惰性气体同位素测量系统的智能化研究

论文摘要

惰性气体同位素在地球系统科学中应用极为广泛, Ar-Ar法是应用最广泛的年代学方法之一。快速精确的测量是近年来的发展趋势,传统的手动测量方式不仅耗费大量人力和时间,而且测量结果也存在人为因素的干扰。目前国外许多惰性气体同位素实验室已经基本实现了测量系统自动化,国内只有北京大学40Ar/39Ar实验室采用自动测量,但所用自动控制系统却是从美国伯克利年代学中心移植而来。针对国内这一领域的空白,中国科学院地质与地球物理研究所联合天津大学精仪学院共同合作研究“中国科学院科研仪器创新研制项目——智能化惰性气体同位素测量系统”,率先提出智能化测量系统的研究方向,在Ar-Ar年代学实验室现有质谱设备的基础上进行研制。本文主要内容和工作包括:1.研制基于精密二维样品台的激光熔样自动化系统,实现待熔样品点的精确自动定位,激光器成像系统自动调焦。通过图像识别技术智能选取熔样点或根据操作人员编制熔样工作路径,按序驱动样品台实现自动化及智能化熔样。对石墨炉“圣诞树”进样系统进行改造,改变目前不能长时间连续自动工作,只能对单样品进行测试的现状。2.重新设计制造了一套纯化系统,大大减小了系统体积,提高了灵敏度和信噪比。通过设置自动阀组,按预先编程或条件反馈、判断、报警等控制阀的开与关,实现了纯化系统工作自动化。3.增加手动、自动双重控制功能,以PLC（可编程逻辑控制器）为核心设计电器自动控制系统,响应手动命令,协调手动自动控制命令,并直接用于驱动执行器。增设系统断电保护、真空保护、温度超差保护,并能自动启动现场及远程报警功能。4.分析现有与电子倍增器配套的离子计数卡,根据需要自行设计制作了新的离子计数卡,使其能在Windows XP下驱动。改进了现有系统测量软件在测量中的一些算法缺陷,完善了自动化数据处理。5.深入研究了激光视觉系统中的二维彩色图像检测技术,设计了一种识别样品熔样位置的新方法,应用了一种新的结合中值滤波和均值滤波的彩色图像矢量滤波器;提出了适合本系统的彩色图像调焦评价算法和摄像机自动调焦算法;根据智能化寻样熔样的需要,设计了两套进行摄像机标定、系统零位标定和样品台零位标定的系统标定方案。6.激光熔样系统中淘汰原有用Delphi语言编写的系统控制软件,重新设计了一套基于LabVIEW 8.0的控制软件,可以全程控制激光系统熔样。重新设计了自动调焦功能,有效提高了调焦精度。在完善手动熔样、分布自动化及按工作路径自动熔样的基础上,最终实现智能化全自动熔样。7.将熔样系统、纯化系统和质谱仪集中由一台计算机控制,淘汰原由Modular2语言编写的控制软件,基于LabVIEW8.0重新设计各个环节子程序,并设计相应总控制程序控制各部分工作,实现整个实验过程的自动化。在实现各部分工作自动化的基础上,根据实时监测各个环节工作情况,对整个测试系统的工作进行智能协调、集中控制,使质谱系统达到最佳工作状态。8.对系统误差来源进行分析,进行了相应实验论证,验证了对系统改进及所用方法的可进行和准确性。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 质谱仪技术背景
• 1.1.1 质谱技术介绍
• 1.1.2 质谱仪介绍
• 1.1.3 激光熔样在质谱仪中的应用
• 1.1.4 Ar 同位素测年在地质学中的应用
• 1.1.5 国内外Ar-Ar 实验室发展状况
• 1.2 课题来源
• 1.2.1 智能化惰性气体同位素测量系统
• 1.2.2 智能化多功能稳定同位素样品制备系统
• 1.3 国内外现状及课题意义
• 1.4 课题任务及本文主要内容
• 第二章 质谱外围系统的研究和改进
• 2.1 激光熔样系统
• 2.1.1 激光熔样系统介绍
• 2.1.2 激光熔样系统组成
• 2.1.3 二维样品台的设计
• 2.2 石墨炉熔样系统
• 2.2.1 石墨炉熔样系统介绍
• 2.2.2 自动送样装置的设计
• 2.3 纯化系统
• 2.3.1 纯化系统介绍
• 2.3.2 纯化系统组成
• 2.3.3 纯化系统的改造
• 2.4 电器控制系统
• 2.4.1 PLC 的介绍与选型
• 2.4.2 电器系统组成及控制
• 2.5 质谱控制与仿真平台
• 2.6 本章小结
• 第三章 质谱系统及测量技术
• 3.1 质谱系统
• 3.1.1 离子源
• 3.1.2 质量分析器
• 3.1.3 离子收集检测器
• 3.1.4 离子计数卡的设计
• 3.2 质谱仪性能参数和技术指标
• 3.2.1 质谱仪的主要性能参数
• 3.2.2 质谱仪的主要技术指标
• 3.3 质谱测量与分析原理
• 3.3.1 Ar 同位素分析
• 40Ar/³⁹Ar测年'>3.3.2⁴⁰Ar/³⁹Ar测年
• 3.3.3 ArArCALC 的原理与介绍
• 3.4 测量中寻峰缺陷与改进
• 3.4.1 测量寻峰与缺陷
• 3.4.2 测量寻峰方法的改进
• 3.5 本章小结
• 第四章 熔样系统中的图像检测技术
• 4.1 图像采集与预处理
• 4.1.1 相机视频和图像采集卡
• 4.1.2 图像预处理研究
• 4.1.3 图像预处理实验分析
• 4.1.4 改进彩色图像滤波器
• 4.2 视觉系统调焦技术的研究
• 4.2.1 常用的调焦评价函数
• 4.2.2 灰度调焦评价函数的选择
• 4.2.3 彩色图像调焦评价函数设计
• 4.2.4 自动调焦系统组成与算法设计
• 4.3 视觉系统标定
• 4.3.1 CCD 摄像机标定
• 4.3.2 系统零位标定
• 4.3.3 样品台零位标定
• 4.3.4 标定方法研究及设计
• 4.3.5 标定过程及结果
• 4.3.6 标定误差分析
• 4.4 彩色图像的边缘检测
• 4.4.1 彩色图像边缘检测方法
• 4.4.2 灰度边缘检测算法
• 4.4.3 轮廓提取与轮廓跟踪
• 4.5 矿物样品图像识别
• 4.5.1 矿物样品的轮廓提取
• 4.5.2 采样位置点获取
• 4.6 本章小结
• 第五章 系统控制软件的设计及智能化
• 5.1 虚拟仪器及LabVIEW 介绍
• 5.1.1 虚拟仪器技术
• 5.1.2 LabVIEW
• 5.2 熔样系统的控制
• 5.2.1 通过程序链接实现系统控制
• 5.2.2 系统控制软件的重新设计
• 5.2.3 系统软件的智能化设计
• 5.2.4 石墨炉的温度控制
• 5.3 纯化与质谱系统的控制
• 5.3.1 纯化系统的控制
• 5.3.2 质谱系统的控制
• 5.4 测量系统的总控制
• 5.4.1 总控制程序的设计
• 5.4.2 总控制程序的实现
• 5.5 软件设计中的关键技术
• 5.6 本章小结
• 第六章 系统误差分析与实验
• 6.1 熔样系统实验分析
• 6.1.1 误差分析
• 6.1.2 实验分析
• 6.2 质谱及纯化实验分析
• 6.2.1 误差分析
• 6.2.2 质谱测量实验分析
• 6.3 结论
• 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和科研情况说明
• 致谢
• 附录