直读光谱仪的工作原理

孤独寒松

一、光谱分析的目的  
由于被测产品的质量成分是通过理论计算配比的，要达到理想的力学性能或者客户产品的力学性能要求，在产品制做的过程中必须通过检测试样来确定化学成分的结果，就涉及到两个概念“熔炼分析”和“成品分析”。熔炼分析是指在钢液浇注过程中采取样锭，然后进一步制成试样并对其进行的化学分析，分析结果表示同一炉的平均化学成分。成品分析是指铸件成形后，用同炉浇注的模头或者铸件，采取切模头取块或者切铸件取块等方法对取块进行光谱分析检测化学成分；或者检测同炉浇注的试棒，以期核对熔炼分析结果的误差。
二、光的概述
光的本质是什么？它既是一种物质也是一种能量。光具有波粒二像性---光子和电磁波。
光是人类眼睛可以看见的一种电磁波，也称可见光谱。在科学上的定义，光是指所有的电磁波谱。光是由光子为基本粒子组成，具有粒子性与波动性，称为波粒二象性。光可以在真空、空气、水等透明的物质中传播。对于可见光的范围没有一个明确的界限，一般人的眼睛所能接受的光的波长在400---700毫米之间。人们看到的光来自于太阳或者借助于产生光的设备。
多数元素遇到高热就会产生光电效应，发出特有的光源，光的衍射和传播具有光波---电磁波（电磁波有波峰、波谷、波长）。
电磁波示意图：


三、元素原子能量的概述
任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。
　　能量最低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。
　　如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸收光谱。
电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10---8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。
四、光谱仪的简介
光谱仪是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。

　　图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S， S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得到入射光的光谱。
光谱仪基本特性的参量有光谱范围、色散率、带宽和分辨本领等。
根据光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器。调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光。
五、直读光谱分析仪的宏观工作原理
每种元素发射的电磁波谱（曲）线图谱事先存储在计算机中，光谱分析时电极引弧后产生高热，氩气喷出罩住火焰（防止其它气体侵入）；同时被测试样发出光源；被测试样中的各种元素发出不同的电磁波谱线，该光源被狭缝光路或者圆孔光路摄取。被摄取的各种不同的电磁波谱线强度纳入计算机中与事先存储的样品对比，计算机根据某电磁波谱线的强弱从而计算出该元素的百分含量。
每种元素的发射光谱的谱线强度正比于样品中该元素的含量，通过内部预先存储的校正曲线可测定其含量，并直接以百分比浓度显示出来。
六、直读光谱分析仪的微观工作原理
根据量子力学理论，当金属被能量激发时，原子的壳层电子会被激发到较高能量的外层轨道上处于稳定状态，在一定的条件下它从高能级跃迁到低能级就会发出光子、发出特征谱线，各种元素都有不同的特征谱线，这些谱线经过光学系统进行分光色散，成为按波长排序的一系列连续光谱，在经过电转换元件把光信号直接转换为电信号，最后计算机测量系统就可以通过计算某元素特征谱线的强度来确定元素的百分含量。
    一般直读光谱分析仪以主机和探头组成。主机为计算机控制系统和计算机测量系统。
而探头又分为三大部分：
Ⅰ、光源和激光室。Ⅱ、分光系统。Ⅲ、分光转换系统。
   第一部分作用：开始---引弧---熔化---蒸发---激发---发射光谱
   第二部分作用：主要是化学元件，起弧后的金属光谱通过一狭缝再通过透镜光栅、狭缝等到达激光平面全息光栅，该光栅对接收的金属弧光进行分光色散，产生由各元素特征谱线组成的连续光谱。
  第三部分作用：通过光电转换元件把各元素的特征谱线转换成电信号，及记录谱线的强度，最后通过计算机与校准的曲线相比较。并用罗马金---赛泊尔公式计算得到各元素的准确百分含量。


注：电磁波示意图粘贴不过来，郁闷！