儀器分析大連理工大學12計算機與儀器分析

19:44:23第一章

緒論1.2.1計算機對儀器分析發(fā)展的促進1.2.2儀器分析中的計算機應用技術1.2.3分析儀器的性能指標1.2.4網絡中的儀器分析資源第二節(jié)

計算機與分析儀器IntroductionComputerandinstrumentanalysis

19:44:231.2.1

計算機對儀器分析發(fā)展的促進作用1.促進儀器分析自動化

計算機已經成為分析儀器的重要組成部分，如色譜自動進樣器、色譜工作站、電化學工作站等。19:44:2319:44:23色譜工作站19:44:23計算機分析儀器工作站19:44:23工作站19:44:23

2.促進新分析儀器出現

現代分析儀器是建立在計算機基礎之上，如傅立葉變換紅外光譜儀；聯(lián)用儀器；二極管陣列檢測器(三維顯示)；微流控分析芯片技術、二維核磁等。19:44:233.提高儀器性能4.實現分析儀器的智能化、網絡化、人性化5.未來的網絡分析實驗室用戶：傳感器+計算機+網絡數據

網絡分析實驗室

結果資源共享19:44:23網絡虛擬實驗室19:44:231.2.2儀器分析中的計算機應用技術1.計算機數據采集與控制

計算機：數字符號分析儀器：模擬信號(電壓或電流)Digital-AnalogConverter（DAC）作用：將數字信號轉變成模擬量，實現計算機控制。Analog-DigitalConverter（ADC）作用：將模擬量轉變成數字信號，實現數據連續(xù)采集。計算機接口分析儀器接口(信號轉換)19:44:2319:44:23DAC原理圖19:44:23DAC原理

在一個二進制數字的每一位上對應產生一個與它的數字及權重成正比的電流，并將每一個邏輯為1的數位的電流相加，成為相應的電流模擬量（或電壓模擬量）。

每一個電阻值與“權”對應，權值越大，電阻越小。二進制數的每一位控制一個開關。1開；0關。19:44:2310位二進制數碼經DAC轉換對應的電壓值19:44:23ADC（模/數轉換器）原理與作用

作用：將連續(xù)的模擬量形式的數據轉變成非連續(xù)的二進制形式數據。實現計算機數據采集。DAC的逆過程。種類：積分式：高精度，低速度；跟蹤式：高速，易受噪聲影響；多比較器式：最高速，高分辨；逐次逼近式：高速，高分辨。19:44:23ADC原理

設定一數據值，送入DAC，產生Vb

，與Vi比較，

C滿足要求時，輸出一個二進制數字。類似于天平稱量加砝碼，但由大到小。

多比較器式（右圖）10位，需1023個的轉換器，每個比較器對應一個邏輯輸出。19:44:23有關問題（1）采樣保持電路轉換需一定時間，在轉換時，保持輸入量。（2）干擾及其抑制干擾源：電器、電機等。通過阻抗耦合、電場耦合、磁場耦合等途徑進入數據采集系統(tǒng)。如右圖所示加屏蔽線，正確接地，屏蔽線應接現場地。19:44:23Nyquist采樣規(guī)則

計算機處理的任何變量都只能是分立取值，數組；如果要無限精確描述一個連續(xù)量-采樣間隔為零；受采樣速度，存儲空間限制，實際不可能也不必要。如何確定采樣頻率，保證信號不失真？采樣頻率：以最高頻率的2倍速度采樣。19:44:232.計算機信息處理(1)繪圖、顯示（三維）(2)含量計算(3)曲線擬合、平滑、插值、求導(4)模擬、預測19:44:23曲線擬合用數學方法將獲取的數據作曲線擬合。方法：（1）由實際獲得的曲線找出與此曲線適應的數學模型；（2）以實驗得到的數據對(xi,yi)，代入數學模型，用最小二乘法求出模型中的待定參數。關鍵點：選擇正確的數學模型。例：非正態(tài)色譜曲線，可采用r函數與指數衰減曲線相結合的數學模型。19:44:23曲線的平滑處理

曲線平滑處理可以去除數據集合中的隨機噪聲，保留有用信息，提高信噪比。小波動：隨機噪聲大波動：包含有用信息方法：

boxcar平均化；移動窗口均化；最小二乘多項式平滑（Savitzky-Golay卷積法），最常用的方法。注意點：不正確的平滑處理可能會將微弱信號當作噪聲處理掉。19:44:23信號求導

消除背景和重疊峰的干擾，提高分辨率和靈敏度。方法：模擬微分電路或求導程序軟件。微分譜比原譜對譜特征的細微變化反應要靈敏得多，被隱藏的譜的特征可以通過對原譜圖的微分而得到加強。應用：

（1）光譜圖、色譜圖：重疊峰、弱肩峰的區(qū)分；（2）電位滴定曲線的導數曲線容易確定滴定終點。注意點：微分時，原譜的噪聲也被加強，高階導數譜的噪聲增大得更明顯，解決方法：對原譜進行平滑處理。19:44:23多元分析方法

如何在大批實驗數據中總結出有用的規(guī)律或者挖掘出有用的信息?

多元分析是一類計算機信息處理、信息挖掘技術，特別適合用于從多種因素影響的大量實驗數據中總結規(guī)律。

多元分析應用領域：處理衛(wèi)星照片，指紋鑒別，文字和語音識別，多參數、多變量問題的處理。分析化學中的應用：（1）多種微量元素的分布與健康（或疾?。┑年P系；（2）物質中復雜成分的含量分析；（3）各種譜的特征與性質關系；（4）分子結構與譜特征的關系。19:44:233.專家系統(tǒng)與人工智能(1)液相色譜專家系統(tǒng)

柱系統(tǒng)推薦軟件包；色譜條件優(yōu)化及離線色譜數據計算軟件包。(2)基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)

Munk紅外光譜解釋程序；Sasaki的Chemics-F程序。19:44:23輔助光譜圖解析系統(tǒng)

基于譜圖庫的輔助解析系統(tǒng)確定化合物結構：紅外、核磁、質譜。1969年，斯坦福大學的DENDRAL系統(tǒng)；1976年，PBM系統(tǒng)，美國Cornall大學，質譜圖解析；1977年，SISCOM系統(tǒng)，前聯(lián)邦德國煤炭研究所，質譜圖解析。譜圖存儲方法：原則：節(jié)省空間，不遺漏信息：保存峰數據；按波長取數據。查詢對比方法（檢索）：需要考慮儀器誤差(峰位、峰強)，判斷相似程度的定量指標。19:44:23智能化分析儀器

示意圖分析儀器熱、光、電新技術新型材料、電子器件操作分析對象控制信號實施檢測數據庫信息數據處理方法描述報告結果判斷多媒體計算機人工智能專家系統(tǒng)最優(yōu)化技術自動化技術19:44:231.2.3分析儀器的性能指標

1.信號與噪聲信號：信號定義為分析儀器的響應，理想的情況是儀器僅對待測組分有響應；

本底信號：無試樣時，儀器產生的信號；產生原因：隨機噪聲；空白信號：試樣中無待測組分時，儀器產生的信號；

空白信號與本底信號的不同主要是由于試樣中除待測組分外的其他組分的干擾所引起的。

試樣預處理：使空白信號接近本底信號。19:44:232.檢出限與靈敏度(1)檢出限

試樣的信號能被檢出的最低限。由于存在隨機噪聲（正態(tài)分布），有誤判的可能。如何規(guī)定檢出限使誤判產生的概率符合要求。1969年，國際原子吸收光譜會議：yB+3

B

1975年，IUPAC：yB+2

B

（數學期望值yB）保險檢出限：yB+6

B定義：以一定的置信度檢出待測組分的最低濃度。

yA=yB+k

B

k的取值對應于不同置信概率。19:44:23(2)靈敏度

分析儀器的響應值與濃度(或量)改變一個單位時所引起的信號的變化，

y/

c(IUPAC給出的定義)；單純靈敏度高不能保證有低的檢測限；檢測限與

B有關，

B來自隨機噪聲，信號變化可能被噪聲淹沒。19:44:23(3)信噪比(S/N)的提高

途徑：a.改善信號的測量技術；b.信號經過適當處理;

c.優(yōu)化。(a)信號的平均:噪聲信號(b)濾波和調制19:44:233.

分辨率

衡量儀器分辨干擾信號與組分信號或難分離兩組分信號的能力指標。光譜儀器：分辨率是指將波長相鄰的兩條譜線的分開能力。

R=

/

質譜法：區(qū)分兩個可分辨質量的能力。

R=m/

m

色譜法：19:44:231.2.4網絡中