（检测技术与自动化装置专业论文）基于labview的微分电位溶出分析仪的研制.pdf

m l l l l l 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 l 洲l l l l i 叭m y 18 0 9 8 0 1 d e s i g no fd i f f e r e n t i a lp o t e n t i o m e t r i c s t r i p p i n ga n a l y s i si n s t r u m e n tb a s e do n l a b v i e w t h e s i sf o rt h e d e g r e e o f m a s t e ro fe n g i n e e i u n g b y l i uj i a n f e n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o ry a n gx i a n l i n w u h a ni n s t i t u t eo fc h e m i c a l t e c h n o l o g y m a y ，2 0 0 5 i 一 摘要 摘要 基于l a b v i e w 的虚拟仪器技术，是电子测量技术和计算机测控的前沿 技术。虚拟仪器将计算机采集测试分析引入到电子测量领域，用软件技 术使测试仪器的功能和集成化程度得到了极大的提高。 一、本文介绍了虚拟仪器技术的基本概念、系统结构、发展过程及其特 点。提出基于虚拟仪器技术的微分电位溶出分析测试系统的开发问题， 从系统的原理、构建、软硬件实现等方面，进行了详细讨论。并采用虚 拟仪器的开发平台一一图形化的编程语言l a b v i e w ，开发出了微分电位溶 出分析测试系统。课题研究包含硬件设计和软件设计两个方面的内容。 在硬件设计方面，利用前置信号处理模块，对信号进行放大、滤波、隔 离等处理。依照传感器信号的特性一一电压幅度、频率合理选取了数据 采集设备。在系统设计软件方面，利用l a b v i e w 开发平台，设计了分析 测试系统中的测控程序，对测试过程进行适时控制，并实时采集传感器 的信号加以处理，最终完成测试任务。 采用虚拟仪器技术的分析测试设备和传统的测试仪器相比，在智能 化程度、可操作性、性能价格比等方面具有明显的优势。可以预见虚拟 仪器技术在分析化学中的应用具有广阔前景。 关键词：虚拟仪器技术；l a b v i e w ；数据采集；信号处理；电位溶出分析； 武汉化工学院硕士学位论文 a b s t r a c t v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yb a s e do nl a b v i e wi sa n a d v a n c e dt e c h n i q u eo fe l e c t r o n i cm e a s u r e m e n ta n dc o m p u t e r m e a s u r ea n dc o n t r 0 1 w i t hc o m p u t e r sb e i n gi n t r o d u c e di n t o e l e c t r o n i cm e a s u r e m e n tf i e l d ，s o f t w a r et e c h n o l o g yh a se n h a n c e d t h ef u n c t i o no fm e a s u r e m e n ti n s t r u m e n t ，a n di m p r o v e di t s i n t e g r a t i o nt oag r e a te x t e n t i nt h i sw o r k ，w ei n t r o d u c et h ec o n c e p t ，d e v e l o p i n gh i s t o r ya n d t h ec h a r a c t e r i s t i co fv i r t u a li n s t r u m e n t t h et h e s i st r i e st o c o n s t r u c ti n t e l l i g e n ti n s t r u m e n to f d p s a( d i f f e r e n t i a l p o t e n t i o m e t r i cs t r i p p i n ga n a l y s i s ) b yu s i n gv i r t u a li n s t r u m e n t t e c h n o l o g y i td i s c u s s e sh o w t or e a l i z et h ei n s t r u m e n tb yu s i n gt h e a p p l i c a t i o nt o o ll a b v i e w i nd e t a i l s ，o nt w os u b j e c t s ：h a r d w a r ea n d s o f t w a r e i nh a r d w a r ep a r t ，as i g n a lm o d u l a t i n gm o d u l ei s d e s i g n e dt om a g n i f y ，f i l t e ra n di s o l a t es i g n a l ap r o p e rd a t a a c q u i s i t i o na p p a r a t u si sc h o s e na c c o r d i n gt ot h ea t t r i b u t eo ft h e a n a l o g ys i g n a lt h a tc o m e sf r o m e l e c t r o c h e m i s t r ys e n s o r ，s u c ha s a m p l i t u d e ，f r e q u e n c ya n de t c i ns o f t w a r ep a r t ，am e a s u r e m e n ta n d c o n t r o ls y s t e mb a s e do nl a b v i e wh a sb e e nd e s i g n e d i tc a n c o n t r o lt h ep r o c e s so ft h em e a s u r e m e n t ；a c q u i r et h ea c t u a lt i m e d a t ao ft h es i g n a lo fe l e c t r o c h e m i s t r ys e n s o ra n dp u tt h ed a t ai n t o s i g n a lp r o c e s s i n gp r o g r a m t o c o n c l u d e ，c o m p a r i n g w i t ht r a d i t i o n a l i n t e l l i g e n t i z e d ， k - l 捅要 i n s t r u m e n t ，t h et e s t i n ge q u i p m e n t ，w h i c hu s e s t e c h n o l o g yo f v i r t u a li n s t r u m e n th a sv i s i b l ea d v a n t a g ei nm a n y a s p e c t s ，s u c ha s ， i n t e l l i g e n t i z e dd e g r e e ，a g i l i t ya n dm a n e u v e r a b i l i t y i ta r g u e st h a t v i r t u a li n s t r u m e n tt e c h n o l o g yw i l lb ee n c o u r a g i n gi n a n a l y t i c a l c h e m i s t r yf i e l d k e yw o r d s ：v i r t u a li n s t r u m e n t ；l a b v i e w ；d a t aa c q u i s i t i o n ；s i g n a l p r o c e s s i n g ；p o t e n t i o m e t r i cs t r i p p i n ga n a l y s i s n i ￥ - 一 i i p t 目录 目录 摘要l 第1 章概述1 1 1 电位溶出分析仪简介1 1 2 电位溶出分析方法及其发展概况2 1 3 选题背景及其意义：一3 第2 章微分电位溶出分析原理5 2 1 引言5 2 1 1 化学分析法5 2 1 2 仪器分析法5 2 2 电化学分析基础。6 2 2 1 化学原电池的组成一6 2 2 2 电池电动势及电极电位7 2 2 3 电极电位的测量8 2 2 4 离子选择性电极9 2 3 电位溶出分析。9 2 3 1 电位溶出的电积和溶出阶段9 2 4 被测物质浓度的定性定量分析计算1 1 2 4 1 标准曲线法1 1 2 4 2 标准加入法1 2 2 5 电位溶出分析原理1 3 第3 章虚拟仪器技术及其集成开发环境l a b vie w 15 3 1 虚拟仪器技术1 5 3 1 1 虚拟仪器的概念1 5 3 1 2 虚拟仪器的特点1 6 3 1 3 虚拟仪器的系统组成1 6 3 1 4 基于虚拟仪器的测试系统1 7 3 2u 出e w 简介1 9 3 2 1l a b v i e w 编程特点1 9 3 2 2l a b v i e w 程序开发环境2 0 3 2 3l a b v i e w 提供功能强大的函数库2 0 第4 章系统总体结构设计2 2 4 1 系统原理框图2 2 4 2 硬件设计2 3 武汉化工学院硕士学位论文 4 2 1 恒电位输出电路2 3 4 2 2 三电极系统2 4 4 2 3 信号调理2 4 4 2 4 数据采集系统2 5 4 2 5 数据采集卡的选用2 6 4 2 6 实时控制模块2 7 4 2 7 其它辅助设备及电路2 8 4 3 硬件组态2 9 4 3 1 组态环境。2 9 。 4 3 2 组态结果2 9 第5 章系统软件的设计3 0 5 1 软件总体结构_ 3 0 5 2 程序设计3 1 5 3 用户界面3 1 5 4 试样测试程序模块3 2 5 4 1 实时控制3 2 5 4 2 信号采集3 4 5 5 数据分析模块3 5 5 5 1 信号滤波3 6 5 5 2l a b v i e w 中数据平滑的实现。4 3 5 5 3 数值微分及其倒数运算4 5 5 5 4 波形测量4 6 5 5 5 曲线拟合4 7 5 5 6 结果计算4 7 5 6 数据管理模块。4 8 5 7 系统参数设置和输入输出模块4 9 第6 章整机性能测试5 0 6 1 测试条件5 0 6 2 试样测试：5 0 结论5 2 参考文献5 4 附录1 5 6 附录2 5 7 附录3 5 8 专 - 第l 章概述 第1 章概述 1 1 电位溶出分析仪简介 电位溶出分析( 也叫电位溶出法) 是电化学分析中，用于分析元素 含量的方法之一。电位溶出分析仪，就是利用电位溶出法对溶液中微量、 痕量元素进行定性、定量分析的测试分析仪器。 电位溶出分析仪器随着电位溶出分析方法的发展也在不断更新换 代。从最初的由各个分离单元组成整台的分析仪器，到今天的智能化微 分电位溶出分析测试系统，电位溶出分析仪的性能得到了极大地提高。 早期的电位溶出分析仪，需要手动控制、协调各个单元部件的工作，用 观察的方法记录溶出电位的溶出峰高。不但步骤繁琐，而且检测结果误 差较大。随着计算机技术的发展，微机技术日益运用到各个生产领域。 电化学分析领域也出现了和微机相结合的智能化电位溶出分析仪，不但 简化了操作步骤，而且使测试精度大为提高。目前微机控制的电位溶出 分析法有：多适电位测试法、多扫描电位测试法、计算机化流动电位溶 出分析法等多种形式【l l 。 目前已生产有多种型号的电位溶出分析仪。例如：成都仪器厂生产 的j p - 3 0 3 型极谱分析仪、山东电讯七厂生产的m p i i 型溶出分析仪、 美国e s a 公司生产的l e a d c a r e 便携式血铅测定仪、3 0 1 0 b 型血铅分析仪 篁 寸。 基于虚拟仪器技术的微分电位溶出分析仪，利用目前广泛应用于测 试与仪器技术领域的新技术一一虚拟仪器技术，以微分电位溶出分析法 武汉化工学院硕士学位论文 为原理，所开发的一套微量、痕量元素测试分析系统。 1 2 电位溶出分析方法及其发展概况 电位溶出分析是分析微量、痕量元素的方法之一。在恒电位的作用 下，电位溶出分析仪将溶液中的被测物质沉积在工作电极上，恒电位撤 去后，利用溶液里的氧化剂将其溶解。记录该溶出过程中工作电极的电 势e 随时间t 的变化特征，即e t 溶出曲线，然后加以分析，进而完成 对被测物质定性和定量的分析。 电位溶出分析法( p o t e n t i o m e t r i cs t r i p p i n ga n a l y s i s 简写p s a ) 是由瑞典化学家d a n i e lj a g n e r 于1 9 7 6 年提出来的【2 l 。经过几十年的发 展，各种p s a 方法得以研究开发。电位溶出分析的发展大致经过了三 个阶段。第一阶段是试验阶段。主要是提出电位溶出分析的概念和进行 其具体分析方法的研究。第二个阶段是电位溶出分析的理论研究阶段。 在这个阶段，该方法不仅在测定方法上日臻完善，而且在理论上得到论 证【3 】。周端赐f 1 、张祖训【s 】推导出可逆体系电位溶出分析e t 曲线方 程：a n d e r s o n + j 等对流动电位溶出分析理论进行了探讨；腾久委等【7 】推导 并验证了阴离子氧化电位溶出分析理论；阮湘元【8 】推导出了悬汞电极电位 溶出分析理论等等。使得电位溶出分析完成了从实验到理论的飞跃。第 三阶段是电位溶出分析的发展阶段。此时有各种电位溶出分析方法及分 析仪得以开发。例如：静止电位溶出分析【9 】、流动电位溶出分析【l o l 、吸 附电位溶出分析【l l j 、还原电位溶出分析【心l 等。尤其是出现了微分电位溶 出分析l 廿i 和微机相结合的微机化微分电位溶出分析仪。微分电位溶出分 析是在经典电位溶出分析的基础上发展而来的。即把溶出e - t 曲线经由 微分电路加以处理，使其特征图谱呈峰形，通过测量峰高并加以分析， 2 第1 章概述 进而求得被测离子浓度的一种方法。 随着计算机技术的发展，微机化电位溶出分析仪的出现，使得微机 已成为电位溶出分析仪的一部分，用来分析和处理数据。并用软件代替 了部分硬件的功能，包括对数据的滤波、数值微分等数值运算处理。在 微分电位溶出分析的数据处理中，涉及到数据的微分运算。用软件来实 现时，确切的说应该叫做“拟微分”。所谓“拟微分 就是在信号处理的 过程中，利用软件模拟实现由硬件微分电路所完成的功能。即通过数值 计算的方法，对信号进行微分运算。亦即用数值运算的方法求出连续变 化量的变化率。对于离散的数据点，当其取样密度较高时，就可以得到 较高精度的微分值。而且在对最后的结果进行扣除背景值等归一化处理 时，用软件比用传统的模拟电路实现，具有无可比拟的优越性。因此与 微机相结合的智能化电位溶出分析仪的开发研究也渐趋活跃。 现有的各类微机化电位溶出分析仪，其检测过程执行软件均用汇编 或c 语言编写【1 4 l 。c 语言已经具有许多优势，但也存在一个根本问题，即 要求开发仪器的技术人员首先要成为程序员，要将关于仪器应用的知识 转化为程序的代码，以形成测试程序。这在一定程度上限制和制约了没 有软件专业背景的科研人员对分析仪器性能的进一步开发。然而近年来 出现的虚拟仪器技术，为解决这个问题提供了一个很好的工具。本课题 就是基于虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术及其集成开发软件 l a b v i e w 而研究开发的一种新型的微分电位溶出分析仪。 1 3 选题背景及其意义 本课题是湖北某医药公司委托我院研制开发的项目。我们采用p c 机 武汉化工学院硕士学位论文 通用的数据采集卡( 研华p c i - 1 7 1 0 ) 及v c + + 软件，用微分电位溶出法已 成功的实现了血液中铅含量的测定。为了更好的利用仪器资源，我们设 想开发集多种微量元素检测于一身的分析测试系统。但鉴于每种不同元 素的电信号特征及数字处理算法的不同，当测量不同元素时，必须要改 动信号调理板的部分硬件参数和软件源代码，对于传统的仪器来说这显 然是不现实地。但是虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 技术将会使其变 为可能。虚拟仪器的集成开发软件l a b v i e w 具有非常强大的功能，可以 模拟实现部分硬件电路功能【1 5 】【1 6 】，而且其参数在调试和实际使用过程中 可以随时更改，十分方便。这也使集多种仪器功能于一身的设想成为可 能。亦即使用同样的硬件，通过不同的软件设计来实现不同仪器的功能。 这不仅缩短了新型仪器的开发周期，降低了开发成本，也提高了仪器的 性价比，有其实在的工程意义。 4 第2 章微分电位溶出分析原理 2 1 引言 第2 章微分电位溶出分析原理 微量元素的分析测定属分析化学的范畴。根据试样用量及组分相对 含量的不同，分析化学可以有多种不同的分类方法。依照分析原理或所 依据物质性质的不同，可以分为化学分析方法和仪器分析法。 2 1 1 化学分析法 化学分析是以物质化学反应为基础的分析方法，包括定性和定量分 析，例如滴定分析法是根据某一化学计量反应计算待定组分含量的方法。 2 1 2 仪器分析法 该分析法是以物质的物理性质或物理化学性质为基础的分析方法。 由于需要有特定的仪器，故称为仪器分析法。若利用物质的电学或电化 学性质测定物质组分含量的方法则称为电化学分析法。如电位滴定法、 电导滴定法、电位分析法和极谱分析法等。也就是说利用被测物质的电 位，及电流、电导等电信号的不同变化特征，再助借于特定的仪器对电 信号加以处理，找到电信号与被测物质的关系规律，进而就可以达到测 定的目的。因此就微量元素的电化学分析测定来说是电化学与检测技术 两门学科的结合。 电位分析法是电化学分析的方法之一，是电化学分析的一个重要组 成部分，是利用电极在含有被测物质的特定溶液中所产生的电势，来测 武汉化工学院硕士学位论文 定物质浓度的一种电化学分析方法。而电位溶出分析是近些年发展起来 的一种新的电化学分析技术，在生产实践和科研中有广泛的应用，已经 成为一种分析物质浓度的有效手段。 电位( 溶出) 分析是电化学分析方法的主要类型。无论哪一种类型 的电化学分析法，都是以化学电池的特性为基础，即都是要在一个化学 电池中进行的。因此，为使其原理阐述更加清楚，有必要对化学电池和 有关电化学的一些基础知识作一个简单的介绍。 2 2 电化学分析基础 2 2 1 化学原电池的组成 能将化学能与电能互相转化的化 学装置称为化学电池。大多数电化学分 析都是通过化学反应电池来实现的。化 学电池分为原电池和电解池，能将本身 化学能转化为电能的化学电池称为原 e 图2 1 化学电池 电池。如果需要电化学反应所需要的能量来自外电路供给，则这种化学 电池称为电解池。每一个化学电池中均含有两个被称为电极的导体，两 个电极均需插入适当的电解质溶液中。每只导体和与他接触的电解质溶 液组成一个半电池，两个半电池共同组成一个化学电池。如图2 1 所示。 如果用导体将两个电极连接起来，在外电路中将会有电流流过，电 池内部的两个电极将有氧化还原反应发生。电极上的化学反应与外电路 第2 章微分电位溶出分析原理 电压有着密切的关系，因此称为电化学反应。 在化学电池的一支电极上所发生的氧化反应或还原反应都为半电池 反应。失去电子的电极发生的是氧化反应，得到电子的电极发生的是还 原反应。单个半电池反应不能独立进行，只有在另一个半电池反应同时 进行时，整个电池才能工作，从而才有可能对其进行电参数的测量。 2 2 2 电池电动势及电极电位 当作为电极的金属导体浸入某种电解质溶液时，由于金属氧化还原 倾向不同，电荷主要在一个方向上移动产生电流。说明化学电池内部有 电动势产生，电极之间存在电位差，即每个电极都有一个电位值，而且 电位高低不等。该电位称为电极电位。对于一个半电池而言，电极电位 是由电极与电解质溶液在它们的界面上建立的电极反应平衡所表现出的 电位差。电极电位的大小与溶液中组成半电池反应的离子活度有关。其 关系为【1 7 1 ： e e 。+ 坠l g a _ o _ 0 ( 2 1 ) ，世 口矗 式中： e 电极电位( v ) ； e o 标准电位( v ) ； r 摩尔气体常数，8 3 1 4 j t o o l 。t ； t 热力学温度，( k ) ； n 参与电极反应的电子数： f f a r a d a y 常量，9 6 4 8 7 c t o o l 。i ： a 氧化态活度； 武汉化工学院硕士学位论文 a 还原态活度； 此式称为能斯特( n e r s t ) 方程式。它表示出来电极电位与在电极 上参加反应物质浓度( 极稀溶液) 的定量关系。该式是电位溶出分析法 和离子选择电极分析法中最基本的公式和理论基础。 2 2 。3 电极电位的测量 由式( 2 1 ) 可知，电极电位是参与电极反应物质的活度、温度的函 数。在通常的实验条件下，温度和压力保持不变，则电极电位只随活度 而变。既然电极电位是反映电解质溶液性质的重要参数，若能测得电极 电位值，就能估算出溶液中离子的活度。但要精确测定电极电位的绝对 值相当困难，目前还没有有效的办法能够测量单个电极的电位值，因为 当用导线连接溶液时，又产生了新的电极一溶液界面。形成新的电极，这 时测得的电极电位实际上已不再是单个电极的电位，而是两个电极的电 位差了。因此，必须另取一个电极作为比较标准，与其组成一个化学电 池。这时，两个电极的电位差就是这个电池的电动势。这个相对标准， 通常用的就是标准氢电极。 但是标准氢电极在制备和使用中要求很严格，给实际的分析测试带 来不便。因此在电化学分析中，一般不使用标准氢电极，而是用另一种 易于制备、电位稳定的电极，称之为参比电极。其电极电位已经和标准 氢电极电位做比较，确定了比较精确的数值，只要将此参比电极与其它 电极组成电池，测量电池的电动势，即可求出其它电极的电位值。进而 用于后继分析运算。甘汞电极就是使用较为广泛的一种参比电极。 第2 章微分电位溶出分析原理 2 2 4 离子选择性电极 在构成化学电池的电极中，能选择性地对某一离子产生n e r n s t 响应， 并且由敏感膜构成的一类电极称为离子选择性电极。无论哪种离子选择 性电极都具有一个敏感膜，所以又称为膜电极。离子选择性电极是通过 电极上的薄膜对各种离子有选择性的电位响应而作为指示电极的。 2 3 电位溶出分析 电位溶出分析的化学反应包括两个独立而又有联系的过程，即氧化 和还原过程，也叫做溶出和富集过程。膜电极在负的恒电位的作用下， 溶液中的被测离子沉积在电极上( 电解富集或称作还原过程) ，即被还原 成金属。电解一定的时间后，断开恒电位，靠测定溶液中的氧化剂的氧 化作用，使得沉积在电极上的金属氧化成离子，重新进入溶液中。此过 程为溶出过程。不同的离子以及相同离子不同的浓度，在溶出过程中都 具有不同的电位特征和其相对应。这就是电位溶出分析法能够通过测量 其溶出时的电极电位信号，从而得到被测离子浓度的理论基础。 2 3 1 电位溶出的电积和溶出阶段 1 9 8 2 年周端赐1 4 1 等首先提出玻碳汞膜平面电极上的电位溶出分析法 的理论，随后张祖训例对周端赐的理论提出修正。后来h u s s a n 和c o t z e e - 。l 对电位溶出分析的理论又作了进一步的讨论。 电位溶出分析分为两个阶段： 1 被测物质在恒电位下，预电解富集在汞膜电极上： m 胂+ t i e + x m 暑一m ( ? ) ， 武汉化工学院硕士学位论文 2 沉积在电极上的汞齐金属被氧化剂氧化溶出： m ( h 暑) ，+ 肌q - m ”+ x h j + 小r 在溶出过程中，假设溶出时间为r ，富集时间为0 ，被测离子浓度为 o ，则被测离子浓度和溶出时间的关系为： r 一争赫 c2 - 2 ， 从上式看出溶出时间z 与分析物质的浓度成正比，这就是电位溶出分析定 量测定的依据所在。关于该式的详细推导和其它符号的意义，请参阅文 献【3 1 。 周端赐【4 】、张祖训【5 】推导出可逆体系p s a 的电极电位和时间e t 的关系曲线方程： 。+ 争降垮r r - l n 陶 c 2 上式中， 1 汞膜厚度o d 金属在汞膜中的扩散系数； t 富集时间； f 被测离子溶出时间； 其它符号和( 2 1 ) 式具有相同含义。 微分电位溶出分析就是在( 2 3 ) 式的基础上提出的f 1 3 j 。不但灵敏 度高，而且经倒数处理后的参数还可以进行电子放大。将( 2 3 ) 式对 时间t 求导数，然后求倒数： 一d t 。丝堑尘 ( 2 4 ) 一- 一一 一t ， 征尺rf4 - f 第2 章微分电位溶出分析原理 当f ；时，即在待测金属的半波电位上，= d t 有极大值： 2 口丘 f 生1 三丛( 2 - - - 5 ) 弛胝3r t 文献 2 1 论述并推导出了金属离子浓度c r ( ，) 与f 的关系： f - 刹玎乙 c 2 将其代入到( 2 5 ) 式并解得 ( 筑警q 3 f ( 2 ，- - 7 ) 该式即为微分电位溶出峰高与浓度的关系。也是微分电位溶出分析最直 接的理论依据。本文所述微分电位溶出分析也是基于该理论基础进行开 发和研制的。 在经典电位溶出分析中，f 为时间参数，不能进行放大处理。而在微 分电位溶出分析中，( 砉) 妇为电压信号，可通过放大器放大处理。从而 使其测量精度得以提高。 2 4 被测物质浓度的定性定量分析计算 在微分电位溶出分析中，波峰所出现的电位值，决定其被测离子的 性质。波峰的峰高则决定被测离子的浓度。在测试中，有两种方法用于 计算离子浓度的大小。 2 4 1 标准曲线法 取一系列具有标准离子浓度的溶液，测量每一浓度所相应的峰高值， 1 1 武汉化工学院硕士学位论文 以峰高和对应的离子浓度绘制标准曲线。在相同的条件下测定样品的峰 高值，与标准曲线( 也称工作曲线) 相比较，得到被测离子的浓度值。 2 4 2 标准加入法 标准加入法是用的较为广泛的一种方法。标准曲线法要求样品测试 时，其测试条件要求和制作曲线时的条件完全相同，因而条件较为苛刻。 而标准加入法中，所有影响因素均可抵消 3 1 ，因此容易控制实验条件。 ( 1 ) 忽略底液峰高时计算公式 假设浓度为c ，的待测离子溶液，体积为k ，峰高值为j i l 。，在此溶液中 加入已知体积为匕、浓度为c ：的标准溶液，再测得其峰高值h ：。如果不 计底液的峰高值，即假设被测离子浓度为0 时，峰高值为0 。则其溶出曲 线为一条过原点的直线 啊k c , k 为比例系数( 曲线斜率)( 2 8 ) h 。七竺! 堡竺2 坠( 2 9 ) + 由以上两式可得【2 】： c 一一堑；生一( 2 - - - , 1 0 ) l ，一一 1 ( j i l 2 一j | l l y + 2 这种方法的主要优点就是消除了溶出分析法公式中所表示的各种试验参 数。由于标准加入法中，所加入的标准溶液的体积很小( 约i o - 5 0 p i ) ， 只占被测溶液体积的千分之一左右。所以当忽略被测溶液的体积变化时， ( 2 1 0 ) 式简化为： c 1 盟( 2 - - , 1 1 ) 1 ( 2 一如) k 。 ( 2 ) 考虑底液峰高时计算公式 第2 章微分电位溶出分析原理 假设测试底液的峰高值为h 。，则其工作曲线就是一条不过原点的直 线 h i - h o + k c l ( 2 1 2 ) j i l ：- 。+ 七兰l 骅 ( 2 v 1 3 ) 由式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 可以解得 c 亟二鱼瑟堡( 2 , - - - 1 4 ) l ，一一 竹2 一) + 伪2 一，l o ) 上式中，如忽略所加标准溶液体积，则公式简化为： c 1 鲣螋( 2 - - 1 5 ) 似2 一) ( 2 1 5 ) 式是目前较为常用的计算公式。 5 ” 2 5 电位溶出分析原理 综合本章以上所述，微分 电位溶出法分析某种离子含 量，就是利用放在特定底液 所组成的电解池中的三电极 系统，即玻碳电极( 工作电 极) 、甘汞电极( 参比电极提 供参考电位) 、铂电极( 提供 电解过程恒电位) 。如图2 2 ，- 一 所不。 图2 2 原理示意图 e 在恒电位作用下，将溶液中的被测物质沉积在工作电极( w ) 上， 然后断开开关k ，撤掉恒电位，再利用氧化剂将沉积在工作电极上的被 武汉化工学院硕士学位论文 测离子m 溶解下来。溶液中的被测离子在一定浓度范围内其浓度大小与 溶出时间的长短( t ) 成线性关系同时电位( e ) 的大小又可决定离子 的性质。所以记录该过程中的工作电极的电势变化特征，即e - t 变化曲 线，对电位及其溶出时间加以分析，就可以作针对被测物质定性及定量 的分析。这种通过记录溶出时间的长短来测定物质离子浓度的方法，称 为经典电位溶出分析法。 微分电位溶出分析( d p s a ) 方法是在经典电位溶出分析的基础上 提出来的，是当前应用广泛、精度较高的一种电位溶出分析法。d p s a 将e t 溶出曲线作微分处理，即作出电位对时间变化率的倒数( d r d e ) 与时间( t ) 的关系曲线：d t d e t 关系曲线，该曲线呈现峰形，其峰高 和被测离子浓度在一定范围内为线性关系。通过测量峰高即可求得被测 离子的浓度。由于峰高信号稳定易放大测量，所以其重现性和精度较高。 1 4 第3 章虚拟仪器技术及其集成开发环境l a b v i e w 第3 章虚拟仪器技术及其集成开发环境l a b v le w 3 1 虚拟仪器技术 虚拟仪器( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 的概念，最早是由美国国家仪器 公司( n a t i o n a li n s t r u m e n t ，n i ) 于1 9 8 6 年提出的【1 9 1 ，经过十几年的 发展，在包括航天、航空、通信、生物医学、分析测试等众多领域获得了 广泛应用。虚拟仪器的出现是仪器发展史上的一次革命，对现代测试技 术产生了深远的影响。 3 1 1 虚拟仪器的概念 关于虚拟仪器的定义，从不同的角度出发有不同的描述。但就其所 实现的功能来说，虚拟仪器是以通用计算机为核心，加上一组软、硬件 系统，由用户自己设计和定义、具有某种特定测试控制功能，而且具有 仿真控制面板的计算机系统。 虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、智能测试系统、数字信号处 理等技术。通过软件将计算机资源和所要完成特定功能的硬件资源结合 在一起，从而把计算机强大的数据处理能力和仪器硬件的测量、控制能 力结合在一起。在虚拟仪器系统中，硬件仅仅是为了解决信号的输入输 出。软件才是整个系统的关键所在。正如n i 公司所说“软件就是仪器”。 这也从本质上描述了虚拟仪器的特征。这也使得较之具有相同功能的传 统仪器，大大减少了仪器硬件的成本和体积。 武汉化工学院硕士学位论文 3 1 2 虚拟仪器的特点 虚拟仪器概念是对传统仪器的重大突破，是计算机与现代测控技术 相结合的产物。与传统仪器一样，它同样分为三大功能模块：( 1 ) 数据 采集；( 2 ) 数据处理；( 3 ) 数据呈现。其中数据分析和输出完全由基于 计算机的系统软件来完成，因此只要另外提供一定的数据采集硬件，利 用软件系统建立虚拟的面板代替传统的仪器控制面板，用户通过键盘、 鼠标操作面板，进行仪器的操作，从而实现测试的自动化、智能化。虚 拟仪器与传统仪器相比主要有以下一些特点： ( 1 ) 使用方便，易于维护。软件是虚拟仪器的核心，硬件仅仅是为 了解决信号的采集和输出。因此其开发周期短，费用较低。而且硬件集 成化。系统必需的基本硬件，如数据采集电路等被高度集成，制成硬件 插卡，实现硬件模块的即插即用。 ( 2 ) 用户可以根据需要选择硬软件功能模块，设置仪器面板，从而 实现仪器的用户自定义。 ( 3 ) 其开放、灵活的架构能跟随计算机技术同步发展，可与外围设 备、网络互联。进而实现远程测控。 3 1 3 虚拟仪器的系统组成 虚拟仪器一般由运算、数据调理电路及总线技术等组成。图3 1 为 虚拟仪器系统组成框图闭。 第3 章虚拟便嚣技术及其集成开发环境l a b v i e w 叫 信号调理 h 数据图像采集卡卜 叫g p i b 接口仪器h g p i b 接口卡 f - p c 机 测 叫平喘锵 _ - 乙七v i e w 控 对 l a b w i l l d o w s c - v p 仪c o m p o a e n t s w o r k s 象咿 其它软件 器 - - l 现场总线( f i d d ，c a n b u s ) 设备卜 其它计算机硬件 国3 1 虚拟仪器系统组成 3 1 4 基于虚拟仪器的测试系统 图3 2 硬件结构图 典型的基于虚拟仪器测试系统的硬件结构如图3 2 所示。传感器 完成对被测非电量信号的转换，经信号调理( 放大、滤波、激励、隔离 等) 后，由数据采集卡完成对信号的a d 转换，输入到安装有l a b v i e w 集成开发系统的计算机，进而再利用由l a b v i e w 软件所提供的强大信号 武汉化工学院硕士学位论文 处理及数学运算软件包，进行有针对性的处理。 基于虚拟仪器的测试系统硬件配置中，计算机和i o 接口设备是虚 拟仪器系统的核心硬件。计算机完成数据的处理和结果的显示。利用计 算机图形显示技术和多媒体技术，将复杂的数据计算和数据处理推向后 台，用数字、曲线、图像、图形、声音等形式，提供给用户测控的结果。 i o 接口设备主要完成被测控信号的采集、放大、转换( a d ，d a ) 。 虚拟仪器常用的i o 接口系统有： ( 1 ) p c - d a q 系统，它是以数据采集板、信号调理电路及计算机为仪 器硬件平台组成的插卡式仪器系统。这种系统采用p c i 或i s a 计算机本 身的总线，将数据卡板( d a q ) 插入计算机的插槽中即可，容易普及使用。 ( 2 ) g p i b 系统，它是以g p i b 标准总线仪器和计算机为仪器硬件平 台的系统，g p i b 标准总线在计算机为仪器硬件平台的发展史上曾经发挥 过十分重要的作用，是应用最早的虚拟仪器系统。 ( 3 ) v x i ( v e me x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ) 系统，是以v x i 标 准总线仪器模块与计算机为仪器硬件平台的系统。v x i 总线是一种高速计 算机总线v e m 在仪器领域的扩展。由于它的标准开放、结构紧凑、数据 吞吐能力强定时和同步准确、模块可重复使用、众多仪器厂家支持的优 点，其应用越来越广，是虚拟仪器系统的发展方向之一。 ( 4 ) p x i 系统，是以v x i 标准总线仪器模块和计算机为仪器硬件平 台的系统。是在仪器领域中应用所产生的一种新的仪器体系，被称为仪器 用扩展p c i ( p c ie x t e n s i o nf o ri n s t r u m e n t a t i o n ，简称为p x i ) ，p x i 是在p c i 总线的基础上增加了一些仪器领域所特有的总线定义，从而产 第3 章虚拟仪器技术及其集成开发环境l a b 匣w 生了一种与p c 机价格相近似的模块化仪器接口规范。 ( 5 ) 串口系统，它是以s e r i a l 标准总线仪器与计算机为硬件平台 的系统。包括符合r s - 2 3 2 标准的p l c 系统和单片机系统 在上述的几种虚拟仪器系统中，基于p c 总线的虚拟仪器系统和v x i 总线的虚拟仪器系统，是虚拟仪器发展的方向。v x i 总线由于其集成化、 标准化、快速的数据传输能力和良好的电磁兼容性得到迅速发展，并将 成为虚拟仪器发展的主流和发展方向。 为使虚拟仪器的设计更加方便和易于扩展，一些专门机构开发出了 相应的软件平台系统，运用较为广泛的是n i 公司的l a b v i e w 和惠普公司 的h pv e e 3 2l a b v i e w 简介 l a b v i e w 是实验室虚拟仪器集成环境( 1 a b o r a t o r yv i r t u a l i n s t r u m e n te n g i n e e r i n gw o r k b e n c h ) 的简称，是一种图形化的编程系 统，因此又称之为g 语言( g r a p h i c a ll a n g u a g e ) 。 3 2 1l a b w 编程特点 l a b v i e w 提供了一种全新的程序编写方法，编程就是进行图形化的组 合操作。通过交互式图形界面进行系统控制和测量数据显示。g 语言与传 统高级编程语言最大的差别在于编程方式，一般高级语言采用文本编程， 而g 语言采用图形化编程方式。因此很容易为科技工作者和工程师所掌 握，并且用于各自的科研领域。 l a b v i e w 环境下开发的程序，由于其外形与操作模式和一台实际的仪 武汉化工学院硕士学位论文 器相仿，也可以从这个角度来理解虚拟仪器v i ( v i r t u a li n s t r u m e n t ) 这个概念。v i 由用户界面、图标代码和接口板组成。v i 具有以下特点： ( 1 ) 用户界面直观，具有所见即所得的可视化交互技术。有类似传 统仪器操作面板的