原子吸收分光光度计的设计与性能
[2011/5/7]
一、概述
原子吸收的仪器性能是用户非常关心的，但对这些性能是怎么实现的，仪器是怎么设计出来的，就不太关心了。当然也有部分用户，尤其是一些研究所的研究人员，对仪器也很有研究，甚至直接参与了仪器的研制，这些人的知识就比较全面了，但毕竟只是少数人。对大多数的用户来说，还是不太了解的。实际上，仪器的性能和功能与仪器的设计有极大的关系，粗略地了解一下仪器的设计与性能之间的关系，对仪器的使用应该是有好处的。
本文打算就仪器研制的决策过程，决策依据，仪器设计的思路，设计时要重点思考的问题，仪器设计中的创新对仪器功能和性能的影响，设计对仪器性价比的影响等问题向大家作一些简单的介绍。作一些简单的介绍。
二、仪器研制的指导思想
纯粹的谈仪器设计就成了教科书了，而且会偏向设计得越高级越好。现在考虑新仪器开发，首先要考虑是否有人要，因此首先要谈的就是仪器研制的指导思想。我们做任何事情都是有指导思想的，具体地说就是做什么，怎么做，要达到什么目的。仪器研制也是这样，应根据公司自身的经济实力，技术底蕴，人员素质，市场需求等各方面的条件，有一个决策过程，然后根据决策，也就是指导思想，进行具体的设计工作。只有具有了明确的，合理的设计指导思想，才能设计出符合市场需求的仪器。再加上销售人员的努力，使仪器有一个好的销售前景。
1.仪器首先要有一个市场定位
市场定位是首先必须考虑的，新仪器准备针对的是哪些客户群，这些客户群的工作性质和功能需求有哪些特点，采购能力有多大，仪器需要哪些主要功能，仪器预期的售价大约是多少，估算产品推出后5年左右每年的销售量和销售金额，等等，为仪器开发提供必要的数字依据和前景预测。在这方面，各公司的市场部门和销售部门将起到主要作用，因为他们和用户接触多，销售方面的信息多，对市场比较了解，新仪器研制出来也是要他们卖的，所以他们的意见是最重要的。比如精科公司的AA300，主要针对需高性能高精度仪器的大型研究所和经常有大批量样品测试的企业检验部门，要求有与进口仪器相近的高性能和全自动化。又比如北京通用针对医疗机构专门开发了测血样中五个元素的五通道仪器。所以开发新仪器都有市场定位的。
2.仪器需要进行技术定位
技术定位也即技术方案。市场定位完成后，仪器的基本技术方案应随之制定，实际上应该是由设计部门和工艺、市场、财务等其他相关部门同时蕴酿，主要包括以下几个方面：
(1)主要功能，根据针对的客户群的需要，制订出要达到的功能方案，包括原子化器的形式和种类，软件要达到的主要功能，需要的附件和配件，可以有发展成系列的打算;
(2)光路形式，首先要决定是双光束还是单光束，然后要决定光路的具体形式，这中间要对光路进行粗略的计算，提供总体布局考虑;
(3)扣背景形式，主要是考虑采用氘灯、自吸还是塞曼，塞曼中还分直流、交流，纵向、横向，或者是组合方案;
(4)根据主要功能和光路形式，制定初步的总体布局方案，可考虑留些发展余地;
(5)电路和软件方案，包括自动化程度，智能化程度，计算机形式，硬件基本方案，软件基本方案等;
(6)成本估算，方案制订的同时要进行成本估算，以期与市场定位和预期的销售价格相适应;
(7)可行性研究，技术方案的制定要进行可行性研究以及论证，对不确定的部分要有切实的解决预案，如某些零部件还没找到卖处，要有替代方案。
科学地制定方案是顺利完成开发任务的必要条件，应根据自身实力制定切合实际的方案，才能在可控成本和可控时间内完成仪器的设计、加工、调试、鉴定等各阶段的任务，最后进行生产，进入市场。
三、设计的思考重点
正式立项后，就进入了实际的设计阶段。实际的设计阶段是将技术方案具体化，并进行实施。在实施过程中，有可能对方案进行某种程度的调整，也有可能加入一些新想到的创意。但总的方向和目标一般不会变，如果提出要变，说明原先的判断不对，或者说市场发生了急剧的变化。如果是这样，那就要重新进行讨论，重新定位，重新讨论技术方案。
1.仪器的总体布局
仪器设计伊始，首先考虑的便是仪器的总体布局。总体布局要考虑的因素很多，包括光路形式和具体的方案，各部件(原子化器、电箱、气路等)的占位，管道连接，控制连线，通讯接口，面板安排，仪器外形，仪器内部架构，仪器外部附件的摆放和联通，PC机的位置等，无一不是总体设计时要考虑的因素。如有发展成系列的打算，还要考虑零部件的通用化，以及发展型号的初步考虑。
2.仪器具体功能的安排
仪器的主要功能在技术定位时已确定，此处是将仪器的功能具体化，细节化，以便安排各部件的设计，比如要有哪些自动化的控制，有哪些报警功能等，每项功能负责光、机、电、软件的设计人员分别要做哪些工作，达到什么要求，要考虑得仔细一点，避免中途过多的修改，甚至推倒重来。比如精科公司AA300在设计编码空心阴极灯及其智能化灯架时，就要考虑以下问题：
(1)灯的编码方法
(2)编码的读取方式
(3)非编码灯的识别
(4)高性能灯的区分
(5)各灯位与灯编码的对应关系
(6)开机时灯架的初始定位
(7)工作灯的设定与电流设置
(8)工作灯的到位
(9)预热灯的电流设置
(10)高性能灯辅助阴极的电流设置
还有更多的细节，以及PC机对灯架的控制和编码元素与专家系统的联动等，都必须考虑周全，安排有关人员做好各自的工作，不能因考虑不周全而造成功能上的缺失。一个灯架和灯就要考虑这么多问题，可见整台仪器要考虑的问题何其多。
3.仪器性能指标的制定
仪器的性能最后是要用专门的性能指标来评价的，对性能指标的基本要求，有原机械工业部的行业标准JB/T6780-93，还有国家技术监督局的检定规程JJG694-90。二者不完全一致。目前正在制定新的国家标准，一旦批准实施，就成为统一的标准。这是即使最低档的仪器也必须达到的指标。仪器还必须有自己的验收标准，称为企业标准，也有称鉴定大纲的。企业标准的检验项目必须遵守上述二个指导文件，具体的指标要求只能高于或等于这二个文件中的要求，不能低于。一般仪器的企业标准都会有有几个指标高于标准或规程，以体现实力或特色。
比如精科公司AA300为体现高性能，在设计之初定下这几个有特色的指标：
实际达到的指标还要好许多。
4.仪器各部分设计的基本要求
仪器的性能指标确定后，就可开始仪器的全面设计了，光、机、电、软件各部分的设计人员均要在总体布局的安排下，为达到仪器的性能指标进行具体的设计工作。对各部分设计的基本要求是：
(1)光学系统要在符合总体布局的情况下，达到尽可能大的能量;
(2)机械设计在实现总体布局的前提下，要保证各部件能实现设计功能以及运行的可靠性;
(3)电器系统要完整实现仪器的供电、测试信号采集、控制信号传递等功能，并要做到噪声小，工作稳定、可靠;
(4)软件要正确、可靠地执行所有的控制命令，正确地进行数据采集和处理，并使仪器按照正常的测试顺序进行工作。
四、设计创新对仪器的影响
每设计一型仪器，设计人员一般都会有几个对仪器功能和性能有一定影响的创新点，可以体现出研发单位的技术实力，科技人员的素质和创新精神，也显示出该单位是勇于进取，提倡创新型科技的研发单位，而不是保守地停留在学习型科技上。创新也是提高仪器性价比的一种手段。创新的影响可大可小，可以是世界首创，体现我国科技人员的实力和进取精神，也可以是国内首创，填补国内空白，体现国内科技的进步。创新大致上分为二类，一类主要是使仪器的功能增加或得到提高，另一类主要是使仪器的性能得到明显的提升，也有的是二者兼而有之，略有偏重。
1.使仪器的功能更多更强的创新实例
例1，精科公司AA300的编码空心阴极灯及其智能灯架，就属于国内创新，带编码的空心阴极灯装上六灯灯架，就会被认出元素和灯的类型，并自动建立灯位表，用户可借助灯位表建立多元素工作表，甚至安排好一天的分析任务，然后仪器就会自动按次序将元素灯一个一个地转上来，自动而连续地进行一个又一个的元素分析，自动化程度得到了很大的提高。
例2，精科公司AA300的软件在测试过程中，可以对认为重要的图形单独用JPEG的格式进行存储，并可将结果数据转换为Word格式，对于需经常撰写论文或特殊报告的用户，提供了方便，这也属于国内的创新。
2.使仪器的性能有明显提高的创新实例
例1，精科公司AA300的氘灯双光束扣背景，属于国内创新，就是在启用扣背景功能时，空心阴极灯仍然处于双光束状态，氘灯也是双光束状态(真正的双光束)，两支灯的光能量漂移都能得到及时的补偿，因而仪器的稳定性得到很大提高，测试数据更为可靠。
例2，精科公司AA300的数字修正波长机构误差，也是一项创新，是将传统的机械波长精度调整法，改为发挥计算机的功能，既简化单色仪的波长精度调整，又使波长精度更高，能轻松达到0.2nm，实际都在约0.15nm。
例3，精科公司AS-3020的石墨炉自动进样器的自动排气泡技术，是我公司的发明专利，自动进样器在开始工作前，其管路系统内部都会有空气(气泡)，这些空气的存在会直接影响到吸样和进样的精确度。我们的装置只需在控制键盘上按一个按钮就可完成系统内部的排气泡过程，保证了吸样与进样机构有高的准确度与精密度。
五、设计对性能价格比的影响
仪器的成本与销售价格紧密相连，在市场经济的时代，设计时的成本控制就显得更为重要。虽然在功能和性能大致相同的情况下，销售并不完全决定于价格，用户还要看厂商的知名度和实力，售后服务的质量，以及其他一些因素，但性价比肯定是用户追求的目标，现在的“招标”和“砍价”就是用户寻找最佳性价比的行为。因此，在仪器设计中一方面对仪器的成本要进行必要的控制，另一方面通过成本不高甚至节约成本的创新使仪器的性能和功能得到提高，是仪器设计时提高性价比的最佳途径。
1.合理控制仪器的功能
根据市场定位进行技术定位时，要对仪器的功能进行合理的控制。无论设计哪个档次的仪器，都要根据针对的用户群的需要设计功能，包括原子化功能，自动化程度等。在设计时，可以根据需要适当作些修改，但要控制在预算成本内，不能盲目扩展机械的和电子硬件的功能。可以采取预留空间或预先进行系列化考虑，留待以后开发发展型号。
2.用软件替代硬件
随着计算机技术的进步，计算机芯片和PC机的功能越来越强，尽可能地用软件替代硬件也就成为趋势。早期的单板机或单片机，主要是做最后的数据处理、显示等用，同步控制、对数运算、甚至响应，都还是模拟电路。现在响应已被计算机用数字滤波代替，对数运算也基本放入了计算机，不少仪器已将同步控制也用计算机来实现，使得模拟电路越来越少，故障率也相应减少，稳定性和精度也得到了提高。
更有甚者，如精科公司的AA300，将双光束扣背景所需的四路放大改用一路，其余的由计算机去做，避免了四路放大器因放大倍数不同，温度系数不同，性能不同而造成的仪器可能的不稳定，同时也省略了不少模拟电路，节省了成本。
3.用创新提高仪器的性价比
创新对仪器的性价比也有影响，因为创新也是有成本的，当创新的成本过高，而性能和功能提高有限，或所针对的用户群并不迫切需要时，对性价比的贡献就有些得不偿失。只有成本不高或可控，甚至降低了成本，而仪器的性能提高明显，才是提高性价比所需要的创新。例如精科公司AA300的数字修正波长机构误差，既节约了加工成本，又节约了安装调试成本，还提高了仪器性能。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，又节省了硬件成本。这些创新是值得提倡的。
六、结语
以上讲述的是仪器设计的大致过程，可以说是设计者与使用者的沟通，这个沟通很重要。许多仪器的方案制定都考虑了用户的意见。用户还是仪器的鉴定者，设计出来的仪器性能是否符合用户的要求，功能是否符合用户的需要，最后是要由用户和整个市场来鉴定的。这个沟通应该继续，使我们能设计出更符合市场需要的仪器。
原子吸收的仪器性能是用户非常关心的，但对这些性能是怎么实现的，仪器是怎么设计出来的，就不太关心了。当然也有部分用户，尤其是一些研究所的研究人员，对仪器也很有研究，甚至直接参与了仪器的研制，这些人的知识就比较全面了，但毕竟只是少数人。对大多数的用户来说，还是不太了解的。实际上，仪器的性能和功能与仪器的设计有极大的关系，粗略地了解一下仪器的设计与性能之间的关系，对仪器的使用应该是有好处的。
本文打算就仪器研制的决策过程，决策依据，仪器设计的思路，设计时要重点思考的问题，仪器设计中的创新对仪器功能和性能的影响，设计对仪器性价比的影响等问题向大家作一些简单的介绍。作一些简单的介绍。
二、仪器研制的指导思想
纯粹的谈仪器设计就成了教科书了，而且会偏向设计得越高级越好。现在考虑新仪器开发，首先要考虑是否有人要，因此首先要谈的就是仪器研制的指导思想。我们做任何事情都是有指导思想的，具体地说就是做什么，怎么做，要达到什么目的。仪器研制也是这样，应根据公司自身的经济实力，技术底蕴，人员素质，市场需求等各方面的条件，有一个决策过程，然后根据决策，也就是指导思想，进行具体的设计工作。只有具有了明确的，合理的设计指导思想，才能设计出符合市场需求的仪器。再加上销售人员的努力，使仪器有一个好的销售前景。
1.仪器首先要有一个市场定位
市场定位是首先必须考虑的，新仪器准备针对的是哪些客户群，这些客户群的工作性质和功能需求有哪些特点，采购能力有多大，仪器需要哪些主要功能，仪器预期的售价大约是多少，估算产品推出后5年左右每年的销售量和销售金额，等等，为仪器开发提供必要的数字依据和前景预测。在这方面，各公司的市场部门和销售部门将起到主要作用，因为他们和用户接触多，销售方面的信息多，对市场比较了解，新仪器研制出来也是要他们卖的，所以他们的意见是最重要的。比如精科公司的AA300，主要针对需高性能高精度仪器的大型研究所和经常有大批量样品测试的企业检验部门，要求有与进口仪器相近的高性能和全自动化。又比如北京通用针对医疗机构专门开发了测血样中五个元素的五通道仪器。所以开发新仪器都有市场定位的。
2.仪器需要进行技术定位
技术定位也即技术方案。市场定位完成后，仪器的基本技术方案应随之制定，实际上应该是由设计部门和工艺、市场、财务等其他相关部门同时蕴酿，主要包括以下几个方面：
(1)主要功能，根据针对的客户群的需要，制订出要达到的功能方案，包括原子化器的形式和种类，软件要达到的主要功能，需要的附件和配件，可以有发展成系列的打算;
(2)光路形式，首先要决定是双光束还是单光束，然后要决定光路的具体形式，这中间要对光路进行粗略的计算，提供总体布局考虑;
(3)扣背景形式，主要是考虑采用氘灯、自吸还是塞曼，塞曼中还分直流、交流，纵向、横向，或者是组合方案;
(4)根据主要功能和光路形式，制定初步的总体布局方案，可考虑留些发展余地;
(5)电路和软件方案，包括自动化程度，智能化程度，计算机形式，硬件基本方案，软件基本方案等;
(6)成本估算，方案制订的同时要进行成本估算，以期与市场定位和预期的销售价格相适应;
(7)可行性研究，技术方案的制定要进行可行性研究以及论证，对不确定的部分要有切实的解决预案，如某些零部件还没找到卖处，要有替代方案。
科学地制定方案是顺利完成开发任务的必要条件，应根据自身实力制定切合实际的方案，才能在可控成本和可控时间内完成仪器的设计、加工、调试、鉴定等各阶段的任务，最后进行生产，进入市场。
三、设计的思考重点
正式立项后，就进入了实际的设计阶段。实际的设计阶段是将技术方案具体化，并进行实施。在实施过程中，有可能对方案进行某种程度的调整，也有可能加入一些新想到的创意。但总的方向和目标一般不会变，如果提出要变，说明原先的判断不对，或者说市场发生了急剧的变化。如果是这样，那就要重新进行讨论，重新定位，重新讨论技术方案。
1.仪器的总体布局
仪器设计伊始，首先考虑的便是仪器的总体布局。总体布局要考虑的因素很多，包括光路形式和具体的方案，各部件(原子化器、电箱、气路等)的占位，管道连接，控制连线，通讯接口，面板安排，仪器外形，仪器内部架构，仪器外部附件的摆放和联通，PC机的位置等，无一不是总体设计时要考虑的因素。如有发展成系列的打算，还要考虑零部件的通用化，以及发展型号的初步考虑。
2.仪器具体功能的安排
仪器的主要功能在技术定位时已确定，此处是将仪器的功能具体化，细节化，以便安排各部件的设计，比如要有哪些自动化的控制，有哪些报警功能等，每项功能负责光、机、电、软件的设计人员分别要做哪些工作，达到什么要求，要考虑得仔细一点，避免中途过多的修改，甚至推倒重来。比如精科公司AA300在设计编码空心阴极灯及其智能化灯架时，就要考虑以下问题：
(1)灯的编码方法
(2)编码的读取方式
(3)非编码灯的识别
(4)高性能灯的区分
(5)各灯位与灯编码的对应关系
(6)开机时灯架的初始定位
(7)工作灯的设定与电流设置
(8)工作灯的到位
(9)预热灯的电流设置
(10)高性能灯辅助阴极的电流设置
还有更多的细节，以及PC机对灯架的控制和编码元素与专家系统的联动等，都必须考虑周全，安排有关人员做好各自的工作，不能因考虑不周全而造成功能上的缺失。一个灯架和灯就要考虑这么多问题，可见整台仪器要考虑的问题何其多。
3.仪器性能指标的制定
仪器的性能最后是要用专门的性能指标来评价的，对性能指标的基本要求，有原机械工业部的行业标准JB/T6780-93，还有国家技术监督局的检定规程JJG694-90。二者不完全一致。目前正在制定新的国家标准，一旦批准实施，就成为统一的标准。这是即使最低档的仪器也必须达到的指标。仪器还必须有自己的验收标准，称为企业标准，也有称鉴定大纲的。企业标准的检验项目必须遵守上述二个指导文件，具体的指标要求只能高于或等于这二个文件中的要求，不能低于。一般仪器的企业标准都会有有几个指标高于标准或规程，以体现实力或特色。
比如精科公司AA300为体现高性能，在设计之初定下这几个有特色的指标：
实际达到的指标还要好许多。
4.仪器各部分设计的基本要求
仪器的性能指标确定后，就可开始仪器的全面设计了，光、机、电、软件各部分的设计人员均要在总体布局的安排下，为达到仪器的性能指标进行具体的设计工作。对各部分设计的基本要求是：
(1)光学系统要在符合总体布局的情况下，达到尽可能大的能量;
(2)机械设计在实现总体布局的前提下，要保证各部件能实现设计功能以及运行的可靠性;
(3)电器系统要完整实现仪器的供电、测试信号采集、控制信号传递等功能，并要做到噪声小，工作稳定、可靠;
(4)软件要正确、可靠地执行所有的控制命令，正确地进行数据采集和处理，并使仪器按照正常的测试顺序进行工作。
四、设计创新对仪器的影响
每设计一型仪器，设计人员一般都会有几个对仪器功能和性能有一定影响的创新点，可以体现出研发单位的技术实力，科技人员的素质和创新精神，也显示出该单位是勇于进取，提倡创新型科技的研发单位，而不是保守地停留在学习型科技上。创新也是提高仪器性价比的一种手段。创新的影响可大可小，可以是世界首创，体现我国科技人员的实力和进取精神，也可以是国内首创，填补国内空白，体现国内科技的进步。创新大致上分为二类，一类主要是使仪器的功能增加或得到提高，另一类主要是使仪器的性能得到明显的提升，也有的是二者兼而有之，略有偏重。
1.使仪器的功能更多更强的创新实例
例1，精科公司AA300的编码空心阴极灯及其智能灯架，就属于国内创新，带编码的空心阴极灯装上六灯灯架，就会被认出元素和灯的类型，并自动建立灯位表，用户可借助灯位表建立多元素工作表，甚至安排好一天的分析任务，然后仪器就会自动按次序将元素灯一个一个地转上来，自动而连续地进行一个又一个的元素分析，自动化程度得到了很大的提高。
例2，精科公司AA300的软件在测试过程中，可以对认为重要的图形单独用JPEG的格式进行存储，并可将结果数据转换为Word格式，对于需经常撰写论文或特殊报告的用户，提供了方便，这也属于国内的创新。
2.使仪器的性能有明显提高的创新实例
例1，精科公司AA300的氘灯双光束扣背景，属于国内创新，就是在启用扣背景功能时，空心阴极灯仍然处于双光束状态，氘灯也是双光束状态(真正的双光束)，两支灯的光能量漂移都能得到及时的补偿，因而仪器的稳定性得到很大提高，测试数据更为可靠。
例2，精科公司AA300的数字修正波长机构误差，也是一项创新，是将传统的机械波长精度调整法，改为发挥计算机的功能，既简化单色仪的波长精度调整，又使波长精度更高，能轻松达到0.2nm，实际都在约0.15nm。
例3，精科公司AS-3020的石墨炉自动进样器的自动排气泡技术，是我公司的发明专利，自动进样器在开始工作前，其管路系统内部都会有空气(气泡)，这些空气的存在会直接影响到吸样和进样的精确度。我们的装置只需在控制键盘上按一个按钮就可完成系统内部的排气泡过程，保证了吸样与进样机构有高的准确度与精密度。
五、设计对性能价格比的影响
仪器的成本与销售价格紧密相连，在市场经济的时代，设计时的成本控制就显得更为重要。虽然在功能和性能大致相同的情况下，销售并不完全决定于价格，用户还要看厂商的知名度和实力，售后服务的质量，以及其他一些因素，但性价比肯定是用户追求的目标，现在的“招标”和“砍价”就是用户寻找最佳性价比的行为。因此，在仪器设计中一方面对仪器的成本要进行必要的控制，另一方面通过成本不高甚至节约成本的创新使仪器的性能和功能得到提高，是仪器设计时提高性价比的最佳途径。
1.合理控制仪器的功能
根据市场定位进行技术定位时，要对仪器的功能进行合理的控制。无论设计哪个档次的仪器，都要根据针对的用户群的需要设计功能，包括原子化功能，自动化程度等。在设计时，可以根据需要适当作些修改，但要控制在预算成本内，不能盲目扩展机械的和电子硬件的功能。可以采取预留空间或预先进行系列化考虑，留待以后开发发展型号。
2.用软件替代硬件
随着计算机技术的进步，计算机芯片和PC机的功能越来越强，尽可能地用软件替代硬件也就成为趋势。早期的单板机或单片机，主要是做最后的数据处理、显示等用，同步控制、对数运算、甚至响应，都还是模拟电路。现在响应已被计算机用数字滤波代替，对数运算也基本放入了计算机，不少仪器已将同步控制也用计算机来实现，使得模拟电路越来越少，故障率也相应减少，稳定性和精度也得到了提高。
更有甚者，如精科公司的AA300，将双光束扣背景所需的四路放大改用一路，其余的由计算机去做，避免了四路放大器因放大倍数不同，温度系数不同，性能不同而造成的仪器可能的不稳定，同时也省略了不少模拟电路，节省了成本。
3.用创新提高仪器的性价比
创新对仪器的性价比也有影响，因为创新也是有成本的，当创新的成本过高，而性能和功能提高有限，或所针对的用户群并不迫切需要时，对性价比的贡献就有些得不偿失。只有成本不高或可控，甚至降低了成本，而仪器的性能提高明显，才是提高性价比所需要的创新。例如精科公司AA300的数字修正波长机构误差，既节约了加工成本，又节约了安装调试成本，还提高了仪器性能。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，又节省了硬件成本。这些创新是值得提倡的。
六、结语
以上讲述的是仪器设计的大致过程，可以说是设计者与使用者的沟通，这个沟通很重要。许多仪器的方案制定都考虑了用户的意见。用户还是仪器的鉴定者，设计出来的仪器性能是否符合用户的要求，功能是否符合用户的需要，最后是要由用户和整个市场来鉴定的。这个沟通应该继续，使我们能设计出更符合市场需要的仪器。
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