原子吸收分光光度計的設計與性能

　　一、概述

　　原子吸收的儀器性能是用戶(hù)非常關(guān)心的，但對這些性能是怎么實(shí)現的，儀器是怎么設計出來(lái)的，就不太關(guān)心了。當然也有部分用戶(hù)，尤其是一些研究所的研究人員，對儀器也很有研究，甚至直接參與了儀器的研制，這些人的知識就比較全面了，但畢竟只是少數人。對大多數的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，還是不太了解的。實(shí)際上，儀器的性能和功能與儀器的設計有極大的關(guān)系，粗略地了解一下儀器的設計與性能之間的關(guān)系，對儀器的使用應該是有好處的。

　　本文打算就儀器研制的決策過(guò)程，決策依據，儀器設計的思路，設計時(shí)要重點(diǎn)思考的問(wèn)題，儀器設計中的創(chuàng )新對儀器功能和性能的影響，設計對儀器性?xún)r(jià)比的影響等問(wèn)題向大家作一些簡(jiǎn)單的介紹。作一些簡(jiǎn)單的介紹。

　　二、儀器研制的指導思想

　　純粹的談儀器設計就成了教科書(shū)了，而且會(huì )偏向設計得越高級越好�，F在考慮新儀器開(kāi)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思想。我們做任何事情都是有指導思想的，具體地說(shuō)就是做什么，怎么做，要達到什么目的。儀器研制也是這樣，應根據公司自身的經(jīng)濟實(shí)力，技術(shù)底蘊，人員素質(zhì)，市場(chǎng)需求等各方面的條件，有一個(gè)決策過(guò)程，然后根據決策，也就是指導思想，進(jìn)行具體的設計工作。只有具有了明確的，合理的設計指導思想，才能設計出符合市場(chǎng)需求的儀器。再加上銷(xiāo)售人員的努力，使儀器有一個(gè)好的銷(xiāo)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，新儀器準備針對的是哪些客戶(hù)群，這些客戶(hù)群的工作性質(zhì)和功能需求有哪些特點(diǎn)，采購能力有多大，儀器需要哪些主要功能，儀器預期的售價(jià)大約是多少，估算產(chǎn)品推出后5年左右每年的銷(xiāo)售量和銷(xiāo)售金額，等等，為儀器開(kāi)發(fā)提供必要的數字依據和前景預測。在這方面，各公司的市場(chǎng)部門(mén)和銷(xiāo)售部門(mén)將起到主要作用，因為他們和用戶(hù)接觸多，銷(xiāo)售方面的信息多，對市場(chǎng)比較了解，新儀器研制出來(lái)也是要他們賣(mài)的，所以他們的意見(jiàn)是最重要的。比如精科公司的AA300，主要針對需高性能高精度儀器的大型研究所和經(jīng)常有大批量樣品測試的企業(yè)檢驗部門(mén)，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醫療機構專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了測血樣中五個(gè)元素的五通道儀器。所以開(kāi)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)方案應隨之制定，實(shí)際上應該是由設計部門(mén)和工藝、市場(chǎng)、財務(wù)等其他相關(guān)部門(mén)同時(shí)蘊釀，主要包括以下幾個(gè)方面：

　　(1)主要功能，根據針對的客戶(hù)群的需要，制訂出要達到的功能方案，包括原子化器的形式和種類(lèi)，軟件要達到的主要功能，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，這中間要對光路進(jìn)行粗略的計算，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，計算機形式，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)定位和預期的銷(xiāo)售價(jià)格相適應;

　　(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，對不確定的部分要有切實(shí)的解決預案，如某些零部件還沒(méi)找到賣(mài)處，要有替代方案。

　　科學(xué)地制定方案是順利完成開(kāi)發(fā)任務(wù)的必要條件，應根據自身實(shí)力制定切合實(shí)際的方案，才能在可控成本和可控時(shí)間內完成儀器的設計、加工、調試、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、設計的思考重點(diǎn)

　　正式立項后，就進(jìn)入了實(shí)際的設計階段。實(shí)際的設計階段是將技術(shù)方案具體化，并進(jìn)行實(shí)施。在實(shí)施過(guò)程中，有可能對方案進(jìn)行某種程度的調整，也有可能加入一些新想到的創(chuàng )意。但總的方向和目標一般不會(huì )變，如果提出要變，說(shuō)明原先的判斷不對，或者說(shuō)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

　　儀器設計伊始，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(xiàn)，通訊接口，面板安排，儀器外形，儀器內部架構，儀器外部附件的擺放和聯(lián)通，PC機的位置等，無(wú)一不是總體設計時(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，細節化，以便安排各部件的設計，比如要有哪些自動(dòng)化的控制，有哪些報警功能等，每項功能負責光、機、電、軟件的設計人員分別要做哪些工作，達到什么要求，要考慮得仔細一點(diǎn)，避免中途過(guò)多的修改，甚至推倒重來(lái)。比如精科公司AA300在設計編碼空心陰極燈及其智能化燈架時(shí)，就要考慮以下問(wèn)題：

　　(1)燈的編碼方法

　　(2)編碼的讀取方式

　　(3)非編碼燈的識別

　　(4)高性能燈的區分

　　(5)各燈位與燈編碼的對應關(guān)系

　　(6)開(kāi)機時(shí)燈架的初始定位

　　(7)工作燈的設定與電流設置

　　(8)工作燈的到位

　　(9)預熱燈的電流設置

　　(10)高性能燈輔助陰極的電流設置

　　還有更多的細節，以及PC機對燈架的控制和編碼元素與專(zhuān)家系統的聯(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(wèn)題，可見(jiàn)整臺儀器要考慮的問(wèn)題何其多。

　　3.儀器性能指標的制定

　　儀器的性能最后是要用專(zhuān)門(mén)的性能指標來(lái)評價(jià)的，對性能指標的基本要求，有原機械工業(yè)部的行業(yè)標準JB/T6780-93，還有國家技術(shù)監督局的檢定規程JJG694-90。二者不完全一致。目前正在制定新的國家標準，一旦批準實(shí)施，就成為統一的標準。這是即使最低檔的儀器也必須達到的指標。儀器還必須有自己的驗收標準，稱(chēng)為企業(yè)標準，也有稱(chēng)鑒定大綱的。企業(yè)標準的檢驗項目必須遵守上述二個(gè)指導文件，具體的指標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)標準都會(huì )有有幾個(gè)指標高于標準或規程，以體現實(shí)力或特色。

　　比如精科公司AA300為體現高性能，在設計之初定下這幾個(gè)有特色的指標：

　　實(shí)際達到的指標還要好許多。

　　4.儀器各部分設計的基本要求

　　儀器的性能指標確定后，就可開(kāi)始儀器的全面設計了，光、機、電、軟件各部分的設計人員均要在總體布局的安排下，為達到儀器的性能指標進(jìn)行具體的設計工作。對各部分設計的基本要求是：

　　(1)光學(xué)系統要在符合總體布局的情況下，達到盡可能大的能量;

　　(2)機械設計在實(shí)現總體布局的前提下，要保證各部件能實(shí)現設計功能以及運行的可靠性;

　　(3)電器系統要完整實(shí)現儀器的供電、測試信號采集、控制信號傳遞等功能，并要做到噪聲小，工作穩定、可靠;

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

　　四、設計創(chuàng )新對儀器的影響

　　每設計一型儀器，設計人員一般都會(huì )有幾個(gè)對儀器功能和性能有一定影響的創(chuàng )新點(diǎn)，可以體現出研發(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)習型科技上。創(chuàng )新也是提高儀器性?xún)r(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 )，體現我國科技人員的實(shí)力和進(jìn)取精神，也可以是國內首創(chuàng )，填補國內空白，體現國內科技的進(jìn)步。創(chuàng )新大致上分為二類(lèi)，一類(lèi)主要是使儀器的功能增加或得到提高，另一類(lèi)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，就屬于國內創(chuàng )新，帶編碼的空心陰極燈裝上六燈燈架，就會(huì )被認出元素和燈的類(lèi)型，并自動(dòng)建立燈位表，用戶(hù)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)按次序將元素燈一個(gè)一個(gè)地轉上來(lái)，自動(dòng)而連續地進(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的軟件在測試過(guò)程中，可以對認為重要的圖形單獨用JPEG的格式進(jìn)行存儲，并可將結果數據轉換為Word格式，對于需經(jīng)常撰寫(xiě)論文或特殊報告的用戶(hù)，提供了方便，這也屬于國內的創(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，屬于國內創(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)的補償，因而儀器的穩定性得到很大提高，測試數據更為可靠。

　　例2，精科公司AA300的數字修正波長(cháng)機構誤差，也是一項創(chuàng )新，是將傳統的機械波長(cháng)精度調整法，改為發(fā)揮計算機的功能，既簡(jiǎn)化單色儀的波長(cháng)精度調整，又使波長(cháng)精度更高，能輕松達到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(zhuān)利，自動(dòng)進(jìn)樣器在開(kāi)始工作前，其管路系統內部都會(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(pán)上按一個(gè)按鈕就可完成系統內部的排氣泡過(guò)程，保證了吸樣與進(jìn)樣機構有高的準確度與精密度。

　　五、設計對性能價(jià)格比的影響

　　儀器的成本與銷(xiāo)售價(jià)格緊密相連，在市場(chǎng)經(jīng)濟的時(shí)代，設計時(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(xiāo)售并不完全決定于價(jià)格，用戶(hù)還要看廠(chǎng)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?xún)r(jià)比肯定是用戶(hù)追求的目標，現在的“招標”和“砍價(jià)”就是用戶(hù)尋找最佳性?xún)r(jià)比的行為。因此，在儀器設計中一方面對儀器的成本要進(jìn)行必要的控制，另一方面通過(guò)成本不高甚至節約成本的創(chuàng )新使儀器的性能和功能得到提高，是儀器設計時(shí)提高性?xún)r(jià)比的最佳途徑。

　　1.合理控制儀器的功能

　　根據市場(chǎng)定位進(jìn)行技術(shù)定位時(shí)，要對儀器的功能進(jìn)行合理的控制。無(wú)論設計哪個(gè)檔次的儀器，都要根據針對的用戶(hù)群的需要設計功能，包括原子化功能，自動(dòng)化程度等。在設計時(shí)，可以根據需要適當作些修改，但要控制在預算成本內，不能盲目擴展機械的和電子硬件的功能�？梢圆扇☆A留空間或預先進(jìn)行系列化考慮，留待以后開(kāi)發(fā)發(fā)展型號。

　　2.用軟件替代硬件

　　隨著(zhù)計算機技術(shù)的進(jìn)步，計算機芯片和PC機的功能越來(lái)越強，盡可能地用軟件替代硬件也就成為趨勢。早期的單板機或單片機，主要是做最后的數據處理、顯示等用，同步控制、對數運算、甚至響應，都還是模擬電路�，F在響應已被計算機用數字濾波代替，對數運算也基本放入了計算機，不少儀器已將同步控制也用計算機來(lái)實(shí)現，使得模擬電路越來(lái)越少，故障率也相應減少，穩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，其余的由計算機去做，避免了四路放大器因放大倍數不同，溫度系數不同，性能不同而造成的儀器可能的不穩定，同時(shí)也省略了不少模擬電路，節省了成本。

　　3.用創(chuàng )新提高儀器的性?xún)r(jià)比

　　創(chuàng )新對儀器的性?xún)r(jià)比也有影響，因為創(chuàng )新也是有成本的，當創(chuàng )新的成本過(guò)高，而性能和功能提高有限，或所針對的用戶(hù)群并不迫切需要時(shí)，對性?xún)r(jià)比的貢獻就有些得不償失。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?xún)r(jià)比所需要的創(chuàng )新。例如精科公司AA300的數字修正波長(cháng)機構誤差，既節約了加工成本，又節約了安裝調試成本，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，又節省了硬件成本。這些創(chuàng )新是值得提倡的。

　　六、結語(yǔ)

　　以上講述的是儀器設計的大致過(guò)程，可以說(shuō)是設計者與使用者的溝通，這個(gè)溝通很重要。許多儀器的方案制定都考慮了用戶(hù)的意見(jiàn)。用戶(hù)還是儀器的鑒定者，設計出來(lái)的儀器性能是否符合用戶(hù)的要求，功能是否符合用戶(hù)的需要，最后是要由用戶(hù)和整個(gè)市場(chǎng)來(lái)鑒定的。這個(gè)溝通應該繼續，使我們能設計出更符合市場(chǎng)需要的儀器。