一种可自动调节的在线X荧光分析仪光路装置及使用方法

技术领域

本发明涉及一种工业物料成分在线分析领域，具体说涉及一种可自动调节的在线X荧光分析仪光路装置及使用方法。

背景技术

X射线荧光光谱分析是一种快速的、非破坏式的物质测量方法。X射线荧光是用高能量X射线或伽玛射线轰击材料时激发出的次级X射线。这种现象被广泛用于元素分析和化学分析，特别是在金属，玻璃，陶瓷和建材的调查和研究，地球化学，法医学，考古学和艺术品，例如油画和壁画。

X射线荧光光谱仪又称XRF光谱仪，分为色散型和非色散型两种。色散型又分为波长色散型和能量色散型。波长色散型荧光光谱仪是用分光晶体将荧光光束色散后，测定各种元素的特征X射线波长和强度，从而测定各种元素的含量。而能量色散型荧光光谱仪是借助高分辨率敏感半导体检查仪器与多道分析器将未色散的X射线荧光按光子能量分离X色线光谱线，根据各元素能量的高低来测定各元素的量，由于原理的不同，故仪器结构也不同。能量色散型荧光和波长色散型荧光折两种仪器，各有所有点和不足，它们只能互补，而不能替代。

波长色散型XRF光谱仪由X射线管激发源、分光系统、探测器系统、真空系统和气流系统等部分组成。根据分析晶体的聚焦几何条件不同，分为非聚焦反射平晶式、半聚焦反射弯晶式、全聚焦反射弯晶式、半聚焦透射弯晶式等。为了准确测量衍射光束与入射光束的夹角，分光晶体需安装在一个精密的测角仪上，还需要一庞大而精密并复杂的机械运动装置。

而如果只为了分析某一种元素的含量的时候，则无需测角仪，只要把分光晶体以合适的角度固定在分光系统中。由于波长色散分析仪的分光系统结构精密，目前属于适合在实验室分析的用途，而用在工业在线检测分析的话，由于有些工业生产现场的恶略条件，如环境温度变化波动大、存在持续的震动或震幅较大等，都严重影响了波长色散分析仪在工业现场应用的效果。

特别是波长色散分析仪在工业现场运行一段时间后，随着温度变化和震动等影响，导致分光晶体对X荧光的反射聚焦状态发生改变，使探测器接收到的有效X荧光强度降低，影响分析精度。目前对此类现象的维修手段就是工作人员拆开分析仪，使用手工调节，而又受到现场的潮气大、粉尘多、空间狭小等不利条件，导致调试工作非常困难。

发明内容

针对目前系统所存在的不足，本发明提出一种可自动调节的在线X荧光分析仪光路装置及使用方法。

本发明的具体内容为：

在分光壳体（101）的内部，安装四块遮挡块（102），安装晶体台（203）；晶体座（202）通过轴销（204）与晶体台（203）连接，晶体座（202）能够以轴销（204）为中心转动；在晶体台（203）上固定有弹簧片（205），弹簧片（205）的翘起部位顶在晶体座（202）的一端；晶体座（202）上固定有分光晶体（206）；分光壳体（101）开有圆孔，圆孔的内部设有螺纹；晶体台（203）开有圆孔，晶体台（203）的圆孔与分光壳体（101）的圆孔是同心的，且晶体台（203）的圆孔的内径要比分光壳体（101）的圆孔的内径要大；

涡轮（301）与转轴（302）的一端连接；在转轴（302）的另一端设有螺纹，转轴（302）的螺纹部分与分光壳体（101）连接，通过涡轮（301）的顺时针方向或逆时针方向旋转，可以调节转轴（302）在分光壳体（101）内部空间里的长度；转轴（302）的在分光壳体（101）内部的一端接有顶头（303），顶头（303）为圆柱形，在不与转轴（302）连接的一端设为圆台形；顶头（303）与转轴（302）同心，且顶头（303）的外径为φ2，晶体台（203）的圆孔的内径为φ3，分光壳体（101）的圆孔的内径为φ1，则有φ1<φ2<φ3；

分光壳体（101）的外部固定有步进电机（401），步进电机（401）连接有蜗杆（402），蜗杆（402）与涡轮（301）构成蜗轮蜗杆结构；当步进电机（401）旋转时，通过蜗杆（402）带动涡轮（301），由于转轴（302）与分光壳体（101）的螺纹连接，涡轮（301）与分光壳体（101）的距离是变动的，当涡轮（301）与分光壳体（101）的距离处于最远距离和最近距离的条件下，即晶体座（202）分别处于极限位置1、极限位置2的状态；

涡轮（301）一侧与转轴（302）连接，另一侧通过联轴器（405）与多圈绝对值编码器（403）连接；多圈绝对值编码器（403）通过电缆与电机控制模块（404）连接，电机控制模块（404）为多圈绝对值编码器（403）提供工作电源及接收信号；步进电机（401）通过电缆与电机控制模块（404）连接，电机控制模块（404）为步进电机（401）提供工作电源及发送控制信号；

分光壳体（101）开有狭缝A（103）和狭缝B（104），X荧光从狭缝A（103）入射，经过分光晶体（206）的反射之后，从狭缝B（104）出射；分光壳体（101）连接有探测器（105），探测器（105）接收从狭缝B（104）出射的X荧光；探测器（105）通过电缆与信号处理器（106）连接，信号处理器（106）为探测器（105）提供工作电源及接收信号；

信号处理器（106）通过电缆与工控机（107）连接，信号处理器（106）将接收到探测器（105）的脉冲信号后，转换为计数率的数字信号传输给工控机（107）；

电机控制模块（404）通过电缆与工控机（107）连接。

当需要将分光晶体（206）调整到最佳位置时，工控机（107）通过电机控制模块（404）控制步进电机（401）的旋转，使晶体座（202）从极限位置1的状态逐渐变化到极限位置2的状态，在该过程中，多圈绝对值编码器（403）的信号传输给电机控制模块（404），经过电机控制模块（404）转换为代表晶体座（202）不同位置的数字化信号后传输给工控机（107）；同时信号处理器（106）将接收到探测器（105）的脉冲信号后，转换为计数率的数字信号传输给工控机（107）；工控机（107）将数据处理成为谱形；

工控机（107）对谱形进行平滑处理，然后对平滑之后的谱形寻找最大值，最大值的横坐标位置n1所对应的晶体座（202）位置为最佳位置，工控机（107）通过电机控制模块（404）控制步进电机（401）的旋转，使多圈绝对值编码器（403）的信号对应到n1即可。

有益效果：

通过采用本发明的内容进行实施，可以实现对光路的自动调节，自动将波长色散的光路调整到最佳状态，避免了因环境的温度变化、震动等不利因素影响造成的仪表分析精度降低，减少了维护的工作量，不用打开仪器装置进行手动调节。

附图说明

图1：分光器系统工作原理图

图2：晶体座局部放大图

图3：转轴、顶头局部放大图

图4：电机、蜗轮蜗杆位置图

图5：晶体座极限位置1示意图

图6：晶体座极限位置2示意图

图中：101 分光壳体，102 遮挡块，103 狭缝A，104 狭缝B，105 探测器，106信号处理器，107 工控机，202 晶体座，203 晶体台，204 轴销，205 弹簧片，206 分光晶体，301 蜗轮，302 转轴，303 顶头，401 步进电机，402 蜗杆，403 多圈绝对值编码器，404 电机控制模块，405 联轴器。

具体实施方式

如图1所示，在分光壳体（101）的内部，安装四块遮挡块（102），安装晶体台（203）；

如图1、图2所示，晶体座（202）通过轴销（204）与晶体台（203）连接，晶体座（202）能够以轴销（204）为中心转动；在晶体台（203）上固定有弹簧片（205），弹簧片（205）可用螺钉固定在晶体台（203）上，弹簧片（205）的翘起部位顶在晶体座（202）的一端；晶体座（202）上固定有分光晶体（206）；

如图1、图2、图3所示，分光壳体（101）开有圆孔，圆孔的内部设有螺纹；晶体台（203）开有圆孔，晶体台（203）的圆孔与分光壳体（101）的圆孔是同心的，且晶体台（203）的圆孔的内径要比分光壳体（101）的圆孔的内径要大；

涡轮（301）与转轴（302）的一端连接，涡轮（301）与转轴（302）同心；在转轴（302）的另一端设有螺纹，该螺纹的尺寸与分光壳体（101）的圆孔内螺纹尺寸相匹配，转轴（302）的螺纹部分与分光壳体（101）连接，通过涡轮（301）的顺时针方向或逆时针方向旋转，可以调节转轴（302）在分光壳体（101）内部空间里的长度；转轴（302）的在分光壳体（101）内部的一端接有顶头（303），顶头（303）为圆柱形，在不与转轴（302）连接的一端设为圆台形；顶头（303）与转轴（302）同心，且顶头（303）的外径为φ2，晶体台（203）的圆孔的内径为φ3，分光壳体（101）的圆孔的内径为φ1，则有φ1<φ2<φ3；

如图4所示，步进电机（401）连接有蜗杆（402），蜗杆（402）与涡轮（301）构成蜗轮蜗杆结构，步进电机（401）、蜗杆（402）、涡轮（301）保持相对位置不变；

如图5、图6所示，当步进电机（401）旋转时，通过蜗杆（402）带动涡轮（301），由于转轴（302）与分光壳体（101）的螺纹连接，涡轮（301）与分光壳体（101）的距离是变动的，当涡轮（301）与分光壳体（101）的距离处于最远距离和最近距离的条件下，即晶体座（202）分别处于极限位置1、极限位置2的状态；

如图1所示，涡轮（301）一侧与转轴（302）连接，另一侧通过联轴器（405）与多圈绝对值编码器（403）连接；多圈绝对值编码器（403）通过电缆与电机控制模块（404）连接，电机控制模块（404）为多圈绝对值编码器（403）提供工作电源及接收信号；步进电机（401）通过电缆与电机控制模块（404）连接，电机控制模块（404）为步进电机（401）提供工作电源及发送控制信号；

分光壳体（101）开有狭缝A（103）和狭缝B（104），X荧光从狭缝A（103）入射，经过分光晶体（206）的反射之后，从狭缝B（104）出射；分光壳体（101）连接有探测器（105），探测器（105）接收从狭缝B（104）出射的X荧光；探测器（105）通过电缆与信号处理器（106）连接，信号处理器（106）为探测器（105）提供工作电源及接收信号；

信号处理器（106）通过电缆与工控机（107）连接，信号处理器（106）将接收到探测器（105）的脉冲信号后，转换为计数率的数字信号传输给工控机（107）；

电机控制模块（404）通过电缆与工控机（107）连接。

当需要将分光晶体（206）调整到最佳位置时，工控机（107）通过电机控制模块（404）控制步进电机（401）的旋转，使晶体座（202）从极限位置1的状态逐渐变化到极限位置2的状态，在该过程中，多圈绝对值编码器（403）的信号传输给电机控制模块（404），经过电机控制模块（404）转换为代表晶体座（202）不同位置的数字化信号后传输给工控机（107）；同时信号处理器（106）将接收到探测器（105）的脉冲信号后，转换为计数率的数字信号传输给工控机（107）；工控机（107）将数据处理成为谱形，谱形的横轴代表晶体座（202）不同位置，取值范围为1~N，其中极限位置1状态时对应为1，极限位置2状态时对应为N，纵轴为晶体座（202）处于该位置状态下的计数率。

为避免涨落效应，工控机（107）对谱形进行平滑处理，具体的平滑公示为：

当1≤n≤4或N-4≤n≤N时，

当4

其中

然后对平滑之后的谱形寻找最大值，找到max（

其中：

探测器（105）为流气正比计数器；

步进电机（401）选用 三拓步进电机 39HS4006A4 ；

多圈绝对值编码器（403）选用WDGA 58B绝对值编码器（德国）。