第三章 现代仪器总体设计(6学时)

电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)技术的基本原理及其在地学研究中的应用ICP-MS技术概况电感耦合等离子体质谱技术从1980年发表首篇里程碑文章至今已有22年。

此间，ICP-MS 技术发展相当迅速，不仅从最初在地质科学研究中的应用迅速发展到广泛应用于环境、冶金、石油、生物、医学、半导体、核材料分析等领域，成为公认的最强有力的元素分析技术，而且随着近年来人们对ICP-MS技术内在缺陷的研究革新，等离子体质谱的分析性能，尤其是同位素分析能力有了显著提高，使分析家们认为有必要对等离子体质谱技术和传统的热电离质谱的地位作重新评价。

当然，目前“ICP-MS”的概念，已经不仅仅是最早起步的普通四级杆质谱仪(ICP-QMS)了，它还包括后来相继推出的其它类型的等离子体质谱技术，比如多接收器的高分辨磁扇形等离子体质谱(ICP-MCMS)、等离子体飞行时间质谱仪(ICP-TOFMS)以及等离子体离子阱质谱仪等。

四级杆ICP-MS仪器也在不断升级换代，由于诸如动态碰撞反应池(DRC)等技术的引入，各种联用技术如液相和气相色谱以及毛细管电泳等分离技术与ICP-MS的联用，激光剥蚀ICP-MS等联用技术的迅速发展，使其分析性能大大提高。

我国的ICP-MS研究工作进展也很快，从20世纪60年代开始，质谱法普遍地应用到有机化学和生物化学领域。

化学家们认识到由于质谱法的独特的电离过程及分离方式，从中获得的信息是具有化学本性，直接与其结构相关的，可以用它来阐明各种物质的分子结构。

正是由于这些因素，质谱仪成为多数研究及分析实验室的标准仪器之一。

从80年代地质和冶金部门也开始应用，那时仅有两三台四级杆ICP-MS仪器，目前发展为多部门行业的120多台各种型号的等离子体质谱仪。

这些仪器在地质、环境、冶金、半导体工业分析等方面发挥了重要作用，在应用研究方面也取得了一批重要成果。

近年来ICP-MS的最大研究进展是围绕着解决四极杆ICP-MS的多原子离子干扰新途径的研究(如动态碰撞/反应池技术)以及提高同位素比值分析精密度的新途径(如多接收器磁扇形等离子体质谱仪和飞行时间等离子体质谱仪)，随着基础研究和仪器的进步，该技术在元素分析、同位素比值分析等方面都显示出巨大的优势。

现代仪器分析第三版课程设计一、前言现代仪器分析是化学、材料科学、环境科学等专业中的重要课程。

本课程设计旨在加深学生对现代仪器分析的理解，提高学生的实验能力与实验设计能力，为学生今后的科学研究和实践工作奠定基础。

本课程设计分为三个实验，具体安排如下。

二、实验目的1.利用氢化物发生反应分析氯化物2.采用X射线荧光分析仪测试不同样品中的元素成分3.利用等离子体发射光谱仪分析钢样品中的元素含量三、实验内容实验一：氢化物发生反应分析氯化物本实验旨在让学生掌握氢化物发生反应分析氯化物的方法，并了解反应的机理。

具体步骤如下：1.首先，将待测氯化物颗粒加入氢化钠的溶液中，反应后，将产生的氯气吸收到硫酸中。

2.然后，采用氯离子选择性电极测定反应后残留的溶液中的氯离子浓度。

3.根据测得的样品中的氯离子浓度计算出其中氯化物的含量。

实验二：X射线荧光分析仪测试不同样品中的元素成分本实验旨在让学生掌握X射线荧光分析仪测试不同样品中的元素成分的方法，并了解其原理和操作技巧。

具体步骤如下：1.首先，使用X射线荧光分析仪测试不同样品中的元素成分。

在实验中可以选择使用固体、液体或气体样品，应对不同的实际应用需求。

2.通过样品的辐射发出荧光信号，确定样品中的元素组成和含量。

学生应掌握荧光信号的分析方法和数据处理技巧。

实验三：等离子体发射光谱仪分析钢样品中的元素含量本实验旨在让学生掌握等离子体发射光谱仪分析钢样品中的元素含量的方法，并了解其原理和操作技巧。

具体步骤如下：1.首先，将钢样品研磨成粉末状态，然后将其放入石英瓶中，并喷洒其表面上一定量的高纯度惰性气体。

2.接着，使用等离子体发射光谱仪，将气体激发成等离子体，并使用相关仪器记录钢样品中各元素的发射光谱。

3.根据发射光谱与相应的标准谱对比，计算得出钢样品中各元素的含量。

四、实验要求1.学生应具备一定的化学和物理基础知识，了解实验的基本原理和操作技巧。

2.实验室安全是首要考虑因素，学生应遵守实验室的安全规定和实验室操作流程，保证安全。

本科生课程大纲课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍1.课程描述（中英文）：现代仪器分析实验是分析化学、仪器分析和药物分析教学中不可缺少的组成部分。

该课程主要面向药学拔尖人才培养群体，让学生可以提前接触到在实际科学研究中正在被研究人员使用的大型分析测试或成像仪器包括红外光谱仪、流式细胞仪、稳态瞬态荧光寿命光谱仪、超高分辨率激光共聚焦显微镜、液质联用仪、生物大分子相互作用仪和核磁共振波谱仪等。

我们将向学生展示仪器的基本构造，讲解检测的原理、应用领域与发展趋势，学生最终能利用仪器测试评价分析对象，也增强了对“结构决定性质”等概念的认识，提高了分析解决实际问题的能力。

Modern instrumental analysis experiments are an indispensable part of analytical chemistry, instrumental analysis and pharmaceutical analysis. This course is designed mainly for “A-level” pharmacy students, so that students can get early access to the large-scale analysis/testing/imaging instruments that are being used by researchers in their research, including infrared spectrometer, flow cytometer, fluorescence steady state and lifetime spectrometer, and ultra-high resolution laser confocal microscope, liquid-mass spectrometer, instrument for biomolecular interactions analysis and nuclear magnetic resonance spectrometer, etc. We will show the structures of different components for each instrument- 1 -and explain the detection principles, application fields and the trends in instrumental development. Students will eventually be able to use a certain instrument to test and evaluate an analysis object. It will also enhance their understandings such as "structure determines nature" and improve their capacity of solving problems.2.设计思路：不同于先修课程中的分析化学实验和并行课程中的药物分析实验，本课程的教学对象是现代分析测试仪器，每一台仪器为一个课程单元，课程围绕仪器的构造、测定基本原理、样品制备的方法、仪器软硬件的使用、具体应用案例和应用领域、数据采集、处理和分析等方面展开。

《现代仪器分析》课程教学大纲课程编号:010220英文名称:Modern Instrumental Analysis一、课程说明1. 课程类别学位基础课程、专业课程、非学位选修课2。

适应专业及课程性质化学工程与技术专业、无机化学专业、环境工程（理)专业，必修环境工程专业,选修3. 课程目的《现代仪器分析》是分析化学最为重要的组成部分，是化学和相关专业的主干课程，也是分析化学的发展方向。

本课程涉及的分析方法是根据物质的光、电、声、磁、热等物理和化学特性对物质的组成、结构、信息进行表征和测量，是学生必须掌握的现代分析技术。

它对于学生的知识、能力和综合素质的培养与提高起着至关重要的作用。

本课程的教学目的是使学生通过本课程的学习,牢固掌握各类仪器分析方法的基本原理以及仪器的各重要组成部分，对各仪器分析方法的应用对象及分析过程要有基本的了解.此外，通过本课程的教学，使学生熟悉各种仪器分析方法的特点及应用，培养他们分析问题和解决问题的能力。

4. 学分与学时学分1。

5，学时305. 建议先修课程无机化学、化学分析、有机化学、物理化学等6. 推荐教材或参考书目推荐教材：（1）仪器分析（第二版). 刘志广主编. 高等教育出版社. 2007年（本书是教育部普通高等教育“十一五”国家级规划教材）参考书目:（1）现代仪器分析(第二版）. 刘约权主编. 高等教育出版社。

2006年（2）仪器分析(第三版）. 朱明华编. 高等教育出版社. 2000年（3）分析化学（第五版）（下册)。

武汉大学主编。

高等教育出版社。

2007年（4）分析化学教程. 李克安主编。

北京大学出版社. 2005年（5）仪器分析.方惠群等编.科学出版社. 2002年（6)仪器分析学习指导。

方惠群等编。

科学出版社. 2004年（7) Skoog D A。

principles of instrumental analysis.4ed. Barcourt Brace College Publishers. 19927. 教学方法与手段以重点讲授、指导自学与阅读的方式,采用多媒体教学手段，灵活运用启发式、分析式、讨论式和演示式等多种教学方法进行授课.在教学过程中应注意理论联系实际，既要系统而透彻地阐述各类仪器分析方法的基本原理,又要较好地反映该方法的发展历程和近年来研究的新成就。

《现代仪器分析》课程教学大纲适用对象：药学专业（学分：2 学时：36 ）一、课程的性质和任务：现代仪器分析是分析化学的重要组成部分，是药学类专业的一门重要必修基础课。

本课程涉及的分析方法是根据物质物理和化学特性对物质的组成、结构、信息进行表征和测量。

本课程重点讲授仪器分析的基本概念和原理。

介绍应用领域及方法特点。

通过本课程的教学，使学生对仪器分析这一领域有初步了解，掌握常见光学仪器、色谱仪器的基本原理、设备、结构和应用，初步具有根据分析对象选择合适分析方法及解决相应问题的能力。

二、教学内容和要求：光谱部分第一章绪论教学目的和基本要求：了解现代仪器分析的内容、方法、特点和局限性、了解仪器分析发展趋势以及在各领域尤其是药学中的作用。

教学内容：1.现代仪器分析的内容和方法；2.现代仪器分析的特点和局限性3.现代仪器分析的发展趋势4.定量分析方法的评价指标。

第二章光谱分析法概论教学目的和要求：掌握光学分析法的分类和基本原理；波长、波数、频率和光子能量间的换算；光谱分析仪器的基本构造。

熟悉电磁波普的分区；电磁辐射与物质相互作用的相关术语；各类光学仪器的主要部件。

了解光谱分析法的发展概况。

教学内容：第一节电磁辐射及其与物质的相互作用一、电磁辐射与电磁波谱二、电磁辐射与物质的相互作用第二节光学分析法的分类一、光谱法与非光谱法二、原子光谱法与分子光谱法三、吸收光谱法与发射光谱法第三节光谱分析仪器一、辐射源二、分光系统三、辐射的检测第四节光谱分析法的发展概况第三章紫外可见分光光度法教学目的和要求：掌握紫外吸收光谱的特征，电子跃迁类型、吸收类型、特点及影响罂粟；朗伯比尔定律及其物理意义、适用条件、偏离因素；紫外-可见分光光度法用于单组份定量的方法；多组分定量的线性方程组法和双波长法。

熟悉紫外可见分光光度计的主要部件、工作原理；紫外可见分光光度计的几种光路类型；比色法的原理及显色反应条件选择；紫外可见分光光度法定性及纯度检查方法。

现代精密仪器设计课程设计一、课程设计背景现代科学技术的快速发展，给包括生产和科学研究在内的各个领域提供了新的必要性。

精密仪器作为现代科学技术的重要组成部分，越来越被广泛应用。

为了满足人们对于高质量科技人才的需求，现代精密仪器设计课程成为了大学本科教育不可或缺的一部分。

二、课程设计目的现代精密仪器设计课程是一门通识教育基础课程，目的在于培养学生通过精密仪器设计来领略工程设计的实质，具备精密仪器设计的能力，培养学生的创新能力和实验技能，提高学生的动手能力、思维能力和组织协调能力，使学生能够适应未来科技社会的发展需要。

三、教学内容1.现代精密仪器设计理论和基础知识的讲解，包括对于仪器的种类、结构、并对其功能预测和使用原理进行阐述。

2.精密仪器设计实践课程的讲解，包括对于精密仪器的制造和组装的规划、测试和修理等内容的教授。

3.实际应用案例的分享和讨论，学习精密仪器在科研、医疗、环境监测、能源等方面的应用案例。

四、教学方法1.以课堂理论授课为主，并结合典型案例实践，让学生在收获理论知识的同时也得到实际应用经验。

2.基于工程类科目之间的相关性，结合其他专业课程进行综合实验；例如结合机械课程，进行复合材料加工实验或3D打印实验。

3.基于培养学生的科研与学术能力的目标，进行研究课题设计、资料查阅、论文撰写、实验进行等环节的全面培养。

五、教学成果与评价1.学生能够熟悉基础理论知识和精密仪器设计方案制定、组装的基本技能。

2.学生能够合理规划、组织小型精密仪器制造和测试活动的能力。

3.学生能够在实际案例中模拟真实生产环境，并能够在问题中积极协作，迅速获得解决能力。

4.依据教师要求，在课后提交课程报告，阐述学生对这门课程的体会和习得技能的个人收获。

六、实施计划1.教材：现代精密仪器设计，作者胡激明等。

2.授课时间：本课程为选修课，3学分，30学时。

时间为每周2学时，共15周。

3.授课模式：理论授课+实践展示+课程讨论。

第三章测控仪器总体设计测控仪器总体设计，是指在进行仪器具体设计以前，从仪器自身的功能、技术指标、检测与控制系统框架及仪器应用的环境和条件等总体角度出发，对仪器设计中的全局问题进行全面的设想和规划。

要考虑的主要问题有：1.设计任务分析2.创新性构思（所能达到的新功能，所实现的新方法，所反映出的新技术，新理论等）3.测控仪器若干设计原则的考虑4.测控仪器若干设计原理的斟酌5.测控仪器工作原理的选择和系统设计6.测控系统主要结构参数与技术指标的确定7.仪器总体的造型规划仪器总体设计的最终评估，是以其所能达到的经济指标与技术指标来衡量，精度与可靠性指标是测控仪器设计的核心问题。

本章共分为七节第一节设计任务分析第二节创新性设计第三节测控仪器设计原则第四节测控仪器设计原理第五节测控仪器工作原理的选择和系统设计第六节测控仪器主要结构参数与技术指标的确定第七节测控仪器的造型设计第一节设计任务分析测控仪器的设计任务一般有三种情况：1）设计者根据用户专门的需要，针对特定的测控对象，被测参数或工作特性来设计专用的仪器。

2）设计者根据目前市场需求，设计开发通用产品和系列产品。

在这种情况下，设计者应对市场需求作广泛的调研，以确定适当的仪器技术指标，达到以最少的产品系列和较全的仪器功能来覆盖最大的社会需求。

3）设计者超前预测，设计出先进的新型产品，进行开发性设计。

以上不同情况，对设计任务的分析，其侧重考虑的内容和方面是不同的。

通常，设计任务的分析包括以下内容：了解被测控参数的特点1）了解精度、数值范围（一维、二维、量值范围）、量值性质（单值、多值）、测量状态（动态、静态）等要求；2）按国家标准严格的定义确定仪器工作原理了解测控参数载体的特点机械与光学载体居多。

要考虑载体的大小、形状、材料、重量、状态等了解仪器的功能要求是静态还是动态、开环还是闭环、一维还是多维、单一参数还是复合参数、检测效率、测量范围、承载能力、操作方式、显示方式、自动诊断、自动保护等。

《现代仪器分析》教案一、教学目标1. 知识与技能：（1）了解现代仪器分析的基本概念、原理和特点。

（2）掌握常见现代仪器分析方法，如原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪、质谱仪、X射线荧光光谱仪等。

（3）学会根据分析目的选择合适的仪器分析方法。

2. 过程与方法：（1）通过实验操作，培养学生对现代仪器分析仪器的操作能力和实验技能。

（2）通过案例分析，培养学生运用现代仪器分析方法解决实际问题的能力。

3. 情感态度与价值观：激发学生对现代仪器分析学科的兴趣，培养学生的创新意识和团队合作精神。

二、教学内容1. 现代仪器分析的基本概念（1）现代仪器分析的定义（2）现代仪器分析的特点（3）现代仪器分析的发展趋势2. 常见现代仪器分析方法（1）原子吸收光谱仪（2）原子荧光光谱仪（3）质谱仪（4）X射线荧光光谱仪3. 仪器分析方法的选用原则（1）分析目的（2）样品特性（3）仪器性能和实验条件三、教学方法1. 讲授法：讲解现代仪器分析的基本概念、原理和特点，以及常见仪器分析方法。

2. 实验操作法：指导学生进行实验操作，培养学生的操作能力和实验技能。

3. 案例分析法：提供实际案例，引导学生运用所学知识解决实际问题。

四、教学准备1. 教材和参考书：现代仪器分析相关教材和参考书。

2. 实验仪器和设备：原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪、质谱仪、X射线荧光光谱仪等。

3. 教学课件和多媒体设备：制作相关课件，用于辅助教学。

五、教学评价1. 课堂参与度：评估学生在课堂上的发言和提问情况，考察学生的学习兴趣和积极性。

2. 实验操作能力：评估学生在实验过程中的操作技能和实验素养。

3. 案例分析报告：评估学生在案例分析过程中的分析能力和创新思维。

六、教学进程1. 课时安排：共40课时，其中理论讲授20课时，实验操作10课时，案例分析10课时。

2. 教学安排：（1）第1-10课时：现代仪器分析的基本概念、原理和特点，常见仪器分析方法的讲解。

（2）第11-20课时：实验操作，包括原子吸收光谱仪、原子荧光光谱仪、质谱仪、X射线荧光光谱仪等仪器的操作练习。

目录1.绪论 (3)2.设计任务及要求 (4)2.1设计目的 (4)2.2设计要求 (4)3.总体设计方案及程序框图 (4)4.硬件电路的实现 (5)4.1.基于STC89C52RC的最小控制系统 (5)4.2. A/D转换模块 (7)4.3.可编程增益放大模块 (9)4.4.串口通信模块 (10)5 .内部软件实现 (12)5.1. A/D转换模块 (12)5.2. 程控（PGA）放大模块 (12)5.3. 串口接收模块 (13)bview的上位机模块 (16)6.1.上位机流程图 (16)6.2.VISA的串口设置 (17)6.3.VISA串口读取数据 (18)6.4.数据处理 (18)6.5.存入文件 (19)7.结果仿真与误差分析 (19)7.1.结果仿真 (19)7.2.结果误差分析 (20)7.3.误差的修正 (21)8.总结 (21)9.参考文献 (22)1.绪论随着信息技术，特别是计算机技术的发展，传统仪器开始不断向智能仪器方向发展。

虚拟仪器是20世纪80年代提出的新概念，是现代计算机技术和仪器技术，以及其他新技术深层次结合的产物，是计算机资源、仪器与测控系统硬件资源和软件资源的有效结合。

电压是电路中常见的电信号，实际工程生活中，常常需要通过对电压进行测量以实现其他工程参数的获取与运用。

因此，电压测量是其他许多电参数和非电参数量测量与运用的基础。

最常见的测量电压的方式就是利用电压表来实现，但现在常用的电压表，常常会存在精度不高，测量速度慢、测量步骤复杂等缺陷。

本次设计旨在设计出一款能够实现高速度、高精度测量且步骤简化，界面美观的数字电压表，以弥补市场上常见电压表所存在的缺陷。

2.设计任务及要求2.1设计目的本课程设计的目的主要是让学生在理解理论知识的基础上掌握虚拟仪器技术的组件的性能、属性、创建虚拟仪器的方法理论基础和虚拟仪器的图形编程方法,掌握虚拟仪器系统软件开发工具，综合利用传感器技术和虚拟仪器技术进行虚拟仪器的综合开发，以及掌握虚拟仪器在测量仪器、过程控制、信号分析、网络远程控制等应用技能。