AG-9800全谱火花直读光谱仪的工作原理

AG-9800 型全谱火花直读光谱仪是金属分析领域常用的检测设备，整合全数字化技术与真空光学设计，可对金属材料中的元素含量进行分析，为金属制造业、加工业及金属冶炼业的质量监控、材料牌号识别和材料研究开发提供技术支持。其工作原理围绕样品激发、光谱分离、信号采集、数据处理四个核心环节展开，各系统相互配合，实现对金属样品中元素的检测。

一、样品激发：获取元素特征光谱

样品激发是光谱分析的初始环节，目的是让样品中的元素释放出可被检测的特征光谱。该仪器配备全频数字激发光源，激发频率范围为 100-1000Hz，且能通过数字化方式调节激发能量，可根据不同材质的金属样品调整激发参数，以适配检测需求。

为提升激发稳定性，仪器采用双火花组合放电设计，同时搭配水平与垂直双气路激发装置。在激发过程中，氩气会在激发区域形成保护氛围，氩气的输入压力需控制在 0.25MPa，仪器配备的氩气压力电子感应保护装置可实时监测氩气压力，确保压力稳定；此外，带氩气常流设定阀能将氩气流量控制在 0.2L-0.5L/min，减少空气对激发过程的干扰，避免样品在激发时因与空气接触产生氧化物，影响后续检测结果。

仪器的样品台为开放式不锈钢结构，可放置尺寸较大的样品。在进行激发前，需对样品表面进行处理，如钢铁试样需用双盘磨样机和落地式砂轮机打磨，铝试样需用车床处理，确保样品表面平整、无杂质。处理后的样品放置在样品台上，与电极形成放电回路，在高压火花作用下，样品中的原子吸收能量跃迁至高能态，随后原子会跃迁回低能态，在此过程中释放出具有特定波长的特征光谱，为后续的光谱分离环节提供基础信号。

二、光谱分离：筛选特征谱线

光谱分离环节的作用是将样品激发产生的复合光谱分解为单一波长的特征谱线，以便后续对特定元素进行检测。该仪器的光学系统采用帕型 - 龙格光学结构与真空罗兰圆光栅分光室，其中分光室的波长范围为 120-900nm，可覆盖多数金属元素的特征光谱波段。

光学系统中的光栅为罗兰圆光栅，刻线数量为 2400 线 /mm，焦距为 400mm，具备分光能力，能将复合光谱分解。仪器的光室为恒温一体结构，配备自动恒温系统，可将光室温度稳定在 35℃，温度控制精度为 ±0.1℃，减少温度变化对光谱波长产生的影响，保障光谱分离的准确性。

光室还设有半潜式真空室入射透镜清洗装置，可定期对入射透镜进行清洁，避免透镜表面附着杂质影响光线入射；入射狭缝的宽度为 10 微米，采用高精度反镀膜工艺，且配备微位移装置，可通过调整狭缝位置优化光路，提升光线入射精度。此外，光室采用间歇式真空控制方式，搭配真空泵系统（铁基配置），真空泵运行 3-5 分钟可使光室达到小于 2Pa 的真空度，且该真空状态可维持 3 小时以上；同时，真空泵带有防反油装置，能防止真空泵中的油进入光室造成污染，减少光谱在光室中的吸收损耗，提升检测的灵敏度。

三、信号采集：转化光学信号

信号采集环节主要是将经过分离的特征谱线光学信号转化为可处理的电信号。仪器的电子系统包含峰值电压采样电路和光谱仪光学室的真空测量电路，可分别对激发过程中的峰值电压和光室真空度进行监测。

该仪器采用 ARM 芯片实现高速 USB 多通道同步数据采集，同步采样速率为 16×100k，能快速捕捉光学信号；配备 16 通道高精度 CCD 检测器（型号为东芝 TCD1304），总像素数量为 58368，具备高分辨率全谱采集能力，可接收不同波长的特征谱线光学信号。为降低噪声对信号采集的影响，CCD 检测器采用制冷降噪技术，提升对微弱光学信号的识别能力。

在信号传输方面，仪器采用光纤数字编码传送方式，增强信号抗干扰能力，确保电信号稳定传输至数据处理系统。同时，仪器配备 16 位单像素数模转换模块，可将 CCD 检测器输出的模拟电信号转化为数字信号，为后续的数据处理提供适配的信号形式。

四、数据处理：分析并输出结果

数据处理环节是对采集到的数字信号进行分析，得出样品中元素含量等检测结果。仪器搭载高性能 ARM 数据处理器，具备速数据采集及控制功能，同时采用 FPGA 及高速数据通讯技术，缩短检测数据的整体读入时间，提升数据处理效率。

仪器的分析软件运行于 Windows 系统，支持全中文操作，也可根据需求切换至其他多国语言版本。软件能自动完成数据采集，基于二乘原理拟合工作曲线，还可通过自动二点或单点标准化、自动控样校正功能对检测数据进行修正，减少仪器漂移、元素间干扰等因素对检测结果的影响；此外，软件具备自动校正元素间干扰和背景修正的功能，进一步提升数据准确性。

在数据处理过程中，软件支持在同一样品的同一点进行一次或多次激发，可删除异常的激发结果，并自动计算多次激发结果的平均值、标准偏差（SD）和相对标准偏差（RSD）。检测结果的输出方式多样，可选择输出强度、强度比率、浓度、校正浓度等数据形式；结果可打印输出，也可存盘保存，还能生成 Word 文档，同时支持通过网络和计算机标准口进行远距离传输。

软件还附带故障诊断和自测试程序，自动生成的数据文件可用于远程判断仪器故障，方便后期维护；且支持多控样分析切换，便于对不同类型的样品进行检测。仪器标准配置包含联想品牌计算机和 HP 品牌打印机，计算机用于运行分析软件和存储数据，打印机用于输出检测报告，形成完整的数据处理与输出体系。

从样品激发到数据输出，整个检测流程耗时10-30秒，在保障检测效率的同时，通过各系统的协同工作，实现了对金属样品中元素的稳定、准确检测，可满足铸造、冶炼、机械、航空航天、高校科研等多个行业在加工过程中质量控制与元素含量分析的需求。