关于直读光谱仪的那些事儿

直读光谱的介绍篇

1、原子发射光谱仪由哪几部分构成？

原子发射光谱仪器一般由激发光源、色散系统和检测系统组成。 
激发光源——提供试样蒸发，原子化，激发的能量； 
色散系统——将光源产生的复合光按波长顺序分开； 
检测系统——检测并记录光谱。 
根据所检测到的特征谱线的波长和强度来测定物质的元素组成和含量。 

2、直读光谱仪有哪些种类？

直读光谱仪可以有不同的划分方法。 
根据光栅所处的环境不同，可分为真空型和非真空型直读光谱仪，其中非真空型直读光谱仪又可分为空气型直读光谱仪（无法测定真空紫外波段的C、P、S、As等元素含量）和充惰性气体型直读光谱仪（可以测定真空紫外元素）； 
根据仪器的结构不同，又可分为多道直读光谱仪和全谱直读光谱仪，其中前者多采用光电倍增管作为检测器，后者多采用阵列检测器（如CCD）。 
随着CCD技术的不断发展，直读光谱仪开始朝小型化、全谱型方向发展。小型化仪器功耗小，占用空间小且易于维护；全谱直读光谱仪能够获得全波段范围内的光谱，满足多基体分析要求，谱线选择灵活，可以有效扣除光谱干扰，分析更准确，而多道直读光谱仪只能检测有限数量的光谱，很难做到这一点。 

直读光谱的选择篇

（斯派克直读光谱仪）

1、全谱型光谱仪和多道型光谱仪各有什么特点？

全谱型光谱仪具有以下特点：

1）全谱检测，能够获得紫外至可见的所有谱线，可根据需求来选择分析谱线，易于实现多基体的分析； 
2）能根据元素的含量范围和基体种类选择优的分析谱线，实现更准确的测量； 
3）易于扩展升级，用户若需增加新基体或新元素的分析，只需添加相应分析程序，无需改变仪器硬件； 
4）谱线信息丰富，结合扣背景、谱线分离等先进的算法，可以准确扣除各种光谱干扰； 
5）仪器校准方便快捷，只需通过智能校准算法，即可实现光谱校正，无任何运动部件； 

多道光谱仪的主要特点：

1）多采用PMT检测器，具有噪声低、动态范围大的优点，特别适合高纯金属的分析； 
2）数据读出速度快，可实现光谱时域解析（TRS）、单火花评估等功能，从而满足酸溶物和夹杂物等特殊分析需求； 
3）定制化生产，通道选择出厂前已配置完成，升级困难。 
4）受到PMT体积和安装空间的限制，元素配置的通道有限，在分析不同含量范围和基体种类的样品时，往往采用同一分析谱线，不能实现佳的分析效果； 
5）测量的是出缝宽度内的整体光强，这种方法无法消除背景和光谱干扰。 

2、实现真空紫外波段测量的手段有哪些？

在直读光谱仪的实际应用中，如C、P、S、As等元素的佳光谱线均在真空紫外波段，而空气中的氧及水蒸气等会对这些谱线产生强烈的吸收，使光谱强度急剧减弱，影响元素测量，所以应当将光室中的空气除去。 
目前主流市场上主要有两种方式可以实现真空紫外波段元素的测量：光室抽真空或充惰性气体（如氩气、氮气等）。 
抽真空型的直读光谱仪需要用额外的真空泵，存在油蒸汽污染严重、噪声大等环境问题。同时，功耗高、真空稳定速度慢，仪器需长期开机，浪费严重。 
光室充惰性气体能实现真空紫外探测能力的同时，还具有稳定时间短，无噪声等优点，且能避免由于真空系统造成的光室变形、仪器漂移和环境污染等问题。目前，市场主流光谱仪多采用CCD传感器作为检测装置，光室体积可做到很小，更有利于惰性气体环境建立，从而得到更好的紫外元素分析效果，且该项技术已经过十多年市场验证，稳定可靠。 

直读光谱的安装篇

（直读光谱仪）

1、直读光谱仪的安装须满足什么条件？

环境要求：

（1）光谱仪应置于的工作空间，附近应无有害、易燃及腐蚀性的气体，不要与化学分析放在一起。 
（2）保证至少十平方米以上空间。 
（3）工作温度：（10～30）℃，因仪器工作需要恒温条件，室温波动要尽量小，室内需要安装空调。 
（4）存储温度：（0～45）℃。 
（5）环境相对湿度：（20～80）％，对于潮湿地区，需配备一台除湿机。 

放置位置要求：

（1）光谱仪应该放置在一个平整、稳定的位置，不应该有震动。 
（2）光谱仪的背面与墙之间应该留有适当的距离以方便安装与维护。 

电源要求：

（220±20）V AC，50Hz，保护性接地的单相电源。电源的PE接地必须可靠，以保证仪器正常工作和避免人体触电。如果不能保证PE可靠接地，请为仪器提供一条地线。
为保证仪器的正常使用，请为仪器配备一台（1~2）KVA（视接负载量而定）的单相220V 交流参数稳压器。

氩气要求：

（1）氩气纯度≥99.999%； 
（2）氩气入口压力：0.5MPa； 

标准样品：

准备适合自己产品类型的标准样品或内控样品。 

2、地线和电源的质量为什么会影响检测结果？

光源产生的电磁辐射被屏蔽罩吸收并随地线释放，假如接地不良，这些干扰电压就会影响各弱电回路的地电位，从而造成控制系统误动作，模拟信号失真，分析精度差等问题。所以经常维护地线是十分必要的。一般要求零线和地线之间的电压小于2V，大不能超过5V。 
光电直读光谱仪基于光电转换原理，若电源电压不稳会造成激发光源的能量波动，采集信号异常等问题，因此直读光谱仪使用过程中一般要配有稳压器。另外，由于大功率电器会影响电网的稳定性，从而影响直读光谱仪的测量精度，而强辐射的电器也会通过空间电磁场干扰数据的采集，引起测量误差，因此直读光谱仪还应避免与大功率、强辐射电器同时使用。 

3、温度对光谱仪有什么影响？

直读光谱仪属于精密测量仪器，光学系统微小的变化（如结构件的热胀冷缩等）即会引起很大的测量误差，因此光谱仪在设计时会对光学系统进行恒温控制。但即使如此，外界温度的变化仍会影响恒温系统的热平衡状态，引起测量误差，因此为了保证测量结果的精密度，应尽可能减小使用过程中环境温度的波动，大不应超过5℃。 
另外，大多数光谱仪厂家对仪器的使用温度都有严格的限制，一般在10-30℃之间。首先是因为仪器在工厂校准时的温度在20℃左右，10-30℃内使用可以获得较好的测量精度，其次仪器的部件及设计在10-30℃范围内具有更高的可靠性，超出该温度范围使用，会引起可靠性下降，严重的还会引起仪器故障；另外，光谱仪一般把光室的温度控制在34~38℃之间的某个温度点（不同型号仪器恒温温度不同），为了确保光谱仪的恒温控制正常工作，仪器使用的环境温度必须与光谱仪恒温温度有一定的温差，因此要求仪器使用环境温度低于30℃。 
因此，直读光谱仪在使用过程中应严格控制环境温度，配备足够功率的空调系统。 

直读光谱的验收篇

1、光电直读光谱仪的验收指标有哪些？

直读光谱仪的验收指标可参考《JJG768-2005 发射光谱仪检定规程》，主要的是直读光谱仪的重复性和稳定性。
其中，重复性反应仪器的基本性能及误差影响，是主要的验收指标。重复性良好，说明数据波动较小，具备准确测定的能力。如果数据重复性不好，数据之间相差较大，就无法确定哪一个数据更可靠，也就无法完成准确的测量。 
稳定性是测量仪器保持其计量特性随时间恒定的能力，衡量仪器一段时间内测量结果的波动性，决定了仪器的校准周期，稳定性好可以适当延长校准时间，降低仪器的使用成本。 
很多人在验收过程中，仅关注准确度，这种认识是片面的。直读光谱仪的定量方法属于参照法，即需要一系列的标样来制定工作曲线作为参照标准，再通过对比待测元素的强度，计算出元素含量。由于标样和实际样品存在差异，测量结果势必有一定的偏差，但这种偏差可以通过控样来修正。因此，测量结果的准确度除了与仪器有关外，还与控样的质量有密切的关系，只有重复性和稳定性才直接体现仪器性能的好坏。 

直读光谱的耗材选择篇

1、为什么光谱仪激发样品时需要高纯氩气保护？

（1）氩气的电离电位较低，易于形成等离子区； 
（2）氩气为惰性气体，不会与样品金属蒸气反应； 
（3）氩气能够传输真空紫外光谱（并非真空下的光谱，而是波长在10-200nm之间的光谱），如C、P、S等，不会影响紫外及真空紫外区域元素的测定； 
（4）氩气为原子状态气体，谱线简单，不宜形成谱线干扰； 
（5）氩气的背景辐射低； 

自行检查氩气的质量比较困难，一般而言，首先是看氩气供应商的资质，其次，为保证氩气纯度，可配置氩气净化器。若要对氩气检验，须采购特定的氩气纯度测定仪。 
当然还有一种简单方法，因直读光谱仪对氩气的纯度要求很高，可以用直读光谱仪试用下，若能够正常激发，打出来的点无异常，且数据稳定，一般来说就可正常使用。为避免出现雾状白点，建议配置氩气净化器。 

2、如何选择控样？

使用控样的思想就好比天平的砝码调节。控样能够减少曲线漂移，仪器波动，样品冶炼和加工工艺等带来的差异，建议测定样品时一定要使用控样校正。 
控样应该是一个与分析试样的冶金过程和物理状态一致的标准样品，其各元素含量应当准确可靠、成分均匀、外观无气孔、沙眼、裂纹等物理缺陷，并且各元素含量应位于校准曲线含量范围之内，尽可能与分析样品的含量接近。《校正标样在光电直读法中的分析研究和运用》（张存贵郝艳峰）一文报道：通过实验对比发现，用自己熔炼的校正样品分析比用市场上采购来的样品分析准确性更好，因而建议有实力的厂家，好是把自己的产品熔炼后重新定值作控样。 

直读光谱的样品要求篇

1、光电直读光谱仪分析时对被检测样品有什么要求？应该如何制样？

为了获得准确的分析结果，要求样品： 
（1）不能有沙眼、小孔、偏析等缺陷； 
（2）样品表面必须平整，可以*盖住激发孔隙； 
（3）样品表面必须清洁、不得污染，不能带有其他物质，也不能用手摸； 

制样要求：一般情况下，铝、铜等有色金属基体的试样需要车或铣，铁、镍等黑色金属基体的试样可以磨制（铸态试样需要先切割）。要求磨制后的样品表面平整洁净、纹路清晰、温度适宜。另外，不同基体的样品尽量不要在同一砂纸制样。 

其中铸铁必须白口化后才能分析，白口化时应注意以下几点： 

1）一般多用样模浇铸，样模尽量取直径35-40mm，厚6-8mm，这样试样冷却快，白口好，待铁水浇后30秒左右取出，开水浇再冷水冷。 
2）不要浇铸过快，避免偏析； 
3）尽量选取砂模，减少缩孔和夹杂。 

2、激发部位的选择：试样制备好后在什么地方激发合适？

一般选在距离试样中心三分之二的圆周部位。（请参阅《分析化学实验室手册》） 
如钢铁试样在模具中凝固以后会形成三个晶区即精细粒区、柱状晶区和等轴晶区。试样外层是精细粒区，该区域晶粒杂乱且区域较小（一般只有两三毫米）；试样中心区域是等轴晶区，就晶体本身来说较适合光谱分析，但是该区域多缩孔、砂眼、夹杂等缺陷；所以距离试样中心三分之二的圆周是理想的分析区域，该区域多为柱状晶，宏观偏析也较小，适合光谱分析。（关于宏观偏析和微观偏析还和易偏析元素含量有关。可以参阅冶金相关书籍。） 
另外，铸态试样凝固时间越短越有利于分析，以避免偏析的出现。 

3、线材、棒材能不能用直读光谱仪分析？

可以，但必须使用特殊的小样品夹具。为满足分析结果的要求，不同的样品需要配备不同种类的夹具。目前很多厂家的仪器可以进行小样品的测定，如Spectro厂家。 

直读光谱的测试篇

1、怎样选择合适的分析谱线？

元素的分析线多为其灵敏线，应选择自吸小、展宽较小、无其他元素干扰等特点的谱线。对于不同的基体，同一元素的分析线可能不同；即使同一基体的同一元素，在低含量段和高含量段的分析线也会不同。多道式光谱仪受PMT排布的限制，一般多只能测量60多条谱线，在谱线的选择上很难根据基体、含量和干扰情况做优化的配置，如Si的分析线一般只提供一条；而全谱型光谱仪一次采集即可获得上万条谱线，谱线选择更为灵活。如，在低合金钢中，Si的分析线选288.16，可以使探测限更低；在不锈钢中Si288.16干扰严重，Si251.16更适合；在铝硅铸造合金中，Si的含量较高，Si390.55更合适。 

注意：同一元素在不同基体中的佳分析线可能不一致，一般按照《分析化学实验室手册》或相关国家标准上的推荐来设置，若推荐谱线不合适，可选择火花强度适宜，无自吸和自蚀的锐线。 

2、如何对谱线进行校正？

由于外界环境变化、仪器设施改动和时间累积等原因，谱线会发生漂移，此时可利用光谱校正标样对仪器进行校正，光谱校正标样属于仪器的配套产品，在使用过程中应当节约，尽量不要用作其他用途。当光谱校正标样使用完以后，请联系仪器维护工程师，不建议自行购买。一般校正的方法如下： 

全谱型：只需激发单块标样，即可通过软件算法自动完成所有谱线的校正。 

多道型：通过描迹完成校正，校正时需激发一组标样才能完成所有通道的校正，如果仪器各通道的漂移不一致，单纯的描迹无法完成校正，需要通过调整出射狭缝位置或折射镜角度，来校正谱线的变化，此操作需要专业的维修工程师才能完成。 

3、为什么要扣除光谱背景？

若标准样品和被测样品的背景不一致时，容易引起测量误差；背景强度过大时，严重影响低含量元素的测定，同时造成仪器检出限过高。因而，扣除背景有利于提高分析结果的稳定性和准确度，提升仪器灵敏度和检出限。 
多道型直读光谱仪测量的是各通道出缝宽度内的光强累加值，无法区分背景强度和谱线强度，测量精度受到背景强度的影响。 
全谱型直读光谱仪可以获得每条谱线的轮廓信息，因此可结合背景校正技术，正确区分背景和谱线，有效提高测量精度。 

4、直读光谱仪在什么情况下必须做标准化？

仪器正常使用的情况下，需要定期（一般为一周）做标准化。若测试数据稳定，可适当延长标准化周期。但有如下情况之一，仪器必须做标准化，否则可能会影响测试精密度。 

（1）光谱校正后。 
（2）仪器移动后。因实验室或厂址更改，可能需要对直读光谱仪进行转移，为保证测试的精密度，转移后需要重新进行标准化操作。 
（3）清洗透镜后。长时间使用会导致透镜变脏，在清洗透镜后需要对仪器重新做标准化。 
（4）清理激发台或更换电极后，建议客户重新做标准化。 

5、如何选择控样？

使用控样的思想就好比天平的砝码调节。控样能够减少曲线漂移，仪器波动，样品冶炼和加工工艺等带来的差异，建议测定样品时一定要使用控样校正。 
控样应该是一个与分析试样的冶金过程和物理状态一致的标准样品，其各元素含量应当准确可靠、成分均匀、外观无气孔、沙眼、裂纹等物理缺陷，并且各元素含量应位于校准曲线含量范围之内，尽可能与分析样品的含量接近。《校正标样在光电直读法中的分析研究和运用》（张存贵郝艳峰）一文报道：通过实验对比发现，用自己熔炼的校正样品分析比用市场上采购来的样品分析准确性更好，因而建议有实力的厂家，好是把自己的产品熔炼后重新定值作控样。 

6、光谱仪定性和定量计算原理是什么？

光谱仪是指能够将光源发射出来的具有各种波长的复色光按照波长顺序展开，并通过检测器测量不同波长光谱强度的仪器。利用光谱仪获得的元素特征波长信息可以定性判断样品中是否含有该元素；通过元素特征谱线的强度可以定量计算该元素含量，即利用一系列标样制定工作曲线，对比待测试样和工作曲线坐标上的强度，得到待测试样的含量。 

直读光谱的维护篇

1、光电直读光谱仪多长时间维护一次？

各直读光谱仪厂家的仪器特点不同，因而其维护保养时间也是不一样的。为保证仪器的正常运行，延长仪器的使用寿命，厂家建议客户根据不同的情况，按如下提示进行定期的部件维护和保养。如果需要整机的维护和保养，请联系相关的厂家，他们会为客户提供完整的解决方案，以解决客户的需求。

（光电直读光谱仪多长时间维护一次）

注：实际清理时间根据客户的使用频率而定，表中2、3、4、5项给出的是小检查周期，若仪器性能良好，适时检查即可，并不一定需要清理。 

2、激发台多久需要清理一次？

针对不同的基体，清理周期有所不同，如Al基一般在激发700-800次需要清理，Fe基在1200次左右。直读光谱仪可根据客户的使用频率，提醒客户及时清理激发台。 

直读光谱的数据处理篇

1、直读光谱仪器的误差来源有哪些？

1)系统误差也叫可测误差，一般包括仪器的本身波动；样品的给定值和实际值存在一定的偏差（标准样品的元素定值方法可能和实际检测方法不一致，这样检测结果会有方法上的差异；同一种方法的检测结果也存在一定的波动）；待测样品和系列标样之间存在成分的差异，可能导致在蒸发、解离过程中的误差，如背景强度的差别和基体蒸发的差异等。 
2)偶然误差是一种无规律性的误差，如试样不均匀；检测时周围的温湿度、电源电压等的变化；样品本身的成分差异等。 
3)过失误差是指分析人员工作中的操作失误所得到的结果，可以避免。如制样不准确，样品前处理不符合要求，控样和待测试样存在制样偏差，选择了错误的分析程序等。 

2、仪器测定结果偏差较大，分析结果不稳定该如何处理？

1）检查分析方法是否正确，如分析模型、分析程序等； 
2）仪器本身稳定：检查仪器光室温度、内部环境温度、氩气压力是否满足分析要求； 
3）激发控样：若控样分析结果良好，说明仪器性能不存在问题，待测样品可能存在偏析、缩孔、裂纹等缺陷； 
4）控样结果也存在较大问题时，应当标准化； 
5）清理火花台，擦拭透镜或平镜，清理排污通道，更换氩气等，然后重新校准曲线； 
6）外界条件符合要求：室温、湿度在规定范围内；电源电压稳定；周围无大功率、强辐射电器运作；地线连接良好等； 
7）对部分基体中的特别元素需要延长仪器稳定时间。 
若还存在问题，请联系相关厂家工程师。 

3、使用过程中发现C、P、S数据变化，而其他元素正常该怎么处理？

C、P、S的特征谱线在真空紫外区，只有在真空或惰性气体环境下才能准确测定。C、P、S的测量性能变差，往往与光传输效率下降有关。常规的处理方法如下： 

充氩仪器：延长光室吹扫时间，清理紫外光室透镜，清理火花台，校正光谱，标准化。 
真空仪器：观察真空是否泄漏，清理火花台，清理光室透镜，重新描迹，标准化。