原子吸收分光光度計(jì)的設(shè)計(jì)與性能

　　一、概述

　　原子吸收的儀器性能是用戶非常關(guān)心的，但對(duì)這些性能是怎么實(shí)現(xiàn)的，儀器是怎么設(shè)計(jì)出來的，就不太關(guān)心了。當(dāng)然也有部分用戶，尤其是一些研究所的研究人員，對(duì)儀器也很有研究，甚至直接參與了儀器的研制，這些人的知識(shí)就比較全面了，但畢竟只是少數(shù)人。對(duì)大多數(shù)的用戶來說，還是不太了解的。實(shí)際上，儀器的性能和功能與儀器的設(shè)計(jì)有極大的關(guān)系，粗略地了解一下儀器的設(shè)計(jì)與性能之間的關(guān)系，對(duì)儀器的使用應(yīng)該是有好處的。

　　本文打算就儀器研制的決策過程，決策依據(jù)，儀器設(shè)計(jì)的思路，設(shè)計(jì)時(shí)要重點(diǎn)思考的問題，儀器設(shè)計(jì)中的創(chuàng)新對(duì)儀器功能和性能的影響，設(shè)計(jì)對(duì)儀器性價(jià)比的影響等問題向大家作一些簡(jiǎn)單的介紹。作一些簡(jiǎn)單的介紹。

　　二、儀器研制的指導(dǎo)思想

　　純粹的談儀器設(shè)計(jì)就成了教科書了，而且會(huì)偏向設(shè)計(jì)得越高級(jí)越好�，F(xiàn)在考慮新儀器開發(fā)，首先要考慮是否有人要，因此首先要談的就是儀器研制的指導(dǎo)思想。我們做任何事情都是有指導(dǎo)思想的，具體地說就是做什么，怎么做，要達(dá)到什么目的。儀器研制也是這樣，應(yīng)根據(jù)公司自身的經(jīng)濟(jì)實(shí)力，技術(shù)底蘊(yùn)，人員素質(zhì)，市場(chǎng)需求等各方面的條件，有一個(gè)決策過程，然后根據(jù)決策，也就是指導(dǎo)思想，進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)工作。只有具有了明確的，合理的設(shè)計(jì)指導(dǎo)思想，才能設(shè)計(jì)出符合市場(chǎng)需求的儀器。再加上銷售人員的努力，使儀器有一個(gè)好的銷售前景。

　　1.儀器首先要有一個(gè)市場(chǎng)定位

　　市場(chǎng)定位是首先必須考慮的，新儀器準(zhǔn)備針對(duì)的是哪些客戶群，這些客戶群的工作性質(zhì)和功能需求有哪些特點(diǎn)，采購(gòu)能力有多大，儀器需要哪些主要功能，儀器預(yù)期的售價(jià)大約是多少，估算產(chǎn)品推出后5年左右每年的銷售量和銷售金額，等等，為儀器開發(fā)提供必要的數(shù)字依據(jù)和前景預(yù)測(cè)。在這方面，各公司的市場(chǎng)部門和銷售部門將起到主要作用，因?yàn)樗麄兒陀脩艚佑|多，銷售方面的信息多，對(duì)市場(chǎng)比較了解，新儀器研制出來也是要他們賣的，所以他們的意見是最重要的。比如精科公司的AA300，主要針對(duì)需高性能高精度儀器的大型研究所和經(jīng)常有大批量樣品測(cè)試的企業(yè)檢驗(yàn)部門，要求有與進(jìn)口儀器相近的高性能和全自動(dòng)化。又比如北京通用針對(duì)醫(yī)療機(jī)構(gòu)專門開發(fā)了測(cè)血樣中五個(gè)元素的五通道儀器。所以開發(fā)新儀器都有市場(chǎng)定位的。

　　2.儀器需要進(jìn)行技術(shù)定位

　　技術(shù)定位也即技術(shù)方案。市場(chǎng)定位完成后，儀器的基本技術(shù)方案應(yīng)隨之制定，實(shí)際上應(yīng)該是由設(shè)計(jì)部門和工藝、市場(chǎng)、財(cái)務(wù)等其他相關(guān)部門同時(shí)蘊(yùn)釀，主要包括以下幾個(gè)方面：

　　(1)主要功能，根據(jù)針對(duì)的客戶群的需要，制訂出要達(dá)到的功能方案，包括原子化器的形式和種類，軟件要達(dá)到的主要功能，需要的附件和配件，可以有發(fā)展成系列的打算;

　　(2)光路形式，首先要決定是雙光束還是單光束，然后要決定光路的具體形式，這中間要對(duì)光路進(jìn)行粗略的計(jì)算，提供總體布局考慮;

　　(3)扣背景形式，主要是考慮采用氘燈、自吸還是塞曼，塞曼中還分直流、交流，縱向、橫向，或者是組合方案;

　　(4)根據(jù)主要功能和光路形式，制定初步的總體布局方案，可考慮留些發(fā)展余地;

　　(5)電路和軟件方案，包括自動(dòng)化程度，智能化程度，計(jì)算機(jī)形式，硬件基本方案，軟件基本方案等;

　　(6)成本估算，方案制訂的同時(shí)要進(jìn)行成本估算，以期與市場(chǎng)定位和預(yù)期的銷售價(jià)格相適應(yīng);

　　(7)可行性研究，技術(shù)方案的制定要進(jìn)行可行性研究以及論證，對(duì)不確定的部分要有切實(shí)的解決預(yù)案，如某些零部件還沒找到賣處，要有替代方案。

　　科學(xué)地制定方案是順利完成開發(fā)任務(wù)的必要條件，應(yīng)根據(jù)自身實(shí)力制定切合實(shí)際的方案，才能在可控成本和可控時(shí)間內(nèi)完成儀器的設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試、鑒定等各階段的任務(wù)，最后進(jìn)行生產(chǎn)，進(jìn)入市場(chǎng)。

　　三、設(shè)計(jì)的思考重點(diǎn)

　　正式立項(xiàng)后，就進(jìn)入了實(shí)際的設(shè)計(jì)階段。實(shí)際的設(shè)計(jì)階段是將技術(shù)方案具體化，并進(jìn)行實(shí)施。在實(shí)施過程中，有可能對(duì)方案進(jìn)行某種程度的調(diào)整，也有可能加入一些新想到的創(chuàng)意。但總的方向和目標(biāo)一般不會(huì)變，如果提出要變，說明原先的判斷不對(duì)，或者說市場(chǎng)發(fā)生了急劇的變化。如果是這樣，那就要重新進(jìn)行討論，重新定位，重新討論技術(shù)方案。

　　1.儀器的總體布局

　　儀器設(shè)計(jì)伊始，首先考慮的便是儀器的總體布局�？傮w布局要考慮的因素很多，包括光路形式和具體的方案，各部件(原子化器、電箱、氣路等)的占位，管道連接，控制連線，通訊接口，面板安排，儀器外形，儀器內(nèi)部架構(gòu)，儀器外部附件的擺放和聯(lián)通，PC機(jī)的位置等，無一不是總體設(shè)計(jì)時(shí)要考慮的因素。如有發(fā)展成系列的打算，還要考慮零部件的通用化，以及發(fā)展型號(hào)的初步考慮。

　　2.儀器具體功能的安排

　　儀器的主要功能在技術(shù)定位時(shí)已確定，此處是將儀器的功能具體化，細(xì)節(jié)化，以便安排各部件的設(shè)計(jì)，比如要有哪些自動(dòng)化的控制，有哪些報(bào)警功能等，每項(xiàng)功能負(fù)責(zé)光、機(jī)、電、軟件的設(shè)計(jì)人員分別要做哪些工作，達(dá)到什么要求，要考慮得仔細(xì)一點(diǎn)，避免中途過多的修改，甚至推倒重來。比如精科公司AA300在設(shè)計(jì)編碼空心陰極燈及其智能化燈架時(shí)，就要考慮以下問題：

　　(1)燈的編碼方法

　　(2)編碼的讀取方式

　　(3)非編碼燈的識(shí)別

　　(4)高性能燈的區(qū)分

　　(5)各燈位與燈編碼的對(duì)應(yīng)關(guān)系

　　(6)開機(jī)時(shí)燈架的初始定位

　　(7)工作燈的設(shè)定與電流設(shè)置

　　(8)工作燈的到位

　　(9)預(yù)熱燈的電流設(shè)置

　　(10)高性能燈輔助陰極的電流設(shè)置

　　還有更多的細(xì)節(jié)，以及PC機(jī)對(duì)燈架的控制和編碼元素與專家系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)等，都必須考慮周全，安排有關(guān)人員做好各自的工作，不能因考慮不周全而造成功能上的缺失。一個(gè)燈架和燈就要考慮這么多問題，可見整臺(tái)儀器要考慮的問題何其多。

　　3.儀器性能指標(biāo)的制定

　　儀器的性能最后是要用專門的性能指標(biāo)來評(píng)價(jià)的，對(duì)性能指標(biāo)的基本要求，有原機(jī)械工業(yè)部的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB/T6780-93，還有國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局的檢定規(guī)程JJG694-90。二者不完全一致。目前正在制定新的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一旦批準(zhǔn)實(shí)施，就成為統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。這是即使最低檔的儀器也必須達(dá)到的指標(biāo)。儀器還必須有自己的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，稱為企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，也有稱鑒定大綱的。企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)項(xiàng)目必須遵守上述二個(gè)指導(dǎo)文件，具體的指標(biāo)要求只能高于或等于這二個(gè)文件中的要求，不能低于。一般儀器的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)都會(huì)有有幾個(gè)指標(biāo)高于標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)程，以體現(xiàn)實(shí)力或特色。

　　比如精科公司AA300為體現(xiàn)高性能，在設(shè)計(jì)之初定下這幾個(gè)有特色的指標(biāo)：

　　實(shí)際達(dá)到的指標(biāo)還要好許多。

　　4.儀器各部分設(shè)計(jì)的基本要求

　　儀器的性能指標(biāo)確定后，就可開始儀器的全面設(shè)計(jì)了，光、機(jī)、電、軟件各部分的設(shè)計(jì)人員均要在總體布局的安排下，為達(dá)到儀器的性能指標(biāo)進(jìn)行具體的設(shè)計(jì)工作。對(duì)各部分設(shè)計(jì)的基本要求是：

　　(1)光學(xué)系統(tǒng)要在符合總體布局的情況下，達(dá)到盡可能大的能量;

　　(2)機(jī)械設(shè)計(jì)在實(shí)現(xiàn)總體布局的前提下，要保證各部件能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能以及運(yùn)行的可靠性;

　　(3)電器系統(tǒng)要完整實(shí)現(xiàn)儀器的供電、測(cè)試信號(hào)采集、控制信號(hào)傳遞等功能，并要做到噪聲小，工作穩(wěn)定、可靠;

　　(4)軟件要正確、可靠地執(zhí)行所有的控制命令，正確地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，并使儀器按照正常的測(cè)試順序進(jìn)行工作。

　　四、設(shè)計(jì)創(chuàng)新對(duì)儀器的影響

　　每設(shè)計(jì)一型儀器，設(shè)計(jì)人員一般都會(huì)有幾個(gè)對(duì)儀器功能和性能有一定影響的創(chuàng)新點(diǎn)，可以體現(xiàn)出研發(fā)單位的技術(shù)實(shí)力，科技人員的素質(zhì)和創(chuàng)新精神，也顯示出該單位是勇于進(jìn)取，提倡創(chuàng)新型科技的研發(fā)單位，而不是保守地停留在學(xué)習(xí)型科技上。創(chuàng)新也是提高儀器性價(jià)比的一種手段。創(chuàng)新的影響可大可小，可以是世界首創(chuàng)，體現(xiàn)我國(guó)科技人員的實(shí)力和進(jìn)取精神，也可以是國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，填補(bǔ)國(guó)內(nèi)空白，體現(xiàn)國(guó)內(nèi)科技的進(jìn)步。創(chuàng)新大致上分為二類，一類主要是使儀器的功能增加或得到提高，另一類主要是使儀器的性能得到明顯的提升，也有的是二者兼而有之，略有偏重。

　　1.使儀器的功能更多更強(qiáng)的創(chuàng)新實(shí)例

　　例1，精科公司AA300的編碼空心陰極燈及其智能燈架，就屬于國(guó)內(nèi)創(chuàng)新，帶編碼的空心陰極燈裝上六燈燈架，就會(huì)被認(rèn)出元素和燈的類型，并自動(dòng)建立燈位表，用戶可借助燈位表建立多元素工作表，甚至安排好一天的分析任務(wù)，然后儀器就會(huì)自動(dòng)按次序?qū)⒃�素�(zé)粢粋�(gè)一個(gè)地轉(zhuǎn)上來，自動(dòng)而連續(xù)地進(jìn)行一個(gè)又一個(gè)的元素分析，自動(dòng)化程度得到了很大的提高。

　　例2，精科公司AA300的軟件在測(cè)試過程中，可以對(duì)認(rèn)為重要的圖形單獨(dú)用JPEG的格式進(jìn)行存儲(chǔ)，并可將結(jié)果數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為Word格式，對(duì)于需經(jīng)常撰寫論文或特殊報(bào)告的用戶，提供了方便，這也屬于國(guó)內(nèi)的創(chuàng)新。

　　2.使儀器的性能有明顯提高的創(chuàng)新實(shí)例

　　例1，精科公司AA300的氘燈雙光束扣背景，屬于國(guó)內(nèi)創(chuàng)新，就是在啟用扣背景功能時(shí)，空心陰極燈仍然處于雙光束狀態(tài)，氘燈也是雙光束狀態(tài)(真正的雙光束)，兩支燈的光能量漂移都能得到及時(shí)的補(bǔ)償，因而儀器的穩(wěn)定性得到很大提高，測(cè)試數(shù)據(jù)更為可靠。

　　例2，精科公司AA300的數(shù)字修正波長(zhǎng)機(jī)構(gòu)誤差，也是一項(xiàng)創(chuàng)新，是將傳統(tǒng)的機(jī)械波長(zhǎng)精度調(diào)整法，改為發(fā)揮計(jì)算機(jī)的功能，既簡(jiǎn)化單色儀的波長(zhǎng)精度調(diào)整，又使波長(zhǎng)精度更高，能輕松達(dá)到0.2nm，實(shí)際都在約0.15nm。

　　例3，精科公司AS-3020的石墨爐自動(dòng)進(jìn)樣器的自動(dòng)排氣泡技術(shù)，是我公司的發(fā)明專利，自動(dòng)進(jìn)樣器在開始工作前，其管路系統(tǒng)內(nèi)部都會(huì)有空氣(氣泡)，這些空氣的存在會(huì)直接影響到吸樣和進(jìn)樣的精確度。我們的裝置只需在控制鍵盤上按一個(gè)按鈕就可完成系統(tǒng)內(nèi)部的排氣泡過程，保證了吸樣與進(jìn)樣機(jī)構(gòu)有高的準(zhǔn)確度與精密度。

　　五、設(shè)計(jì)對(duì)性能價(jià)格比的影響

　　儀器的成本與銷售價(jià)格緊密相連，在市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的時(shí)代，設(shè)計(jì)時(shí)的成本控制就顯得更為重要。雖然在功能和性能大致相同的情況下，銷售并不完全決定于價(jià)格，用戶還要看廠商的知名度和實(shí)力，售后服務(wù)的質(zhì)量，以及其他一些因素，但性價(jià)比肯定是用戶追求的目標(biāo)，現(xiàn)在的“招標(biāo)”和“砍價(jià)”就是用戶尋找最佳性價(jià)比的行為。因此，在儀器設(shè)計(jì)中一方面對(duì)儀器的成本要進(jìn)行必要的控制，另一方面通過成本不高甚至節(jié)約成本的創(chuàng)新使儀器的性能和功能得到提高，是儀器設(shè)計(jì)時(shí)提高性價(jià)比的最佳途徑。

　　1.合理控制儀器的功能

　　根據(jù)市場(chǎng)定位進(jìn)行技術(shù)定位時(shí)，要對(duì)儀器的功能進(jìn)行合理的控制。無論設(shè)計(jì)哪個(gè)檔次的儀器，都要根據(jù)針對(duì)的用戶群的需要設(shè)計(jì)功能，包括原子化功能，自動(dòng)化程度等。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)需要適當(dāng)作些修改，但要控制在預(yù)算成本內(nèi)，不能盲目擴(kuò)展機(jī)械的和電子硬件的功能�？梢圆扇☆A(yù)留空間或預(yù)先進(jìn)行系列化考慮，留待以后開發(fā)發(fā)展型號(hào)。

　　2.用軟件替代硬件

　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)芯片和PC機(jī)的功能越來越強(qiáng)，盡可能地用軟件替代硬件也就成為趨勢(shì)。早期的單板機(jī)或單片機(jī)，主要是做最后的數(shù)據(jù)處理、顯示等用，同步控制、對(duì)數(shù)運(yùn)算、甚至響應(yīng)，都還是模擬電路�，F(xiàn)在響應(yīng)已被計(jì)算機(jī)用數(shù)字濾波代替，對(duì)數(shù)運(yùn)算也基本放入了計(jì)算機(jī)，不少儀器已將同步控制也用計(jì)算機(jī)來實(shí)現(xiàn)，使得模擬電路越來越少，故障率也相應(yīng)減少，穩(wěn)定性和精度也得到了提高。

　　更有甚者，如精科公司的AA300，將雙光束扣背景所需的四路放大改用一路，其余的由計(jì)算機(jī)去做，避免了四路放大器因放大倍數(shù)不同，溫度系數(shù)不同，性能不同而造成的儀器可能的不穩(wěn)定，同時(shí)也省略了不少模擬電路，節(jié)省了成本。

　　3.用創(chuàng)新提高儀器的性價(jià)比

　　創(chuàng)新對(duì)儀器的性價(jià)比也有影響，因?yàn)閯?chuàng)新也是有成本的，當(dāng)創(chuàng)新的成本過高，而性能和功能提高有限，或所針對(duì)的用戶群并不迫切需要時(shí)，對(duì)性價(jià)比的貢獻(xiàn)就有些得不償失。只有成本不高或可控，甚至降低了成本，而儀器的性能提高明顯，才是提高性價(jià)比所需要的創(chuàng)新。例如精科公司AA300的數(shù)字修正波長(zhǎng)機(jī)構(gòu)誤差，既節(jié)約了加工成本，又節(jié)約了安裝調(diào)試成本，還提高了儀器性能。又例如精科公司AA300的四路放大改用一路，也是既提高了性能，又節(jié)省了硬件成本。這些創(chuàng)新是值得提倡的。

　　六、結(jié)語

　　以上講述的是儀器設(shè)計(jì)的大致過程，可以說是設(shè)計(jì)者與使用者的溝通，這個(gè)溝通很重要。許多儀器的方案制定都考慮了用戶的意見。用戶還是儀器的鑒定者，設(shè)計(jì)出來的儀器性能是否符合用戶的要求，功能是否符合用戶的需要，最后是要由用戶和整個(gè)市場(chǎng)來鑒定的。這個(gè)溝通應(yīng)該繼續(xù)，使我們能設(shè)計(jì)出更符合市場(chǎng)需要的儀器。