计算机在高速分析仪器中的应用

一、概述

计算机是新技术革命的一支主力，也是推动社会向现代化迈进的活跃因素。计算机科学与技术是第二次世界大战以来发展zui快、影响zui为深远的新兴科学之一。计算机产业已在世界范围内发展成为一种极富生命力的战略产业。

现代计算机是一种按程序自动进行信息处理的通用工具。它的处理对象是信息，处理结果也是信息。按照一定的算法，我们可以利用计算机解决科学计算、工程设计、经营管理、过程控制或人工智能等各种问题。在今天，随着计算机技术的普及，计算机科学已经渗透到国民经济的各个领域，对推动科学、技术和社会的发展起到了巨大的作用。

二、高速分析仪器与计算机结合的必然性

科学技术的发展对现代分析仪器提出了越来越高的要求。人们不仅要求快速、精密、可靠地获得有关物质的成分与结构的定量数据，而且要求对物质的状态、结构微区与薄层等进行纵深分析。现代分析仪器所面临的问题，不仅要解决有关测量数据的获取，更需要解决如何从大量数据中提取有用的信息。

上述问题的出现为微电子学、现代数学手段、人工智能，特别是计算机技术在现代分析仪器中的广泛应用开辟了广阔的前景。回顾分析仪器的发展历程，经历了由zui初的单一元素测试、手工操作到如今的多元素联测、速度快、自动化程度高的高速分析仪器。计算机技术的介入，使分析仪器的面貌大为改观，其应用主要有以下几方面。

1、计算机及其技术对分析仪器器件的改进

  计算机的发展促进了微电子技术的进步，而微电子技术的迅速发展又使得计算机的发展取得更大的进步。进入20世纪90年代以来，芯片的高度集成，导致了集成电路功能的质变，也导致更多新型电子器件的问世，从而*地推动了仪器器件的发展。

    近年来，集成电路产品无论在集成度、价格、产量等各方面均取得了飞速进展。对分析仪器来说，可以把一些性能要求较高的功能单元设计成集成电路。

2、计算机对分析仪器数据处理能力的提高

早在20世纪70年代，人们就致力于将现代数学（如模糊数学、数学模拟、模式识别、多元回归、卡尔曼滤波、系统优化等）引入到分析化学领域。这些工作导致了一门新的学科——化学统计学的出现。人们从中找到了一种直接将数据变成答案的数据处理的系统方法。利用这一方法不仅可以设计和选择合适的测量分析步骤，而且可以通过数据处理提供zui大量的有用信息。这预示着分析仪器中数据处理能力的发展将给分析仪器带来一场新的变革。

分析仪器中一些基本数据的处理，诸如信号的平均、平滑、微分、换算、线性化、比较并求差等，计算机对此已轻而易举。计算机的应用对分析仪器中比较复杂的数据处理，如仪器以惊人的速度完成对大量数据的采集、归纳、变换和处理。如果没有与之相应的方法来从这些数据中取得信息，那么使用现代分析仪器只会带来成堆的问题而不会得到问题的答案。这一问题只能随着计算机的进步、数据处理算法的发展、化学统计学的进步而获得重大突破。在数据处理方面，普遍意义的另一个问题和利用计算机来克服仪器的局限性，以及处理误差和故障。对系统误差和已知的由数据预测出的误差来说，用计算机修正是一种很好的方法，配以功能强大的计算机系统后现代分析仪器具有很高的信噪比和有效的运算能力，它们能排除数据中已知或者可预测的误差。

3、计算机对分析仪器数字图像处理功能的发展

为了更加直观、方便、准确地表达某些化学信息，分析仪器常采用为化学家所熟识的图像表示方式，即的化学表达语言。但图像处理的昂贵成本一直妨碍着它在分析仪器中的应用与发展。图像处理系统配上有关计算机应用软件与各种科学分析仪器的联用，已成为现代分析仪器的一个重要发展方向。今天，数字图像处理系统与有关的应用软件已成为现代分析仪器的一个重要组成部分。这使得分析工作者能及时、精密、可靠地获得有关物质的成分、结构与物性数据。

4、计算机使分析仪器更趋智能化

智能化是当代分析仪器及其计算机的重要发展方向之一。所谓智能即人工智能，仪器本身不具备思维能力，但通过计算机的介入，采用硬件和软件相结合的方法，将使仪器具有理解、推理、判断与分析等一系列功能。今天的智能化分析仪器只能说尚处于仪器智能化的低级阶段，它只是计算机技术与传统的分的仪器结合起来，仅能适应被测参数的变化，自动补偿，自动选择量程，自动校准，自寻故障，自动进行有限的数据处理，使分析过程向自动化方向过渡。很明显，计算机和大容量的存储器已成为智能仪器的核心。

目前，随着化学分的多机联用技术的发展，运用人工智能技术建立各种化学谱图的识别与解释的专家系统已成为现代分析仪器智能化研究的热点之一。它主要包括：被测元素的基本物理参数、试样处理方法、标液配制、常用分析条件、干扰情况、方法灵敏度、线性范围等。除此之外，智能化还包括分析条件优化系统、样品测定系统，以及数据库和决策分析系统。分析条件优化系统可以采用单参数或多参数同时优化方法，对分析条件进行优化。样品测定系统，包括操作参数的设置和控制，分析信号的收集，储存和实时处理，分析结果的输出、储存、打印等。数据库和决策分析系统，将分析仪器所得结果，不断积累并纳入数据为系统，然后，根据问题需要，以数据库中数据为依据进行决策分析和判断，得到问题的解答。应当强调指出的是，正是由于计算机的迅猛发展及其在分析仪器中的广泛应用，才使得人们不仅可用计算机化的分析仪器解决传统方法和仪器很难解决的问题，而且渴望解决一些传统方法和仪器根本不能解决的问题。分析仪器的智能化进程也正是由于计算机及其技术的引入和发展而大大加快。

三、高速分析仪器与计算机接口

  随着计算机在分析仪器中的应用日益深入，其应用实际上已远远超出数值计算的范围，特别是各种新型现代分析仪器，一般都配有计算机，向着仪器智能化的方向迅速发展，经典的单元组合式电子仪器正逐步被计算机程控系统所代替。这些系统由计算机通过接口电路连接相应的外围设备构成。系统在应用方面虽然千差万别，但接口电路却大同小异。这些接口电路连接相应的外围设备以后，启动各自的软件，就可以进行性质截然不同的测量研究工作。

各种仪器装置具有不同的结构，不同的输入、输出及控制要求，因此将一种仪器与另一种仪器相连并不是一件很容易的事。许多情况下，仪器之间的连接需要通过特殊的连接装置，即接口。接口的作用是将一种仪器的输出量转换成与另一种仪器的输入要求相匹配的形式，而它本身并不进行数据的转换或处理。分析仪器之间可以通过接口相连接以发挥各自的*作用并协同互补，也可通过接口与计算机相连接以实现各种功能。在此，仅对分析仪器与计算机接口的一般知识做简单介绍。

*，我们日常所用的计算机是指数字计算机。数字计算机只能对数字信号进行处理，处理的结果还是数字量。但在仪器分析中，所要处理的变量往往是连续变化的物理量（即模拟量），如温度、压力、图像的变化等。这些非电的模拟量先要经过传感器变成电压或电流等电的模拟信号，然后再转换成数字量，才能送入计算机进行处理。计算机处理后得到的数字量必须再转换成电的模拟量，方能送去控制执行机构，以实现自动控制的目的。模拟量转换成数字量的过程被称为模—数转换器（简称A/D转换），完成模—数转换的电路被称为模—数转换器（简称ADC）；数字量转换成模拟量的过程被称为数—模转换（简称D/A转换），完成数—模转换的电路被称为数—模转换器（简称DAC）。因此。ADC和DAC是数字设备与控制对象之间接口电路，是计算机用于仪器分析的关键部件。