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.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。
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色谱工作站
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计算机分析仪器工作站
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工作站
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2.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。
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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。
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。
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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。
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智能化分析仪器
分析仪器
示意图 热、光、电新技术
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DAC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。
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10位二进制数码经DAC转换对应的电压值
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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。
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ADC（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。
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ADC原理
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3.专家系统与人工智能
(1) 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
Munk 红外光谱解释程序； Sasaki 的Chemics-F程序。
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辅助光谱图解析系统
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： 原则：节省空间，不遗漏信息： 保存峰数据；按波长取数据。 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。
接口(信号转换)
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。
分析仪器
接口
计算机
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DAC原理图
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。
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Nyquist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。
第一章 绪论
Introduction
第二节 计算机与分析仪器
Computer and instrument analysis
1.2.1 计算机对仪器 分析发展的促进 1.2.2 仪器分析中的 计算机应用技术
1.2.3分析仪器的性 能指标 1.2.4 网络中的仪器 分析资源
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1.2.1 计算机对仪器分析发展的促进作用
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2.计算机信息处理
(1) 绘图、显示（三维） (2) 含量计算 (3) 曲线拟合、平滑、插值、求导 (4) 模拟、预测
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曲线拟合
用数学方法将获取的数据作曲线拟合。方法： （1）由实际获得的曲线找出与此曲线适应的数学模型； （2）以实验得到的数据对(xi,yi)，代入数学模型，用最小 二乘法求出模型中的待定参数。 关键点：选择正确的数学模型。 例：非正态色谱曲线，可采用 r 函数与指数衰减曲线相结 合的数学模型。
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3.提高仪器性能 4.实现分析仪器的智能化、网络化、人性化 5.未来的网络分析实验室
用户：传感器+计算机+网络 数据网络分析实验室结果 资源共享
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网络虚拟实验室
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1.2.2仪器分析中的计算机应用技术
1.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)
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。
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。
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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
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。
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色谱工作站
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计算机分析仪器工作站
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工作站
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2.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。
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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。
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。
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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。
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智能化分析仪器
分析仪器
示意图 热、光、电新技术
09:02:22
DAC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。
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10位二进制数码经DAC转换对应的电压值
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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。
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ADC（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。
09:02:22
ADC原理
09:02:22
3.专家系统与人工智能
(1) 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
Munk 红外光谱解释程序； Sasaki 的Chemics-F程序。
09:02:22
辅助光谱图解析系统
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： 原则：节省空间，不遗漏信息： 保存峰数据；按波长取数据。 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。
接口(信号转换)
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。
分析仪器
接口
计算机
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DAC原理图
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。
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Nyquist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。
第一章 绪论
Introduction
第二节 计算机与分析仪器
Computer and instrument analysis
1.2.1 计算机对仪器 分析发展的促进 1.2.2 仪器分析中的 计算机应用技术
1.2.3分析仪器的性 能指标 1.2.4 网络中的仪器 分析资源
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1.2.1 计算机对仪器分析发展的促进作用
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2.计算机信息处理
(1) 绘图、显示（三维） (2) 含量计算 (3) 曲线拟合、平滑、插值、求导 (4) 模拟、预测
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曲线拟合
用数学方法将获取的数据作曲线拟合。方法： （1）由实际获得的曲线找出与此曲线适应的数学模型； （2）以实验得到的数据对(xi,yi)，代入数学模型，用最小 二乘法求出模型中的待定参数。 关键点：选择正确的数学模型。 例：非正态色谱曲线，可采用 r 函数与指数衰减曲线相结 合的数学模型。
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3.提高仪器性能 4.实现分析仪器的智能化、网络化、人性化 5.未来的网络分析实验室
用户：传感器+计算机+网络 数据网络分析实验室结果 资源共享
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网络虚拟实验室
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1.2.2仪器分析中的计算机应用技术
1.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)
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。
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。
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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