值或大於系統能量上限值； 依據一個步進單位微調負高壓值。
10.根據權利要求9所述的方法，其特徵在於，在所述微調負高壓值的步驟之後，還有一個判斷步驟，判斷微調負高壓值的次數是否大於等於一個設定值，如果判斷大於等於所述設定值，微調步驟結束，如果判斷小於所述設定值，返回微調負高壓值的步驟。
11.根據權利要求9或10所述的方法，其特徵在於，所述微調負高壓值包括如下步驟 判斷所述系統能量值是否高於所述系統能量上限值；如果所述系統能量值高於所述系統能量上限值，將所述負高壓值向下微調一個步進； 如果所述系統能量值不高於所述系統能量上限值，判斷所述系統能量值是否低於所述系統能量下限值；如果所述系統能量值低於所述系統能量下限值，將所述負高壓值向上微調一個步進； 如果所述系統能量值不低於所述系統能量下限值，結束調節。
全文摘要
本發明提供一種動態調節系統能量的分光光度計及其動態調節方法，該分光光度計包括電源單元21，光電檢測單元22，控制單元23，該動態調節方法包括步驟S31加負高壓；S32獲取系統能量值和負高壓值；S33判斷系統能量值是否大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值；S34如系統能量值不在大於等於系統能量下限值並小於等於系統能量上限值之間，判斷負高壓值是否大於等於負高壓閾值；S35如負高壓值小於負高壓閾值，將負高壓值刷新為負高壓閾值，並重新獲取系統能量值和負高壓值；S36如負高壓值大於等於負高壓閾值，判斷系統能量值是否大於能量閾值；S37如系統能量值大於等於能量閾值，調節負高壓值。本發明使系統能量時刻保證在適合的能量範圍，提高了系統的測量精度。
文檔編號G01J3/42GK102384784SQ20101026895
公開日2012年3月21日 申請日期2010年9月1日 優先權日2010年9月1日
發明者李維森, 王悅, 王鐵軍 申請人:北京普源精電科技有限公司