CN110018154A - 一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光诱导击穿光谱领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测装置及方法，包含气溶胶存储机构、激光诱导击穿模块和检测处理模块。在进行实验时，打开气泵，利用气溶胶产生机构产生的气溶胶气体，经过激光诱导击穿模块的延时脉冲发生器一定延时后打开散射激光器，当光电倍增管检测到气溶胶时，经过一段时间的延时，打开脉冲发生器。使其聚焦到气溶胶粒子上产生等离子体，通过散射激光对气溶胶的检测，经过延时固定时间，使脉冲激光器准确的聚焦到气溶胶上。本发明大大增加脉冲激光的命中率，利用激光诱导击穿光谱技术成功检测出气溶胶的成分。
Description
技术领域
本发明涉及激光诱导击穿光谱领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测装置及方法。
背景技术
气溶胶，即由大气中漂浮的固体和液体微粒共同组成的混合气态物质，其化学成分复杂，对地球上的生态环境和生物圈的影响巨大。大气中的气溶胶中的化学物质，特别是针对工业污染产生的气溶胶在大气风力系统的作用下，会造成全球性的污染，对人类的生活环境造成巨大影响。
LIBS(Laser Induced Breakdown Spectroscopy)，即激光诱导击穿光谱技术，是一种激光烧蚀光谱分析技术，是一种新型的成分分析技术。测量基本过程是脉冲激光投射于目标样品，通过烧蚀形成等离子体，由光学器件得到等离子体的光谱数据，利用对光谱数据的处理，实现对目标样品的定性或定量的分析。该技术具有多元素同时分析，无需复杂的样品预处理，有较快的检测速率，对样品损耗小，灵敏度高等一系列优点。
然而，在利用LIBS技术对气溶胶进行检测时。经常因为脉冲激光的聚焦点不能够精准的聚焦到气溶胶粒子上，使检测到的光谱数据强度偏低，难以进行后续的元素识别等处理。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测装置及方法，解决脉冲激光的聚焦点不能够精准的聚焦到气溶胶粒子上，使检测到的光谱数据强度偏低，难以进行后续的元素识别等处理。
本发明是这样实现的，
一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测装置，该装置包括:
气溶胶存储机构，存储气溶胶，在开口处设置脉冲开关，并在另一端设置有压力泵；
激光诱导击穿模块，包括上下两端开口的气溶胶管，所述气溶胶管的一端开口对准脉冲开关，另一端开口处对准一气泵的气孔，所述气溶胶管的一高度平面的对应的两侧设置一散射激光器与一光电倍增管，在气溶胶管的另一高度的一侧设置一脉冲激光器，散射激光器持续向光电倍增管发射激光，当通过气溶胶时，由于气溶胶粒子遮挡了激光，使光电倍增管上接收不到激光产生了光脉冲，触发与光电倍增管连接的延时脉冲发生器，经过预设的延时时间，脉冲激光器发射脉冲激光打到气溶胶上，产生等离子体；
检测处理模块，设置在与脉冲激光器同一平面，接收脉冲激光器产生的激光经过气溶胶后产生的等离子体的光谱数据。
进一步地，所述脉冲开关为漏斗状，头部为细管状，由一控制器控制其闭合与敞开，脉冲开关的开关周期为Ts，每个周期内，打开T1ms后关闭T2ms，使这T1ms中释放的气溶胶气体在气泵的吸力下在气溶胶管中流动，进行气溶胶的检测，在进行实验时，压力泵下压，将气溶胶存储机构中的气溶胶压。
进一步地，所述气溶胶管长度为 200~300mm，直径为50~60mm，气溶胶管入口的下50~60mm处平面，安置有散射激光器与光电倍增管，散射激光器发射激光能够直接打到光电倍增管上并能够通过气溶胶管的管轴线上，在散射激光器和光电倍增管平面的下方100~150mm处的平面安装有脉冲激光器与对应的检测处理模块，所述脉冲激光器发射激光能够聚焦到气溶胶管的轴心上，利用检测处理模块收集等离子体光谱数据。
进一步地，所述气溶胶气体的流速由压力泵的压强控制。
进一步地，所述延时时间为气溶胶从散射激光器平面运动到脉冲激光器平面所需时间，使脉冲激光器发射的脉冲激光能够准确的打到流动到脉冲激光器平面的气溶胶气流。
进一步地，所述检测处理模块由光谱仪、CCD以及计算机组成，其中光谱仪和计算机分别与CCD连接，CCD用来收集光谱信息，光谱仪将收集到的光谱信息转化成光谱数据，将光谱数据传输到计算机。
一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测方法，包括：
通过压力泵将气溶胶通过脉冲开关流下；
在气溶胶流下的方向从一侧发射散射激光后穿过气溶胶被光电倍增管接收；
当通过气溶胶时，由于气溶胶粒子遮挡了激光，使光电倍增管上接收不到激光产生了光脉冲，触发与光电倍增管连接的延时脉冲发生器，经过预设的延时时间，脉冲激光器发射脉冲激光打到气溶胶上，产生等离子体；
接收脉冲激光器产生的激光经过气溶胶后产生的等离子体的光谱数据。
进一步地，所述延时时间为气溶胶从散射激光平面运动到脉冲激光器平面所需时间，使脉冲激光器发射的脉冲激光能够准确的打到流动到脉冲激光器平面的气溶胶气流。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
本发明利用激光诱导击穿光谱技术对气溶胶进行检测，具有多元素同时识别、无需样品预处理的优势。并采用了精准时序控制使脉冲激光精准的聚焦到气溶胶，极大的增加了脉冲激光的命中率与命中效率。
附图说明
图1是本发明的结构框图；
图2是图1中的激光诱导击穿模块的示意图；
图3是图1中的检测处理模块的示意图。
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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1结合图2所示，一种基于激光诱导击穿光谱技术的气溶胶检测装置，包含气溶胶存储机构1、激光诱导击穿模块2和检测处理模块3。
气溶胶存储机构，存储气溶胶，在开口处设置脉冲开关，并在另一端设置有压力泵；
激光诱导击穿模块，包括上下两端开口的气溶胶管，所述气溶胶管的一端开口对准脉冲开关，另一端开口处对准一气泵的气孔，所述气溶胶管的一高度平面的对应的两侧设置一散射激光器与一光电倍增管，在气溶胶管的另一高度的一侧设置一脉冲激光器，散射激光器持续向光电倍增管发射激光，当通过气溶胶时，由于气溶胶粒子遮挡了激光，使光电倍增管上接收不到激光产生了光脉冲，触发与光电倍增管连接的延时脉冲发生器，经过预设的延时时间，脉冲激光器发射脉冲激光打到气溶胶上，产生等离子体；
检测处理模块，设置在与脉冲激光器同一平面，接收脉冲激光器产生的激光经过气溶胶后产生的等离子体的光谱数据。
其中，气溶胶存储机构1的下方为脉冲开关，上方有一个压力泵。脉冲开关为漏斗状，头部为细管状，漏斗状设计能够使气溶胶存储机构中杂乱的气溶胶气体被逐渐聚集再由细管状的头部将气溶胶拘束为较细的气体流，脉冲开关由控制器控制其闭合与敞开，脉冲开关的开关周期为1s，每个周期内，打开1ms后关闭999ms。使这1ms中释放的气溶胶气体在气泵的吸力下在气溶胶管中流动，进行气溶胶的检测。在进行实验时，压力泵下压，将气溶胶存储机构中的气溶胶压出，压力为8MPa，使气溶胶在气溶胶管中的运动速度为50m/s。
激光诱导击穿模块2由散射激光器5、光电倍增管6、延时脉冲发生器7、脉冲激光器8、气溶胶容器9和气泵10组成，其中，气溶胶管9位于模块中央，上方对应脉冲开关4，其下方是气泵10，中上部一个平面上一侧是散射激光器5，与散射激光器6处于同一平面的另一侧是光电倍增管6，光电倍增管6下方一定距离下的另一平面为脉冲激光器8。
散射激光器与光电倍增管在同一个平面对应，散射激光器持续向光电倍增管发射激光，当通过气溶胶时，由于气溶胶粒子遮挡了激光，使光电倍增管上接收不到激光产生了光脉冲。由于电脉冲的电压峰峰值需要达到5V才可以成功触发延时脉冲发生器，所以，需要使光脉冲的峰峰值足够大，也就是使激光被遮挡的面积足够大，即气溶胶浓度足够大，才可以成功触发延时脉冲发生器。光电倍增管将光脉冲转化为电脉冲输出到延时脉冲发生器，经过本装置预设的延时时间，即气溶胶从散射激光器平面运动到脉冲激光器平面所需时间，脉冲激光器发射脉冲激光打到气溶胶上，产生等离子体。
在一优选的实施例中，气溶胶管9长度为 200mm，直径为50mm，气溶胶管上方入口的下50mm处平面，安置有散射激光器与光电倍增管，散射激光器发射激光能够直接打到光电倍增管上并能够通过气溶胶管的管轴线上。在散射激光器和光电倍增管平面的下方100mm处的平面安装有脉冲激光器与对应的光谱仪CCD。激光器发射激光能够聚焦到气溶胶管的轴心上，利用光谱仪CCD收集等离子体光谱数据。
在结构上固定好散射激光器和光电倍增管平面到脉冲激光器平面的距离为100mm，气溶胶气体的流速由气泵的压强控制，优选的选取压强为8MPa,得到气溶胶流速为50m/s，与气溶胶从气溶胶存储机构中出来的初速度相同，在气溶胶管中保持匀速直线运动。利用距离除以流速得到气溶胶从散射激光器平面流动到脉冲激光器平面的时间为2ms。
选取的光电倍增管的转换时间为36μs，相比于气溶胶从散射激光器平面到脉冲激光器的流动时间可以忽略不计，所以当延时脉冲发生器接收到光电倍增管的电脉冲信号后需要延迟2ms。这样能够使脉冲激光器发射的脉冲激光能够准确的打到流动到脉冲激光器平面的气溶胶气流。由于，设定延时脉冲发生器的延时时间为2ms，采用的是微秒级的延时器，能够保持整个时序控制装置的精准性。
如图3所示，检测处理模块3由光谱仪、CCD和计算机11组成，其中光谱仪和计算机11分别与CCD连接。CCD用来收集光谱信息，光谱仪将收集到的光谱信息转化成光谱数据，将光谱数据传输到计算机中，利用稀疏矩阵结合偏最小二乘的模型进行数据处理，最终得到气溶胶的元素组成和元素含量。
本发明的工作流程为：
气泵10将气溶胶产生装置产生的气溶胶吸入到气溶胶管9中，同时，利用延时脉冲发生器7设定一定的延时时间后使散射激光器5发射激光，当与散射激光器5对应的光电倍增管6检测到气溶胶时，利用延时脉冲发生器7设定一定的延时时间，发射脉冲激光聚焦到气溶胶粒子上，产生等离子体。由光谱仪和CCD接收等离子体的光谱数据，以光谱强度与波长的对应关系传输给计算机11，计算机11通过对光谱数据的计算，得到气溶胶粒子的元素种类和含量。
本发明提供了一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测方法，包括：
通过压力泵将气溶胶通过脉冲开关流下；
在气溶胶流下的方向从一侧发射散射激光后穿过气溶胶被光电倍增管接收；
当通过气溶胶时，由于气溶胶粒子遮挡了激光，使光电倍增管上接收不到激光产生了光脉冲，触发与光电倍增管连接的延时脉冲发生器，经过预设的延时时间，脉冲激光器发射脉冲激光打到气溶胶上，产生等离子体；
接收脉冲激光器产生的激光经过气溶胶后产生的等离子体的光谱数据。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测装置，其特征在于，该装置包括:
气溶胶存储机构，存储气溶胶，在开口处设置脉冲开关，并在另一端设置有压力泵；
激光诱导击穿模块，包括上下两端开口的气溶胶管，所述气溶胶管的一端开口对准脉冲开关，另一端开口处对准一气泵的气孔，所述气溶胶管的一高度平面的对应的两侧设置一散射激光器与一光电倍增管，在气溶胶管的另一高度的一侧设置一脉冲激光器，散射激光器持续向光电倍增管发射激光，当通过气溶胶时，由于气溶胶粒子遮挡了激光，使光电倍增管上接收不到激光产生了光脉冲，触发与光电倍增管连接的延时脉冲发生器，经过预设的延时时间，脉冲激光器发射脉冲激光打到气溶胶上，产生等离子体；
检测处理模块，设置在与脉冲激光器同一平面，接收脉冲激光器产生的激光经过气溶胶后产生的等离子体的光谱数据。
2.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述脉冲开关为漏斗状，头部为细管状，由一控制器控制其闭合与敞开，脉冲开关的开关周期为Ts，每个周期内，打开T1ms后关闭T2ms，使这T1ms中释放的气溶胶气体在气泵的吸力下在气溶胶管中流动，进行气溶胶的检测，在进行实验时，压力泵下压，将气溶胶存储机构中的气溶胶压。
3.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气溶胶管长度为 200~300mm，直径为50~60mm，气溶胶管入口的下50~60mm处平面，安置有散射激光器与光电倍增管，散射激光器发射激光能够直接打到光电倍增管上并能够通过气溶胶管的管轴线上，在散射激光器和光电倍增管平面的下方100~150mm处的平面安装有脉冲激光器与对应的检测处理模块，所述脉冲激光器发射激光能够聚焦到气溶胶管的轴心上，利用检测处理模块收集等离子体光谱数据。
4.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述气溶胶气体的流速由压力泵的压强控制。
5.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述延时时间为气溶胶从散射激光器平面运动到脉冲激光器平面所需时间，使脉冲激光器发射的脉冲激光能够准确的打到流动到脉冲激光器平面的气溶胶气流。
6.按照权利要求1所述的装置，其特征在于，所述检测处理模块由光谱仪、CCD以及算机组成，其中光谱仪和计算机分别与CCD连接，CCD用来收集光谱信息，光谱仪将收集到的光谱信息转化成光谱数据，将光谱数据传输到计算机。
7.一种基于激光诱导击穿光谱的气溶胶检测方法，其特征在于，包括：
通过压力泵将气溶胶通过脉冲开关流下；
在气溶胶流下的方向从一侧发射散射激光后穿过气溶胶被光电倍增管接收；
当通过气溶胶时，由于气溶胶粒子遮挡了激光，使光电倍增管上接收不到激光产生了光脉冲，触发与光电倍增管连接的延时脉冲发生器，经过预设的延时时间，脉冲激光器发射脉冲激光打到气溶胶上，产生等离子体；
接收脉冲激光器产生的激光经过气溶胶后产生的等离子体的光谱数据。
8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述延时时间为气溶胶从散射激光平面运动到脉冲激光器平面所需时间，使脉冲激光器发射的脉冲激光能够准确的打到流动到脉冲激光器平面的气溶胶气流。
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