为什么有的痕量分析仪，量程范围可以非常广，既可以测量小量程，又可以测量大量程。这台机器是如何做到：既能看清一只蚂蚁的腿毛（ppb 级痕量），又能看清一头大象（ppm 级常量），而且用的是同一双眼睛（PMT）

这个魔法的核心在于：可变增益链 (Variable Gain Chain)。在电路实现上，主要依靠 TIA（跨阻放大器）的量程切换和 PGA（可编程增益放大器）。我把这个过程比作显微镜的换镜头（或者说电子变速箱）

一、 核心矛盾：ADC 的分辨率瓶颈

首先，我们要明白为什么要调整增益。现在的仪器最终都要把模拟信号变成数字信号（ADC，模数转换）。

假设你的 ADC 是 0~5V 输入范围。

1. 如果不调增益（固定量程）：
   • 为了测 100 ppm (大信号)，你设定 5V = 100 ppm。
   • 那么 1 ppb (0.001 ppm) 对应的电压就是 $0.00005\text{V}$ (50 微伏)。
   • 后果： 50 微伏的有用信号早就被电路板上的白噪声和底噪淹没了，根本测不出来。
2. 解决思路：
   • 测大信号时：把倍数调低（5V = 100 ppm）。
   • 测小信号时：把倍数放大 1000 倍（5V = 100 ppb）。这样 1 ppb 的信号就变成了 0.05V (50 毫伏)，这就能测准了！

二、 硬件实现：三级放大策略

在紫外荧光法 $\text{SO}_2$ 分析仪中，电路通常分为三级来处理 PMT 输出的微弱电流。

第一级：I/V 转换（跨阻放大器 TIA）—— 最关键的“电阻切换”

PMT 输出的是电流 ($I_{pmt}$)，通常在 皮安 (pA, $10^{-12}$) 到 微安 ($\mu\text{A}, 10^{-6}$) 级别。我们需要把它变成电压 ($V$) 给 ADC 读。

公式：$V_{out} = I_{pmt} \times R_f$ (反馈电阻)

这是物理层面的量程切换，也是最常用的一招。

• 低量程模式 (Trace Mode)：
  • 我们需要极大的放大倍数。
  • 电路会自动接通一个 1G$\Omega$ ($10^9$ 欧姆) 的超大电阻。
  • 哪怕只有 1pA 的电流，也能产生 $1\text{pA} \times 1\text{G}\Omega = 1\text{mV}$ 的电压。
• 高量程模式 (High Range)：
  • 电流太大了，用大电阻会瞬间让电压“爆表”（超过 5V）。
  • 电路通过继电器或模拟开关，切换成一个 1M$\Omega$ ($10^6$ 欧姆) 的电阻。
  • 倍数瞬间缩小了 1000 倍。

第二级：PGA (可编程增益放大器) —— 精细微调

TIA 负责粗调（比如 x1, x100, x1000），PGA 负责细调（x1, x2, x4, x8…）。这是一个集成芯片，CPU 可以通过发指令，瞬间改变它的放大倍数。它的作用是把第一级出来的电压，尽可能拉伸到 ADC 的最佳工作区（比如 2V~4V）。

第三级：PMT 高压调整 (HV Adjustment) —— 终极武器

如果光强实在太强了，把电阻换到最小、PGA 设为 1 还是爆表怎么办？

降低 PMT 的供电电压（负高压）。

• PMT 的增益对高压极其敏感。高压从 -800V 降到 -600V，PMT 输出的电流可能直接衰减 10 倍。
• 注：这种方法响应慢，通常不用于快速量程切换，只用于基准设定。

三、 算法逻辑：自动量程 (Auto-Ranging) 的“傻瓜”逻辑

硬件准备好了，软件（算法）是怎么指挥的呢？这就涉及到了阈值判定 和 滞回。CPU 会在一个循环里不断监视 ADC 的读数（假设 ADC 满量程是 65535）：

1. 向上切换 (Upscale)：防止爆表

• 逻辑： 如果 ADC 读数连续 N 次超过 90% (比如 > 59000)。
• 判断： “危险！信号快到顶了，要被削顶了！”
• 动作：
  1. 命令 PGA 增益 除以 10（或者切换 TIA 电阻）。
  2. 软件内部记录：现在的 硬件放大倍数 (Gain Factor) 变了。
  3. 丢弃切换瞬间不稳定的那几个数据。

2. 向下切换 (Downscale)：防止丢失精度

• 逻辑： 如果 ADC 读数连续 N 次低于 10% (比如 < 6500)。
• 判断： “信号太小了，分辨率不够用了，我要放大看细节！”
• 动作：
  1. 命令 PGA 增益 乘以 10。
  2. 等待电路稳定。

3. 核心算法：滞回区间 (Hysteresis) —— 避免“抽风”

这是一个非常重要的工程经验。

• 如果你设定： >90% 升档，<90% 降档。
• 后果： 如果读数刚好在 90% 附近跳动，继电器就会“咔哒咔哒”疯狂切换，系统就崩溃了。
• 做法：
  • 升档阈值设为 95%。
  • 降档阈值设为 15%。
  • 中间这巨大的空白区，保持当前量程不动。

四、 数据还原：这一步最容易被忽视

硬件切换了，电压变了，那屏幕上显示的浓度数值会不会突然跳变？当然不能跳！ 软件必须把电压归一化。 $$\text{最终显示浓度} = \frac{\text{ADC读数电压}}{\text{当前的硬件总增益}} \times \text{校准系数}$$

• 场景 A（低量程）：
  • ADC 读到 4.0V。
  • 当前增益是 x1000。
  • 反算原始信号：$4.0 / 1000 = 0.004$。
• 场景 B（高量程）：
  • 切换后，硬件增益变成了 x1。
  • 同样的浓度，ADC 读数变成了 0.004V。
  • 反算原始信号：$0.004 / 1 = 0.004$。

结果： 虽然 ADC 读到的电压天差地别，但经过软件除以增益后，最终算出来的浓度是平滑连接的。

痕量仪与常量仪

那按照上面的思路，分析仪就可以通过电路的调整来实现量程的扩大了，不是吗？那为什么现实中很多分析仪并没有这么做。为什么大量程小量程不能用一台机器“通吃”？

这么做，电路的瓶颈确实被打破了，但物理和化学的瓶颈还在。

死敌一：光学饱和效应 —— 堵车了

这是紫外荧光法（$\text{SO}_2$）和化学发光法（$\text{NO}_x$）无法测量高浓度的最主要原因。

场景类比：

• 低浓度（正常）： 广场上站着 10 个人（$\text{SO}_2$）。我用一束光照过去，每个人都能被照到，每个人都发光。光强 $\propto$ 人数。线性很好。
• 超高浓度（扩大量程后）： 广场上密密麻麻挤了 10,000 个人。
  • 问题来了： 我手电筒的光，只能照亮最前面那几排人。
  • 后面的人： 被前面的人挡住了（阴影区），根本没受到激发，不发光。
  • 发出的光： 甚至发出来的荧光，在飞向 PMT 的过程中，又被旁边没发光的人给“吸收”了（自吸收）。 结果（非线性）：即使电路能读数，但你会发现：浓度 1000 ppm 时读数是 1V；浓度 5000 ppm 时读数可能只有 1.2V。曲线趴下了。 这时候算法再怎么拟合也救不回来。

死敌二：探测器的生理极限 —— “亮瞎眼”

即使我们假设气体没有自吸收，发出了巨大的光，PMT（光电倍增管）也受不了。

• PMT 的原理： 一个光子进来，变成 100 万个电子出去。
• 高浓度下： 进来的光子太多了。
  • 电流限制： PMT 内部的倍增极（Dynode）电流是有上限的。电子云太密集，空间电荷效应会排斥后续的电子。
  • 不可逆损伤： 如果你强行用痕量仪去测高浓度（比如锅炉爆表），巨大的阳极电流会把 PMT 的最后一级“烧坏”，导致灵敏度永久下降。

电路能调增益，但救不了探测器的命。 就像你能把照片亮度调低，但不能让你的视网膜盯着太阳看。

死敌三：系统的“记忆效应” —— “洗不干净”

这是机械和气路设计的痛。

痕量分析仪（比如测 ppb 级的）为了追求灵敏度，其管路、反应室材料虽然也是特氟龙或不锈钢，但只要接触过一次高浓度气体（比如 1% 的 $\text{SO}_2$）：

1. 吸附： 高浓度的气体会深深“钻”进管路表面的微孔里。
2. 清洗： 当你切回测量低浓度（ppb）时，那些钻进去的气体开始慢慢释放。
3. 后果： 你的背景噪声（本底）会变得极高。原本能测 1 ppb，现在因为管路脏了，起步就是 50 ppb。

结论：测过一次高浓度，这台“痕量仪”就废了，可能需要吹扫几天几夜才能恢复“视力”。

工程师的“作弊”手段：如果非要测，怎么办？

1. 物理衰减器 (Physical Attenuator) / 光圈

• 原理： 既然光太强会“亮瞎眼”，那我就戴墨镜。
• 做法： 在 PMT 前面加一个带小孔的金属片（光阑）或者中性密度滤光片。
• 代价： 牺牲了低浓度的检出限（看不清微量了），但把量程上限扩大了 100 倍。

2. 双光路 / 双气室 (Dual Bench)

• 原理： 既然不能通吃，那我就装两套系统。
• 结构：
  • 长气室： 光程长，灵敏度高，用来测低浓度。
  • 短气室： 光程极短（比如只有 1mm），专门测高浓度（避免光学饱和）。
• 切换： 很多 NDIR 分析仪里，你会看到一个切光轮上同时有长短两个气室，CPU 自动判断：浓度高了就读短的，浓度低了就读长的。

3. 稀释采样 (Dilution)

这就回到了我们最开始聊的。既然仪器测不了高浓度，那我就在进气口把它稀释 100 倍再送进去。这是最彻底的解决办法。

总结

在纯信号处理领域，通过可变增益链确实可以非常“简单”的扩大量程 (比如数字万用表，靠切电阻就能从 mV 测到 kV），但在分析仪器领域，我们要处理的是物质和光：

• 光会饱和（非线性）。
• 物质会吸附（污染）。
• 器件会损坏（PMT 过载）。

所以，分析仪厂家才会把产品严格分为 “环境级（Ambient / Trace, ppb）” 和 “污染源级（Source / Emission, ppm）。这不仅仅是软件设置的不同，而是光路长度、气室体积、管路材质、甚至探测器选型的全方位物理差异。