仪器分析（大连理工大学） 1.2 计算机与仪器分析.ppt

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1、第第一一章章 绪绪 论论1.2.1 计算机对仪器计算机对仪器分析发展的促进分析发展的促进1.2.2 仪器分析中的仪器分析中的计算机计算机应用应用技术技术1.2.3分析仪器的分析仪器的性性能指标能指标1.2.4 网络中的仪器网络中的仪器分析资源分析资源第二节 计算机与分析仪器IntroductionComputer and instrument analysis 2023/1/221.2.1 计算机对仪器分析发展的促进作用计算机对仪器分析发展的促进作用 1.1.促进仪器分析自动化促进仪器分析自动化 计算机已经成为分析仪器的重要组成部分，如色谱自动进样器、色谱工作站、电化学工作站等。2023/1/

2、222023/1/22色谱工作站色谱工作站2023/1/22计算机分析仪器工作站计算机分析仪器工作站2023/1/22工作站工作站2023/1/22 2.2.促进新分析仪器出现促进新分析仪器出现 现代分析仪器是建立在计算机基础之上，如傅立叶变换红外光谱仪；联用仪器；二极管阵列检测器(三维显示)；微流控分析芯片技术、二维核磁等。2023/1/22 3.3.提高仪器性能提高仪器性能 4.4.实现分析仪器的智能化、网络化、人性化实现分析仪器的智能化、网络化、人性化 5.5.未来的网络分析实验室未来的网络分析实验室用户：传感器用户：传感器+计算机计算机+网络网络 数据数据网络分析实验室网络分析实验室结

3、果结果 资源共享资源共享2023/1/22网络网络虚拟虚拟实验室实验室2023/1/221.2.2仪器分析中的计算机应用技术仪器分析中的计算机应用技术1.1.计算机数据采集与控制计算机数据采集与控制 计算机：数字符号 分析仪器：模拟信号(电压或电流)Digital-Analog Converter （DAC）作用：将数字信号转变成模拟量，实现计算机控制。Analog-Digital Converter （ADC）作用：将模拟量转变成数字信号，实现数据连续采集。计算机计算机接口接口分析仪器分析仪器接口接口(信号转换信号转换)2023/1/222023/1/22DAC原理图2023/1/22DAC

4、原理 在一个二进制数字的每一位上对应产生一个与它的数字及权重成正比的电流，并将每一个逻辑为1的数位的电流相加，成为相应的电流模拟量（或电压模拟量）。每一个电阻值与“权”对应，权值越大，电阻越小。二进制数的每一位控制一个开关。1开；0关。2023/1/221010位二进制数码经位二进制数码经DACDAC转换对应的电压值转换对应的电压值2023/1/22ADC（模/数转换器）原理与作用 作用：将连续的模拟量形式的数据转变成非连续的二进制形式数据。实现计算机数据采集。DAC 的逆过程。种类：积分式：高精度，低速度；跟踪式：高速，易受噪声 影响；多比较器式：最高速，高分辨；逐次逼近式：高速，高分辨。2

5、023/1/22ADC原理原理 设定一数据值，送入 DAC，产生Vb，与Vi比较，C 满足要求时，输出一个二进制数字。类似于天平称量加砝码，但由大到小。多比较器式（右图）10位，需1023个的转换器，每个比较器对应一个逻辑输出。2023/1/22有关问题（1）采样保持电路 转换需一定时间，在转换时，保持输入量。（2）干扰及其抑制 干扰源：电器、电机等。通过阻抗耦合、电场耦合、磁场耦合等途径进入数据采集系统。如右图所示 加屏蔽线，正确接地，屏蔽线应接现场地。2023/1/22Nyquist采样规则采样规则 计算机处理的任何变量都只能是分立取值，数组；如果要无限精确描述一个连续量-采样间隔为零；受

6、采样速度，存储空间限制，实际不可能也不必要。如何确定采样频率，保证信号不失真？采样频率：以最高频率的2倍速度采样。2023/1/222.2.计算机信息处理计算机信息处理(1)绘图、显示（三维）绘图、显示（三维）(2)含量计算含量计算(3)曲线拟合、平滑、插值、求导曲线拟合、平滑、插值、求导(4)模拟、预测模拟、预测2023/1/22曲线拟合曲线拟合用数学方法将获取的数据作曲线拟合。方法：用数学方法将获取的数据作曲线拟合。方法：（1 1）由实际获得的曲线找出与此曲线适应的数学模型；）由实际获得的曲线找出与此曲线适应的数学模型；（2 2）以实验得到的数据对）以实验得到的数据对(xi,yi)，代入数

7、学模型，用最小，代入数学模型，用最小二乘法求出模型中的待定参数。二乘法求出模型中的待定参数。关键点：关键点：选择正确的数学模型。选择正确的数学模型。例：非正态色谱曲线，可采用例：非正态色谱曲线，可采用 r 函数与指数衰减曲线相结函数与指数衰减曲线相结合的数学模型。合的数学模型。2023/1/22曲线的平滑处理曲线的平滑处理 曲线平滑处理可以去除数据集合中的随机噪声，保留有用信息，提高信噪比。小波动：随机噪声 大波动：包含有用信息方法：boxcar平均化；移动窗口均化；最小二乘多项式平滑（Savitzky-Golay卷积法），最常用的方法。注意点：不正确的平滑处理可能会将微弱信号当作噪声处理掉。

8、2023/1/22信号求导信号求导 消除背景和重叠峰的干扰，提高分辨率和灵敏度。方法：模拟微分电路或求导程序软件。微分谱比原谱对谱特征的细微变化反应要灵敏得多，被隐藏的谱的特征可以通过对原谱图的微分而得到加强。应用：（1）光谱图、色谱图：重叠峰、弱肩峰的区分；（2）电位滴定曲线的导数曲线容易确定滴定终点。注意点：微分时，原谱的噪声也被加强，高阶导数谱的噪声增大得更明显，解决方法：对原谱进行平滑处理。2023/1/22多元分析方法多元分析方法 如何在大批实验数据中总结出有用的规律或者挖掘出有用的信息?多元分析是一类计算机信息处理、信息挖掘技术，特别适合用于从多种因素影响的大量实验数据中总结规律。

9、多元分析应用领域：处理卫星照片，指纹鉴别，文字和语音识别，多参数、多变量问题的处理。分析化学中的应用：（1）多种微量元素的分布与健康（或疾病）的关系；（2）物质中复杂成分的含量分析；（3）各种谱的特征与性质关系；（4）分子结构与谱特征的关系。2023/1/223.3.专家系统与人工智能专家系统与人工智能(1)液相色谱专家系统液相色谱专家系统 柱系统推荐软件包；色谱条件优化及离线色谱数据计算软件包。(2)基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统 Munk 红外光谱解释程序；红外光谱解释程序；Sasaki 的的Chemics-F程序。程序。2023/1/22辅助光谱图解析系统辅助光谱图解析

10、系统基于谱图库的辅助解析系统基于谱图库的辅助解析系统确定化合物结构：红外、核磁、质谱。1969年，斯坦福大学的DENDRAL系统；1976年，PBM系统，美国Cornall大学，质谱图解析；1977年，SISCOM系统，前联邦德国煤炭研究所，质谱图解析。谱图存储方法：谱图存储方法：原则：节省空间，不遗漏信息：原则：节省空间，不遗漏信息：保存峰数据；按波长取数据。保存峰数据；按波长取数据。查询对比方法（检索）：查询对比方法（检索）：需要考虑仪器误差(峰位、峰强)，判断相似程度的定量指标。2023/1/22智能化分析仪器智能化分析仪器示意图示意图分析仪器热、光、电新技术新型材料、电子器件操作分析对

11、象控制信号实施检测数据库信息数据处理方法描述报告结果判断多媒体计算机人工智能专家系统最优化技术自动化技术2023/1/221.2.3 分析仪器的性能指标1.信号与噪声信号与噪声信号：信号定义为分析仪器的响应，理想的情况是仪器仅对待测组分有响应；本底信号：无试样时，仪器产生的信号；产生原因：随机噪声；空白信号：试样中无待测组分时，仪器产生的信号；空白信号与本底信号的不同主要是由于试样中除待测组分外的其他组分的干扰所引起的。试样预处理：使空白信号接近本底信号。2023/1/222.检出限与灵敏度(1)(1)检出限检出限 试样的信号能被检出的最低限。由于存在随机噪声（正态分布），有误判的可能。如何规

12、定检出限使误判产生的概率符合要求。1969年，国际原子吸收光谱会议：yB+3B 1975年，IUPAC：yB+2B（数学期望值yB）保险检出限：yB+6B定义：以一定的置信度检出待测组分的最低浓度。yA=yB+kB k 的取值对应于不同置信概率。2023/1/22(2)灵敏度 分析仪器的响应值与浓度(或量)改变一个单位时所引起的信号的变化，y/c(IUPAC给出的定义)；单纯灵敏度高不能保证有低的检测限；检测限与B有关，B来自随机噪声，信号变化可能被噪声淹没。2023/1/22(3)信噪比(S/N)的提高 途径：途径：a.改善信号的测量技术；改善信号的测量技术；b.信号经过适当处理信号经过适当

13、处理;c.优化。优化。(a)信号的平均信号的平均:噪声信号噪声信号 (b)滤波和调制滤波和调制2023/1/223.分辨率 衡量仪器分辨干扰信号与组分信号或难分离两组分信号的能力指标。光谱仪器：分辨率是指将波长相邻的两条谱线的分开能力。R=/质谱法：区分两个可分辨质量的能力。R=m/m 色谱法：2023/1/221.2.4 网络中的仪器分析资源网络中的仪器分析资源 1.1.数据库数据库 各种数据查询。各种数据查询。2.2.期刊与文献期刊与文献 最新文献的最快查阅方法，时实信息。最新文献的最快查阅方法，时实信息。3.3.软件软件 chemoffice（绘图）绘图）,计算软件，教学软件。计算软件，教学软件。4.4.仪器生产厂家仪器生产厂家 获取新仪器信息。获取新仪器信息。网络资源2023/1/22内容选择内容选择结束结束1.1 概述概述 1.2 计算机与分析仪器计算机与分析仪器 1.3 分析仪器的分析仪器的信息评价与处理信息评价与处理2023/1/22