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基于化学计量学的化学数据采集处理系统的 研究及开发 一五娴3 7 摘要 、随着计算机应刚 1 j , j 益普及及深入，对现有的中小型分析仪器在 不改变仪器硬件的基础h 进行软件的“升级”改造，以及结合化学 计量学中的数据处理方法是分析化学信息化的发展趋势。i 了前，已商 品化的较为常用的数据处理分析软件为s p s s ，o r i g i n 等软件，s p s s 主要用于社科类，o r i g i n 由于不是从化学分析工作者的角度出发， 一些有针对性的化学数据处理问题尚未集成，以上软件由国外软件j + 商歼发。因此丌发适合化学工作者进行数据处理，且有着一l - 围自1 ： 版权的化学数据采集处州软件有一i 浏的前景? r 。童之主+ 第一章，详细综述了化学讣量学f 1 9 应川研究的发展及汁贸机红化 学i f l 的应用研究的发展。 第二章，以软伺+ ：j ：秸学的思想，较为详细的对本系统的整体发计 及开发流程进行了规划，保证了软件的质量及今后软件的升级雨i 维 护。同时，结合本系统”发r 卜遇到的一些软件技术进行r 较为深入的 探讨。 第三章，对实时数据采集显示处理子系统进行了，研究及开发，对 数据采集器的设计，以及计算机与数据采集器的串 通讯进行 r 较为 深入的探讨。i 司时，对实时采集的数据的平滑及动态显示，以及报表 浙江- 业人学硕学位论文 打印进行了编程丌发。 第四章，在系统的研究r 各种化学计量学方法的原理和算法分析 基础上，结合其在实际心用i | = l 的通用性，开发了基于化学计量学的离 线数据分析处理子系统。本研究开发了多元校正工具箱，化学因子分 析： 具箱，聚类分析二 具箱，以及谱图分峰拟合工具箱。 第五章，列举了部分实例，包括数据的实时采集及记录，模拟的 实例进行化学目标因子分析，模拟重叠峰进行分峰拟合。 第六章，总结了本系统的特点及功能，对出现的些问题进行了 探讨。 f 本系统软件具有操f 1 。界而简单，使用方便，运算速度快，运算结 果准确，以及通用性较强的特点，并可在今后根据功能需要进行软件 的扩展及升级。整个系统从实验数据的采集到数据的分析处理较好的 、 符合了分析实验室现代信息化的特点。户“6 一。 关键词；软件开发，化学计量学，数据采集，数据处理 浙汀f 业人学倾j 。学位论史 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nc o l l e c t i n g a n dp r o c e s s i n gs y s t e mo fc h e m l c a ld a t a b a s e do nc h e m o m e t r l c s a b s t r a c t a l o n g w i t ht h ei n c r e a s i n ga p p l i c a t i o no f c o m p u t e r i ns c i e n t i f i cr e s e a r c h w o r k s ，i ti s ap r o m i s i n ga s p e c ti nc o m p u t e r i z a t i o no f a n a l y t i c a lc h e m i s t r y t ou p g r a d ea n dr e c o n s t r u c tt h es o f t w a r eo ft h ee x i s t i n gm i d a n dm i n i t y p e a n a l y t i c a li n s t r u c t m e n t si n t e g r a t i n gw i t hd a t ap r o c e s s i n gm e t h o db a s e do n c h e m o m e t r i c sw h i l et h e r ei sn on e e dt oc h a n g i n gt h eh a r d w a r eo ft h e s e i n s t r u m e n t s a tp r e s e n t ，t h e r ea r el o t so fc o m m e r c i a ls o f t w a r e so fd a t a p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gp r o v i d e db y t h ea b r o a d c o m p a n i e s ，s u c h a ss 1 ) s s ， o r i g n s p s sf i t st ot r e a td a t ai nt h ef i e l do fs o c i a is c i e n c e o r i g ni sa n w i d e l yu s e ds o f t w a r ei ns c i e n t i f i cr e s e a r c hf i e l d s w h e r e a s i ti sn o tat h e c h e m i c a ld a t ap r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gs y s t e mi sn o ti n t e g r a t e d t h e r e f o r e ， i ti so fi n t e r e s t i n gt o d e v e l o p i n g a s p e c i a ls o f t w a r eh a v i n gi n d e p e n d e n t c o p y r i g h tw h i c hf i t st oc o l l e c t i n g ，p r o c e s s i n ga n da n a l y z i n gc h e m i c a ld a t a t om e e tt h en e e d so f t h ec h e m i s t s f i r s t l y , t h es t a t u so f t h ea p p l i c a t i o no fc h e m o m e t r i c sa n dc o m p u t e rj n c h e m i s t r yw a s r e v i e w e di nd e t a i lw i t h81r e f e r e n c e si nc h a p t e r1 i nt h e l i g h t o fs o f w a t l e e n g i n e e r i n gi d e o l o g y ，t h e w h o l ed e s i g na n d d e v e l o p i n gf l o w a n dc h a itf ot h i s s y s t e mw a sp r o g r a m m e da tl e n g t h i n c h a p t e r 2 ，w h i c hi sh e l p f l l lt oi n s u r i n gt h eq u a l i t yo ft h es o f t w a r e ，e v e nt o u p g r a d i n g a n d m a i n t a i n i n g t h es o f t w a r ei nf u t u r e i n a d d i t i o n ，s o m e t e c h n o l o g i e si n t r o d u c e di 1 3t h i ss o f t w a r ew e r ed i s c u s s e dd e t a i l e d l yt h e r e i n t h e r e a f t e r , t h es u b s y s t e md e a l i n gw i t hc o l l e c t i n g a n dd i s p l a y i n go f r e a l t i m ed a t aw a sr e s e a l c h e da n dd e v e l o p e di nc h a p t e r 3 t h ed e s i g no f d a t ac o l l e c t o ra n dt h ec o mc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nd a t ac o l l e c t o ra n d c o m p u t e r w e r e d e e p l yd i s c u s s e d m o r e o v e r , t h ep r o g r a m s o f s m o o t h i n g a n d d y n a m i cd i s p l a y i n go f r e a l t i m ed a t a ，a sw e l la st h er e p o r tp r i n t i n gs y s t e m w e r ed e v e l o p e d a f t e r s y s t e m a t i cs t u d y o ft h e p r i n c i p l e s a n da r i t h e m e t i c so fm a n y c h e m o m e t r i c sm e t h o d s ，i l lc h a p t e r4 ，t h es u b s y s t e md e a l i n gw i t ht h eo f f - i i n ed a t aw a s d e v e l o p e d 0 1 1t h eb a s i so fc h e m o m e t r i c si nw h i c ht h e 一 塑鲨三些查兰堡土堂焦堡兰 u n i v e r s a la b i l i t yw a st a k e ni n t oa c c o u n t i nt h i s s u b s y s t e m ，at o o l b o xo f m u l t i v a r i a t ec a l i b r a t i o n ，at o o l b o xo f c h e m i c a lf a c t o ra n a l y s i s at o o l b o xo f c l u s t e ra n a l y s i s ，at o o l b o x o f o v e r l a p p i n gp e a kr e s o l v i n gw e r ei n v o l v e d i nt h ef i f t h c h a p t e r ，s o m ea p p l i c a t i o ne x a m p l e so ft h es o f t w a r ew e r e g i v e n ，w h i c h i n c l u d e dt h e c o l l e c t i n g a n d d i s p l a y i n g o fr e a l t i m e d a t a ， c h e m i c a lf a c t o ra n a l y z i n go fs i l n u l a t i v ed a t aa n dc u r v e f i t t i n go fs i r e u l a t i v e o v e r l a p p i n gp e a k s l a s t l y , t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n df u n c t i o n so ft t j es y s t e mw e r es u m m a r i z e d i n c h a p t e r6 ，w h i l e t h e q u e s t i o n sn e e d st of u r t h e r s t u d y i n g w e r ea l s o p r o p o s e d t h es o f t w a r eh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fc o m p a c to p e r a t i n g i n t e r f a c e ， c o n v e n i e n c ei n u s i n g ，r a p i d i t y a n dn i c e t yo fo p e r a t i o n ，a n di t s s t r o n g e r c u r r e n c y a n dt h es o f t w a t l ei se a s yt oe x t e n d i n ga n du p g r a d ei nt h ef u t u r e t h i ss o f t w a r em e e t st h en e e d so fm o d e r n i z a t i o na n dc o m p u t e r i z a t i o no f a n a l y t i c a lj a bi nc e r t a i ne x t e n t k e yw o r d s ：s o f t w a r ed e v e l o p i n g ，c h e m o m e t r i c s ，d a t ac o l l e c t i n g ，d a t a a n a l y z i n g l v 浙江 ：业人学坝1 j 学位论文 第一章文献综述 1 1 化学计量学的历史与发展 科学的发展与技术的进步使得化学量测工作迈步仪器化、自动化和计算机 化。现代分析仪器能迅速、准确地为人们提供大量可靠的量测数据。化学工作者 面临着如何选择合适的实验方法和最优量测过程，对原始量测数据进行再加工， 从而最大限度地提取有用的化学及其相关信息的问题。随着计算机科学、应用数 学和统计学方法在化学中应用的f = 益广泛和深入，诞生了一门崭新的化学分支学 科即化学计量学( c h e m o m e t r i c s ) 。 化学计量学是研究化学测量的基础理论与方法学的新兴化学分支学科，其基 本任务是研究应用数! 学、统计学和计算机科学的方法，设计或选择最优的化学实 验方法，并通过解析化学实验数据，最大限度地获取有关分析对象的化学信息及 其它相关信息。可以认为，化学计量学是化学，分析化学与数学，统计学及计算 机科学之问的“接口”。2 0 多年的学科实践证明，化学计量理论方法已渗透到 化学中的各个领域，已经成为化学量测的基础理论和方法学。 化学计量学之所以得以迅速发展，主要原因可归纳为两方面：( 1 ) 计算机科 学的发展不仅使得大量数据的自动控制采集成为易事。这样，如何处理和解析这 些大量的原始化学量测数据就成为了十分突出的问题；( 2 ) 计算机科学的迅猛发 展，对近代数学也产生了巨大的影响。它不但产生了以计算机为基础的计算数学 新分支，而且还使得很多具有巨大价值的古老数学新分支焕发出青春活力。过去 难以使用的复杂数学方法可在计算机上实现，为解决复杂的数据库处理与信息提 取提供了实际可能性i ”。 化学计量学作为化学量测的基础理论与方法学，其应用非常广泛。如工业现 场数据采样、过程分析化学、过程控制、食品工业、海洋化学、地球化学、环境 化学、造纸工业、石油勘探、临床诊断、制药工业、染料工业、有机合成化学、 生物工程、材料工程等等都可以应用化学计量学。它的主要研究领域集中在以1 、 几个方面 3 l ： 1 实验数据统计处理 1 浙江1 ! l k 大学顺i ：学位论文 2 ，化学试验设计与优化 3 定量校i i i 理论 4 分析信号处理 5 化学模式识别 6 人工智能与化学专家系统 7 定量构效关系 8 数据库及其检索 1 1 1 统计学与统计方法 化学计量学其最初的发展是建立在统计学方法之上的，统计学方法在分析化 学数据处理中具有不可替代的作用。邓勃( 4 l 编著的分析测试数据的统计处理方 法详细介绍了数据统计的理论基础与方法应用，有助于分析工作者合理设计试 验，高效获取信息，科学地处理试验数据。申琦等【5 1 用快速多模型回归和逐步回 归法对一组高聚物数据进行变量的选择和数学模型求取，并对之进行了比较。 h o w a r t h t ”评论了分析试验室分析质量控制问题。梁逸曾等系统评述了多元分析 的稳健方法及其适应性和局限性。李莉等报道了统计学方法在分析化学中的作 用，特别指出，可用自助法估计样本数。r a m s e y 等【9 】比较了几利，化学数据统计分 析方法包括采样数据分布，数据转换以及参数估计。何锡文等0 】利用稳健方差分 析的优点降低异常值在统计评价中的影响，易于辨认异常值。 1 1 2 化学试验设计与优化 难交试验设计和单纯形优化法目前仍然是试验设计和优化的主要方法。其目 的是用尽可能少的试验次数取得关于目标与因素之间关系的尽可能多的信息。这 就要求最有效的选择各个实验因素的水平，通过试验得到目标的观测值，并列试 验数据进行分析，从而得到目标有最优值的实验条件。邓勃1 介绍了他们在试验 设计与优化方面的研究工作。正交试验设计在原子发射光谱分析、原子吸收光谱 分析、分光光度分析、电化学分析、色谱分析、络合物稳定常数测定等方面均有 应用。a t k i n s o n i ”评论了试验设计的最新进展，包括研究了一系列单纯形优化技 术。王国庆等”3 1 以正交试验的结果，完成了神经网络的学习，以十二醇琥珀单脂 磺酸钠合成为条件为例，预测了醇酐投料比、脂化时问对产物得率的影j l 向0 周声 励等1 所著的合成计量学与化学化工系统优化介绍了利用多变量分析方法进 浙江t 业大学倾j 学位论文 行试验设计和过程优化。 1 1 3 分析信号处理 分析信号处理是通过滤波、平滑、级数变换等方法对化学量测信号进行分辨 和解析。导数技术足提高信号分辨能力简便而有效的方法，何锡文1 介绍了导数 光谱的基本原理。卡尔曼滤波能从测量信号中滤除噪声，提取真实信号。傅里叶 变换是基于干涉调制技术，快速傅里叶变换算法使干涉光度法发展成为通用的光 谱技术。傅里叶变换光谱的特点是分辨率高，光通量大，杂散光小，能同时接受 和检测所有光谱元信息。肖子敬等6 1 在卷积伏安法实验数据处理中采用5 f h - 根k f 进行数据平滑，并结合标准加入法和快速傅里叶变换( f f t ) 进行谱峰分辨，运 算速度快且所需内存少，滤波结果具有良好的线性关系。z e l i c 等 ”】 制央速傅里叶 变换( f f t ) 结合矩形函数( r ) 作为平滑函数对直流极谱( d c p ) 和循环伏安( c v ) 以及二次谐波交流极谱波进行了平滑处理，得到光滑均匀的极潜波。e n g b l o m ”“ 通过伏安波的f o u r i e r 变换理论研究，对重叠的伏安波进行了分峰。姚秉华等i ”将 快速傅里叶变换( f f t ) 技术用于卷积伏安法处理，所用窗口函数为矩形函数， 得到曲线光滑逼真。徐晓峰等1 2 “将傅氏去卷积和小波理论用于谱图分峰的对比研 究。小波分析是新兴的信号处理技术，在解决分析信号的奇异点、时频域局部化 方面有积极作用。沈海林和梁逸曾 2 l l 介绍了小波变换在分析化学中的应用研究。 邵学广等1 2 2 1 利用小波变换的时频局部化性质，通过刈色谱重叠峰信号小波变换后 的某些频率段进行放大，使重叠峰得到了分离。卢小泉和莫金垣 2 3 通过对理沦模 拟和实验数据的处理，认为小波变换处理去积伏安信号不但具有时域局部化的特 征，而且能准确地刻画出伏安信号。 1 1 4 多元校正 多元校正是分析化学计量学的中心内容之一，它以多元分析通道测量，多组 分同时测定为基础。它应用多元线性回归( m l r ) 、主成分分析( p c a ) 、主成分 回归( p c r ) ，因子分析( f a ) 和偏最小二乘( p l s ) 等多元统计方法，以化学量 测数据构造多元校正模型，通过参数估计来表述分析对象的相关定量信息。在分 析化学中即研究多组分不经分离或掩蔽进行同时测定的问题。 何锡文等【2 4 1 以目标因子分析( t f a ) 为基础，将因子分析、聚类分析结合， 给出了从完全未知混合体系中提取纯光潜的新方法，用于模拟体系及三组分实际 浙江t 业人学坝 学位论文 混合体系的红外光谱解析。张录达等1 介绍了一种评价化学计量学校i 刚支术方 法，并以f f t n 1 r 漫反射光谱测定蛋白质实验数据对m l r ，s l r ，p c a ，p l s 和非线性偏最小二乘( n p l s ) 等模型进行了校正效果比较。张瑞生等m i 系统研究 了各种多元分辨校订三模型、方法及其应用，以模拟体系、病态体系与良态体系为 对象，考察了它们的多元校正能力与多元分辨效果，给出了无机多组分分析良态 体系实例。s i m e o n 等【2 7 1 将主成分分析与微分脉冲伏安相结合解决了铅，镉的同时 测定。m a s s a r t l 2 8 1 研究了遗传算法对偏最小二乘法在波长选择的作用。人工神经网 络作为一种智能型算法，在非线性多元校正中已露出了一定的优势。司圣柱等1 比较了紫外分光光度同时测定氨基酸【l 寸应用主成分回归法和目标因子分析法的优 劣。刘德元等口0 j 应用迭代目标转换因子分析法测定了混合稀土元素。张向东等i 以主成分分析和因子分析进行样本数据压缩，用b p 网络预测有机物的诸多物性。 王勇等p 2 综述了近年来分析化学中非线性及有关问题的方法和研究进展，指出人工 神经网络是解决非线性校正问题的最优方法之一。 1 ，1 5 化学模式识别 化学模式识别通过分析量测数据隐含信息的提取，实现对物质的分类、判别。 王洪艳i ”1 等将模糊聚类分析与因子分析相结合，对地质样品中吸收光谱严重重叠 的稀土多组分体系进行解析，较好地解决了计算光度分析中校准模型的优化问 题，并讨论了数据库的建立、聚类参数选择等问题。冯建跃等【3 ”报道了应用聚类 分析和因子分析法识别化妆品真伪的方法。祁俊生等1 用因子分析和聚类分析等 化学计量学方法对1 0 5 种植物类中药4 2 种微量元素测定数据进行分析，借此探 讨微量元素含量与中药药性的相关性。任玉林等”6 1 用系统聚类分析、逐步聚类分 析、主成分分析和逐步判别分析，从美迪康粉末药品的近红外一阶导数光潜，成 功鉴别合格药、劣药、假药。m c a o y 等1 3 7 1 同时应用k 最邻近法和线性学习机从 伏安波中区分重叠伏安响应信号。s a g r a r i o ”坪0 用遗传算法用训练神经网络分辨经 过优化的化学数据，较好的识别了错误和正确的数据。 1 1 6 人工智能及专家系统 人工智能中，人工神经网络方兴未艾，但所用的网络模型还只限于b p 网络 和自组织网络。邓勃等【3 9 1 对a n n 在分析化学中的校正、模型拟合、结构解析及 模式识别等应用进行了评述。龚小一等 4 0 1 设计了个完整的前馈神经唰络计算软 浙江丁业人学碳士学位论义 件包，支持b p 算法，改进的b p 算法和k a l m a n b p 算法的训练和汁算，爿介缁 了其在实验优化设计和多元校f 巾的应用。胡昌玉和许禄1 4 ”丌发了e s e s o c 的化 学专家系统用于谱图解析，谱图包括”c n m r 、m s 和i r 。 1 1 7 数据库及其检索 高建华等1 4 2 1 设计了一个小型灵活的分析化学数据处理系统，用各种统计方法 对数据进行可靠性及显著性差异的检验。毕卫东、王乃岩等m 在总结大气毒物红 外吸收光谱规律和实践经验基础上，提出了差减定量原则，并建立了定量数掘库 和供实时咨询使用的软件。张嘉杰、陈家平等 4 4 l 研究了g cp e g 2 0 m 石英毛细管 柱保留指数的可比性、柱间保留指数的相互关系和不同柱模式下保留指数的相互 转换，并建立了保留指数的相互转换，并建立了保留指数通用数据库。刘密新等i ”l 建立了氟氯烃( c f c ) 及其替代物的质谱数掘库，并利用该数据库鉴定了十余种 c f c 。及其替代物。栗智l 删开发了光谱实验室辅助管理信息系统。 1 2 计算机在化学中的发展 计算机在化学中的应用是丌始用计算机处理化学中的复杂计算。随着计算机 技术的不断发展与功能的完善，计算机不再是一种简单的计算工具，它证向智能 化、网络化方向发展，这使得应用计算机技术能解决的化学问题也愈来愈多，由 于计算机主要是用数学的方法通过计算来解决问题，其特点足能快速地进行大量 复杂、繁琐的数学计算。而化学是寻化学物质进行认识、分析、合成及利用。因 此，要想将计算机技术应用到化学中就必须解决化学与计算机的结合问题。这方 面的研究包括两方面的内容，即化学类应用软件程序包的丌发，计算机与化学仪 器的接口。 化学类应用软件包程序包。主要是设计具有工具性的应用软件程序包和处理 化学问题的数学程序。这方面国外较多，如c h e m o f f i c e 2 0 0 0 、c h e m w i n d o w 、 c h e m s k e c t c h 、s e i v i s i o n 系列程序、d e n d r a l 、c h e m i c s 、c a s e 、e x s p e c 、p a r i s 等， 以上软件主要用于绘制分子结构及分子反应式图。w i s e f 4 7 i 丌发了p l s 工具箱，解 决化学中多元校正及相关的化学定性问题。g o n z a k e s a r j o n s t 4 8 1 丌发了目标因子分 析软件，运用了面向对象的可视技术，界面友好方便。化以及各类电分析化学综 合测试仪、色谱、光谱、质谱和核磁共振工作站。i n t e r n e t 一1 - 有 1 ：多的专业化学网 5 浙江工业大学颁士学位论文 站，可免费下载演示( d e m o ) 版的化学软件。 在分析化学中，计算机已广泛用来进行实验数据处理与数值计算。在原子发 射光谱中，用于测光数据的处理、基线换算、背景和干扰校正。黄红心等m 1 研制 了色谱数据处理系统。工作曲线法是分析中常用的校正方法，用计算法建立回归 方程代替绘制工作曲线进行校正，在分析实验室己相当普遍。计算机辅助定量是 一个值得引起重视的研究领域，在分光光度分析领域发展较快。胡鑫尧等m 1 分别 详细地比较了计算机定量分析中的经典法、最小二乘法、线性与非线性规划法、 坐标轮换法、共轭梯度法、修正矩阵法、因子分析法等各种计算方法，并用最小 二乘法测定了c a 、m g 、s 0 4 2 - 的含量。积极开发各种实用的软件是提高计算机应 用水平的重要一环，在这方面已有不少工作发表。秦建侯等1 开发了分析测试中 数据处理综合程序系统，利用该系统可以由各单元程序组合各种所需要的应用程 序。不少作者根据自身的需要，开发了各种专用程序或程序系统，如原子发射光 谱f 5 “、原子荧光光谱 5 ”、紫外可见分光光度法】、薄层层析和气相液相色谱( 5 5 】。 郭业勤m 利用r s 一2 3 2 c 串口通讯技术在数据采集的a p p l e i i 和p d p 1i 0 3 微机上 开发发送软件，在长城0 5 2 0 一c h 上开发接收软件，设计了化探数据处理系统 o p s g e ，实现计算机自动控制测量过程、数据采集与处理、分析质量管理与监控。 邵学广等m 1 设计了包括9 种因子分析方法及一些辅助功能的c f a 系统软件， 并成功的用于色谱定量分析络合物的组成分析以及多组分色谱重叠峰的解析。 计算机与化学仪器的接口。其任务是研制计算机与化学仪器相接时的软硬件 运行环境，它包括实验数据的采集与处理两方面的内容。对数据的采集一般采用 数据采集器实现，如美国吉时利公司的d a s t 系列数据采集卡、北京科技大学的 并口数据采集器等等。其方法是使用a d 或d a 转化技术将化学测量中的模拟 信号转化为计算机可识别的数字信号或将计算机发出的数字信号转化为化学仪器 可识别的模拟信号，进而实现寻测试及工艺过程的控制。目前，测试仪器接1 2 1 系 统已专用发展为通用接口系统，如s - 1 0 0 总线，e i a r s 一2 3 2 c 串行接i s 总线、 i e e e 一4 8 8 接1 ：3 总线、i e e e l3 9 4 总线等等，其今后向模块式、智能化测试系统方 向发展将是一种必然趋势。采集数据的处理，是通过不同目的应用软件系统实现。 将计算机技术与化学仪器结合从而到分析测试的自动化、智能化是当前新仪器、 新设备的设计与制造的重要发展趋势。 浙江工业大学硕士学位论文 计算机化是分析仪器当前发展的重要趋势，也，巴计算机应用的重要方面。分 析仪器的计算机化可以改善仪器的性能，增强仪器功能，实现仪器的实时控制和 自动化，提高仪器运行的可靠性与分析结果的精度和准确度。我国分析仪器的计 算机化，经历了一个由局部设备计算机化到联机运行到计算机化仪器整机设计的 发展过程，已经取得了不少进展。 张俊贤等【5 8 1 介绍了7 5 0 2 b 型多道i c p a e s 微机系统，该系统软件实现了汉 化。杨孙楷【5 9 1 评述了计算机化电位溶出法的发展。 进年来，一些作者积极开发了在管理方面的计算机软件。邱昌琴等【6 0 1 编制了 分析结果的数据检查与处理程序以及各类分析结果报告程序，用计算机管理实验 室。应志春等卿1 研究了分析实验室数据收集系统，该系统中央计算机室多用户分 时计算机，用异步串口接口按零调制解调器的连接方式与i c p a e s 、i c p m s 、x r f 等分析仪器、其它i b m 兼容机、长城0 5 2 0 d h 、工作站组成异步通讯系统。 陆婉珍等1 研制了n i r 2 0 0 0 近红外光谱仪，近红外光谱快速分析技术是集 光谱学，光学，化学计量学，计算机等技术为一体的高新技术，这种先进技术与 先进的控制技术相结合，可实现装置平稳运行和质量卡边控制操作，其中的化学 计量学光谱分析软件是的核心部分，该仪器有效填补了我国该领域的空白，达到 国际先进水平。 黄厚今等【6 2 1 设计了i c p a e s 多色仪k f 软件包，可替代或补充仪器原有的 数据采集与处理系统。叶英植f 6 3 i 等将k f 速差动力学分光光度法与f i a 停留技术 结合，同时测定f e 、n i 、和c u ，并自行研制了接h 控制板，实现了该方法联机 数据自动采集与处理。陆晓华等呻1 采用联机k f 分辨p b 2 + 和s n 2 + 严重重叠的极谱 波。 许立铭等邮1 以i b m p c 兼容机及通用a d d a 数据接口卡改造普通电化学测 试仪器，设计了一套集信号输出、数据采集、数据处理、图形显示和打印于一体 的测试系统，软件数据分析部分采用了三参数或四参数弱极化方程式，应用高斯 f 牛顿一麦夸脱法进行曲线拟合，从而得出金属得的腐蚀速度i ，阴极扩散电流【l 以及电化学参数b a 和b b ，实际测量结果表明系统具有较好的可靠性和测量精度。 白若彬等【6 ”通过对三台不同型号的岛津等离子体光谱仪的数据处理系统改 造，使用p c 系列微机与光谱仪主机之间的r s 2 3 2 c 串行通信和i e e e 一4 8 8 并行 浙江工业大学硕士学位论文 通信，将原软件移植成功，并加入了一些功能和删除了一些不必要的操作，进一 步开发了该仪器的功能，使其维修、维护和应用变得方便快捷。 张超等【6 7 1 开发了新型多通道化学实验微机测量与处理系统，从硬件电路设计 到软件的开发，充分利用了计算机资源，可以同时对1 0 路以上化学实验数据进 行采集、存储、计算和作图处理。 蔡宇光等【6 8 1 开发了x p s 、s i m s 微机数据系统，使用了v b v c 语言编程， 用微机取代原p d p 1 1 2 小型机实现了对多功电子能谱仪进行数据采集和处理工 作，增强了数据处理能力。 李志刚等【6 9 i 开发了w i n d o w s 下电子探针软件系统，用p c 机通过r s ，2 3 2 c 异步串行口与电子探针控制机通讯，实现对各道波谱仪和样品台的实时控制，以 及对各道定标器的数据采集，采用分布式数据库系统以及数据访问对象( d a o ) 与开放式数据对象链接( o d b c ) 混合编程技术。 陈亮等【7 0 i 结合化学实际工作的需要，将较常用的一些软件整理，开发了数理 统计计算软件。 周红等【7 1 1 开发的综合电化学分析系统，具有开放性的框架结构，主要由计算 机、电化学系统( 主机) 、软件系统三部分组成，具有独立的高速高精度任意信 号数字波形发生器，独立的高速宽动态范围数据采集系统，多技术联用的硬件接 口，数据分析、实验监控、波形发生及信号采集四部分协同并行工作，通用数据 分析与处理技术。 颜晓梅( 7 2 l 报道了一种适用于多道i c p a e s 和多种瞬时进样技术在线联用的 信号采集、处理方法及相应软件，该方法适用范围轳宽，己成功地用于4 种不同 联用技术的信号检测。 何嘉耀等【7 3 i 的自装c c d i c p o e s 软件系统，以w i n d o w s 9 5 为运行平台，用 v c + + 4 2 编程语言，包括光栅控制、c c d 控制、动态监视、光谱信号处理、波长 定位、定量分析、自动谱线定位、差谱法、卡尔曼滤波法、人工神经网络模式识 别技术等功能。 邹曦露等 7 4 1 以c + + 语言编写了m sw i n d o w s 环境下的联机曲线拟合法e p r 波谱基线校正软件。王伦7 ”自编了三维荧光光谱法绘图分析程序用来确定特征分 析峰，连续测定了苯胺、二苯胺和n 一甲基苯胺三组分。 浙江工业大学硕士学位论文 许多学者设计研制的各种电化学微机辅助分析测试系统，系统一般能够自动 切换测量增益，能对实验时间、电流、电位以及电量进行实时控制与显示，背景 电流也能够自动被扣除，极大提高了实验的自动化程度和结果的准确度。纪华民【7 6 l 研究了微机控制下的计时电流和计时库仑技术，赵叔希等m i 采用微机控制计时电 位法测定了银离子扩散系数。夏树屏m 1 将离子计与微机联用，通过多参数跟踪技 术研究了盐类溶解的动力学行为。 在测动力学参数微机化中，采用将与动力学体系有关的物理量转换为电信号 的仪器( 如光度计、电导仪、p h 计、离子计、各类电极等) 作为前置仪器，用 程序进行实验控制并完成数据采集。魏登贵等【7 9 1 开发了一套动力学参量的数据登 录及处理系统，使用电导仪作前置仪器，测定了乙酸乙脂皂化反应的速率常数， 稍加改进也可用于其它动力学实验。 虚拟仪器是9 0 年代以来随着计算机技术的不断进步而逐渐发展起来的一类 新仪器产品，是指具有虚拟仪器面板、多种使用功能的个人计算机仪器。其最大 的特点是用户可以通过软件设计，根据自己的需要定义仪器的功能和性能。虚拟 仪器由个人计算机、模块化功能硬件和控制软件组成。操作者通过友好的图形界 面控制仪器的运行，完成被测试量的采集、分析、判断、显示、存储及数据生成。 随着科学技术的发展，越来越多的计算机用户认识到商品应用软件和软件包 的重要性。商品软件包是将用户多、应用广泛的程序软件标准化、模块化，制作 成解决某类典型问题的应用程序组合。 目前，由于大多数化学工件者，计算机应用能力不是很高，一些经验不能用 计算机加以推广应用，即使能编出一些程序，也不能做成人机界面友好，通用性 强的软件。另一方面计算机化学难以成功，是因为直至今日，化学中可以转化为 能有效地应用计算机来解决的形式数学( f o r m a lm a t h e m a t i c s ) 的问题还不多。而且 化学知识的信息量大，又多是经验和各种数据类型混杂的，化学仍然是需要化学 家的经验和直觉的科学，这一特性妨碍了用计算机来解决化学问题。因此，未来 ， 计算机化学的发展将很大程度上取决于能否将化学问题转化为形式数学问题【8 0 1 。 1 3 本文的研究意义及工作目标 随着计算机技术的迅速发展，特别是进入9 0 年代以来，随着价格低廉、使 浙江工业大学硕士学位论文 用方便的微型计算机的普及，将微机自动控制和数据采集技术用于化学实验领域 的应用研究引起了国内学者的广泛兴趣。通过研制微机辅助测量及数据处理系 统，大大减少了传统实验在人工读数、记录和处理等过程中所引入的人为误差， 使各类实验的数据采集、显示、存储和处理合为一体，极大地提高了化学实验的 自动化程度和实验数据的测量精度。目前，国外形成了一系列软件，仪器硬件整 机化”1 i ，但国内由于还有大量尚未配置数据处理软件工作站的中小型仪器，所以 开发一系列中小型仪器的数据处理软件有相当重要意义。另一方面，在计算机控 制下，现代分析仪器以惊人的速度完成采集、归整、变换和处理天量的数据，如 果没有与之相应的高效方法来从这些数据中取得信息，那么使用现代分析仪器只 会带来成堆的问题而不会得到问题的解决。化学计量学的发展，为广大分析工作 者，解决了仪器自动化、智能化所带来的大量复杂的信息。未来的分析仪器将在 硬件和软件两方面并行发展，使之更为智能化、高效、多用，而在不改变硬件的 基础上通过软件的更新来实现新的功能是现有仪器升级改造的有效途径。因此， 为了使化学工作者提高化学实验的测试水平，开发将微机自动控制、数据采集技 术和化学计量学相结合的化学分析软件包将具有非常广阔的应用前景。 图1 1 微机自动控制和数据采集应用系统的一般硬件原理框图 化学实验及化学研究需要大量的实验数据、记录谱图及后续的数据处理工 作。目前在化学化工实验室中对测试仪器的信号进行记录的还是经典的笔式记录 仪，如单笔或多笔的x y 记录仪，立式或卧式的长图记录仪，这种传统的信号图 形记录方法还在大量使用。随着计算机尤其是微机的日益普及，利用数字记录和 ， 微机来处理实验研究中的各类数据、图形谱等信号，必将成为一种发展趋势，也 是数字化时代发展的一种必然方向。 本论文拟在利用目前已普及的微型计算机对化学化工实验研究中对需要记录 的图形测试信号进行采集，由微机进行数字化记录和处理，并根据不同的需要进 行相应的数字处理，进而得到相应的数值数据或相应的一维、二维或多维图谱， 浙江t 业大学硕士学位论文 其处理结果是目前经典记录仪无法得到的，从而可以得到更多有用的信息。并克 服x y 函数记录仪记录面积小，响应速度慢，灵敏度低，及循环重画导致图纸 画破等缺陷。首先以数字化信号记录方式代替目前化学化工实验研究中大量使用 的单笔或多笔x y 函数记录仪，并能达到x y 函数记录仪无法达到的处理功能， 如数字化信号存储、差谱技术、图谱的选择性叠加打印、图谱的解析、数字化滤 波、信号的变换处理等。同样可以用在代替单笔或多笔长图记录仪，以数字化方 式记录时间函数的信号，并能进行长图记录仪本身无法完成的各种数字化处理功 能。 由于分析工作者从事的领域和研究方向多种多样，有的分析工作者根据自己 的问题自行设计了一些化学计量学方面的应用程序，但这方面的应用软件包具有 的共同特点是种类多，应用程序一般较小、通用性较差。而且，由于化学计量学 涉及到统计学，数学，化学，及计算机，而能掌握数学及计算机的分析化学工作 者还不是很多，这使得大多数分析工作者对化学计量学这一边缘学科有一种“望 而生畏”感，更不用说去主动应用它，即使想使用一些化学计量学方法来对一些 分析数据进行处理，也还得专门去查找数学书，分析算法，编写程序，这样花费 很大精力，而不能专注于实际问题的解决。从而一止j 化学计量学方法不能在分析 化学中得以推广应用。这些问题的出现主要是由于目前在我国缺乏兼有计算机和 化学两个专业知识的编程人员。 因此，本论文另一方面在前人的基础上，筛选若干质量高、实用性强的化学 计量学方法及一些化学计量学中最新成果，设计成人机界面友好，通用性强的分 析化学计量学软件模块。旨在提高分析工作者利用化学计量学家的理论研究成 果，解析化学实验数据，最大限度的获取有关分析对象的化学信息及其相关信息， 并可弥补一些分析仪器所不具备的数据处理功能，使化学计量学这一新兴学科得 到推广应用。同时，在系统开发过程中，归纳总结比较在本论文中所用到的化学 计量学方法，使这些方法的程序标准化，系列化，并根据情况提出一些新的方法 理论。以后通过研究部门和企业的协作，将这些程序、新理论应用于仪器设计中， 对提高我国分析仪器研制水平有一定意义。 综合以上，本论文主要工作包括三方面： 1 、开发通用智能化学数据采集显示处理系统。主要是替代目前使用的x y 浙江工业大学硕士学位论文 函数记录仪，有信号处理、谱图显示放大缩小、曲线拟合、重叠峰分辨等 功能。硬件部分，根据一些分析仪器的输出电信号选择相应的a d 、d a 采集卡，实现软硬通讯。 2 、开发通用离线数据处理分析系统。 点在多元校正、因子分析两部分， 以化学计量学工具箱模块为主，工作重 多元校正、因子分析是化学计量学中研 究热点，也是化学计量学中最具有特色也最富有成果的重要分支。 3 、开发实验室信息管理系统。包括样品一检测结果一原始记录，检测项目，检 测方法和标准，材料和标准品仓库，仪器设备等以及相关信息的产生、 记录、储存、查询、统计、备份以及各种报告的制作和管理。 4 、把以上三主要模块集成一个通用性强、界面统一、智能化的化学数据处 理系统。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章系统软件整体开发 2 1 系统功能及组成规划 目前，我国大多数高校工厂企业仍然拥有大量各种早期的中小型分析仪器， 主机性能大都保持良好，由于一些仪器没有配备分析工作站使得操作人员进行 分析工作的效率降低，人为的因素造成分析的数据准确性较差，而且，大量的分 析数据无法方便的进行存储，造成数据的丢失或遗漏。而一些配备了分析工作站 的分析仪器，配