CN104204782A - 分析装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于分析物体(2)的材料成分的装置(1)具有带手柄(4)的外壳(3)、操作扳机(5)、用于抵接待分析的物体的观察窗(6)和用于显示物体的分析结果的显示器(7)。具有基部(12)的壳体(11)安装在外壳中，基部(12)绕着轴线(14)枢转连接在一个端部(15)上。在另一个端部(16)设置有用于在基部(12)上横移端部(16)的步进式电动机(17)。端部(16)具有与壳体(11)中的安装有观察窗的开口(19)大致对准的开口(18)。在壳体(11)中安装有激光二极管(21)、激光放大晶体(22)、准直透镜(23)和激光聚焦透镜(24)等部件。这些部件排列在透过开口(18、19)延伸出来的激光投射轴线(25)上。平面反射镜(32)能够接收由在物体(2)的表面处受激发的等离子体P发射的光。来自等离子体P的光沿着方向(34)被反射越过投射轴线到达曲面聚焦反射镜(35)。光从反射镜(35)再次被反射越过投射轴线并且聚焦在设置于壳体(11)的与反射镜(35)相对的侧壁(39)中的孔(38)内的光纤(37)的端部上。

Description

分析装置
技术领域
本发明涉及用于通过等离子体光谱分析来分析物体的材料成分的手持装置。
背景技术
已知的是：通过激发物体表面上的等离子体并对等离子体进行光谱分析以获取与物体中的元素对应的等离子体中的元素构成来分析物体(通常为金属物体)的材料成分。
通过用于反射来自等离子体的光以便进行分析的反射镜中的孔投射激光的几种装置是已知的。我们通过省去带孔的反射镜来设法对这种结构进行改进。
美国专利申请No.US2012/0044488的摘要如下：
一种用于通过等离子体光谱学分析材料的装置，该装置为便携式和独立型，该装置包括容纳激光发生器(18)的壳体(10)，激光发生器(18)发射出通过抛物面反射镜(32)聚焦到待分析的材料的表面上的激光脉冲，抛物面反射镜(32)可以在壳体内部中以平移方式移动，以便沿着待分析的材料的表面上的扫描线进行一系列点测量以及对安装在壳体(10)的测量末端(22)中的校准试样(50)进行测量。
由于使用了许多反射镜并且用同一反射镜反射激光和等离子体光，这种结构较复杂，因此我们不建议这样做。
欧洲专利申请No.EP0176625的日本同族专利申请No.JP61086636的摘要如下：
开关电路24控制激光振荡器22。红外线脉冲激光A从激光振荡器22投射到试样10的表面上，使得能量密度变为2.0×109W/mm2或更大。激发和放电的光B以16度的实积立方角在光引导系统的壳体18中通过保持有惰性气体气氛的路径会聚到反射镜12。光的图像形成在分光镜16的输入狭缝16A处。
这种结构比较笨重并且不会适用于手持装置。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于通过等离子体光谱分析来分析物体的材料成分的改进型手持装置。
根据本发明，提供一种用于通过等离子体光谱分析来分析物体的材料成分的手持装置，所述手持装置包括：
手持外壳；
激光器壳体，其位于所述外壳内；
激光器，其位于所述壳体内并且具有投射轴线；
开口，其位于所述壳体和所述外壳中，来自所述激光器的激光束能够通过所述开口投射到待分析的物体上并在所述物体的表面处产生等离子体；
第一反射镜，其安装在所述壳体中，用于经由所述开口接收所述开口中的由等离子体发射的光，所述第一反射镜位于所述投射轴线的一侧且所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线的垂线成锐角以将等离子体光反射到所述投射轴线的另一侧；
第二聚焦反射镜，其安装在所述壳体中，用于接收被所述第一反射镜反射的等离子体光并将等离子体光再次反射回到所述投射轴线的所述一侧，所述第二聚焦反射镜的中心法向轴线与所述投射轴线的垂线所成的锐角比所述第一反射镜与所述投射轴线的垂线所成的锐角小；以及
接收器，其用于接收来自所述第二聚焦反射镜的等离子体光并且将所述等离子体光传输到光谱分析仪。
同时我们能够设想到：第一反射镜是大致平坦的，并且第一反射镜可以弯曲成比第二聚焦反射镜的弯曲程度小以实现等离子体装置(等离子体光)的初步聚焦，通常出于实用的目的第一反射镜是平面。通常，手持装置包括用于确定待分析的物体与壳体之间的间距的抵接表面，并且第一反射镜在激光器壳体中安装为接收等离子体光的发散光束(当反射镜的形状为矩形时发散光束是棱锥形光束)，该等离子体光具有设定为与投射轴线成7.5°～20°角(优选10°～15°角)的中心轴线。以将等离子体光束的这个角度和第二反射镜的位置考虑在内的角度将第一反射镜安装在主体中。在优选实施例中，第一反射镜沿投射轴线的轴向范围与第二反射镜的轴向范围重叠。对于这种结构而言，第一反射镜的法向轴线优选设定为与投射轴线成25°～40°角，并且更优选成30°～35°角。然而，在第二反射镜从开口进一步朝向激光器设置的情况下，第一反射镜的法向轴线可以设定为与投射轴线成15°～30°角。然而，第二反射镜的中心法向轴线可以与投射轴线大致垂直，从而经过两次反射的会聚的等离子体光将会以其从第一反射镜越过投射轴线的同一角度从第二反射镜越过投射轴线，在两个反射镜轴向重叠的情况下这样的设置不恰当。在该情况下，第二反射镜的角度优选设定为将等离子体光束反射成比第一反射镜的边缘更偏向激光器。为此，第二反射镜的中心法向轴线与投射轴线的垂线成10°～20°角。还可以设想到的是：第二反射镜可以更偏向激光器并且具有将所反射的光束引导成与投射轴线大致垂直的角度。为此，可以设想到使用具有相反符号的相同角度范围。
通常，激光器具有安装在壳体上而远离壳体的开口的二极管、放大晶体、准直透镜和聚焦透镜。通常，激光器是无源Q开关脉冲激光器。同时可以设想到的是：聚焦透镜可以设置在被反射的光越过投射轴线的两个交叉点之间，优选设置在远离开口的第二交叉点的一侧。
在优选实施例中，接收器是用于将等离子体光传输至安装在外壳中的光谱分析仪的光纤。在这种情况下，第二反射镜的焦距使得第二反射镜将所反射的等离子体光聚焦在光纤的端部上，该光纤可以设置在壳体的与第二反射镜相对的壁部中。
优选地，壳体可移动地安装在外壳中，从而能够通过控制壳体的移动来横移激光束沿着投射轴线在所待分析的物体上的入射点。壳体可以相对于外壳平移，优选地，壳体可以相对于外壳旋转。在优选实施例中，壳体在壳体的激光二极管端枢转安装在外壳上，并且壳体的开口端可以在致动器(优选为步进式电动机)的控制下相对于外壳横移。
通常，该手持装置用于金属的分析，但该手持装置也可以用于其它材料(例如塑料或任何其它类型的材料)的分析。
附图说明
为了帮助理解本发明，现在将通过实例并参考附图对本发明的具体实施例进行描述，其中：
图1是本发明的分析装置的侧面剖视图；
图2是拆除了盖体的图1所示分析装置的激光器壳体的平面视图；
图3是图2所示激光器壳体的平面视图；以及
图4是沿着投影轴线25截取的图2所示激光器壳体的侧面剖视图。
具体实施方式
参考附图，用于分析物体2的材料成分的手持装置1具有带手柄4的外壳3、操作扳机5、用于抵接待分析的物体的观察窗6和用于显示物体的分析结果的显示器7。
具有基部12的壳体11安装在外壳中，基部12绕着轴线14枢转连接在一个端部15上。在另一个端部16设置有用于在基部上横移端部的步进式电动机17。螺栓171延伸到安装在基部12上的螺母172中，并且步进式电动机17能够使螺栓171旋转以升高和降低壳体11。端部16具有与壳体中的安装有观察窗的开口19大致对准的开口18。
在壳体(其为不透光的铝制盒体)中安装有如下部件：
激光二极管21，其位于端部15；
激光放大晶体22，其安装在壳体11上的用于冷却的半导体致冷(Peltier)器件26上并且带有用于加热的电阻器27；
准直透镜23；以及
激光聚焦透镜24。
这些部件排列在透过开口18、19延伸出来的激光投射轴线25上。
在轴线25的一侧设置有平面反射镜32，并且平面反射镜32位于具有开口18的端壁31的内侧。平面反射镜32与开口局部对准，并且偏离激光投射轴线一定距离。在该位置，平面反射镜32能够接收由在物体2上激发的等离子体P发射出的光。平面反射镜32的法向轴线33设定为与投射轴线的垂线成33°角，即平面反射镜32所在的平面与投射轴线成33°角。来自等离子体P的光沿着方向34被反射越过投射轴线到达曲面聚焦反射镜35。曲面聚焦反射镜35的中心法向轴线36设定为与投射轴线的垂线成19°角。光从反射镜再次被反射越过投射轴线并且聚焦在位于壳体的与反射镜相对的侧壁39中的孔38内的光纤37的端部上，光纤37设定为与投射轴线的法线成15°角。
光纤通向外壳中的光谱分析仪40。
上述手持装置具有控制器41、电源42和ON/OFF开关43。开关打开设定为控制器以低功率给激光二极管21和电阻器24供电，以使二极管和放大晶体达到静态温度。当按压扳机以启动操作时，设置在观察窗附近的近程传感器42检测物体2的存在。只要激光二极管和放大晶体处于工作温度，就会投射脉冲激光束并且产生等离子体。在操作中，其它部件中的激光二极管21和激光放大晶体22包括无源Q开关脉冲激光器。分析仪实时分析物体2的构成元素。通常使激光器以3～5kHz频率和约30～50μJ的功率产生脉冲。这样的频率和脉冲功率允许光谱仪40在整个激光脉冲周期中持续地对等离子体光进行光谱分析。步进式电动机横移激光束，从而能够实现构成元素的连续分析。如果横移造成没有等离子体光被分析，正如当遇到物体的间断处(例如孔)时，则反转横移的方向以便能够重复进行前述测量并且/或者降低横移速率以增加等离子体光收集。
一旦确认获得了一致的分析，则在显示器上显示结果并且控制器将分析仪控制为处于静态。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一种用于通过等离子体光谱分析来分析物体的材料成分的手持装置，所述手持装置包括：
手持外壳；
激光器壳体，其位于所述外壳内；
激光器，其位于所述壳体内并且具有投射轴线；
开口，其位于所述壳体和所述外壳中，来自所述激光器的激光束能够通过所述开口投射到待分析的物体上并在所述物体的表面处产生等离子体；
第一反射镜，其安装在所述壳体中，用于经由所述开口接收所述开口中的由等离子体发射的光，所述第一反射镜位于所述投射轴线的一侧且所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线的垂线成锐角以将等离子体光反射到所述投射轴线的另一侧；
第二聚焦反射镜，其安装在所述壳体中，用于接收被所述第一反射镜反射的等离子体光并将等离子体光再次反射回到所述投射轴线的所述一侧，所述第二聚焦反射镜的中心法向轴线与所述投射轴线的垂线所成的锐角比所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线的垂线所成的锐角小；以及
接收器，其用于接收来自所述第二聚焦反射镜的等离子体光并且将所述等离子体光传输到光谱分析仪。
2.根据权利要求1所述的手持装置，其中，所述第一反射镜是弯曲程度小于所述第二聚焦反射镜以实现等离子体装置的初步聚焦的聚焦反射镜。
3.根据权利要求1所述的手持装置，其中，所述第一反射镜是大致平坦的反射镜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的手持装置，其中，所述手持装置包括用于确定所述待分析的物体与所述壳体之间的间距的抵接表面。
5.根据权利要求4所述的手持装置，其中，所述第一反射镜在所述激光器壳体中安装和设置为经由所述开口接收来自被抵接的物体的等离子体光的发散光束，所述发散光束具有设定为与所述投射轴线成7.5°～20°角的中心轴线。
6.根据权利要求5所述的手持装置，其中，所述等离子体光的光束在所述开口处的中心轴线与所述投射轴线成10°～15°角。
7.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述第一反射镜沿所述投射轴线的轴向范围与所述第二聚焦反射镜的轴向范围重叠。
8.根据权利要求7所述的手持装置，其中，所述第一反射镜安装在所述激光器壳体上，使得所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线的垂线成25°～40°角。
9.根据权利要求8所述的手持装置，其中，所述第一反射镜的所述法向轴线与所述投射轴线的所述垂线成30°～35°角。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的手持装置，其中，所述第二聚焦反射镜的中心法向轴线与所述投射轴线的垂线成10°～20°角。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的手持装置，其中，所述第二聚焦反射镜设置为使得所述第一反射镜沿所述投射轴线的轴向范围不与所述第二聚焦反射镜的轴向范围重叠。
12.根据权利要求11所述的手持装置，其中，所述第一反射镜安装在所述激光器壳体上，使得所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线的垂线成15°～30°角。
13.根据权利要求11或12所述的手持装置，其中，所述第二聚焦反射镜的中心法向轴线与所述投射轴线大致垂直。
14.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述激光器包括：
二极管，其安装在所述壳体上而远离所述壳体的所述开口；
放大晶体；
准直透镜；以及
聚焦透镜。
15.根据权利要求14所述的手持装置，其中，所述聚焦透镜设置在被所述第一反射镜反射的等离子体光和所述投射轴线的第一交叉点与被所述第二聚焦反射镜反射的等离子体光和所述投射轴线的第二交叉点之间。
16.根据权利要求14所述的手持装置，其中，所述聚焦透镜设置在所述准直透镜与被所述第二聚焦反射镜反射的等离子体光和所述投射轴线的交叉点之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述接收器是光纤。
18.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述激光器壳体可移动地安装在所述外壳中，从而能够通过控制所述壳体的移动来横移所述激光束在所述待分析的物体上的入射点。
19.根据权利要求18所述的手持装置，其中，所述激光器壳体能够相对于所述外壳平移。
20.根据权利要求18所述的手持装置，其中，所述激光器壳体能够相对于所述外壳旋转。
21.根据权利要求20所述的手持装置，其中，所述激光器壳体在所述激光器壳体的激光二极管端枢转安装在所述外壳上，并且所述激光器壳体的开口端能够在致动器的控制下相对于所述外壳横移。
22.根据权利要求21所述的手持装置，其中，所述致动器是步进式电动机。

Claims (22)

1.一种用于通过等离子体光谱分析来分析物体的材料成分的手持装置，所述手持装置包括：
手持外壳；
激光器壳体，其位于所述外壳内；
激光器，其位于所述壳体内并且具有投射轴线；
开口，其位于所述壳体和所述外壳中，来自所述激光器的激光束能够通过所述开口投射到待分析的物体上并在所述物体的表面处产生等离子体；
第一反射镜，其安装在所述壳体中，用于经由所述开口接收所述开口中的由等离子体发射的光，所述第一反射镜位于所述投射轴线的一侧且所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线成锐角以将等离子体光反射到所述投射轴线的另一侧；
第二聚焦反射镜，其安装在所述壳体中，用于接收被所述第一反射镜反射的等离子体光并将等离子体光再次反射回到所述投射轴线的所述一侧，所述第二聚焦反射镜的中心法向轴线与所述投射轴线所成的锐角比所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线所成的锐角小；以及
接收器，其用于将等离子体光传输到光谱分析仪。
2.根据权利要求1所述的手持装置，其中，所述第一反射镜是弯曲程度小于所述第二聚焦反射镜以实现等离子体装置的初步聚焦的聚焦反射镜。
3.根据权利要求1所述的手持装置，其中，所述第一反射镜是大致平坦的反射镜。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的手持装置，其中，所述手持装置包括用于确定所述待分析的物体与所述壳体之间的间距的抵接表面。
5.根据权利要求4所述的手持装置，其中，所述第一反射镜在所述激光器壳体中安装和设置为经由所述开口接收来自被抵接的物体的等离子体光的发散光束，所述发散光束具有设定为与所述投射轴线成7.5°～20°角的中心轴线。
6.根据权利要求5所述的手持装置，其中，所述等离子体光的光束在所述开口处的中心轴线与所述投射轴线成10°～15°角。
7.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述第一反射镜沿所述投射轴线的轴向范围与所述第二聚焦反射镜的轴向范围重叠。
8.根据权利要求7所述的手持装置，其中，所述第一反射镜安装在所述激光器壳体上，使得所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线的垂线成25°～40°角。
9.根据权利要求8所述的手持装置，其中，所述第一反射镜的所述法向轴线与所述投射轴线的所述垂线成30°～35°角。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的手持装置，其中，所述第二聚焦反射镜的中心法向轴线与所述投射轴线的垂线成10°～20°角。
11.根据权利要求1至6中任一项所述的手持装置，其中，所述第二聚焦反射镜设置为使得所述第一反射镜沿所述投射轴线的轴向范围不与所述第二聚焦反射镜的轴向范围重叠。
12.根据权利要求11所述的手持装置，其中，所述第一反射镜安装在所述激光器壳体上，使得所述第一反射镜的法向轴线与所述投射轴线的垂线成15°～30°角。
13.根据权利要求11或12所述的手持装置，其中，所述第二聚焦反射镜的中心法向轴线与所述投射轴线大致垂直。
14.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述激光器包括：
二极管，其安装在所述壳体上而远离所述壳体的所述开口；
放大晶体；
准直透镜；以及
聚焦透镜。
15.根据权利要求14所述的手持装置，其中，所述聚焦透镜设置在被所述第一反射镜反射的等离子体光和所述投射轴线的第一交叉点与被所述第二聚焦反射镜反射的等离子体光和所述投射轴线的第二交叉点之间。
16.根据权利要求14所述的手持装置，其中，所述聚焦透镜设置在所述准直透镜与被所述第二聚焦反射镜反射的等离子体光和所述投射轴线的交叉点之间。
17.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述接收器是光纤。
18.根据前述权利要求中任一项所述的手持装置，其中，所述激光器壳体可移动地安装在所述外壳中，从而能够通过控制所述壳体的移动来横移所述激光束在所述待分析的物体上的入射点。
19.根据权利要求18所述的手持装置，其中，所述激光器壳体能够相对于所述外壳平移。
20.根据权利要求18所述的手持装置，其中，所述激光器壳体能够相对于所述外壳旋转。
21.根据权利要求20所述的手持装置，其中，所述激光器壳体在所述激光器壳体的激光二极管端枢转安装在所述外壳上，并且所述激光器壳体的开口端能够在致动器的控制下相对于所述外壳横移。
22.根据权利要求21所述的手持装置，其中，所述致动器是步进式电动机。
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