專利名稱：一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物理領(lǐng)域，尤其涉及光譜測(cè)量技術(shù)，特別是一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián) 合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法。
背景技術(shù)：
光是一種電磁輻射波，具有一定的能量，不同波長(zhǎng)光的能量與分子或原子內(nèi)電子 的某個(gè)量子化能級(jí)差相對(duì)應(yīng)，當(dāng)光作用于待測(cè)物質(zhì)時(shí)，會(huì)引起反射、吸收和散射等現(xiàn)象，從 而產(chǎn)生入射光信號(hào)的變化，入射光信號(hào)的變化直接反映了化合物原子或分子電磁輻射的吸 收量、反射量或散射量，光譜技術(shù)就是測(cè)量其變化，得到光吸收、反射或散射的光譜圖，從而 進(jìn)行定性或者定量分析，識(shí)別化合物。常用的光譜技術(shù)方法有紫外_可見(jiàn)吸收光譜法，也稱為紫外_可見(jiàn)分光光度法，多 用于有機(jī)材料的分析。分析所用儀器的主要構(gòu)造包括光源、波長(zhǎng)控制裝置、吸收池和信號(hào)檢 測(cè)器。光源有紫外線和可見(jiàn)光兩個(gè)系統(tǒng)，吸收池供放置檢材、樣本溶液之用。紫外線或可 見(jiàn)光光束射入吸收池中的檢材或樣本溶液，有些波長(zhǎng)被吸收，有些波長(zhǎng)被通過(guò)，因而形成譜 圖，通過(guò)檢測(cè)器記錄系統(tǒng)記錄下來(lái)或在熒光屏上顯示。然后對(duì)所形成的譜圖進(jìn)行分析，從而 對(duì)檢材、樣本加以識(shí)別。常用的光譜技術(shù)方法還有紅外光譜(IR)法，測(cè)定依據(jù)取決于檢材、樣品對(duì)紅外 光的吸收波長(zhǎng)以及強(qiáng)度。習(xí)慣上，把紅外光譜按照波長(zhǎng)分為三個(gè)區(qū)域，即近紅外區(qū)(0.78u m-2. 5u m)、中紅外區(qū)(2. 5u m_50u m)、遠(yuǎn)紅外區(qū)(50u m-1000u m)，而其中特別有實(shí)際應(yīng)用 意義的是中紅外區(qū)，各種物質(zhì)在這個(gè)區(qū)域的紅外線都有各自特有的紅外吸收光譜，往往把 它和指紋相比，稱為“紅外指紋區(qū)”，所以利用紅外波段來(lái)進(jìn)行化合物、特別是有機(jī)化合物的 識(shí)別，效果顯著。但需要強(qiáng)調(diào)的是，如果不對(duì)檢材、樣本進(jìn)行基體分離，就對(duì)其關(guān)鍵成分進(jìn)行 分析，這種識(shí)別就可能不準(zhǔn)確，因其只能完成對(duì)化合物的主要功能團(tuán)的描述，另外也存在著 一定的局限性。想得到一張高質(zhì)量的譜圖，除了需要好的儀器、合適的操作條件外，樣品的 制備技術(shù)也很重要，要求在采樣過(guò)程中盡量避免對(duì)樣品的任何污染，才能保證樣品測(cè)試結(jié) 果的準(zhǔn)確有效。而且在分析微量氣體樣品和微量液體樣品方面也存在著困難，紅外吸收譜 帶的位置、強(qiáng)度和形狀隨著測(cè)定時(shí)樣品的物理狀態(tài)以及制樣方法而變化。常用的光譜技術(shù)方法還有激光誘導(dǎo)光譜分析法。激光具有下列特征①光子通量 大，峰值功率高；②空間相干性好，可將光束精確定位于小范圍內(nèi)；③時(shí)間相干性好，可得 皮秒短脈沖，使檢測(cè)系統(tǒng)將激發(fā)信號(hào)和發(fā)射信號(hào)分開(kāi)；④譜線窄且波長(zhǎng)可調(diào)。由于激光可聚 焦成很小的光斑，使用不到1微升的試樣便可進(jìn)行分析，這極有利于生物化學(xué)的研究工作。 激發(fā)誘導(dǎo)光譜檢測(cè)方法主要是利用強(qiáng)激光照射被測(cè)樣品，產(chǎn)生熒光、等離子體和發(fā)生拉曼 散射等，通過(guò)光譜儀探測(cè)、檢測(cè)熒光、等離子體和拉曼散射的特性和強(qiáng)度，從而進(jìn)行物質(zhì)的 定性分析或定量分析的方法。它是一種探測(cè)濃度極小的分子物質(zhì)的靈敏技術(shù)比常規(guī)的吸收 光譜學(xué)的靈敏度提高了許多個(gè)數(shù)量級(jí)。而且對(duì)被測(cè)材料無(wú)損傷、測(cè)量環(huán)境要求低。其中，激光誘導(dǎo)熒光譜的原理是激光照射被測(cè)物質(zhì)上，被測(cè)物質(zhì)中的分子、原子吸收激發(fā)光的能量后，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)。該高能級(jí)是不穩(wěn)定的，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，分 子、原子自發(fā)的從非穩(wěn)態(tài)的高能級(jí)躍遷到穩(wěn)態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的較低能級(jí)，同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子。不 同的原子、分子的能級(jí)是固定的，因此它們發(fā)出的光子能量是一定的，即波長(zhǎng)一定。我們只 要測(cè)出該熒光的波長(zhǎng)，即可以識(shí)別所測(cè)物質(zhì)的元素和成份，而比較熒光強(qiáng)度，我們可以測(cè)出 它的含量。熒光激發(fā)光譜可作為定性分析的一種手段，用以鑒定物質(zhì)。根據(jù)試樣的圖譜和 波長(zhǎng)峰與已知樣品進(jìn)行比較，可以鑒別試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣品是否同一物質(zhì)。激光拉曼光譜法，主要用于識(shí)別物質(zhì)的種類，因?yàn)槊恳环N物質(zhì)(分子)都有自己的 特征拉曼光譜，可以作為表征這一物質(zhì)之用。當(dāng)一束波長(zhǎng)為λ的光照射到物質(zhì)上之后，一 部分光被反射，一部分光被透射，還有一部分光被散射，在散射光中，其中一部分光的波長(zhǎng) 和入射光相同，一部分和入射光的波長(zhǎng)不同，與入射光不同的散射就稱為拉曼散射。由于拉 曼散射與入射光的波長(zhǎng)無(wú)關(guān)，只與物質(zhì)本身的分子結(jié)構(gòu)和振動(dòng)有關(guān)，每個(gè)分子產(chǎn)生的拉曼 光譜的譜帶數(shù)目、譜帶強(qiáng)度、位移大小等都直接與分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)相關(guān)聯(lián)，所以拉曼光譜 屬于分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)光譜。使用拉曼光譜法進(jìn)行材料檢驗(yàn)，具有操作簡(jiǎn)便、快速、不破壞 和污染檢材、無(wú)需準(zhǔn)備樣本或者進(jìn)行其他的特殊處理等優(yōu)點(diǎn)。激光誘導(dǎo)等離子體光譜是利用強(qiáng)激光與被測(cè)材料相互作用產(chǎn)生等離子體發(fā)光后， 利用光譜技術(shù)，并借助于等離子體的理論模型，測(cè)量分析等離子體光譜，如譜線強(qiáng)度、譜線 輪廓以及譜線的分裂、位移等后，就可以得到等離子體的一些參量，如等離子體成分、溫度、 密度等。在高溫作用下，物質(zhì)離解為原子或離子，因此，被激發(fā)后產(chǎn)生的特征光譜為線狀光 譜，它只反映原子或離子的性質(zhì)，與原子狀態(tài)無(wú)關(guān)，所以只能確定檢材元素組成和含量，而 不能給出檢材分子結(jié)構(gòu)的信息雖然激光誘導(dǎo)光譜測(cè)量精度高，對(duì)采樣要求低。但現(xiàn)有技術(shù)中，常規(guī)激光光譜儀設(shè) 備昂貴，體積較大，需要專業(yè)人員操作，并通過(guò)對(duì)圖譜中譜帶的位置、形狀和相對(duì)強(qiáng)度進(jìn)行 分析、識(shí)別。另外為了提高探測(cè)靈敏度和精度，必須提高激光的功率，但是需要受實(shí)驗(yàn)室條 件限制，并不是任何時(shí)候都可行，同時(shí)，紫外波段的激光器價(jià)格比較昂貴。這使得光譜分析 技術(shù)一直停留在實(shí)驗(yàn)室，無(wú)法廣泛使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方 法，所述的這種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法要解決現(xiàn)有技術(shù)中激 光誘導(dǎo)光譜分析過(guò)程中需要專業(yè)人員比對(duì)圖譜、設(shè)備昂貴、受實(shí)驗(yàn)室條件限制、無(wú)法廣泛使 用的技術(shù)問(wèn)題。這項(xiàng)發(fā)明可以作為一個(gè)材料識(shí)別/購(gòu)買系統(tǒng)，允許用戶通過(guò)激光誘導(dǎo)多種 光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)技術(shù)獲取材料信息。本發(fā)明的這種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法包括一個(gè)利 用激光照射被測(cè)樣品同時(shí)利用光譜儀探測(cè)被測(cè)樣品的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼 光譜的第一步驟，并包括一個(gè)將被測(cè)樣品的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜與現(xiàn) 有圖譜比對(duì)的第二步驟，其特征在于在所述的第一步驟中，利用計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)采集光 譜儀探測(cè)得到的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜的圖像信號(hào)，然后將所述的圖像 信號(hào)傳遞到一個(gè)中心服務(wù)器，所述的中心服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)與一個(gè)預(yù)設(shè)的多種光譜 聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)連接，所述的多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置有材料和物質(zhì)的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜和拉曼光譜的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，在所述的第二步驟中，中心服務(wù)器接收 來(lái)自計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)的圖像信號(hào)，與多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)進(jìn) 行比對(duì)分析，然后確定被測(cè)樣品的材料性質(zhì)，將比對(duì)結(jié)果返回計(jì)算機(jī)。進(jìn)一步的，所述的計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器連接。進(jìn)一步的，在所述的第二步驟中，中心服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)從多種光譜聯(lián)合 指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，然后采用聚類分析方法或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)來(lái) 自計(jì)算機(jī)的被測(cè)樣品的光譜圖譜進(jìn)行解讀、比較和判斷，最終得到被測(cè)材料成分和特性。進(jìn)一步的，所述的聚類分析方法包括了劃分方法、或者層次方法、或者基于密度的 方法、或者基于網(wǎng)格的方法、或者基于模型的方法。進(jìn)一步的，所述的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征、進(jìn)行分布式 并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型，通過(guò)預(yù)先提供的一批相互對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)和材料 數(shù)據(jù)，分析標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，最終根據(jù)這些規(guī)律，用新輸入的標(biāo)準(zhǔn) 光譜指紋數(shù)據(jù)來(lái)推算材料數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，在所述的第一步驟中，采用多波長(zhǎng)亞納秒脈沖激光作為光譜激勵(lì)光源。本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)上述激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料方 法的系統(tǒng)，所述的這種系統(tǒng)由激光器、激光諧波變換系統(tǒng)、光學(xué)聚焦系統(tǒng)、樣品室、光學(xué)采集 透鏡、光纖光譜儀以及智能手機(jī)或PC機(jī)、中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和激光誘導(dǎo)多種光譜 聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成，其特征在于所述的激光諧波變換系統(tǒng)、光學(xué)聚焦系統(tǒng)和樣品室 均設(shè)置在激光器的激光出射光路中，光學(xué)聚焦系統(tǒng)設(shè)置在激光器與樣品室之間，激光諧波 變換系統(tǒng)設(shè)置在激光器與光學(xué)聚焦系統(tǒng)之間，所述的光學(xué)采集透鏡設(shè)置與樣品室的激發(fā)光 路成15到165度之間的夾角的位置上，所述的光纖光譜儀的輸入端設(shè)置在光學(xué)采集透鏡的 焦點(diǎn)處，光纖光譜儀的輸出端與所述的智能手機(jī)或PC機(jī)連接，智能手機(jī)或PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與 所述的中心服務(wù)器連接，中心服務(wù)器通過(guò)所述的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)與所述的激光誘導(dǎo)多種光譜 聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接。進(jìn)一步的，所述的激光器和光纖光譜儀均與一個(gè)電池連接。進(jìn)一步的，所述的激光器采用微片激光器，利用所述的微片激光器產(chǎn)生亞納秒脈 沖激光，脈沖寬度小于1ns，激光諧波變換系統(tǒng)中使用KTP、LB0、BB0和KDP光學(xué)晶體組合實(shí) 現(xiàn)產(chǎn)生IOOO-IlOOnm波長(zhǎng)的基頻光、500-550nm波長(zhǎng)的二次諧波和333-367nm波長(zhǎng)的三次諧 波以及250-275nm波長(zhǎng)的四次諧波。進(jìn)一步的，所述的光纖光譜儀采用光纖作為信號(hào)耦合器件，將光學(xué)采集透鏡的焦 點(diǎn)處的被測(cè)光耦合到光譜儀中。本發(fā)明的工作原理是將被測(cè)樣品放置到樣品室內(nèi)，對(duì)于大件固體材料檢測(cè)，可 使大件固體材料表面直接置于激勵(lì)激光通過(guò)光學(xué)聚焦系統(tǒng)后的聚焦點(diǎn)處。激光器產(chǎn)生的 1064nm脈沖激光通過(guò)激光諧波變換系統(tǒng)，即使用兩塊KDP光學(xué)晶體產(chǎn)生激光波長(zhǎng)為266nm 的四次諧波，實(shí)現(xiàn)熒光光譜測(cè)試；另外通過(guò)改變激光諧波變換系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)，即使用KDP光 學(xué)晶體產(chǎn)生532nm 二次諧波激光，用于樣品拉曼光譜測(cè)試；再通過(guò)266nm的紫外激光或者 532nm綠激光經(jīng)過(guò)光學(xué)聚焦系統(tǒng)聚焦于樣品室中央，激發(fā)被測(cè)樣品產(chǎn)生熒光或拉曼散射光。 熒光或拉曼散射光通過(guò)光學(xué)采集透鏡進(jìn)入光纖光譜儀測(cè)試產(chǎn)生被測(cè)材料激光誘導(dǎo)熒光和 拉曼光譜。熒光光譜和拉曼光譜數(shù)據(jù)通過(guò)智能手機(jī)或者計(jì)算機(jī)采集編輯，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街行姆?wù)器。中心服務(wù)器對(duì)這些光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)從激光誘 導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，然后采用聚類分析、人工神經(jīng) 網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)獲得的被測(cè)材料光譜指紋圖譜進(jìn)行解讀、比較和判斷，最終得到被測(cè)材料成 分和特性。并實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回給智能手機(jī)或者計(jì)算機(jī)，將檢測(cè)結(jié)果告知用戶。本發(fā)明更詳細(xì)的工作原理是激光誘導(dǎo)多種光譜主要包括激光誘導(dǎo)熒光光譜、等 離子光譜和拉曼光譜等。本發(fā)明中的第一步驟通過(guò)激光誘導(dǎo)多種光譜測(cè)試終端來(lái)實(shí)現(xiàn)，所 述的激光誘導(dǎo)多種光譜測(cè)試終端主要包括激光器、激光諧波變換系統(tǒng)、光學(xué)聚焦系統(tǒng)、樣品 室、光學(xué)采集透鏡、光纖光譜儀以及智能手機(jī)或PC機(jī)用于采集顯示編輯和控制傳輸。利用 激光誘導(dǎo)多種光譜分析測(cè)試材料，它們最大的特點(diǎn)是不需要對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)處理、不破 壞和污染檢材、受環(huán)境影響小和測(cè)量精度高。可以被大量非專業(yè)人員使用。尤其是隨著激 光技術(shù)和CCD技術(shù)的發(fā)展，激光誘導(dǎo)多種光譜測(cè)量手段更加多樣。本發(fā)明中使用了一種全 新的多波長(zhǎng)亞納秒脈沖激光作為光譜激勵(lì)光源，同時(shí)利用光纖光譜儀測(cè)量樣品的激光誘導(dǎo) 多種光譜數(shù)據(jù)，整套測(cè)量設(shè)備非常輕便，可以使用電池供電工作，非常適合在任何環(huán)境下在 線檢測(cè)使用。多波長(zhǎng)亞納秒脈沖激光采用微片激光器作為基頻光，脈沖寬度小于1ns，雖然 單脈沖激光能量很低(微焦級(jí))，但激光脈寬小于1ns，激光峰值功率可高達(dá)幾十千瓦，非常 適用于作為熒光、拉曼和等離子體光譜測(cè)量用激勵(lì)光源。并采用激光諧波技術(shù)，使用KTP、 LBO、BBO和KDP光學(xué)晶體組合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生四種波長(zhǎng)1000-1100nm基頻光、500_550nm 二次諧 波和333-367nm三次諧波以及250-275nm四次諧波，可以更好的針對(duì)不同材料測(cè)試。而且價(jià) 格便宜。光纖光譜儀采用光纖作為信號(hào)耦合器件，將被測(cè)光耦合到光譜儀中進(jìn)行光譜分析。 由于光纖的方便性，用戶可以非常靈活的搭建光譜采集系統(tǒng)。光纖光譜儀的優(yōu)勢(shì)在于測(cè)量 系統(tǒng)的模塊化和靈活性。微型光纖光譜儀的測(cè)量速度非?？?，可以用于在線分析。而且由 于采用了低成本的通用探測(cè)器，降低了光譜儀的成本，從而也降低了整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的造價(jià)由于樣品多樣性和成分復(fù)雜，目前的單一光譜測(cè)定方法給出信息較少，均無(wú)法建 立完善的光譜指紋圖譜，因此本發(fā)明利用數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)將中心服務(wù)器與激光誘導(dǎo)多種光譜 聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接，從而可以逐步建立激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。即 采用多波長(zhǎng)激光同時(shí)測(cè)定材料激光熒光、等離子或拉曼光譜指紋圖譜，各圖譜間相互補(bǔ)充 信息，可對(duì)復(fù)雜樣品有更準(zhǔn)確的特性識(shí)別。材料激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)的建立能 夠系統(tǒng)完整地解決樣品多樣性和成分復(fù)雜的測(cè)量診斷，要找出多個(gè)圖譜信息完全相同的材 料幾乎是不可能的。本發(fā)明可通過(guò)對(duì)大量最終樣品采集激光誘導(dǎo)多種光譜，并對(duì)其信息化 和數(shù)字化來(lái)建立激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。主要過(guò)程為針對(duì)某類樣品和要 求，確定合適的獲得激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋的分析方法(如熒光、等離子或拉曼光譜 以及聯(lián)用等)，建立整個(gè)分析方法的各種操作條件，進(jìn)行測(cè)試，以獲得不同樣品的激光誘導(dǎo) 多種光譜聯(lián)合指紋圖譜，對(duì)所得指紋圖譜進(jìn)行分析，并利用模糊數(shù)學(xué)、統(tǒng)計(jì)學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù) 等對(duì)指紋圖譜數(shù)據(jù)信息確定其數(shù)字特征。然后根據(jù)激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋譜圖的特性 建立網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)。光譜指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)按一定的結(jié)構(gòu)和規(guī)則組織起來(lái)的相關(guān)激光光譜數(shù)據(jù) 的集合。是綜合各樣品數(shù)據(jù)形成的數(shù)據(jù)集合，是存放數(shù)據(jù)的倉(cāng)庫(kù)。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)目前是計(jì) 算機(jī)處理與存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的最有效、最成功的技術(shù)。把其應(yīng)用到光譜指紋譜圖數(shù)據(jù)庫(kù)建立上來(lái)， 使數(shù)據(jù)庫(kù)具有數(shù)據(jù)量大、增長(zhǎng)迅速、更新速度快、使用便捷、數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、多元等特點(diǎn)。另 外數(shù)據(jù)庫(kù)的檢索功能強(qiáng)，而且具有很強(qiáng)擴(kuò)展整合功能，方便與其他數(shù)據(jù)庫(kù)的鏈接與整合，實(shí)現(xiàn)資源共享。并且網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)品可與服務(wù)緊密結(jié)合，這也是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)的又一顯著特征。本發(fā)明中對(duì)于光譜的分析和診斷，則是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和中央服務(wù)器，將處在不同地方 和空間位置、操作相對(duì)獨(dú)立的激光光譜測(cè)試終端連接起來(lái)，再配置一定的系統(tǒng)和應(yīng)用軟件， 在原本獨(dú)立的激光誘導(dǎo)光譜測(cè)試終端實(shí)現(xiàn)軟硬件資源共享和信息傳遞。結(jié)合網(wǎng)絡(luò)激光誘導(dǎo) 多種光譜聯(lián)合指紋圖譜數(shù)據(jù)庫(kù)構(gòu)成在線材料成分特性診斷檢測(cè)系統(tǒng)。光譜指紋的分析和診 斷過(guò)程是光譜測(cè)試終端通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將被測(cè)材料的光譜傳送給中央服務(wù)器，而中央服務(wù)器對(duì)這 些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，首先通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)從數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，然后采用聚 類分析、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法對(duì)獲得的被測(cè)材料光譜指紋圖譜進(jìn)行解讀、比較和判斷，最終 得到被測(cè)材料成分和特性。并實(shí)時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳回給檢測(cè)終端，將結(jié)果告知用戶。聚類分析 方法非常適合用于大量的數(shù)據(jù)的分類，常用的聚類算法主要有以下一些方法劃分方法，層 次方法，基于密度的方法，基于網(wǎng)格的方法，基于模型的方法。聚類分析是一種硬劃分，它 按照一定的要求和規(guī)律將材料光譜指紋進(jìn)行分類，這種分類的界限是分明的，具有“非此即 彼”的性質(zhì)。將聚類分析應(yīng)用于數(shù)據(jù)挖掘中可以大大提高計(jì)算效率，可以根據(jù)不同的要求獲 得不同的聚類結(jié)果，這樣大大地提高了聚類的靈活性并有效地降低了計(jì)算量，具有較好的 可伸縮性，便于找出孤立點(diǎn)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的算 法數(shù)學(xué)模型。這種網(wǎng)絡(luò)依靠系統(tǒng)的復(fù)雜程度，通過(guò)調(diào)整內(nèi)部大量節(jié)點(diǎn)之間相互連接的關(guān)系， 從而達(dá)到處理信息的目的。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)的能力，可以通過(guò)預(yù)先提供 的一批相互對(duì)應(yīng)的輸入_輸出數(shù)據(jù)，分析掌握兩者之間潛在的規(guī)律，最終根據(jù)這些規(guī)律，用 新的輸入數(shù)據(jù)來(lái)推算輸出結(jié)果。本發(fā)明和已有技術(shù)相比較，其效果是積極和明顯的。本發(fā)明利用網(wǎng)絡(luò)與激光誘導(dǎo) 多種光譜聯(lián)合指紋圖譜在線連接，利用激光誘導(dǎo)多種光譜分析測(cè)試材料，能廣泛應(yīng)用于地 質(zhì)、機(jī)械、航空航天、輕工紡織、石油化工、食品、生命健康、醫(yī)藥衛(wèi)生、材料、能源、農(nóng)林、環(huán)境 保護(hù)、刑事偵察、商品檢驗(yàn)、國(guó)防科技、考古、珠寶、文物鑒定等領(lǐng)域，將現(xiàn)代激光光譜分析技 術(shù)全面運(yùn)用于質(zhì)量管理，對(duì)產(chǎn)品復(fù)雜特性做出精確科學(xué)的表達(dá)。對(duì)于成品質(zhì)量、工藝操作、 原料材料的質(zhì)量控制和具有重大意義。并且不需要對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行預(yù)處理，不破壞和污染 檢材，受環(huán)境影響小，測(cè)量精度高?？梢员淮罅糠菍I(yè)人員使用。


圖1是本發(fā)明一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法的原理 示意圖。圖2是本發(fā)明一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法中的檢 測(cè)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的示意圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 如圖1所示，本發(fā)明一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法， 包括一個(gè)利用激光照射被測(cè)樣品同時(shí)利用光譜儀探測(cè)被測(cè)樣品的熒光激發(fā)光譜、等離子體 光譜或拉曼光譜的第一步驟，并包括一個(gè)將被測(cè)樣品的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜與現(xiàn)有圖譜比對(duì)的第二步驟，其中，在所述的第一步驟中，利用計(jì)算機(jī)采集光譜儀探 測(cè)得到的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜的圖像信號(hào)，然后將所述的圖像信號(hào)傳 遞到一個(gè)中心服務(wù)器，所述的中心服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)與一個(gè)預(yù)設(shè)的多種光譜聯(lián)合指 紋數(shù)據(jù)庫(kù)連接，所述的多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置有材料和物質(zhì)的熒光激發(fā)光譜、等 離子體光譜和拉曼光譜的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，在所述的第二步驟中，中心服務(wù)器接收來(lái)自 計(jì)算機(jī)的圖像信號(hào)，與多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比對(duì)，然 后確定被測(cè)樣品的材料性質(zhì)，將比對(duì)結(jié)果返回計(jì)算機(jī)。進(jìn)一步的，所述的計(jì)算機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器連接。進(jìn)一步的，在所述的第二步驟中，中心服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)從多種光譜聯(lián)合 指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，然后采用聚類分析方法或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)來(lái) 自計(jì)算機(jī)的被測(cè)樣品的光譜圖譜進(jìn)行解讀、比較和判斷，最終得到被測(cè)材料成分和特性。進(jìn)一步的，所述的聚類分析方法包括了劃分方法、或者層次方法、或者基于密度的 方法、或者基于網(wǎng)格的方法、或者基于模型的方法。進(jìn)一步的，所述的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征、進(jìn)行分布式 并行信息處理的算法數(shù)學(xué)模型，通過(guò)預(yù)先提供的一批相互對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)和材料 數(shù)據(jù)，分析標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，最終根據(jù)這些規(guī)律，用新輸入的標(biāo)準(zhǔn) 光譜指紋數(shù)據(jù)來(lái)推算材料數(shù)據(jù)。進(jìn)一步的，在所述的第一步驟中，采用多波長(zhǎng)亞納秒脈沖激光作為光譜激勵(lì)光源。如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)上述激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線 檢測(cè)材料方法的系統(tǒng)，所述的這種系統(tǒng)由激光器1、激光諧波變換系統(tǒng)2、光學(xué)聚焦系統(tǒng)3、 樣品室4、光學(xué)采集透鏡5、光纖光譜儀6和光纖光譜儀7以及智能手機(jī)或PC機(jī)9、中心服務(wù) 器U、數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)12和激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)13構(gòu)成，其中，所述的激 光諧波變換系統(tǒng)2、光學(xué)聚焦系統(tǒng)3和樣品室4均設(shè)置在激光器1的激光出射光路15中，光 學(xué)聚焦系統(tǒng)3設(shè)置在激光器1與樣品室4之間，激光諧波變換系統(tǒng)2設(shè)置在激光器1與光 學(xué)聚焦系統(tǒng)3之間，所述的光學(xué)采集透鏡5設(shè)置與樣品室的激發(fā)光路成15到165度之間的 夾角的位置上，所述的光纖光譜儀6和光纖光譜儀7的輸入端設(shè)置在光學(xué)采集透鏡5的焦 點(diǎn)處，光纖光譜儀6和光纖光譜儀7的輸出端與所述的智能手機(jī)或PC機(jī)9連接，智能手機(jī) 或PC機(jī)9通過(guò)網(wǎng)絡(luò)10與所述的中心服務(wù)器11連接，中心服務(wù)器11通過(guò)所述的數(shù)據(jù)交換 系統(tǒng)12與所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)13連接，進(jìn)一步的，所述的激光器1和光纖光譜儀6和光纖光譜儀7均與一個(gè)充電式鋰電 池8連接。進(jìn)一步的，所述的激光器1采用微片激光器，利用微片激光器產(chǎn)生亞納秒脈沖激 光，脈沖寬度小于1ns，激光諧波變換系統(tǒng)2中使用KTP、LB0、BB0和KDP光學(xué)晶體組合實(shí)現(xiàn) 產(chǎn)生IOOO-IlOOnm波長(zhǎng)的基頻光、500-550nm波長(zhǎng)的二次諧波和333-367nm波長(zhǎng)的三次諧波 以及250-275nm波長(zhǎng)的四次諧波。進(jìn)一步的，所述的光纖光譜儀6和光纖光譜儀7采用光纖作為信號(hào)耦合器件，將光 學(xué)采集透鏡5的焦點(diǎn)處的被測(cè)光14耦合到光譜儀中。
權(quán)利要求
1.一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法，包括一個(gè)利用激光照射 被測(cè)樣品同時(shí)利用光譜儀探測(cè)被測(cè)樣品的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜的第一 步驟，并包括一個(gè)將被測(cè)樣品的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜與現(xiàn)有圖譜比對(duì) 的第二步驟，其特征在于在所述的第一步驟中，利用計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)采集光譜儀探測(cè)得 到的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜的圖像信號(hào)，然后將所述的圖像信號(hào)傳遞到 一個(gè)中心服務(wù)器，所述的中心服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)與一個(gè)預(yù)設(shè)的多種光譜聯(lián)合指紋數(shù) 據(jù)庫(kù)連接，所述的多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置有材料和物質(zhì)的熒光激發(fā)光譜、等離子 體光譜和拉曼光譜的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，在所述的第二步驟中，中心服務(wù)器接收來(lái)自計(jì)算 機(jī)或智能手機(jī)的光譜圖像信號(hào)，與多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比 對(duì)分析，然后確定被測(cè)樣品的材料性質(zhì)，將比對(duì)結(jié)果返回計(jì)算機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法，其特征 在于所述的計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與中心服務(wù)器連接。
3.如權(quán)利要求1所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法，其特征 在于在所述的第二步驟中，中心服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)從多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中 調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，然后采用聚類分析方法或者人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法對(duì)來(lái)自計(jì)算機(jī)的被 測(cè)樣品的光譜圖譜進(jìn)行解讀、比較和判斷，最終得到被測(cè)材料成分和特性。
4.如權(quán)利要求3所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法，其特征 在于所述的聚類分析方法包括了劃分方法、或者層次方法、或者基于密度的方法、或者基 于網(wǎng)格的方法、或者基于模型的方法。
5.如權(quán)利要求4所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法，其特征 在于所述的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法是模仿動(dòng)物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征、進(jìn)行分布式并行信息處理 的算法數(shù)學(xué)模型，通過(guò)預(yù)先提供的一批相互對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)，分析標(biāo) 準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)和材料數(shù)據(jù)之間的規(guī)律，最終根據(jù)這些規(guī)律，用新輸入的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù) 據(jù)來(lái)推算材料數(shù)據(jù)。
6.如權(quán)利要求1所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法，其特征 在于在所述的第一步驟中，采用多波長(zhǎng)亞納秒脈沖激光作為光譜激勵(lì)光源。
7.一種實(shí)現(xiàn)如權(quán)利要求1所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方 法的系統(tǒng)，由激光器、激光諧波變換系統(tǒng)、光學(xué)聚焦系統(tǒng)、樣品室、光學(xué)采集透鏡、光纖光譜 儀以及智能手機(jī)或PC機(jī)、中心服務(wù)器、數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)和激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)數(shù) 據(jù)庫(kù)構(gòu)成，其特征在于所述的激光諧波變換系統(tǒng)、光學(xué)聚焦系統(tǒng)和樣品室均設(shè)置在激光器 的激光出射光路中，光學(xué)聚焦系統(tǒng)設(shè)置在激光器與樣品室之間，激光諧波變換系統(tǒng)設(shè)置在 激光器與光學(xué)聚焦系統(tǒng)之間，所述的光學(xué)采集透鏡設(shè)置在與樣品室的激發(fā)光路成15到165 度之間的夾角的位置上，所述的光纖光譜儀的輸入端設(shè)置在光學(xué)采集透鏡的焦點(diǎn)處，光纖 光譜儀的輸出端與所述的智能手機(jī)或PC機(jī)連接，智能手機(jī)或PC機(jī)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與所述的中心 服務(wù)器連接，中心服務(wù)器通過(guò)所述的數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)與所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng) 絡(luò)數(shù)據(jù)庫(kù)連接。
8.如權(quán)利要求7所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的系統(tǒng)，其特征 在于所述的激光器和光纖光譜儀均與一個(gè)電池連接。
9.如權(quán)利要求7所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的系統(tǒng)，其特征在于所述的激光器采用微片激光器，利用所述的微片激光器產(chǎn)生亞納秒脈沖激光，脈 沖寬度小于1ns，激光諧波變換系統(tǒng)中使用KTP、LB0, BBO和KDP光學(xué)晶體組合實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生 1000-1 IOOnm波長(zhǎng)的基頻光、500-550nm波長(zhǎng)的二次諧波和333-367nm波長(zhǎng)的三次諧波以及 250-275nm波長(zhǎng)的四次諧波。
10.如權(quán)利要求7所述的激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的系統(tǒng)，其特 征在于所述的光纖光譜儀采用光纖作為信號(hào)耦合器件，將光學(xué)采集透鏡的焦點(diǎn)處的被測(cè) 光耦合到光譜儀中。
全文摘要
一種激光誘導(dǎo)多種光譜聯(lián)合指紋網(wǎng)絡(luò)在線檢測(cè)材料的方法，包括一個(gè)利用激光照射被測(cè)樣品同時(shí)利用光譜儀探測(cè)被測(cè)樣品的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜或拉曼光譜的第一步驟，并包括一個(gè)將被測(cè)樣品的上述光譜與現(xiàn)有圖譜比對(duì)的第二步驟，在第一步驟中，利用計(jì)算機(jī)或智能手機(jī)采集光譜儀得到的光譜信號(hào)，然后將信號(hào)傳遞到一個(gè)中心服務(wù)器，中心服務(wù)器通過(guò)數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)與一個(gè)預(yù)設(shè)的多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)連接，多種光譜聯(lián)合指紋數(shù)據(jù)庫(kù)中設(shè)置有材料和物質(zhì)的熒光激發(fā)光譜、等離子體光譜和拉曼光譜的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)，在第二步驟中，中心服務(wù)器將光譜圖像信號(hào)與該數(shù)據(jù)庫(kù)中的標(biāo)準(zhǔn)光譜指紋數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，然后確定被測(cè)樣品的材料性質(zhì)，將比對(duì)結(jié)果返回計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)G01N21/65GK101995395SQ200910056469
公開(kāi)日2011年3月30日 申請(qǐng)日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者龔輝 申請(qǐng)人:上海鐳立激光科技有限公司