CN103969226B - 一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统及应用 - Google Patents
一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统及应用 Download PDFInfo
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Abstract
一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统及应用，包括激光器、计算机、时序控制系统、光谱探测系统、光路系统以及快门系统，其中激光器作为光源发出脉冲激光；计算机用于设定时序控制和光谱分析；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、快门系统和光谱探测系统；光谱探测系统用于获得激光诱导击穿光谱信号；光路系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集；快门系统由时序控制系统进行控制，实现对光学系统的保护。快门系统在样品激发和信号测量的短时间内打开，在其他时间段关闭，使光学系统与粉尘和高温环境物理隔离。本发明对光学元件保护性强，测量安全性好，适用探测波段范围广，同时易于维护。可用于冶炼炉体、粉尘管道等检测环境。
Description
技术领域
本发明属于光谱检测技术领域，具体是一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统。本发明对光学元件保护性强，测量安全性好，适用探测波段范围广，同时易于维护，可用于冶炼炉体、粉尘管道等检测等环境。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术利用高能脉冲激光聚焦烧蚀样品产生等离子体，通过对所获得的等离子体发射光谱信号进行分析得到样品的成分和含量信息。该技术无须样品预处理，可实现远程测量，测量时间短，可同时分析多种元素，应用于在线实时原位检测具有传统分析方法难以比拟的优越性。激光诱导击穿光谱技术已应用于冶金生产、煤质检测和污染检测等。
一般情况下光谱分析系统为防止环境中粉尘污染光学元件，采用观察窗隔离光学系统实现对光学元件的保护，如火花光谱检测系统等，所采用的隔离窗在一定时间后需要更换或进行清洗。同时为了削弱高温辐射对光学元件影响，可选的采用工业隔热窗进行隔热保护。由于普通观察窗和隔热窗会降低光谱透过率，减弱了所能探测到的光谱信号强度，因此限制了系统对部分波段的光谱探测。以冶金环境为例，由于C、P、S等非金属元素特征谱线多处于真空紫外波段光谱，因此在真空紫外波段探测具有重要意义。而采用观察窗，不仅限制了光谱探测范围，也削弱了光谱信号强度。
发明内容
本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统及应用，具有保护光学元件和保证光学测量系统的性能，延长测量系统的使用寿命，同时对光谱透过率无影响。
本发明技术解决方案：一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统，如图1所示，包括：激光器、计算机、时序控制系统、光谱探测系统、光路系统以及快门系统。其中激光器作为光源发出脉冲激光；计算机用于设定时序控制和光谱分析；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、快门系统和光谱探测系统；光谱探测系统用于获得激光诱导击穿光谱信号；光路系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集；快门系统由时序控制系统进行控制，实现对光学系统的保护。
快门在样品激发和信号测量的短时间内(毫秒量级)打开，在其他时间段关闭(光学系统与粉尘和高温环境物理隔离)。通过对装置中的激光器、快门系统和光谱探测系统的精确时序控制(可达10纳秒量级)，可以达到最大限度的防止应用场合中粉尘对光学元件的污染，降低高温辐射对光学元件和光学系统性能的影响。由于等离子体存在时间为几百纳秒到十几微秒，光谱采集系统最短积分时间可根据设备性能进行优选，即光谱探测系统最优积分时间为大于等离子体存在时间的光谱探测设备最短积分时间。
上述的激光器为脉冲激光器，时序控制系统采用脉冲触发器；光谱探测系统可以采用光谱仪。
本发明工作时具体步骤为：
1.开始测量时，通过计算机发送指令到时序控制系统，发出脉冲触发并打开快门系统；
2.时序控制系统发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过光路系统聚焦到样品表面，产生的等离子体信号经光路系统采集并传输到光谱探测系统；
3.时序控制系统发出脉冲触发光谱探测系统，获得相应延迟时间和积分时间的激光诱导击穿光谱信号；
4.时序控制系统发出脉冲触发并关闭快门系统；
5.重复步骤1到步骤4，获得相应的光谱信号，送入计算机中用于后续成份分析。
作为上述方案的应用，即用于真空环境熔融金属成份检测的激光诱导击穿光谱系统，包括：激光器、计算机、时序控制系统、光谱探测系统、光路系统、快门系统、辅助真空系统和插板阀；其中激光器作为光源发出脉冲激光；计算机用于设定时序控制和光谱分析；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、快门系统、光谱探测系统和插板阀；光谱探测系统用于获得激光诱导击穿光谱信号；光路系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集；快门系统由时序控制系统进行控制，用于在测量期间尽可能的保护光学元件不受真空腔体中飘浮粉尘污染；插板阀用于在无须测量时处于关闭状态以保护光学元件；所述辅助真空系统用于平衡和保护光路系统和真空腔体之间真空度，包括机械泵及相关阀门；所述光路系统包括凹面反射镜13、凸面反射镜、用于调节凸面反射镜位置的精密电控平移台、介质膜反射镜、光纤馈入法兰和光纤；介质膜反射镜用于反射激光同时透过信号光；透镜用于汇聚信号光通过光纤馈入法兰和光纤导出到光谱探测系统；整个光路系统与真空腔体上的标准法兰接口7进行连接；冶金过程开始前，插板阀处于关闭状态，真空辅助系统开始工作，等真空度达到一定要求时，等待冶炼开始；冶炼开始后，需要进行成分测量时，通过计算机1发送指令到时序控制系统，时序控制系统发出脉冲触发并打开插板阀，快门系统处于关闭状态；开始测量时，时序控制系统发出脉冲触发并打开快门；时序控制系统发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过真空腔体上的观察窗进入光路接入系统真空腔体内，通过介质膜反射镜反射到凸面反射镜上，由凹面反射镜聚焦到熔融金属液上；熔融金属液产生的等离子体信号沿原光路返回，透过介质膜反射镜，由透镜聚焦并通过光纤馈入法兰和光纤导出到光谱探测系统，通光谱探测系统获得激光诱导击穿光谱信号；单次测量结束后，时序控制系触发并关闭快门系统，通过精密电控平移台自动调节焦距，直到确认光谱信号最佳位置；在最佳聚焦位置处，获得激光诱导击穿光谱信号；通过计算机对光谱探测系统所测得激光诱导击穿光谱信号进行分析，得到当前熔融金属液的成分信息；冶炼过程中需要成分测量时，重复上述过程；完成测量过程后，时序控制系统触发并关闭插板阀。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明公开一种采用快门进行光学系统保护的激光诱导击穿光谱系统，核心在于采用时序控制的快门系统实现光学元件保护及高温辐射防护，同时避免了对光谱传输效率的影响。本发明对光学元件保护性强，测量安全性好，适用探测波段范围广，同时易于维护。可用于冶炼炉体、粉尘管道等检测环境。
附图说明
图1为本发明公开的一种激光诱导击穿光谱系统原理图；
图2为本发明实施例真空环境的熔融金属成份检测装置原理图；
图3为本发明实施例真空环境的熔融金属成份检测装置测量时序控制示意图。
具体实施方式
本发明的应用提供一种用于真空环境熔融金属成份检测的激光诱导击穿光谱系统，其结构示意图如图2所示。本系统中计算机1用于进行时序控制和光谱分析；光谱探测系统采用光谱仪2；激光器为脉冲激光器4；辅助真空系统5用于平衡和保护光路系统和真空腔体之间真空度，包括机械泵及相关阀门；光路系统中激光远程聚焦以及信号光远程采集采用望远镜结构，包括凹面反射镜13、凸面反射镜14和用于调节凸面反射镜位置的精密电控平移台8；介质膜反射镜12用于反射激光同时透过信号光；透镜11用于汇聚信号光通过光纤馈入法兰10和光纤9导出到光谱仪2；机械快门15用于在测量期间尽可能的保护光学元件不受腔体中飘浮粉尘污染；插板阀16用于在无须测量时关闭阀门，保护光学元件；整个光路接入系统与真空腔体6上的标准法兰接口7进行连接。装置中时序控制系统为脉冲触发器3，用于控制和触发激光器4、光谱仪2、快门15和插板阀16。
本发明应用的具体工作流程为：
1.冶金过程开始前，插板阀处于关闭状态，真空辅助系统5开始工作，等真空度达到一定要求时，等待冶炼开始。
2.冶炼开始后，需要进行成分测量时，通过计算机1发送指令到时序控制系统3，发出脉冲触发并打开插板阀16，快门15处于关闭状态；
3.开始测量时，时序控制系统3发出脉冲触发并打开快门15；
4.时序控制系统3发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过观察窗进入光路系统真空腔体，通过介质膜反射镜12反射到凸面反射镜14上，由凹面反射镜13聚焦到熔融金属液17上；产生的等离子体信号沿原光路返回，透过介质膜反射镜12，由透镜11聚焦并通过光纤馈入法兰10和光纤9导出到光谱仪2，获得激光诱导击穿光谱信号；
5.单次测量结束后，时序控制系统3触发并关闭快门15；
6.通过精密电控平移台8自动调节焦距，重复步骤3到步骤5，确认光谱信号最佳位置；
7.在最佳聚焦位置处，重复步骤3到步骤5，获得激光诱导击穿光谱信号；
8.对所测得激光诱导击穿光谱信号进行分析，得到当前熔融金属液17的成分信息；
9.冶炼过程中需要成分测量时，重复步骤3到步骤8；
10.完成测量过程后，时序控制系统3触发并关闭插板阀16。
测量流程中时序示意图如图3所示。若采用激光脉冲频率为10Hz，光谱仪积分时间为0.5ms，延迟时间为0.5ms，快门开启和关闭响应时间约为2ms，则单次测量时光学系统暴露时间约为3ms，快门系统遮挡效率约为97％。采用性能更佳的光谱仪和快门，遮挡效率可以进一步提高。
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。
以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统，其特征在于：包括激光器、计算机、时序控制系统、光谱探测系统、光路系统以及快门系统；其中激光器作为光源发出脉冲激光；计算机用于设定时序控制和光谱分析；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、快门系统和光谱探测系统；光谱探测系统用于获得激光诱导击穿光谱信号，其积分时间和延迟时间可根据系统性能和使用要求进行调节；光路系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集；快门系统由时序控制系统进行控制，实现对光学系统的保护，其大小和速度可根据系统性能和使用要求进行调节；开始测量时，通过计算机发送指令到时序控制系统，时序控制系统发出脉冲打开快门系统并触发激光器；激光器发出的脉冲激光经过光路系统和快门系统聚焦到样品表面，样品表面产生的等离子体信号经光路系统采集并传输到光谱探测系统；时序控制系统发出脉冲触发光谱探测系统，通过光谱探测系统获得相应延迟时间和积分时间的激光诱导击穿光谱信号；时序控制系统发出脉冲触发并关闭快门系统；根据测量需求重复测量过程，获得满足分析要求的光谱信号，送入计算机用于后续成份分析；
所述时序控制系统通过对激光器、快门系统和光谱探测系统的精确时序控制，使快门系统在样品激发和信号测量的短时间内即毫秒量级时间内打开，在其他时间段关闭，使光学系统与粉尘和高温环境物理隔离，减少应用场合中粉尘对光学系统中光学元件的污染，降低高温辐射对光学元件和光学系统性能的影响；
快门在样品激发和信号测量的短时间内，即毫秒量级打开，在其他时间段关闭，使光学系统与粉尘和高温环境物理隔离；通过对激光器、快门系统和光谱探测系统的精确时序控制，即可达10纳秒量级，达到最大限度的防止应用场合中粉尘对光学元件的污染，降低高温辐射对光学元件和光学系统性能的影响；由于等离子体存在时间为几百纳秒到十几微秒，光谱采集系统最短积分时间可根据设备性能进行优选，即光谱探测系统最优积分时间为大于等离子体存在时间的光谱探测设备最短积分时间；
所述快门系统的快门速度根据测量激光脉冲频率、激光等离子体存在时间以及光谱积分时间和延迟时间进行优选；
整个光路系统与真空腔体上的标准法兰接口进行连接；
a.冶金过程开始前，插板阀处于关闭状态，真空辅助系统开始工作，等真空度达到一定要求时，等待冶炼开始；
b.冶炼开始后，需要进行成分测量时，通过计算机发送指令到时序控制系统（3），发出脉冲触发并打开插板阀，快门处于关闭状态；
c.开始测量时，时序控制系统发出脉冲触发并打开快门；
d.时序控制系统发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过观察窗进入光路系统真空腔体，通过介质膜反射镜反射到凸面反射镜上，由凹面反射镜聚焦到熔融金属液（17）上；产生的等离子体信号沿原光路返回，透过介质膜反射镜，由透镜聚焦并通过光纤馈入法兰和光纤导出到光谱仪，获得激光诱导击穿光谱信号；
e.单次测量结束后，时序控制系统（3）触发并关闭快门；
f.通过精密电控平移台自动调节焦距，重复步骤c到步骤e，确认光谱信号最佳位置；
g.在最佳聚焦位置处，重复步骤c到步骤e，获得激光诱导击穿光谱信号；
h.对所测得激光诱导击穿光谱信号进行分析，得到当前熔融金属液的成分信息；
i.冶炼过程中需要成分测量时，重复步骤c到步骤h；
j.完成测量过程后，时序控制系统触发并关闭插板阀；
若采用激光脉冲频率为10Hz，光谱仪积分时间为0.5ms，延迟时间为0.5ms，快门开启和关闭响应时间为2ms，则单次测量时光学系统暴露时间为3ms，快门系统遮挡效率约为97％。
2.根据权利要求1所述的可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统，其特征在于：所述快门系统选用任意驱动方式的挡光元件，其大小可根据光路覆盖范围和安装位置进行优选。
3.一种用于真空环境熔融金属成份检测的激光诱导击穿光谱系统，其特征在于包括：激光器、计算机、时序控制系统、光谱探测系统、光路系统、快门系统、辅助真空系统和插板阀；其中激光器作为光源发出脉冲激光；计算机用于设定时序控制和光谱分析；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、快门系统、光谱探测系统和插板阀；光谱探测系统用于获得激光诱导击穿光谱信号；光路系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集；快门系统由时序控制系统进行控制，用于在测量期间尽可能的保护光学元件不受真空腔体中飘浮粉尘污染；插板阀用于在无须测量时处于关闭状态以保护光学元件；所述辅助真空系统用于平衡和保护光路系统和真空腔体之间真空度，包括机械泵及相关阀门；所述光路系统包括凹面反射镜、凸面反射镜、用于调节凸面反射镜位置的精密电控平移台、介质膜反射镜、光纤馈入法兰和光纤；介质膜反射镜用于反射激光同时透过信 号光；透镜用于汇聚信号光通过光纤馈入法兰和光纤导出到光谱探测系统；整个光路系统与真空腔体上的标准法兰接口进行连接；冶金过程开始前，插板阀处于关闭状态，真空辅助系统开始工作，等真空度达到一定要求时，等待冶炼开始；冶炼开始后，需要进行成分测量时，通过计算机发送指令到时序控制系统，时序控制系统发出脉冲触发并打开插板阀，快门系统处于关闭状态；开始测量时，时序控制系统发出脉冲触发并打开快门；时序控制系统发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过真空腔体上的观察窗进入光路接入系统真空腔体内，通过介质膜反射镜反射到凸面反射镜上，由凹面反射镜聚焦到熔融金属液上；熔融金属液产生的等离子体信号沿原光路返回，透过介质膜反射镜，由透镜聚焦并通过光纤馈入法兰和光纤导出到光谱探测系统，通光谱探测系统获得激光诱导击穿光谱信号；单次测量结束后，时序控制系触发并关闭快门系统，通过精密电控平移台自动调节焦距，直到确认光谱信号最佳位置；在最佳聚焦位置处，获得激光诱导击穿光谱信号；通过计算机对光谱探测系统所测得激光诱导击穿光谱信号进行分析，得到当前熔融金属液的成分信息；冶炼过程中需要成分测量时，重复测量过程；完成测量过程后，时序控制系统触发并关闭插板阀。
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