CN102841075A - 激光光谱诱导成分检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型激光光谱诱导检测系统，特别是涉及一种采用激光汇聚在钢水表面，通过针对所激发等离子体光谱进行分析，得到钢水成分的在线检测系统，属于激光检测技术领域。本发明涉及的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统包括：凹面反射镜、凸面反射镜、窗口镜、套管、钢炉、计算机、检测点距离动态监测系统、反馈调节控制装置、激光光源、光束折转系统、中阶梯光栅光谱仪、积分延迟探测系统、激光光束质量调节系统等组成部分，能够实现对钢水包含的锰、镁、硫、碳等20余种成分的精确检测。本发明可以实现钢水成分的实时检测，降低冶炼成本，节约资源。

Description

激光光谱诱导成分检测系统

技术领域

本发明涉及一种新型激光光谱诱导检测系统，特别是涉及一种采用激光汇聚在钢水表面，通过针对所激发等离子体光谱进行分析，得到钢水成分的在线检测系统，属于激光检测技术领域。

背景技术

激光诱导等离子体光谱(Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS)技术，是一种利用脉冲激光烧蚀物质产生等离子体，通过等离子体发射光谱来定性或定量研究物质成份的分析技术。它具有适用范围广、分析速度快、测量破坏性小、可远程非接触测量以及可实现实时、原位检测等优点。

LIPS是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种定量分析技术，该方法在测量过程中只需几微克即可，故可实现非破坏测量；无需样品预处理即可实现对任何物理状态物质的元素分析，使LIPS技术应用范围非常广泛；LIPS技术是光学应用技术，可测量分析远达几十米处的样品，其远程分析能力对危险、高温环境或敌对环境中有非常大的吸引力；使用LIPS技术进行成份分析，整个过程只需十秒左右，实时性和快速性非常良好；LIPS技术可通过定标对物质中痕量元素进行定量分析，且检测限和精密度完全满足应用需求。凭借LIPS技术本身所固有的优势，使其在近十年来倍受关注，通过不断的研究和完善，现已广泛应用于众多领域。

将基于LIPS技术的分析设备用于钢铁冶炼，实现材料冶炼过程中的成份在线测量，解决冶炼过程只能事前计算分析、事后检测，无法在事中进行控制的问题。目前钢铁工业采用的离线分析方法不仅耗时，而且将导致接近3％的钢产量最终降级甚至废弃。我国作为钢铁生产大国，2010年全国粗钢产量为62665万吨，钢铁行业平均吨钢综合能耗为615千克标准煤，按国家统计局每度电折0.404千克标准煤计算，我国钢铁行业每年浪费能源折合电度高达429.27亿度。在线检测和闭环控制显然是减少这种浪费的关键技术手段之一，可大大降低成本，节约资源。

根据LIPS分析特性可知，激光激发的光谱存在时间非常短暂，为了能够瞬间采集到整个波段信号，必须使光谱仪具有全谱瞬态测量的特性。高分辨率的扫描型光栅光谱仪以及具有极高分辨率的时间扫描型光谱仪(傅里叶型光谱仪)并不合适。虽然平像场光栅光谱仪能够一定程度上满足静态测量的需求，但是对于同时满足高分辨率、宽波段，通常需要多个通道集合共同完成全谱段的测试。由于激光诱导等离子光谱测试系统精度较高，采用不同的分光系统与探测器，现有的常规光谱测试的一致性较难实现。而中阶梯光栅光谱仪有体积小、分辨率、全谱瞬态直读的特点，在LIPS系统应用中具有明显优势。它能够同时实现该系统对分光系统的各项指标要求，并且系统稳定性较高、检出限较低，灵敏度较高，能够实现高分辨率、全谱段精确测量。中阶梯光栅光谱仪具有体积小、分辨率、全谱瞬态直读的特点，在LIPS系统应用中具有明显优势。中阶梯光栅光谱仪分光系统示意图如图3所示，入射光经棱镜进行横向色散，在经中阶梯光栅进行主方向色散，从而在像面上呈现二维重叠光谱，采用面阵探测器进行接收。

针对金属冶炼过程中的钢水成分在线检测，目前国内外尚无相关的产品，也没有相关的专利保护内容。而本发明针对金属冶炼过程中的钢水成分在线检测实际需求，提出了高实用性的技术方案，解决了金属冶炼过程中的钢水成分在线检测的诱导激光导引、原子蒸汽吸收光谱干扰等问题，具有很好的实用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对金属冶炼过程中的激光诱导光谱检测系统，用来针对钢水成分进行实时的在线分析。

本发明的目的是这样实现的：

本发明涉及的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，如图1和图2所示，包括：凹面反射镜1、凸面反射镜2、窗口镜3、套管4、钢炉5、计算机6、检测点距离动态监测系统7、反馈调节控制装置8、激光光源9、光束折转系统10、中阶梯光栅光谱仪13、积分延迟探测系统14、激光光束质量调节系统11。还可以将凹面反射镜1和凸面反射镜2构成的光学聚焦结构替换成透镜组12。

在所述的技术方案中，所述的凹面反射镜1和凸面反射镜2用来将诱导激励的激光束汇聚到被检测的钢水表面上；

在所述的技术方案中，所述的窗口镜3用来密封钢炉；

在所述的技术方案中，所述的套管4用来将钢炉中的激光束进行密封，并深入钢水表面；

在所述的技术方案中，所述的钢炉5是冶炼的钢炉，内部包含大量钢水；

在所述的技术方案中，所述的计算机6是金属冶炼过程中激光诱导光谱检测系统的控制和显示分析中心；

在所述的技术方案中，所述的检测点距离动态监测系统7，采用单频或双频激光干涉仪、激光测距仪等远程测距设备，实时精确监测钢水液面到聚光镜的距离；

在所述的技术方案中，所述的反馈调节控制装置8，包括一个电动控制结构，用来补偿调整凹面反射镜1和凸面反射镜2的间距，保证诱导光束精确聚焦到检测点；

在所述的技术方案中，所述的激光光源9，用来产生诱导等离子体的激光光束，可以是YAG工作物质的激光源，也可以是二氧化碳激光源；

在所述的技术方案中，所述的光束折转系统10，由一个或多至10个的反射镜构成，折转控制激光光束；

在所述的技术方案中，所述的激光光束质量调节系统11，可以由透镜组，也可以由液晶光阀或微反射镜阵列构成，用来将激光束整形成所需的形状，实现高效率的激光诱导；

在所述的技术方案中，所述的透镜组12，由一个或多至10个的透镜构成，用来替代凹面反射镜1和凸面反射镜2；

在所述的技术方案中，所述的中阶梯光栅光谱仪13，用来将采集到的光信号进行分光，实现光谱数据的捕捉；

在所述的技术方案中，所述的积分延迟探测系统14，用来处理采集到的光信号，得到定量的光谱数据信息；

本发明与已有技术相比具有如下的优点：

本发明可以实时的检测高温液态钢水的组成成分，简化钢水检测过程；可以提高检测速度，保证钢水成分，降低废弃钢比例。因此本发明在节能减排、降低冶炼成本上有重要的意义。

中阶梯光栅光谱仪，通过光线追迹或几何成像原理推导出波长与像面坐标的关系，由此确定各波长的理想成像位置，这与常规的光谱仪处理系统相比较，存在大光谱范围、高精度分光等明显优点，这也是本专利的创新点之一。

附图说明

图1是激光光谱诱导在线钢水成分检测系统结构之一。

图2是激光光谱诱导在线钢水成分检测系统结构之二。

图3是中阶梯光栅光谱仪色散系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例将对本发明进一步详细说明。

实施例1

参考图1，制作一个激光光谱诱导在线钢水成分检测系统。该系统的凹面反射镜1为一个直径200mm的凹球面聚焦反射镜；凸面反射镜2为一个金属制成的高反射镜；窗口镜3为石英玻璃制成的平面透过片，两侧镀有针对检测和激励激光波长的增透膜；套管4为陶瓷制作的防护管道，直径40mm；钢炉5为用来冶炼的500KG真空高炉，由国内某真空高炉厂商生产；计算机6为LENOVO公司的台式个人电脑；检测点距离动态监测系统7为尼康LASER 550G型号单频激光测距仪，反馈调节控制装置8包括一个放大反馈电路，一个数据信号处理电路。通过激光测距仪采集到的信号通过放大反馈电路放大处理，然后通过数据信号处理电路传输到计算机6上，由计算机6进行距离的显示和处理。数据信号处理电路还将采集到的信号传递给反馈调节控制装置8，通过控制凸面反射镜2到凹面反射镜1的距离，调节激励激光的聚焦点。激光光源9为YAG工作物质的全固态激光器，单脉冲能量800mJ，脉冲宽度10ns。光束折转系统10由4片反射镜构成，将激光光源9产生的激光传输到检测系统中。中阶梯光栅光谱仪13为进行光谱探测的检测结构。积分延迟探测系统14采用积分延迟电路来实现，用来进行所采集到的图像信号的延迟处理。

实施例2

参考图2，制作一个激光光谱诱导在线钢水成分检测系统。该系统的凹面反射镜1和凸面反射镜2构成的光学聚焦结构替换为了透镜组12。透镜组12由4片消除像差的透镜组成，包括1片凹面镜和3片凸面镜；窗口镜3为石英玻璃制成的平面透过片，两侧镀有针对检测和激励激光波长的增透膜；套管4为陶瓷制作的防护管道，直径50mm；钢炉5为用来冶炼的200KG电炉；计算机6为LENOVO公司的便携式电脑；检测点距离动态监测系统7为双频激光测距仪，反馈调节控制装置8包括一个放大反馈电路，一个数据信号处理电路。通过激光测距仪采集到的信号通过放大反馈电路放大处理，然后通过数据信号处理电路传输到计算机6上，由计算机6进行距离的显示和处理。数据信号处理电路还将采集到的信号p传递给反馈调节控制装置8，通过控制凸面反射镜2到凹面反射镜1的距离，调节激励激光的聚焦点。激光光源9为YAGT作物质的全固态激光器，单脉冲能量60mJ，脉冲宽度20ps。光束折转系统10由4片反射镜构成，将激光光源9产生的激光传输到检测系统中。中阶梯光栅光谱仪13为进行光谱探测的检测结构。积分延迟探测系统14采用积分延迟电路来实现，用来进行所采集到的图像信号的延迟处理。

Claims (8)

1.一种激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，包括：凹面反射镜、凸面反射镜、窗口镜、套管、钢炉、计算机、检测点距离动态监测系统、反馈调节控制装置、激光光源、光束折转系统、中阶梯光栅光谱仪、积分延迟探测系统、激光光束质量调节系统，还可以将凹面反射镜和凸面反射镜构成的光学聚焦结构替换成透镜组。

2.按权利要求1所述的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，其特征在于，所述的凹面反射镜和凸面反射镜用来将诱导激励的激光束汇聚到被检测的钢水表面上；所述的窗口镜用来密封钢炉；所述的套管用来将钢炉中的激光束进行密封，并深入钢水表面；所述的钢炉是冶炼的钢炉，内部包含大量钢水；所述的计算机是金属冶炼过程中激光诱导光谱检测系统的控制和显示分析中心；所述的检测点距离动态监测系统，采用单频或双频激光干涉仪、激光测距仪等远程测距设备，实时精确监测钢水液面到聚光镜的距离；所述的反馈调节控制装置，包括一个电动控制结构，用来补偿调整凹面反射镜1和凸面反射镜2的间距，保证诱导光束精确聚焦到检测点；所述的激光光源，用来产生诱导等离子体的激光光束，可以是YAG工作物质的激光光源，也可以是二氧化碳激光光源；所述的光束折转系统，由1个或多至10个的反射镜构成，折转控制激光光束；所述的激光光束质量调节系统，可以由透镜组，也可以由液晶光阀或微反射镜阵列构成，用来将激光束整形成所需的形状，实现高效率的激光诱导；所述的透镜组，由1个或多至10个的透镜构成，用来替代凹面反射镜和凸面反射镜；所述的中阶梯光栅光谱仪，用来将采集到的光信号进行分光，实现光谱数据的捕捉；所述的积分延迟探测系统，用来处理采集到的光信号，得到定量的光谱数据信息。

2.按权利要求1所述的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，其特征在于，所述的检测点距离动态监测系统，采用单频或双频激光干涉仪、激光测距仪等激光测距仪器，实时精确监测钢水液面到聚光镜的距离，并通过反馈调节控制装置来控制调节凹面反射镜和凸面反射镜的间距，或者透镜组的焦距，来动态保证诱导激光光斑在被检测钢水表面的尺寸一致。

3.按权利要求1所述的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，其特征在于，所述的检测点距离动态监测系统，还能够通过光谱信号的信噪比来反馈控制激光光源的输出激光器强度，保证激励的等离子强度的稳定性，来保证检测到激光信号的精度。

4.按权利要求1所述的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，其特征在于，所述的光谱仪采用了中阶梯光栅光谱仪，中阶梯光栅光谱仪将入射光经棱镜进行横向色散，在经中阶梯光栅进行主方向色散，从而在像面上呈现二维重叠光谱，采用面阵探测器进行接收。

5.按权利要求1所述的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，其特征在于，所述的窗口镜用来密封钢炉，采用石英玻璃或其他透明材料制成的平板，并在表面根据钢炉冶炼的材料的热辐射谱特征，比如铁，镀有相应光谱频率的高反射膜，来实现对光谱信号的降噪处理。

6.按权利要求1所述的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，其特征在于，所述的套管采用陶瓷等耐高温材料制成，用来将钢炉中的激光束与其余空间隔离，降低钢水辐射光谱的影响。

7.按权利要求5所述的窗口镜，其特征在于，可以在窗口镜表面镀薄膜，实现对特殊波长的光进行定量的吸收，这种吸收用来实现对透过光谱的稳定性和强弱对比的控制，实现提高信噪比。

8.按权利要求5所述的窗口镜，其特征在于，可以在窗口镜材料中掺杂特殊的成分，比如针对铁离子辐射光谱吸收的物质，实现对特殊波长的光进行定量的吸收；这种吸收用来实现对诱导激发光谱的稳定性和强弱对比的控制，实现降噪。

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