CN105823771A - 一种耐高温熔体的libs接触式探头 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种耐高温熔体的LIBS接触式探头，包括自上而下依次布置的顶端、中端、底端和前端，顶端的上部设有进气阀门，顶端与中端之间设有调风环，底端的侧壁设有出气口，进气阀门和出气口配合所述调风环组成气体循环系统；顶端内设有介质膜反射镜，顶端的一侧设有由单透镜和光纤接头组成的信号光耦合光路，该光路正交于激光入射光路；中端内固定有反射式望远镜镜筒；底端内设有组合锥筒和热敏电阻。基于激光诱导等离子体光谱技术，实现熔融金属元素含量检测在线检测，特别是在熔融金属表面有浮渣或者其他干扰的工况下，对冶金工艺的改善具有重要意义。

Description

一种耐高温熔体的LIBS接触式探头

技术领域

本发明涉及一种耐高温探头，尤其是一种可用于LIBS技术检测的耐高温熔体的接触式探头。

背景技术

LIBS技术是应用于冶金在线成分检测的最具前景技术。由于冶金现场存在大量的粉尘，直接采用遥测系统进行光谱信号采集具有较大不稳定性，因此采用接触式探头实现相对稳定的测量环境，对LIBS冶金在线应用具有重要意义。考虑到冶金熔体温度一般在800-1600℃左右，接触式探头必须具备良好的隔热和冷却性能。

发明内容

本发明的目的是提供一种耐高温熔体的LIBS接触式探头。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明展示的一种耐高温熔体的LIBS接触式探头，包括自上而下依次布置的顶端、中端、底端和前端，所述顶端的上部设有进气阀门，所述顶端与中端之间设有调风环，所述底端的侧壁设有出气口，所述进气阀门和出气口配合所述调风环组成气体循环系统；

所述顶端内设有介质膜反射镜，所述顶端的一侧设有由单透镜和光纤接头组成的信号光耦合光路，该光路垂直于激光入射光路；

所述中端内固定有镜筒；

所述底端内设有组合锥筒和热敏电阻；

所述各端之间加入高温隔热密封片。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，本发明实施例提供的耐高温熔体的LIBS接触式探头，克服了LIBS远程测量时的空间不稳定性和粉尘及遮挡物的影响，可以实现熔融金属元素含量的直接在线检测，特别是在熔融金属表面有浮渣或者其他干扰的工况下，对冶金工艺的改善具有重要意义。

附图说明

图1为本发明实施例提供的耐高温熔体的LIBS接触式探头的原理示意图。

图2为本发明实施例提供的耐高温熔体的LIBS接触式探头的结构示意图。

图中：

1、顶端，2、光纤接头，3、单透镜，4、调风环，5、镜筒，6、中端，7、底端，8、组合锥筒，9、出气口，10、隔热密封片，11、前端，12、进气阀门，13、介质膜反射镜，14、凹面反射镜，15、电控平移台，16、凸面反射镜，17、热敏电阻，18、熔融金属液体。

具体实施方式

下面将对本发明实施例作进一步地详细描述。

本发明的耐高温熔体的LIBS接触式探头，其较佳的具体实施方式是：

包括自上而下依次布置的顶端、中端、底端和前端，所述顶端的上部设有进气阀门，所述顶端与中端之间设有调风环，所述底端的侧壁设有出气口，所述进气阀门和出气口配合所述调风环组成气体循环系统；

所述顶端内设有介质膜反射镜，所述顶端的一侧设有由单透镜和光纤接头组成的信号光耦合光路，该光路正交于激光入射光路；

所述中端内固定有镜筒；

所述底端内设有组合锥筒和热敏电阻。

所述顶端、中端和底端为高温不锈钢腔体，所述前端为氧化铝陶瓷筒。

所述镜筒为施瓦兹齐德望远镜结构，包括上部的凹面反射镜和下部的凸面反射镜。

所述前端与底端以及底端与中端之间装有隔热密封片。

整个探头固定在电控平移台上，测量时探头前端浸入熔融金属。

激光诱导等离子体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元素含量信息，具有安全、快速的优势。

本发明接触式探头耐高温用于熔融金属元素含量的直接在线检测，特别是在熔融金属表面有浮渣或者其他干扰的工况下，对冶金工艺的改善具有重要意义。

本发明的探头前端穿过浮渣浸入到熔融金属中，可以对熔融金属的元素含量进行接触式测量。探头分四段式设计，顶端、中端、底端和前端。其中，顶端包括二向色镜和信号光耦合光路，二向色镜透激光并反射信号光，信号光经信号光耦合光路进入光纤束，再分别输送到光谱探测系统，通过对相应光谱进行分析实现当前熔融金属元素含量的测量；中端包括激光聚焦和信号光采集光路，焦点位置可调；底端为光路保护部分；前端为耐高温陶瓷筒；整个探头上端的进气阀门和下端出气口组成气体循环系统，辅助以自身温度监测系统。

气体循环系统从检测开始到结束都保持工作，通过自身温度监测系统的温度反馈，调节到合适的气体流速，对内部的光学元件进行清洁和冷却，同时扩大光谱探测范围；工作时，脉冲激光经中端聚焦到熔融金属表面，烧蚀产生等离子体，等离子体辐射的信号光再经中端采集，由顶端送到元素含量检测系统。

本发明工作时具体步骤为：

开始测量前，进气阀门开启；

将探头前端部分浸入熔融金属，同时调节气体流速；

激光脉冲经过中端聚焦到熔融金属表面，产生的等离子体信号经中端采集并由顶端传输到元素含量检测系统；

调节焦点位置，直到采集到的信号光谱强度最大；

重复步骤3，得到足够可以做含量分析的光谱数据后，由计算机完成元素含量分析；

测量完成，关闭阀门，将探头提升到准备位置。

本发明探头可以直接检测熔融金属元素含量，核心在于探头前端可以浸入熔融金属，快速测量元素含量和温度，结构紧凑，信号稳定。探头焦点位置可精密调节，配合气体循环系统和自身温度监测系统，大大增加探测空间范围和波段范围。可对熔融金属的元素含量进行在线监测，特别是在熔融金属表面有浮渣的复杂工况。

本发明采用分段式设计。顶端包括二向色镜和信号光耦合光路，二向色镜透激光并反射信号光，信号光经信号光耦合光路进入光纤束，再输送到光谱探测系统，通过对光谱进行分析实现当前熔融金属元素含量测量；中端包括激光聚焦和信号光采集光路，焦点位置可调；底端为光路保护部分，在阻止大部分热辐射和粉尘上升的同时，组成气体流道；前端为耐高温陶瓷筒，工作时部分浸入到熔融金属液中，形成较为封闭稳定的检测空间。整个探头上端的进气阀门和下端出气口组成气体循环系统，配合自身的温度监测系统，给探头通入合适流速的保护气体，对光学元件进行防尘保护和冷却，同时有助于提高光谱透过率。

具体实施例：

如图1和图2所示。探头分为四段，顶端1、中端6和底端7为高温不锈钢腔体，前端11为氧化铝陶瓷筒。其中，顶端包括介质膜反射镜13、由单透镜3和光纤接头2组成的信号光耦合光路；中端内固定镜筒，镜筒为施瓦兹齐德望远镜结构，实现激光聚焦和信号光采集，由凹面反射镜14和凸面反射镜16组成；底端包括组合锥筒8和出气口9；前端和底端以及底端和中端之间都装有隔热密封片10；进气阀门12和出气口9配合调风环4组成气体循环系统。

整个探头固定在重载精密电控平移台15上，17为热敏电阻，18为熔融金属液体。

本实施例具体工作流程为：

进气阀门12开启，等待测量开始；

熔融金属18表面破渣后，电控平移台15移动探头，将陶瓷筒11部分浸入液面，同时通过热敏电阻反馈的温度信号调节气体流速；

脉冲激光进入探头，透过介质膜反射镜13，经凸面反射镜16反射，由凹面反射镜14聚焦到液面；产生的等离子体信号沿原光路返回，被介质膜反射镜13反射后，由透镜3耦合进入接在光纤接头上的光纤束，再输送到光谱仪，获得LIPS光谱信号；

记录步骤3中获得的光谱信号强度，然后驱动电控平移台15，调节探头的焦点位置；

重复步骤3-4，直到采集到的光谱信号强度最大，即获得探头最佳的焦点位置；

在探头的最佳焦点位置处，重复步骤3，获得足够的光谱数据，由计算机做含量分析即可得到元素含量信息；

完成测量后，驱动电控平移台15，将探头提升到准备位置；

进气阀关闭12，等待下一次测量。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，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。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种耐高温熔体的LIBS接触式探头，其特征在于，包括自上而下依次布置的顶端、中端、底端和前端，所述顶端的上部设有进气阀门，所述顶端与中端之间设有调风环，所述底端的侧壁设有出气口，所述进气阀门和出气口配合所述调风环组成气体循环系统；

所述顶端内设有介质膜反射镜，所述顶端的一侧设有由单透镜和光纤接头组成的信号光耦合光路，该光路垂直于激光入射光路；

所述中端内固定有镜筒；

所述底端内设有组合锥筒和热敏电阻。

2.根据权利要求1所述的耐高温熔体的LIBS接触式探头，其特征在于，所述顶端、中端和底端为高温不锈钢腔体，所述前端为耐高温陶瓷筒。

3.根据权利要求2所述的耐高温熔体的LIBS接触式探头，其特征在于，所述镜筒为反射式望远镜结构。

4.根据权利要求3所述的耐高温熔体的LIBS接触式探头，其特征在于，所述反射式望远镜为施瓦兹齐德望远镜或者卡塞格林望远镜。

5.根据权利要求3所述的可以同时检测熔融金属元素含量和温度的接触式探头，其特征在于，所述前端与底端以及底端与中端之间装有高温隔热密封片。

6.根据权利要求1至5任一项所述的耐高温熔体的LIBS接触式探头，其特征在于，整个探头固定在平移台上，测量时探头前端浸入熔融金属。