光电直读光谱法在金属材料检测中的应用

光电直读光谱法在金属材料检测中的应用

郎翠翠 ,郭河苗

太原航空仪表有限公司  山西太原 030006

[摘要] 随着近代光电技术和计算机技术的高速发展，大大提高了光电直读光谱分析技术在金属材料质量控制中对化学成分分析的发展速度。本文以SPECTROLAB M12光电直读光谱仪为例，给出了光电直读光谱分析的样品制备、分析条件的选择、试样分析和误差来源等方面的一些经验。

[关键词]光电直读光谱仪；化学成分分析；质量控制；系统误差；偶然误差。

随着当今时代科学技术的快速发展，光电直读光谱分析技术也在不断升级，目前光电直读光谱分析技术已经广泛应用于航空、航天、汽车、船舶、冶金、机械制造等各个领域，充分发挥了光谱分析技术的真正价值。光电直读光谱分析技术与传统的经典化学法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体原子发射光谱法等金属材料成分分析方法相比，在生产实践中表现出操作简单、分析速度快、重现性好以及可以多种元素同时测定等诸多优点，使其已成为当今金属材料分析方法中重要的现代仪器分析方法之一，并被广泛应用于金属材料的质量控制过程[1-3]。

本文以SPECTROLAB M12型光电直读光谱仪为例，重点介绍了光电直读光谱分析的工作原理和环境要求，并根据日常工作中的实践经验总结了光电直读光谱分析的样品制备、分析条件的选择、试样分析及误差来源等方面的一些经验，制定了一些具体、实用的措施和方法，为今后光电直读光谱法在金属材料成分分析中获得更加准确可靠的分析结果奠定了基础。

1 工作原理

光电直读光谱法是一种原子发射光谱分析方法，SPECTROLAB M12光电直读光谱仪采用CCD检测器，其工作原理是利用电火花的高温使样品中各元素从固态直接气化成原子蒸气，蒸汽中原子或离子被激发而发射出各元素的特征光谱，每种元素发射光谱的谱线强度正比于样品中该元素的含量，用光栅分光后，这些元素的特征谱线通过出射狭缝，射入各自的检测器，光信号变成电信号，经仪器的控制测量系统将电信号积分进行模数转化，然后由计算机处理，显示出各个元素的百分含量。

2 环境要求

光电直读光谱仪应安装在宽敞和洁净的房间内，无气体污染，防震、防电磁干扰，不应与X射线、原子吸收光谱等有干扰的设备放在一起。实验室应恒温恒湿，为了保证仪器及计算机系统正常运行，室温要求稳定维持在18℃～24℃，温差在8小时内不超过2℃，如果温差变化大，会导致谱线偏离出射狭缝，使谱线强度发生变化，不能正常进行分析。相对湿度保持在20%～80%，因为湿度过高会对仪器的电子元件产生影响。氩气装置应配备氩气进化器，工作用氩气的纯度应不小于99.999%。

3 样品制备

对于金属材料的光电直读光谱分析，样品制备至关重要，直接影响分析结果的准确度和精密度。光电直读光谱分析用样品一般取成块状，样品应均匀，无气孔，无夹杂，具有代表性。不同类型的金属和合金取样和样品处理的方法不同，有色金属大多为软质金属，一般用车床车削表面，车制后的样品不能玷污，纹理清晰，不能过细，样品表面过于平整反而激发不好，而对于钢铁材料一般采用砂轮或砂纸将表面磨平即可，最后用酒精将待测表面擦拭干净并自然晾干。试样制备完毕要尽快放到仪器上进行测量，以保证试样表面不被氧化。试样的截面积应保证能够将激发台的激发孔完全覆盖，使激发室不漏气，试样的厚度应保证试样受激发时不被击穿。

4 分析条件的选择

选择恰当的分析条件是光电直读光谱仪获得准确定量分析结果的重要保证。在制定光电直读光谱分析方法时，需要考虑光源激发条件的选择、分析谱线的选择、分析程序的选择等。光源激发条件的选择，要根据所分析的对象通过试验来确定。对于分析谱线的选择，要根据分析对象的基体或含量的不同来确定，不同的谱线具有不同的灵敏度，通常情况下，选择干扰较少、灵敏度较高的谱线作为分析线。对于不同的分析样品还应选择不同的分析程序，在使用时，应注意选择要使用的分析程序。

5 试样分析

仪器厂家做了通用的工作曲线，分析样品之前，先用仪器厂家配置的标准化样品对曲线进行漂移校正。由于厂家预制的工作曲线范围太宽，有的元素在一定含量范围内分析数据误差较大，因此分析样品之前还应使用与待测试样牌号相同或相近的国家标准样品进行类型标准化，对曲线进行精确校正。类型标准化完成后，使用内控标样进行测定，确认分析结果准确后，才能进行样品分析。分析试样时，试样至少激发两次，数据稳定一致时取平均值作为分析结果，分析结果按规定修约，以质量分数（%）表示。

6 误差来源

光电直读光谱仪在分析样品时误差的产生是难以避免的，必须检查和了解误差产生的原因，然后采取相应减小误差的有效措施，从而不断提高分析结果的准确度。光电直读光谱仪的分析误差一般可分为系统误差和偶然误差。

6.1 系统误差的来源及对策

1）试样中基体元素和分析元素以外的其它元素干扰所带来的误差。若标准样品和试样中基体元素及分析元素以外的其它元素含量和化学组成不完全相同，可能会引起分析元素谱线强度改变，从而引入误差。因此，选择的标准样品的化学成分应尽可能与试样的化学成分相近。

2）未知元素谱线的重叠干扰也会产生误差。通过选取分析元素的另一波长的谱线作为分析线进行测定，分析结果相差较大，说明可能存在未知元素谱线的重叠干扰，可进一步用化学方法分析、确定。如果干扰严重，应选择另一条干扰较小或无干扰的谱线作为分析线。

3）氩气不纯带来的误差。当氩气中含有较多水蒸气和其它杂质时，激发斑点会变白，分析结果准确性和稳定性变差，从而引入系统误差。因此，应确保氩气纯度达到高纯标准（99.999%）。

4）分析电极和分析间隙的影响。分析电极的顶尖是90°锥形角，其轴心应与光谱仪的光路中心一致，分析间隙要保持不变，否则聚焦在分光系统的谱线强度会改变。

5）石英透镜的影响。石英透镜内表面受试样激发产生的金属蒸气和灰尘污染，透光率降低，从而产生系统误差。因此，应定期清理透光孔和清洗或更换石英透镜。

6) 电源电压波动幅度的影响。电源电压的波动会引起激发单元放电电压不断变化，并影响试样激发光强度的变化，从而带来系统误差。因此，应使用稳压性能良好的稳压器。

6.2 偶然误差的来源及对策

1）试样成分不均匀。试样分析时的激发斑点直径只有13mm左右，如果试样中组织结构和元素分布不均匀，就会导致不同部位的分析结果不同。因此，试样在冶炼、加工和取样过程中应严格按照标准执行。

2）试样表面加工粗糙、不平整。当试样放在激发台上激发分析时，如果试样表面不平整，就会有漏气现象，激发光室气压不稳定，激发声音刺耳不正常，激发斑点变白，积碳现象严重，从而影响分析结果的准确度。因此，加工试样必须光洁平整。

3）分析样品与类型标准化和控制标准样品加工方式不一致。磨样纹路粗细要一致，不可有交叉纹，磨样时力度不要过大，而且用力要均匀，力求操作一致，用力过大时，试样磨样过热，容易造成试样表面氧化。

4）取样不规范，造成试样不具备一定代表性。因此，取样过程必须严格按照标准执行。

7 结论及建议

要想把好金属材料质量关，成为一名优秀的化学成分质量控制人员，不应仅仅是一名仪器的操作者，而更应该掌握光电直读光谱分析的理论、熟悉光谱设备的工作原理、仪器的结构、分析结果的判定、误差来源分析等相关知识，从而更有效地提高分析结果的准确度和精密度。

[ 参考文献]

[1] 陆科呈，卢祥丰，顾沛沛，等. 两种原子发射光谱法测定铝合金中高含量银的方法比较[J]. 理化检验-化学分册，2021，57（5）：417- 419.

[2]  冯媛，施小英，黄琦. 阴极铜直读光谱分析法质量控制[J]. 中国金属通报，2021（8）：180-181.