一種高效的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種高效的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)。該分析系統(tǒng)可將激光光源分成多路通過(guò)光纖分別傳送至多個(gè)待測(cè)點(diǎn)，激發(fā)產(chǎn)生激光等離子體后，將相應(yīng)的光譜信號(hào)傳回檢測(cè)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光探針儀的多點(diǎn)同時(shí)在線檢測(cè)，使用光纖傳輸激光和光譜信號(hào)，不僅可以提高惡劣環(huán)境中激光探針的抗干擾能力，而且還可以大幅降低激光探針儀的應(yīng)用成本。該實(shí)用新型特別適用于包含多條生產(chǎn)線的大型工業(yè)過(guò)程，具備對(duì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品的多種元素同時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的能力，可以大幅降低激光探針儀器的應(yīng)用成本，將有助于激光探針技術(shù)的推廣和普及。
【專利說(shuō)明】
一種高效的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及光譜分析和在線成分檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，該實(shí)用新型特別適用于礦山、大型工業(yè)過(guò)程的多點(diǎn)同時(shí)在線檢測(cè)，可以顯著降低成本，提高檢測(cè)效率，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年，一種新型的物質(zhì)成分探測(cè)技術(shù)一一激光探針技術(shù)，也稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-1nduced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技術(shù)引起了科研人員的極大興趣。與傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法相比，激光探針技術(shù)不僅具有多元素同時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)速度快，可用于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，樣品損傷小及預(yù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且可以對(duì)氣體、液體、固體和氣溶膠幾乎所有狀態(tài)的樣品進(jìn)行檢測(cè)。正因如此，目前激光探針技術(shù)被廣泛運(yùn)用于材料分析、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、農(nóng)林業(yè)和深空探測(cè)等領(lǐng)域，并且其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。此外，激光探針檢測(cè)方法特別適用于一些特殊和惡劣的場(chǎng)合，比如高溫，強(qiáng)輻射，劇毒和易爆等環(huán)境。
[0003]在一些重要和特殊的領(lǐng)域里，激光探針技術(shù)展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。例如采礦工業(yè)，以鐵礦石的開(kāi)采和加工過(guò)程為例，首先需要從礦井開(kāi)采出具有較高品位的鐵礦石，該過(guò)程中需要對(duì)粗鐵礦中的鐵元素含量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)來(lái)指導(dǎo)礦井的開(kāi)采方向，進(jìn)而節(jié)省人力和物力，提高開(kāi)采的效率，并在一定程度上降低環(huán)境污染。然后通過(guò)采礦車(chē)將挖掘的粗鐵礦運(yùn)出礦井，對(duì)礦石進(jìn)行破碎和篩選，以獲得合適而均勻的粒度，該過(guò)程也需要對(duì)破碎和篩選后的礦石中鐵元素含量進(jìn)行測(cè)定。最后，還需對(duì)貧鐵礦進(jìn)行細(xì)磨和精選，采用研磨機(jī)器對(duì)礦石進(jìn)行細(xì)磨需要反復(fù)多次，經(jīng)過(guò)精選后需要對(duì)成分進(jìn)行再次準(zhǔn)確測(cè)量。從上述過(guò)程可以看出，鐵礦石從粗鐵礦到精鐵礦的多道加工工序都需要對(duì)礦石中鐵元素含量進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測(cè)。采用常規(guī)的化學(xué)分析方法和光譜分析方法，不僅取樣過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，檢測(cè)速度慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)檢測(cè)，且只能對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行離線檢測(cè)，而無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的要求。對(duì)采礦工業(yè)而言，節(jié)能和高效的生產(chǎn)是優(yōu)先考慮的方向，如果無(wú)法在這兩個(gè)方面取得突破，將不利于采礦工業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展。目前，激光探針技術(shù)已經(jīng)可以初步滿足采礦工業(yè)的成分在線檢測(cè)要求，但是目前單臺(tái)激光探針?lè)治鲈O(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)檢測(cè)，經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鐵礦石的開(kāi)采和加工過(guò)程約包含20?30個(gè)點(diǎn)需要對(duì)礦石中的鐵元素進(jìn)行測(cè)定。因此，要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多對(duì)象的同時(shí)在線檢測(cè)，需要購(gòu)置20?30臺(tái)激光探針檢測(cè)設(shè)備分別對(duì)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，這樣便會(huì)成倍增加成本，導(dǎo)致企業(yè)利潤(rùn)大幅降低。此外，工礦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，信號(hào)干擾強(qiáng)，對(duì)檢測(cè)設(shè)備提出了更高的要求。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的是為大型工業(yè)過(guò)程提供一種低成本、高效的多點(diǎn)同時(shí)在線檢測(cè)的激光探針檢測(cè)系統(tǒng)，解決多點(diǎn)在線檢測(cè)成本高，檢測(cè)速度慢和抗干擾差的問(wèn)題，提高激光探針技術(shù)的檢測(cè)效率和精度。
[0005]本實(shí)用新型提供的一種多路激光探針檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括脈沖激光器、光柵光譜儀、ICCD探測(cè)器、數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器和計(jì)算機(jī)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括分光耦合裝置A、光信號(hào)合路裝置和多臺(tái)探測(cè)裝置B;
[0006]所述脈沖激光器通過(guò)傳導(dǎo)光纖與分光耦合裝置A的輸入端相連，分光耦合裝置A的輸出端通過(guò)多路傳導(dǎo)光纖將脈沖激光信號(hào)分別傳輸?shù)礁魈綔y(cè)裝置B中，分光耦合裝置A用于將脈沖激光器發(fā)出的脈沖信號(hào)按時(shí)序或者能量分路耦合到多芯光纖，以實(shí)現(xiàn)一束激光對(duì)多個(gè)待測(cè)點(diǎn)的激發(fā)；
[0007]各探測(cè)裝置B均包括掃描振鏡系統(tǒng)D、第二會(huì)聚透鏡和光纖耦合器;所述的掃描振鏡系統(tǒng)D用于對(duì)激光束進(jìn)行聚焦對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行面掃描，使各檢測(cè)點(diǎn)表面形成等離子體;第二會(huì)聚透鏡用于從激光束側(cè)向采集所述等離子體發(fā)射的光信號(hào)，采集到的光信號(hào)被光纖耦合器耦合后通過(guò)傳導(dǎo)光纖傳輸至光信號(hào)合路裝置C;
[0008]光信號(hào)合路裝置C用于將多路光信號(hào)合并為一路光信號(hào)，合路后的等離子體光信號(hào)按照傳輸?shù)臅r(shí)序分別被傳導(dǎo)光纖傳送至光柵光譜儀，光柵光譜儀按照時(shí)序?qū)Φ入x子體光信號(hào)分光后傳輸至IC⑶探測(cè)器；
[0009]ICCD探測(cè)器依次對(duì)分光后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)光譜信息由計(jì)算機(jī)輸出；
[0010]所述的數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器連接脈沖激光器的Q-SWitch信號(hào)輸出端和ICXD探測(cè)器的觸發(fā)信號(hào)輸入端，用于控制激光脈沖信號(hào)與ICCD探測(cè)的延遲時(shí)間；
[0011]所述計(jì)算機(jī)用于控制脈沖激光器發(fā)出脈沖激光信號(hào)與ICCD開(kāi)始采集信號(hào)的時(shí)間間隔，并接收來(lái)自ICCD探測(cè)器的光譜數(shù)據(jù)，其內(nèi)置的光譜分析軟件是多窗口界面，每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)顯示一處探測(cè)點(diǎn)的等離子體光譜信號(hào)，用于對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。
[0012]作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述掃描振鏡系統(tǒng)D包括變焦裝置，第一會(huì)聚透鏡，X軸振鏡和Y軸振鏡;變焦裝置用于控制激光束的聚焦位置，脈沖激光首先進(jìn)入變焦裝置，在變焦裝置的控制下激光束的焦距發(fā)生變化，并進(jìn)入第二會(huì)聚透鏡，第二會(huì)聚透鏡用于聚焦激光光束來(lái)提高激光束的功率密度，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行有效激發(fā)，X軸振鏡和Y軸振鏡的旋轉(zhuǎn)軸分別沿豎直方向和水平方向，其作用是控制由第二會(huì)聚透鏡射出的激光束的方向以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的面掃描。
[0013]本實(shí)用新型提供的激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)與常規(guī)的檢測(cè)儀器相比，不僅可以實(shí)時(shí)在線，快速，準(zhǔn)確對(duì)物質(zhì)成分和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且還可以對(duì)多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)，極大地降低了成本，提高了激光探針?lè)治鰞x的檢測(cè)效率。具體來(lái)說(shuō)，本實(shí)用新型具有以下技術(shù)特點(diǎn):
[0014](I)常規(guī)的激光探針?lè)治鲈O(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)檢測(cè)，要對(duì)多點(diǎn)或多對(duì)象實(shí)現(xiàn)同時(shí)在線檢測(cè)則需在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別安置一臺(tái)激光探針?lè)治鰞x，通過(guò)多臺(tái)激光探針?lè)治鰞x聯(lián)用才能達(dá)到檢測(cè)要求。本實(shí)用新型最突出的技術(shù)特點(diǎn)是利用一套激光探針檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的同時(shí)在線檢測(cè)，多路光信號(hào)在光信號(hào)合并系統(tǒng)的作用下合并為一路，以便利用一臺(tái)光柵光譜儀和一臺(tái)ICCD探測(cè)器對(duì)多路等離子體光譜信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。提高了激光探針的檢測(cè)效率，大幅降低了多點(diǎn)在線檢測(cè)的激光探針?lè)治鰞x的成本。
[0015](2)工礦企業(yè)環(huán)境復(fù)雜而惡劣，對(duì)激光探針檢測(cè)設(shè)備的使用壽命危害大，干擾強(qiáng)，本實(shí)用新型采用一分多路的光纖進(jìn)行激光的傳導(dǎo)和等離子信號(hào)的采集，不僅可以有效避免惡劣環(huán)境的信號(hào)干擾，還可以降低惡劣環(huán)境對(duì)激光探針設(shè)備的損害。此外，還采用光開(kāi)關(guān)技術(shù)將一臺(tái)脈沖激光器發(fā)出的脈沖信號(hào)按規(guī)定的時(shí)序耦合到多路通道，或者采用分束器將一臺(tái)脈沖激光器發(fā)出的脈沖按能量平均傳送至多路通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)的被測(cè)對(duì)象的激發(fā)。
[0016](3)常規(guī)的激光探針?lè)治鰞x只配備了一套等離子體發(fā)生裝置和等離子體信號(hào)收集裝置，無(wú)法根據(jù)探測(cè)對(duì)象的數(shù)目進(jìn)行靈活配置。本實(shí)用新型所述的激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)可以根據(jù)探測(cè)點(diǎn)的個(gè)數(shù)進(jìn)行配置。主要包括光開(kāi)關(guān)的時(shí)間，傳導(dǎo)光纖的路數(shù)，采集信號(hào)裝置的數(shù)目和光信號(hào)合并系統(tǒng)的通道數(shù)目，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的要求。
[0017](4)本實(shí)用新型還采用掃描振鏡對(duì)被測(cè)對(duì)象表面進(jìn)行掃面激發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同位置的被測(cè)對(duì)象成分的實(shí)時(shí)在線分析。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本實(shí)用新型所述的多路激光探針檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2A為一種分光耦合裝置中多芯光纜的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2B為一種分光耦合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是一種MEMS控制的光開(kāi)關(guān)分光耦合裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4為探測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021 ]圖5為光信號(hào)合路裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]其中，I為脈沖激光器，2、3、4、17和27為分別為第一至第五傳導(dǎo)光纖，5為光柵光譜儀，6為增強(qiáng)型電耦合器件(S卩ICCD探測(cè)器)，7數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器，8為計(jì)算機(jī)，A為光信號(hào)分光耦合裝置，B為探測(cè)裝置，C為光信號(hào)合路裝置，9為激光輸出端口，10為激光接收端口，11為光纖保護(hù)套，12為旋轉(zhuǎn)軸，13為球面反射鏡，14為脈沖激光，15為反射鏡組，16和26為第一、第二光纖親合器，D為掃描振鏡系統(tǒng)，18為激光束，19為變焦裝置，20和25分別為第一、第二會(huì)聚透鏡，21為X軸振鏡，22為Y軸振鏡，23為鐵礦石，24為傳送裝置，28為光信號(hào)輸入通道，29光信號(hào)輸出通道。
【具體實(shí)施方式】
[0023]針對(duì)常規(guī)激光探針多路檢測(cè)的缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提出了一種高效的多路激光探針檢測(cè)系統(tǒng)。該檢測(cè)系統(tǒng)可將激光光源分成多路通過(guò)光纖分別傳送至多個(gè)待測(cè)點(diǎn)，激發(fā)產(chǎn)生激光等離子體后，將相應(yīng)的光譜信號(hào)傳回檢測(cè)系統(tǒng)，最終實(shí)現(xiàn)一臺(tái)激光探針儀的多點(diǎn)同時(shí)在線檢測(cè)，使用光纖傳輸激光和光譜信號(hào)，不僅可以提高惡劣環(huán)境中激光探針的抗干擾能力，而且還可以大幅降低激光探針儀的應(yīng)用成本。該實(shí)用新型特別適用于包含多條生產(chǎn)線的大型工業(yè)過(guò)程，具備對(duì)生產(chǎn)線上的產(chǎn)品的多種元素同時(shí)進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)的能力，可以大幅降低激光探針儀器的應(yīng)用成本，將有助于激光探針技術(shù)的推廣和普及。
[0024]下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步說(shuō)明。在此需要說(shuō)明的是，對(duì)于這些實(shí)施方式的說(shuō)明用于幫助理解本實(shí)用新型，但并不構(gòu)成對(duì)本實(shí)用新型的限定。此夕卜，下面所描述的本實(shí)用新型各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0025]針對(duì)常規(guī)激光探針無(wú)法實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)在線檢測(cè)的問(wèn)題，本實(shí)用新型設(shè)計(jì)了一種多路激光探針檢測(cè)系統(tǒng)。如圖1所示，該檢測(cè)系統(tǒng)包括脈沖激光器I，傳導(dǎo)光纖2、3和4，分光耦合裝置A，探測(cè)裝置B，光信號(hào)合路裝置C，光柵光譜儀5，ICCD探測(cè)器6，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器7，以及計(jì)算機(jī)8。
[0026]所述的脈沖激光器I 一般為納秒級(jí)激光器，也可以采用皮秒級(jí)或飛秒級(jí)激光器。激光輸出波長(zhǎng)從紫外到近紅外范圍，例如1064、532、355或266nm。根據(jù)不同的檢測(cè)對(duì)象，激光單脈沖能量可在O?SOOmJ范圍進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，激光器輸出端口與傳導(dǎo)光纖2—端相連，傳導(dǎo)光纖2的另一端連接分光耦合裝置A。
[0027]所述的分光耦合裝置A是常規(guī)的光開(kāi)關(guān)或微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)控制的多路光開(kāi)關(guān)，或者分束器，其作用是將一臺(tái)脈沖激光器I發(fā)出的脈沖信號(hào)按時(shí)序或者能量分路耦合到多芯光纖，實(shí)現(xiàn)一束激光對(duì)多個(gè)待測(cè)點(diǎn)的激發(fā)，分光耦合裝置A的信號(hào)輸入端與連接激光器的傳導(dǎo)光纖2的一端相連，輸出端與多路傳導(dǎo)光纖3連接，傳導(dǎo)光纖3分別將脈沖激光信號(hào)傳輸?shù)教綔y(cè)裝置B。
[0028]所述的全部傳導(dǎo)光纖的工作波段為200nm?llOOnm，且能夠承受脈沖激光的作用長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
[0029]圖2A、2B所示是分光耦合裝置A的一種實(shí)例，它包括激光輸出端口9，激光接收端口10，光纖保護(hù)套11和球面反射鏡13，其中激光的輸入信號(hào)和接收信號(hào)采用一根帶光纖保護(hù)套11的多芯光纜傳輸，球面反射鏡13是內(nèi)表面鍍膜的反射鏡，球心朝向激光輸出端口 9和激光接收端口 10。光開(kāi)關(guān)工作時(shí)，通過(guò)繞旋轉(zhuǎn)軸12勻速轉(zhuǎn)動(dòng)球面反射鏡13將從激光輸出端口 9輸出的激光束按照預(yù)定時(shí)序耦合到激光接收端口 10，旋轉(zhuǎn)軸12與球面反射鏡13牢固連接在一起，并且旋轉(zhuǎn)軸12所在直線經(jīng)過(guò)球面對(duì)反射鏡13的球心，旋轉(zhuǎn)軸12由精密電機(jī)控制按照設(shè)定轉(zhuǎn)速勻速旋轉(zhuǎn)。激光接收端口 10分別接受到一個(gè)激光脈沖信號(hào)，從而確保每個(gè)激光脈沖進(jìn)入不同的激光接收端口 10，隨后第四傳導(dǎo)光纖17將激光脈沖信號(hào)傳送至對(duì)應(yīng)的探測(cè)點(diǎn)。
[0030]對(duì)于探測(cè)點(diǎn)數(shù)目較多(如多于10)的情況，則需要使用MEMS控制的多路光開(kāi)關(guān)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，它包括與MEMS控制反射鏡組15和光信號(hào)傳輸通道，MEMS控制反射鏡組15中反射鏡的數(shù)量與檢測(cè)點(diǎn)數(shù)目相等，每個(gè)光信號(hào)傳輸通道對(duì)應(yīng)一個(gè)反射鏡，通過(guò)MEMS控制反射鏡組15的不同升降組合來(lái)將脈沖激光按照要求時(shí)序分別耦合到不同的激光信號(hào)傳輸通，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部探測(cè)點(diǎn)依次激發(fā)。
[0031]所述的光信號(hào)傳輸通道由第一光纖耦合器16和第四傳導(dǎo)光纖17組成，激光脈沖信號(hào)14在反射鏡組15的作用下進(jìn)入光纖耦合器，并被第一光纖耦合器16耦合到第四傳導(dǎo)光纖17中進(jìn)行傳輸，第四傳導(dǎo)光纖17將激光脈沖信號(hào)14傳遞至探測(cè)裝置B。
[0032]探測(cè)裝置B分別安裝在各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，用于對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)的被測(cè)物23進(jìn)行激發(fā)，并通過(guò)第二會(huì)聚透鏡25和第二光纖耦合器26組成光信號(hào)采集裝置收集等離子體的光譜信號(hào)。
[0033]如圖4所示，每個(gè)探測(cè)裝置B均包括掃描振鏡系統(tǒng)D、第二會(huì)聚透鏡25和第二光纖耦合器26。所述的掃描振鏡系統(tǒng)D是根據(jù)脈沖激光器I的輸出波長(zhǎng)而設(shè)計(jì)制造的，它對(duì)該波長(zhǎng)激光束具有很高的反射率，掃描振鏡系統(tǒng)D包含變焦裝置19，第一會(huì)聚透鏡20，X軸振鏡21和Y軸振鏡22。變焦裝置19用于控制激光束的聚焦位置，脈沖激光首先進(jìn)入變焦裝置19，在變焦裝置19的控制下激光束的焦距發(fā)生變化，并進(jìn)入第一會(huì)聚透鏡20，第一會(huì)聚透鏡20用于聚焦激光光束來(lái)提高激光束的功率密度，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行有效激發(fā)，會(huì)聚透鏡20和25對(duì)200nm?IlOOnm波段的光信號(hào)具有很高的透射率。X軸振鏡21和Y軸振鏡22的旋轉(zhuǎn)軸分別沿豎直方向和水平方向，其作用是控制由第一會(huì)聚透鏡20射出的激光束的方向來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的面掃描。
[0034]第二會(huì)聚透鏡25用于從激光束側(cè)向采集被測(cè)對(duì)象表面不同位置形成等離子體發(fā)射的光信號(hào)，采集到的光信號(hào)被第二光纖耦合器26耦合到傳導(dǎo)光纖27并被傳輸至光信號(hào)合路裝置C。
[0035]光信號(hào)合路裝置C用于將多路光信號(hào)被合并為一路光信號(hào)并由一路傳導(dǎo)光纖4傳輸?shù)揭慌_(tái)光柵光譜儀5，其目的是充分利用一臺(tái)光柵光譜儀5對(duì)多路等離子體光譜信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，所得到的探測(cè)信號(hào)被傳送至IC⑶探測(cè)器6。
[0036]ICXD探測(cè)器6的增益可在O?4095范圍調(diào)節(jié)，并且其門(mén)寬時(shí)間可以在1ns?10ms之間選擇，通過(guò)設(shè)置ICCD探測(cè)器6的增益大小和門(mén)寬時(shí)間來(lái)獲得最佳光譜數(shù)據(jù)，并提供給計(jì)算機(jī)8。
[0037]所述的數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器7連接脈沖激光器I的Q-switch信號(hào)輸出端和ICXD探測(cè)器6的觸發(fā)信號(hào)輸入端，用于控制激光脈沖信號(hào)與ICCD探測(cè)的延遲時(shí)間，可以通過(guò)調(diào)控其延遲時(shí)間來(lái)避開(kāi)軔致輻射等帶來(lái)的連續(xù)光譜噪聲干擾。
[0038]計(jì)算機(jī)8分別與脈沖激光器I和ICCD探測(cè)器6連接，它控制脈沖激光器I發(fā)出脈沖激光信號(hào)與ICCD開(kāi)始采集信號(hào)的時(shí)間間隔，并接收來(lái)自ICCD探測(cè)器6的光譜數(shù)據(jù)，其內(nèi)置的光譜分析軟件是多窗口界面，每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)顯示一處探測(cè)點(diǎn)的等離子體光譜信號(hào)，并且可以對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。
[0039]本實(shí)用新型提供的一種高效的激光探針檢測(cè)系統(tǒng)為多點(diǎn)在線檢測(cè)的操作過(guò)程為:
(I)一臺(tái)脈沖激光器I發(fā)出的激光脈沖在可控的分光裝置和耦合器件的作用下，按照預(yù)定時(shí)序分別進(jìn)入到多條不同的光信號(hào)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)脈沖激光脈沖信號(hào)的分路，提高脈沖激光器I的利用率。隨后，傳導(dǎo)光纖3將每路激光脈沖信號(hào)分別傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由一臺(tái)脈沖激光器I發(fā)出的激光脈沖對(duì)多處檢測(cè)對(duì)象的激發(fā)。
[0040](2)脈沖激光到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)后，激光束在掃描振鏡系統(tǒng)D的控制下作用于被測(cè)對(duì)象表面，并且由掃描振鏡系統(tǒng)D控制激光束18對(duì)被測(cè)對(duì)象表面進(jìn)行主動(dòng)掃描激發(fā)，為了保持振鏡在掃描過(guò)程中焦點(diǎn)始終處于被測(cè)對(duì)象表面同一位置，采用變焦裝置19調(diào)節(jié)激光束的聚焦位置，在被測(cè)對(duì)象表面不同位置形成等離子體，通過(guò)振鏡掃描激發(fā)來(lái)確定被測(cè)對(duì)象表面元素分布，從而獲得被測(cè)對(duì)象更加全面和詳細(xì)的成分信息。
[0041](3)由會(huì)聚透鏡25和第二光纖耦合器26組成的光信號(hào)收集裝置從激光束側(cè)向?qū)Φ入x子體發(fā)射的光信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的光信號(hào)被第二光纖耦合器26耦合到傳導(dǎo)光纖27并被傳輸至光信號(hào)合路裝置C，在光信號(hào)合路裝置C的作用下，多路光信號(hào)被合并為一路光信號(hào)并由一路傳導(dǎo)光纖4傳輸?shù)叫盘?hào)探測(cè)裝置，其目的是充分利用一臺(tái)光譜儀和一臺(tái)ICCD探測(cè)器對(duì)多路等離子體光譜信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。
[0042](4)合路后的等離子體光信號(hào)按照傳輸?shù)臅r(shí)序分別被傳導(dǎo)光纖傳送至光柵光譜儀5，光柵按照時(shí)序?qū)Φ入x子體光信號(hào)分光后傳輸至ICCD探測(cè)器6，然后由ICCD探測(cè)器6依次對(duì)分光后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)采集的激光等離子體光譜信號(hào)的優(yōu)劣對(duì)脈沖激光能的大小，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器7的延遲時(shí)間和光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，獲得最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。
[0043](5)各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)光譜信息由計(jì)算機(jī)8和配套光譜分析軟件輸出，不同檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果同時(shí)顯示在光譜分析軟件中，實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)物質(zhì)的在線定性和定量元素分析。
[0044]實(shí)例:
[0045]以圖1所示結(jié)構(gòu)的激光探針系統(tǒng)進(jìn)行鐵礦石的開(kāi)采和加工過(guò)程中礦石成分在線檢測(cè)為例來(lái)說(shuō)明本實(shí)用新型。經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鐵礦石的開(kāi)采和加工過(guò)程約包含20?30個(gè)點(diǎn)需要對(duì)礦石中的鐵元素進(jìn)行測(cè)定。
[0046]本實(shí)施例采用1064nm波長(zhǎng)的Nd:YAG脈沖激光作為燒蝕礦石的光源，激光器的單脈沖能量在O?800mJ范圍可調(diào)，脈寬約為10ns，脈沖的重復(fù)頻率為20Hz。本實(shí)施例中所使用的光柵光譜儀5的波長(zhǎng)分析范圍覆蓋200nm至980nm，且配備三塊不同分辨率的光柵，它們的光柵刻線數(shù)分別為3001 ines/mm，1800 lines/mm和24001 ines/mm。與光柵光譜儀5配套使用的ICXD探測(cè)器6的門(mén)寬大小可以在1ns?10ms范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。脈沖激光經(jīng)傳導(dǎo)光纖2到達(dá)分光耦合裝置A，分光耦合裝置A的作用是將脈沖激光信號(hào)14按照預(yù)設(shè)的時(shí)序耦合到不同的傳導(dǎo)端口，從而實(shí)現(xiàn)單臺(tái)激光器對(duì)多條生產(chǎn)線的鐵礦石23充分燒蝕和激發(fā)。
[0047]為了利用一臺(tái)脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光信號(hào)分別對(duì)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)進(jìn)行激發(fā)，采用如圖2(或圖3)所示的分光耦合裝置對(duì)脈沖激光信號(hào)進(jìn)行分光和耦合。以5個(gè)探測(cè)點(diǎn)分析檢測(cè)過(guò)程來(lái)說(shuō)明分光耦合系統(tǒng)的作用和使用方法，此時(shí)采用常規(guī)的光開(kāi)關(guān)(圖2A、2B)，將光開(kāi)關(guān)Al的轉(zhuǎn)速設(shè)置為4轉(zhuǎn)/秒，激光脈沖的重復(fù)頻率為20Hz，那么球面反射鏡11每轉(zhuǎn)動(dòng)一周，激光信號(hào)接收端口 10分別接受到一個(gè)激光脈沖信號(hào)，從而確保每個(gè)激光脈沖進(jìn)入不同的傳輸端口 10，隨后傳導(dǎo)光纖3將激光脈沖信號(hào)傳送至對(duì)應(yīng)的探測(cè)點(diǎn)，所使用的傳導(dǎo)光纖3是專門(mén)針對(duì)高能脈沖信號(hào)的傳能光纖，不僅可以傳輸高能量激光脈沖，而且可以避免外界環(huán)境強(qiáng)烈干擾。利用該激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)對(duì)礦石成分進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)時(shí)，需根據(jù)生產(chǎn)線的數(shù)目在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)安裝一套如圖4所示探測(cè)裝置B。激光束18保持水平方向進(jìn)入掃描振鏡裝置D，隨后在X軸振鏡21和Y軸振鏡22的協(xié)同控制作用下向下照射于鐵礦石23表面，其中X軸振鏡21的旋轉(zhuǎn)軸保持豎直方向，Y軸振鏡22的旋轉(zhuǎn)軸保持水平方向，并且在自動(dòng)控制系統(tǒng)的控制下對(duì)鐵礦石23表面來(lái)回掃描激發(fā)。為了確保掃描激發(fā)過(guò)程中激光束18—直聚焦于鐵礦石23表面，利用變焦裝置19和第一會(huì)聚透鏡20對(duì)激光束18進(jìn)行調(diào)節(jié)，不斷改變光學(xué)系統(tǒng)的焦距。鐵礦石23被激發(fā)后產(chǎn)生等離子體，等離子體的光信號(hào)隨后被第二會(huì)聚透鏡25和第二光纖耦合器26組成的光信號(hào)收集裝置收集并耦合至傳導(dǎo)光纖27，檢測(cè)過(guò)程中為了配合振鏡系統(tǒng)D的掃描激發(fā)，有效地采集等離子體的光信號(hào)，采用旁軸方式從側(cè)面對(duì)等離子體信號(hào)進(jìn)行收集。另外，采用傳送裝置24勻速傳送鐵礦石23來(lái)確保激光脈沖作用在不同位置，以便獲得更加穩(wěn)定的等離子體光譜信號(hào)。
[0048]利用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)對(duì)鐵礦石開(kāi)采和加工過(guò)程中的成分分析流程如下:
[0049](I)檢測(cè)前的準(zhǔn)備。檢查每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)安裝的等離子體信號(hào)探測(cè)裝置B是否正常，光學(xué)系統(tǒng)是否正常，保證激光脈沖準(zhǔn)確聚焦于被鐵礦石23表面。
[0050](2)開(kāi)啟激光探針?lè)治鰞x。依次開(kāi)啟光柵光譜儀5，ICCD探測(cè)器6，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器7，計(jì)算機(jī)8，光譜分析軟件，脈沖激光器I和掃描振鏡D，給激光探針?lè)治鰞x預(yù)留5分鐘左右的預(yù)熱時(shí)間。
[0051](3)設(shè)置激光探針?lè)治鰞x及附件的參數(shù)。改變脈沖激光器I的Q延遲時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)激光脈沖能量，針對(duì)不同的元素選擇光柵光譜儀5的分光光柵，對(duì)ICCD探測(cè)器6的增益和門(mén)寬時(shí)間進(jìn)行設(shè)置。此外，還需要根據(jù)系統(tǒng)配置對(duì)數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器7的延遲時(shí)間，掃描振鏡D的掃描速度和傳送裝置24的傳輸速度進(jìn)行設(shè)置，保證掃描振鏡掃描的均勻性。
[0052](4)采集光譜。激光束18在掃描振鏡D的控制下向下照射于鐵礦石23表面，并且對(duì)鐵礦石23進(jìn)行來(lái)回掃描激發(fā)，伴隨生成了等離子體。光信號(hào)收集裝置從側(cè)邊采集等離子體的光信號(hào)并被第二光纖耦合器26耦合至傳導(dǎo)光纖27，隨后傳導(dǎo)光纖27將光信號(hào)傳輸?shù)焦鈻殴庾V儀5中，ICCD探測(cè)器6將采集到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后通過(guò)數(shù)據(jù)線將電信號(hào)傳輸至計(jì)算機(jī)8并由光譜分析軟件顯示光譜信息。
[0053](5)優(yōu)化儀器參數(shù)。使用光譜分析軟件對(duì)光譜信號(hào)強(qiáng)度號(hào)與背景比值(簡(jiǎn)稱信背比)進(jìn)行分析，根據(jù)信背比的大小對(duì)激光脈沖能量，ICCD探測(cè)門(mén)寬和數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器7的延遲時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，確定最佳的儀器參數(shù)，然后在最佳的參數(shù)下對(duì)鐵礦石23的成分進(jìn)行檢測(cè)和分析。
[0054](6)定性和定量分析。利用具有不同元素濃度的鐵礦石標(biāo)準(zhǔn)樣品來(lái)建立標(biāo)準(zhǔn)曲，并將標(biāo)準(zhǔn)曲線保存在光譜分析軟件中。然后根據(jù)定標(biāo)曲線對(duì)礦石23的主成分和微量元素元素開(kāi)展定性和定量分析。
[0055](7)指導(dǎo)鐵礦石的加工過(guò)程。將鐵礦石的成分信息反饋到各個(gè)工序的負(fù)責(zé)部門(mén)，讓各個(gè)部門(mén)根據(jù)產(chǎn)品的要求改進(jìn)加工工藝。根據(jù)鐵礦石中鐵元素含量來(lái)調(diào)整礦井的開(kāi)采方向，根據(jù)微量元素和鐵元素含量對(duì)破碎，篩選，細(xì)磨和精選等過(guò)程進(jìn)行微調(diào)，以便獲得高品位的鐵礦粉。
[0056](8)關(guān)閉激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)。完成鐵礦石成分的在線檢測(cè)分析后，依次關(guān)閉傳送裝置24，脈沖激光器I，光開(kāi)關(guān)分光系統(tǒng)A，掃描振鏡D，光柵光譜儀5，ICCD探測(cè)器6，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器7，光譜分析軟件和計(jì)算機(jī)8。將儀器各個(gè)部分歸位，恢復(fù)各儀器的默認(rèn)參數(shù)。
[0057]以上所述，僅是本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)作任何形式上的限制。凡是依據(jù)本實(shí)用新型的技術(shù)實(shí)質(zhì)上對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修飾、等同變化和修飾，均屬于本實(shí)用新型的技術(shù)方案范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種高效的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，該系統(tǒng)包括脈沖激光器(I)、光柵光譜儀(5)、ICCD探測(cè)器(6)、數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器(7)和計(jì)算機(jī)(8)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括分光耦合裝置A、光信號(hào)合路裝置C和多臺(tái)探測(cè)裝置B; 所述脈沖激光器(I)通過(guò)傳導(dǎo)光纖與分光耦合裝置A的輸入端相連，分光耦合裝置A的輸出端通過(guò)多路傳導(dǎo)光纖將脈沖激光信號(hào)分別傳輸?shù)礁魈綔y(cè)裝置B中，分光耦合裝置A用于將脈沖激光器(I)發(fā)出的脈沖信號(hào)按時(shí)序或者能量分路耦合到多芯光纖，以實(shí)現(xiàn)一束激光對(duì)多個(gè)待測(cè)點(diǎn)的激發(fā)； 各探測(cè)裝置B均包括掃描振鏡系統(tǒng)D、第二會(huì)聚透鏡(25)和第二光纖耦合器(26);所述的掃描振鏡系統(tǒng)D用于對(duì)激光束進(jìn)行聚焦對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行面掃描，使各檢測(cè)點(diǎn)表面形成等離子體;第二會(huì)聚透鏡(25)用于從激光束側(cè)向采集所述等離子體發(fā)射的光信號(hào)，采集到的光信號(hào)被第二光纖耦合器(26)耦合后通過(guò)傳導(dǎo)光纖傳輸至光信號(hào)合路裝置C; 光信號(hào)合路裝置C用于將多路光信號(hào)合并為一路光信號(hào)，合路后的等離子體光信號(hào)按照傳輸?shù)臅r(shí)序分別被傳導(dǎo)光纖傳送至光柵光譜儀(5)，光柵光譜儀(5)按照時(shí)序?qū)Φ入x子體光信號(hào)分光后傳輸至IC⑶探測(cè)器(6)； ICCD探測(cè)器(6)依次對(duì)分光后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)光譜信息由計(jì)算機(jī)(8)； 所述的數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器(7)連接脈沖激光器(I)的Q-switch信號(hào)輸出端和ICXD探測(cè)器(6)的觸發(fā)信號(hào)輸入端，用于控制激光脈沖信號(hào)與ICCD探測(cè)的延遲時(shí)間； 所述計(jì)算機(jī)(8)用于控制脈沖激光器(I)發(fā)出脈沖激光信號(hào)與ICCD開(kāi)始采集信號(hào)的時(shí)間間隔，并接收來(lái)自ICCD探測(cè)器(6)的光譜數(shù)據(jù)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，其特征在于，所述掃描振鏡系統(tǒng)D包括變焦裝置(19)，第一會(huì)聚透鏡(20)，X軸振鏡(21)和Y軸振鏡(22);變焦裝置(19)用于控制激光束的聚焦位置，脈沖激光首先進(jìn)入變焦裝置(19)，在變焦裝置(19)的控制下激光束的焦距發(fā)生變化，并進(jìn)入第一會(huì)聚透鏡(20)，第一會(huì)聚透鏡(20)用于聚焦激光光束來(lái)提高激光束的功率密度，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行有效激發(fā)，X軸振鏡(21)和Y軸振鏡(22)的旋轉(zhuǎn)軸分別沿豎直方向和水平方向，其作用是控制由第一會(huì)聚透鏡(20)射出的激光束的方向以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的面掃描。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，其特征在于，所述分光耦合裝置A為由光開(kāi)關(guān)或微機(jī)電系統(tǒng)控制的多路光開(kāi)關(guān)，或者分束器。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，其特征在于，所述分光耦合裝置A包括激光輸出端口(9)、激光接收端口(10)和球面反射鏡(13)，球面反射鏡(13)為內(nèi)表面鍍膜的反射鏡，球心朝向激光輸出端口(9)和激光接收端口(10);光開(kāi)關(guān)工作時(shí)，通過(guò)繞旋轉(zhuǎn)軸(12)勻速轉(zhuǎn)動(dòng)球面反射鏡(13)將從激光輸出端口( 9)輸出的激光束按照預(yù)定時(shí)序耦合到激光接收端口(10)，旋轉(zhuǎn)軸(12)與球面反射鏡(13)固定連接，并且旋轉(zhuǎn)軸(12)所在直線經(jīng)過(guò)球面對(duì)反射鏡(13)的球心;激光接收端口(10)分別接受到一個(gè)激光脈沖信號(hào)，從而確保每個(gè)激光脈沖進(jìn)入不同的激光接收端口(10)，隨后傳導(dǎo)光纖將激光脈沖信號(hào)傳送至對(duì)應(yīng)的探測(cè)點(diǎn)。5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，其特征在于，所述分光耦合裝置A包括由MEMS控制反射鏡組(15)，多個(gè)由第一光纖耦合器(16)和第四傳導(dǎo)光纖(17)組成的光信號(hào)傳輸通道，MEMS控制反射鏡組(15)中反射鏡的數(shù)量與檢測(cè)點(diǎn)數(shù)目相等，每個(gè)光信號(hào)傳輸通道對(duì)應(yīng)一個(gè)反射鏡，通過(guò)MEMS控制反射鏡組(15)的不同升降組合來(lái)將脈沖激光按照要求時(shí)序分別通過(guò)不同的第一光纖耦合器(16)耦合到第四傳導(dǎo)光纖(17)中進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)對(duì)全部探測(cè)點(diǎn)依次激發(fā)。6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，其特征在于，所述ICCD探測(cè)器(6)的增益在O?4095范圍調(diào)節(jié)，并且其門(mén)寬時(shí)間在1ns?10ms之間選擇，通過(guò)設(shè)置ICXD探測(cè)器(6)的增益大小和門(mén)寬時(shí)間以獲得最佳光譜數(shù)據(jù)。7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)，其特征在于，所述的傳導(dǎo)光纖的工作波段為200nm?llOOnm，且能夠承受脈沖激光的作用長(zhǎng)期穩(wěn)定工作。
【文檔編號(hào)】G01N21/71GK205607863SQ201620088372
【公開(kāi)日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年1月29日
【發(fā)明人】郭連波, 劉紅弟, 曾曉雁, 李祥友, 陸永楓, 李嘉銘, 朱志豪, 唐云
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)