CN106468660B - 一种用于废钢及金属的在线快速检测装置 - Google Patents
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Abstract
一种用于废钢及金属的在线快速检测装置，属于金属成分光谱分析检测设备技术领域，用于直接检测废钢及金属成分并进行分类。其技术方案是：它由激光器、检测光路通道、光纤、光谱仪、控制器组成，检测光路通道的后端与激光器前端相连，检测光路通道前端的出光口与待测试样相对，光纤的前端连接在检测光路通道前端的出光口与待测试样相对，光纤穿过检测光路通道，光纤的后端与光谱仪相连接，激光器还与光谱仪的触发机构相连接，激光器和光谱仪分别与控制器相连接。本发明精度高、灵活性好、易于调整操作，同时体积小、集成度高、环境适应性强、移动方便，可用于各种工业现场的各种废钢种类检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于直接检测废钢及金属成分并进行分类的激光诱导击穿光谱装置，属于金属成分光谱分析检测设备技术领域。
背景技术
冶炼前期加入一定比例的废钢是一种降低冶炼成本、加快吹炼速度、降低氧气及溶剂消耗的有效配比方法，由于废钢中元素及其成分不同，而且来源各异、种类繁多、形状各不相同、表面情况恶劣，对其进行准确检测、分类的难度较大。
目前钢铁企业的废钢分类成分检测方法一般是先在实验室中对试样进行切割、打磨、抛光，甚至需要压片、熔片或者溶解入液体等制样过程，然后送往实验室电火花直读光谱/X射线荧光光谱/ICP等光谱仪进行分析，过程繁琐、前期制样耗时，对试样规格要求严格，不具备在线原位分析能力。
中国专利申请号201510207084.0公开了一种废钢分选机械化程度高的方法，但基于电磁铁进行金属分选，误差较大，不能根本快速检测废钢及金属成分做到准确分类。中国专利申请号201320746533.5公开了一种用于废钢质量分拣的系统，其中成分检测结构利用X射线荧光光谱进行分析，但是这种系统的轻元素分析能力差，重要的 C元素往往检测不到，含量过低的轻元素往往存在误差，而且也存在X射线辐射隐患，不能根本在线快速进行废钢分选。中国专利申请号200710038192.5公开了一种不锈钢废钢成分检测方法，它是利用不同配料及冶炼工艺，利用钢液中Cr、Ni及原料结构等计算废钢中Cr、Ni含量，不能快速直接检测更多废钢种类的各种成分。中国专利申请号201280049711.7公开了一种废金属分选方法，这种方法先通过流体处理废金属片表面，再利用光谱法进行成分检测再分类，但该装置是厂房机械化运转，需要将废钢片先处理再放置于传送装置进行检测，不能在线原位检测，而且对试样规格也有要求。
激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一种激光烧蚀光谱分析技术，激光聚焦在测试位点，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时，即可产生等离子体。基于这种特殊的等离子体剥蚀技术，通常在原子发射光谱技术中分别独立的取样、原子化、激发三个步骤均可由脉冲激光激发源一次实现。等离子体能量衰退过程中产生连续的轫致辐射以及内部元素的离子发射线，通过光纤光谱仪采集光谱发射信号，分析谱图中元素对应的特征峰强度即可以用于样品的定性以及定量分析。
LIBS技术以其无需制样、分析时间短、实时性强、无损、快检、非接触测量、对待测样品形态规格无要求、全谱段测量等优点在废钢快检及分类方面有很好的应用价值。LIBS技术是利用激光器发出脉冲激光激发废钢产生等离子体，再利用等离子体辐射的光进行检测分析，将所接收的废钢金属合金成分及含量参数与其预先存储的合格废钢的金属合金成分及含量标准参数进行比对实现废钢分类，钢铁行业中广泛推广LIBS方法可为用户带来特别的利益。
目前，无论是IVEA的手持LIBS还是TSI的车载小型LIBS仪器，都是在现有仪器基础上形成的小型化仪器，此外，牛津的手持仪器已经可以实现电池操控，五秒内对钢铁样品实现分类定性，这是商业化LIBS的一大进步，值得所有面向应用的科研团队学习。而对于国内的LIBS技术来说，已经实现了便携式激光诱导击穿光谱分析仪器的国产化。便携式激光光谱分析仪(LIBS Mobile)以及体积更小、质量更轻，更适用于野外现场样品快速分析的手持式LIBS仪器：手持式激光光谱分析仪(LIBS Mini)，均能在数秒之内在原地完成对固体、液体甚至气体形态的物质的完整在线元素分析，因此该类便携式仪器可用于地质、环境、安保、古董、冶金、表面处理及电子器件现场分析。目前，现有应用于废钢分类的LIBS设备，不能检测磷、硫元素，对碳元素检测精度也远远达不到实际应用需求，因此迫切需要能够在现场对废钢及金属进行检测分类的LIBS设备，以满足生产的需要。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种用于废钢及金属的在线快速检测装置，这种检测装置精度高、灵活性好、易于调整操作，同时体积小、集成度高、环境适应性强、移动方便，可用于各种工业现场的各种废钢种类检测。
解决上述技术问题的技术方案是：
一种用于废钢及金属的在线快速检测装置，它由激光器、检测光路通道、光纤、光谱仪、控制器组成，检测光路通道的后端与激光器前端相连，检测光路通道前端的出光口与待测试样相对，光纤的前端连接在检测光路通道前端的出光口与待测试样相对，光纤穿过检测光路通道，光纤的后端与光谱仪相连接，激光器还与光谱仪的触发机构相连接，激光器和光谱仪分别与控制器相连接。
上述用于废钢及金属的在线快速检测装置，所述检测光路通道由汇聚透镜和透镜调节结构、透镜光纤支架、连接结构三部分组成，汇聚透镜安装在透镜调节结构上，透镜光纤支架位于透镜调节结构的前方，透镜调节结构和透镜光纤支架之间由连接结构相连接，光纤的后部通过在透镜调节结构，光纤的前部安装在透镜光纤支架上。
上述用于废钢及金属的在线快速检测装置，所述透镜调节结构包括镜圈底座、镜圈、镜圈锁母，镜圈底座为扁圆柱体，镜圈锁母固定在镜圈底座的中心轴线上，镜圈锁母内壁设置有内螺纹，汇聚透镜固定于镜圈内，镜圈的外表面设置有外螺纹，镜圈的外螺纹与镜圈锁母的内螺纹相匹配，镜圈与镜圈锁母为螺纹连接，镜圈底座上还有光纤孔，光纤穿过光纤孔。
上述用于废钢及金属的在线快速检测装置，所述透镜光纤支架包括光纤支架、光纤头卡芯、卡芯螺母，光纤支架位于透镜调节结构的镜圈的出光方向上，光纤支架为扁圆柱体，光纤支架的扁圆柱体中心轴线与镜圈底座的扁圆柱体中心轴线重合，光纤支架13上有光纤头孔，光纤头孔的轴线与镜圈的轴线有倾斜夹角，光纤头部安装在光纤头卡芯中，卡芯螺母将光纤头部固定，光纤头卡芯嵌入在光纤头孔中，光纤支架中心有支架中心孔，经汇聚透镜汇聚后的激光穿过支架中心孔。
上述用于废钢及金属的在线快速检测装置，所述连接结构包括三个调节螺杆和与各个螺杆配合的多个锁紧螺母，光纤支架的扁圆柱体两侧和下部中央分别开有三个螺杆孔，镜圈底座的扁圆柱体的中部和下部中央分别开有对应的螺杆孔，三个调节螺杆的两端分别与光纤支架和镜圈底座的螺杆孔相连接，锁紧螺母旋在调节螺杆上。
上述用于废钢及金属的在线快速检测装置，所述透镜调节结构还包括两个镜片垫圈、镜片锁母，两个镜片垫圈安装在镜圈的内壁上，汇聚透镜位于两个镜镜片垫圈之间，镜片锁母的外壁上有螺纹，镜片锁母旋入到镜圈的内螺纹中，镜片锁母与汇聚透镜压紧固定。
本发明的有益效果是：
本发明的检测光路通道与激光器前端相连，用于将激光器发出的脉冲激光引导至所述检测光路通道的末端出光口并激发待测试样产生等离子体，待测试样处产生的等离子体信号耦合传输至光谱仪，光谱仪与控制器相连接，控制器对谱线信息进行谱线识别、定量分析、数据库比对，以确定废钢及金属的类别。
本发明具有如下优点：
1、本发明光路部分采用多维度调节结构，精度高、灵活性好、可随时调整、调好后固定性强，适用于不同种类成分检测；
2、本发明装置体积小、集成度高、环境适应性强、移动方便，可用于各种工业现场的废钢种类检测；
3、本发明可以对钢厂中各种规格、形状的废钢进行快速检测，无需前期制样，安全、准确的显示结果；
4、本发明操作简单、全元素同时检测，通过与数据库对比即可快速进行废钢分类。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；图2是检测光路通道的结构示意图；
图3是光纤支架的左视图；
图4是镜片锁母示意图；
图5是图4的A-A剖视图；
图6是光纤头卡芯示意图；
图7是图6的侧视图。
图中标记如下：激光器1、检测光路通道2、充气气嘴3、透镜光纤支架4、汇聚透镜5、光纤6、准直透镜7、出气气嘴8、窗口片9、锥形口10、光谱仪11、控制器12、光纤支架13、光纤头卡芯14、卡芯螺母15、调节螺杆16、锁紧螺母17、镜圈底座18、镜圈19、镜片垫圈20、镜片锁母21、镜圈锁母22、光纤孔23、光纤头孔24、螺杆孔25、支架中心孔26。
具体实施方式
本发明由激光器1、检测光路通道2、光纤6、光谱仪11、控制器12组成。
图中显示，本发明的基本结构是：检测光路通道2的后端与激光器1前端相连，检测光路通道2前端的出光口与待测试样相对，光纤6的前端连接在检测光路通道2前端的出光口与待测试样相对，光纤6穿过检测光路通道2，光纤的后端与光谱仪11相连接，激光器1还与光谱仪11的触发机构相连接，激光器1和光谱仪11分别与控制器12相连接。
激光器1的作用是发出脉冲激光，激光通过检测光路通道2照射到待测样品上，在待测样品检测面激发出等离子体信号，等离子体信号被光纤和光谱仪采集，分析谱图中元素对应的特征峰强度即可以用于样品的定性以及定量分析。同时，激光器1还与所述光谱仪11相连，用于在发出脉冲激光的同时发出脉冲信号通过触发线触发光谱仪11启动。
检测光路通道2用于将激光器1发出的脉冲激光引导至检测光路通道2的末端出光口并激发待测试样产生等离子体，还用于协助光纤6将待测试样处产生的等离子体信号耦合传输至光谱仪11。
图中显示，检测光路通道2由汇聚透镜5和透镜调节结构、透镜光纤支架4、连接结构三部分组成。汇聚透镜5安装在透镜调节结构上，透镜光纤支架4位于透镜调节结构的前方，透镜调节结构和透镜光纤支架4之间由连接结构相连接，光纤6的后部通过在透镜调节结构，光纤6的前部安装在透镜光纤支架4上。
图中显示，透镜调节结构用于调节汇聚透镜5与样品之间的距离，使得样品正好位于所述汇聚透镜5的焦点位置，激发出的等离子体信号更强。透镜调节结构包括镜圈底座18、镜圈19、镜圈锁母22。镜圈底座18为扁圆柱体，镜圈锁母22固定在镜圈底座18的中心轴线上，镜圈锁母22内壁设置有内螺纹，汇聚透镜5固定于镜圈19内，镜圈19的外表面设置有外螺纹，镜圈19通过螺纹拧在镜圈锁母22的内壁上。镜圈19旋入镜圈锁母22的长度可调，当镜圈19旋进距离较短时，汇聚透镜5位置相对靠后，即激光经过汇聚透镜5之后汇聚的焦点位置靠后；反之，焦点靠前。
图中显示，透镜调节结构还有镜片垫圈20、镜片锁母21。两个镜片垫圈20安装在镜圈19的内壁上，汇聚透镜5位于两个镜镜片垫圈20之间，镜片锁母21的外壁上有螺纹，镜片锁母21旋入到镜圈19的内螺纹中，镜片锁母21与汇聚透镜5压紧固定。镜圈底座22上还有光纤孔23，光纤6穿过光纤孔23。
图中显示，透镜光纤支架4包括光纤支架13、光纤头卡芯14、卡芯螺母15。光纤支架13位于透镜调节结构的镜圈19的出光方向上，光纤支架13为扁圆柱体，光纤支架13的扁圆柱体中心轴线与镜圈底座18的扁圆柱体中心轴线重合。光纤支架13上有光纤头孔24，光纤头孔24的轴线与镜圈19的轴线有倾斜夹角。光纤6头部外部由两个半圆环形的光纤头卡芯14抱住，然后将整体用卡芯螺母15旋转锁紧并固定位置于光纤头孔24中。光纤支架13中心有支架中心孔26，经汇聚透镜5汇聚后的激光穿过支架中心孔26。
图中显示，连接结构包括三个调节螺杆16和与各个螺杆配合的多个锁紧螺母17，光纤支架13的扁圆柱体两侧和下部中央分别开有三个螺杆孔25，镜圈底座18的扁圆柱体的中部和下部中央分别开有对应的螺杆孔，三个调节螺杆16的两端分别与光纤支架13和镜圈底座18的螺杆孔25相连接，锁紧螺母17旋在螺杆16上。通过同步调节各个锁紧螺母17，使得光纤支架13沿调节螺杆16前后移动。它的另一种结构是，镜圈19上开设有与调节螺杆16对应的螺杆孔，各个调节螺杆16的一端插入到所述螺杆孔中，另一端固定在所述光纤支架13上，通过调节各个锁紧螺母17，使得镜圈19沿调节螺杆16移动。连接结构的整体组合具有导轨作用，当激光焦点位于入射光线与采集光路交点前时，向前移动光纤支架13可以前移交点接近焦点从而高效率收集信号，反之则向后移动，实现光纤支架13与汇聚透镜5之间距离长短的改变，即可使光纤6头部前后移动，寻找实际焦点，高效率耦合激发出的等离子体信号。
图中显示，光纤支架13为球体的端面，便于在检测光路通道2内进行角度偏转，所述光纤支架13处的锁紧螺母17可以不同步调节，三个点确定一个平面，使得光纤支架13发生角度偏转，从而改变光纤6倾斜角度，从而调节了光纤头的收集角度，便于更精细、更准确的寻找入射光线与采集光路交点。
图中显示，检测光路通道2还包括充气气嘴3、出气气嘴8、光纤孔23、与光纤6头部相连的准直透镜7、位于检测光路通道2前端的窗口片9、与窗口片9连接的锥形口10。窗口片9安装于检测光路通道2前端，窗口片9前端为一个锥形口10，进行待测样品激发后等离子体信号的收集。窗口片9采用紫外熔融石英窗口片，可以对深紫外波段信号高透。
本发明在废钢分类系统调整好后，为更准确的检测到更低含量的深紫外波段信号，利用所述充气气嘴3充入氩气等保护气氛，通过所述出气气嘴8排气，当充入气体浓度达到预定标准时即可密封两个气嘴，进行检测；也可保留两个气嘴打开状态，边检测边进行流动式充气、排气。
本发明的一个实施例部分器件如下：
激光器1采用Dawa-200型脉冲激光器，输出能量可调范围0-200mJ，通过设定电压值调节输出能量。
光谱仪11采用AvaSpec-ULS2048系列光纤光谱仪，利用多通道拼接实现宽波段（目前使用波段175-750nm）、高分辨率信号检测，可实现废钢中从深紫外、可见到红外波段的元素谱线谱线检测。
汇聚透镜5、准直透镜7采用紫外波段透过率高的紫外熔融石英透镜片。
光纤6采用抗紫外曝光处理光纤，可以对180-600nm波段信号高效率传输。
本发明的工作过程如下：
激光器1发出脉冲激光对准检测光路通道2并同轴出射，经过内部汇聚透镜5及其他部件的汇聚及传输到锥形口10处，在准待测样品检测面激发出等离子体信号，然后经过准直透镜7、光纤6等耦合传输到光谱仪11进行谱线处理，最后由控制器12进行最终定量分析、谱库对比及分类显示。
Claims (3)
1.一种用于废钢及金属的在线快速检测装置，其特征在于：它由激光器（1）、检测光路通道（2）、光纤（6）、光谱仪（11）、控制器（12）组成，检测光路通道（2）的后端与激光器（1）前端相连，检测光路通道（2）前端的出光口与待测试样相对，光纤（6）的前端连接在检测光路通道（2）前端的出光口与待测试样相对，光纤（6）穿过检测光路通道（2），光纤（6）的后端与光谱仪（11）相连接，激光器（1）还与光谱仪（11）的触发机构相连接，激光器（1）和光谱仪（11）分别与控制器（12）相连接；
所述检测光路通道（2）由汇聚透镜（5）和透镜调节结构、透镜光纤支架（4）、连接结构三部分组成，汇聚透镜（5）安装在透镜调节结构上，透镜光纤支架（4）位于透镜调节结构的前方，透镜调节结构和透镜光纤支架（4）之间由连接结构相连接，光纤（6）的后部通过在透镜调节结构，光纤（6）的前部安装在透镜光纤支架（4）上；
所述透镜调节结构包括镜圈底座（18）、镜圈（19）、镜圈锁母（22），镜圈底座（18）为扁圆柱体，镜圈锁母（22）固定在镜圈底座（18）的中心轴线上，镜圈锁母（22）内壁设置有内螺纹，汇聚透镜（5）固定于镜圈（19）内，镜圈（19）的外表面设置有外螺纹，镜圈（19）的外螺纹与镜圈锁母（22）的内螺纹相匹配，镜圈（19）与镜圈锁母（22）为螺纹连接，镜圈底座（18）上还有光纤孔（23），光纤（6）穿过光纤孔（23）；
所述透镜光纤支架（4）包括光纤支架（13）、光纤头卡芯（14）、卡芯螺母（15），光纤支架（13）位于透镜调节结构的镜圈（19）的出光方向上，光纤支架（13）为扁圆柱体，光纤支架（13）的扁圆柱体中心轴线与镜圈底座（18）的扁圆柱体中心轴线重合，光纤支架（13）上有光纤头孔（24），光纤头孔（24）的轴线与镜圈（19）的轴线有倾斜夹角，光纤（6）头部安装在光纤头卡芯（14）中，卡芯螺母（15）将光纤（6）头部固定，光纤头卡芯（14）嵌入在光纤头孔（24）中，光纤支架（13）中心有支架中心孔（26），经汇聚透镜（5）汇聚后的激光穿过支架中心孔（26）。
2.根据权利要求1所述的用于废钢及金属的在线快速检测装置，其特征在于：所述连接结构包括三个调节螺杆（16）和与各个螺杆配合的多个锁紧螺母（17），光纤支架（13）的扁圆柱体两侧和下部中央分别开有三个螺杆孔（25），镜圈底座（18）的扁圆柱体的中部和下部中央分别开有对应的螺杆孔，三个调节螺杆（16）的两端分别与光纤支架（13）和镜圈底座（18）的螺杆孔（25）相连接，锁紧螺母（17）旋在调节螺杆（16）上。
3.根据权利要求2所述的用于废钢及金属的在线快速检测装置，其特征在于：所述透镜调节结构还包括两个镜片垫圈（20）、镜片锁母（21），两个镜片垫圈（20）安装在镜圈（19）的内壁上，汇聚透镜（5）位于两个镜片垫圈（20）之间，镜片锁母（21）的外壁上有螺纹，镜片锁母（21）旋入到镜圈（19）的内螺纹中，镜片锁母（21）与汇聚透镜（5）压紧固定。
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