CN110174394A - 一种基于长焦深libs系统的脐橙多元素检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，包括：检测平台，LIBS系统，载物平台，光谱仪，光纤，控制及计算系统。方法为：将LIBS系统开启处于等待外触发状态，将待测脐橙放置在载物平台上，触发LIBS系统工作，采集脐橙的元素谱线，控制及计算系统对元素谱线进行计算，最终达到对脐橙中元素成分的定性、定量分析。本发明可完成表面不平整及形状大小各异的脐橙检测，检测快速、绿色、稳定性高，且具有良好的交互性。

Description

一种基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置及方法

技术领域

本发明涉及果蔬元素检测领域，尤其涉及一种基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置及方法。

背景技术

果蔬是水果和蔬菜的总称，其主要成分是人体所必需的一些维生素、无机盐、生物酶及植物纤维，且蛋白质和脂肪含量较少，能对现在高脂肪、高蛋白的饮食习惯起到很好的调节作用。脐橙味道酸甜可口，并具有生津止渴，开胃下气的功效，是一种具美味和营养于一体的水果。现在对果蔬营养成分的检测多通过化学方法，需使用化学试剂对果蔬进行破坏性处理，耗费的时间长且易造成化学试剂的二次污染。光学方法因其快速、绿色、准确的特点，正被广泛应用于农产品检测中，其中激光诱导击穿光谱(LIBS)技术是一种全光学方法，与其他光学方法相比还具有损伤微小，无须样品预处理的优点，可以很好地应用于在线检测中。本发明针对脐橙设计了基于LIBS系统的在线检测装置，其检测过程如下：激光器发射超短波脉冲(6ns)激光汇聚于样品表面形成等离子体，用光谱仪收集等离子体发射的光谱并分析，得出样品中元素强度，通过计算最终对样品进行定性、定量分析。但由于脐橙表面不平整，且个体的形状、大小均不相同，采用固定焦点检测，LIBS系统对表面不平整样品的直接检测，检测效果较差。为保证检查结果的准确性，现有的方法一般是采用带驱动马达的变焦镜头，根据物料高度自动调节镜头焦距，实现对传送带上物料的自动对焦，或采用石英透镜，但变焦镜头镜片数量多，结构复杂，若重新用石英打磨透镜，则程序繁琐，工艺复杂，后期改装成本高。如专利号为201710996840.1的自动对焦装置及采用该装置的块状物LIBS在线检测装置，包括透镜组、中心开孔的荧光反射镜、面阵CCD以及计算机，所述透镜组包括位于同一主光轴上的第一、第二透镜及第三透镜，第二透镜设在一个驱动装置上并可沿主光轴在第一、第三透镜之间移动；无须测距装置，可根据传送带物料高度自动对焦。其荧光反射镜设于透镜组上方，反射的光比较少，光谱仪采集到的谱图效果较差，会影响检测结果的准确性；焦点距离亦即透镜组的相对位置，需要根据待测样品高度实时改变，装置操作较麻烦。采用固定焦点的LIBS系统检测，装置结构比较简单，如何保证对表面不平整样品的检测结果的准确性和稳定性，仍是一大难题。

发明内容

本发明旨在解决上述问题，提供一种基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，采用如下技术方案：

一种基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，包括检测平台，LIBS系统，载物平台，光谱仪，光纤，控制及计算系统；

所述检测平台用于承载所述LIBS系统和载物平台，所述样品置于所述载物平台上；

所述光纤一端固定在所述检测平台上，另一端与所述光谱仪连接，所述光谱仪与控制及计算系统通过信号线连接；所述光谱仪是信号采集核心，通过所述光纤与收光光束相连，将接收到的光信号转化为数字信号；

所述LIBS系统包括激光器，第一透镜组，第二透镜组，分束镜，穿孔反射镜；所述激光器包括激光器主机和与所述激光器主机通过信号线连接的激光器头，所述激光器主机控制所述激光器头发射脉冲激光，所述激光器主机与所述控制及计算系统通过信号线连接；所述分束镜位于所述激光器头发射的脉冲激光光路上，所述第一透镜组、穿孔反射镜、载物平台顺次位于所述分束镜的反射光路上；所述脉冲激光经所述第一透镜组整形形成长焦深光束，所述长焦深光束穿过所述穿孔反射镜打在所述载物平台放置的样品上，所述第一透镜组的位置固定；所述第二透镜组、光纤一端顺次位于所述穿孔反射镜的反射光路上。

所述激光器头发射的脉冲激光通过所述分束镜反射后，经所述第一透镜组整形形成有一定焦深范围的激光束，即形成所述长焦深光束；所述长焦深光束穿过所述穿孔反射镜在样品表面激发等离子体，并通过所述穿孔反射镜将逆向发射的等离子体特征光反射到所述第二透镜组，经所述第二透镜组整形后汇聚，然后经所述光纤传输到所述光谱仪，再通过所述信号线传输到所述控制及计算系统进行计算分析。

因为脐橙的大小是在一定范围内有变化的，而且其表面是曲面，无法保证在一个平面上；如果光束焦点范围较短，其能量密度在脐橙表面变化很大，脐橙表面不同点的光谱强度相差很大,使得检测结果准确性低。本发明的脐橙多元素检测平台，长焦深会使激发点和第一透镜组最后一块透镜的距离增大，光向四周发散地更多，使光的能量密度在脐橙表面的变化很小，脐橙表面不同点的光谱强度相差很小，收集的光强度弱，等离子体的特征在谱图上表现地更明显，这体现在检测结果的高准确度。把穿孔反射镜放在激发点上方，反射的光更多，最后采集到的谱图准确性和稳定性高，效果比较好。本发明采用长焦深的LIBS系统进行检测，对脉冲激光整形后使其在焦点上下一定范围内均能产生稳定的等离子体，可完成脐橙表面不平整，形状大小各异的脐橙检测，可同时检测脐橙中的多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

进一步地，本发明的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，还至少包括以下技术特征之一：

所述第一透镜组包括在竖直并排设置的第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离固定，不需实时调整焦距，亦能对一定高度范围内的样品进行检测；本发明用三片透镜的组合，使光线在距离样品较远的地方聚光，在汇聚点附近有一段较长的束腰范围，从而得到能量密度相近的光，从而对样品表面的激发比较均匀，检测结果可信度高。

所述第二透镜组包括水平并列设置的第三凸透镜和第四凸透镜，结构比较简单，通过两片凸透镜将样品表面激发的等离子体特征光整形汇聚至光纤；

所述激光器头水平设置，所述分束镜与水平方向呈45°夹角设置，所述穿孔反射镜与水平方向呈45°夹角设置。

进一步地，本发明的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，还至少包括以下技术特征之一：

所述第一凸透镜和第一凹透镜之间的距离为80～90mm；

第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离为22～28mm；

所述第一凸透镜的焦距为260～400mm；

所述第一凹透镜的焦距为80～150mm；

所述第二凸透镜的焦距为150～250mm。

进一步地，本发明的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，还至少包括以下技术特征之一：

所述脉冲激光束波长为1064nm，光束直径为5mm；

所述第一透镜组焦点位置到第二凸透镜的距离为680～750mm，距离较大，光向四周发散地更多，收集的光强度弱，特征更明显；

所述第一透镜组的焦深范围为15～30mm，对样品的外表平整度、大小要求小，检测范围较宽。

进一步地，所述控制及计算系统包括计算机及控制柜，控制柜内放置控制电路，用于控制所述激光器主机发射激光，控制所述光谱仪采集光谱，并对所述光谱信息进行计算分析，显示于所述计算机的屏幕上。

进一步地，所述载物平台上安装有位置开关，所述位置开关与所述控制及计算系统连接，样品置入本发明的置物平台便出发检测，即时快速。

进一步地，所述光纤通过光纤支座固定在所述检测平台上。

进一步地，所述检测平台呈阶梯型布置，在第一阶梯上安装有所述激光器头，在第二阶梯的上表面安装有第二光学平板，所述第二光学平板安装有光学立柱，所述光学立柱用于固定所述第一透镜组与分束镜，所述第二阶梯的下表面安装有第一光学平板，用于固定所述第二透镜组和光纤支座。光学平板的质量较重，有排列整齐的螺纹孔，利于光学部件的固定，且表面平整，保证光学设备的安装精度要求。

进一步地，所述光纤支座通过光学接杆固定在所述第一光学平板上，方便对光纤的高度进行调整。

进一步地，所述第一透镜组与所述分束镜均通过一个光学固定座固定在所述光学立柱上，可快速、稳定固定于光学立柱上。

进一步地，本发明的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测方法，包括以下步骤：

步骤1：开启所述激光器主机、光谱仪和控制及计算系统，使装置各部分正常运行，其中所述激光器主机、光谱仪处于等待状态，所述位置开关处于工作状态；

步骤2：将样品放置在所述载物平台上，此时样品触发所述位置开关，所述位置开关向所述控制及计算系统发送触发信号；

步骤3：所述控制及计算系统接收到所述触发信号，立刻向所述激光器主机发送外部触发信号，所述激光器主机控制所述激光器头发射一次脉冲激光，对样品表面激发等离子体，然后经所述光纤传输到所述光谱仪；

步骤4：所述控制及计算系统接收到所述触发信号，经过微秒级别延迟后向所述光谱仪发送外部触发信号，所述光谱仪完成一次光谱采集；

步骤5：所述计算机分析采集的光谱图，将光谱图显示于所述计算机的屏幕上，并提取其中元素谱线强度进行计算分析。

本发明在检测过程中无须手动操作，提高了系统的检测效率，可同时检测脐橙中的多种元素，方法简单快速，具有较强的普适性。

进一步地，步骤3具体包括：所述控制及计算系统接收到所述触发信号，立刻向所述激光器主机发送外部触发信号，所述激光器主机控制所述激光器头发射一次脉冲激光；所述脉冲激光通过所述分束镜反射到竖直方向，经所述第一透镜组整形形成长焦深光束，所述长焦深光束穿过所述穿孔反射镜在样品表面激发等离子体，并再次通过所述穿孔反射镜将向上发射的等离子体特征光反射到水平方向，经所述第二透镜组整形后汇聚，然后经所述光纤传输到所述光谱仪。

进一步地，步骤4中所述微秒级别延迟为3.5～6.5μs。样品表面激发的等离子体的体积呈现先膨胀后缩小，在激光照射延迟时间<1μs时，此时背景辐射很强，原子和粒子谱线宽度很宽，且有很大基线漂移现象。当采集延迟时间为几微秒时，采集到的谱图中以原子谱线为主，有较好的参考意义。本方法中使用采集延迟为3.5～6.5μs，此时连续背景信号及激光光源的干扰基本消失，原子谱线信息清晰。

本发明可取得如下有益效果：

1、本发明采用长焦距的透镜组，以获得长焦深的LIBS系统，对脉冲激光整形后使其在焦点上下一定范围内均能产生稳定的等离子体；把穿孔反射镜放在激发点上方，反射的光更多，采集到的谱线强度高，分析效果较好。本发明可完成脐橙表面不平整，形状大小各异的脐橙检测，检测快速，绿色，稳定性高。

2、本发明的检测方法，解决了固定焦点的LIBS系统对表面不平整样品的检测效果较差的问题，采用较简单的结构获得了和变焦装置相同的良好的检测效果。

3、本发明的检测方法采用位置开关触发检测的方式，自动化程度高，提高了系统的检测效率，减少了激光器在非检测时的工作，延长了激光器的使用寿命。

4、本发明可同时检测脐橙中的多种元素，并且实时显示在屏幕上，且具有良好的交互性。

5、本发明的检测装置，对表面高度相差30mm以内的脐橙元素进行准确稳定的检测。

附图说明

图1为本发明基于LIBS系统的长焦深多元素检测装置结构示意图；

图2本发明基于LIBS系统的长焦深多元素检测装置的电性连接示意图；

图3为本发明的脐橙多元素检测装置的光谱采集效果图(浸泡50ppm Cu²⁺溶液)；

图4为本发明的脐橙多元素检测装置的光谱采集效果图(浸泡100ppm Cu²⁺溶液)；

图5为本发明的脐橙多元素检测装置的光谱采集效果图(浸泡200ppm Cu²⁺溶液)；

图6为本发明的脐橙多元素检测装置的光谱采集效果图(浸泡50ppm Pb²⁺溶液)；

图7为本发明的脐橙多元素检测装置的光谱采集效果图(浸泡100ppm Pb²⁺溶液)；

图8为本发明的脐橙多元素检测装置的光谱采集效果图(浸泡200ppm Pb²⁺溶液)；

附图标记说明：控制及计算系统1，激光器主机2，光谱仪3，光学接杆4，第一光学平板5，激光器头6，检测平台7，分束镜8，第一凸透镜9，第一凹透镜10，长焦深光束11，第二凸透镜12，光学固定座13，光学立柱14，LIBS系统15，第二光学平板16，收光光束17，穿孔反射镜18，第三凸透镜19，第四凸透镜20，光纤支座21，样品22，位置开关23，载物平台24，光纤25，计算机26，控制柜27。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明是基于LIBS系统的长焦深多元素检测装置，其中LIBS系统(除激光器主机外)设有外壳，即整个光学部分密封。

本发明实施例所使用的仪器信息如下：

激光器：Nano SG 150-10型，Litron公司，英国；

光谱仪：AvaSpec-uls2048-2,型，Avantes技术有限公司，荷兰。

以下实施例中，激光器发射的脉冲激光束波长为1064nm，光束直径为5mm。

ppm指百万分比浓度。

实施例1：

如图1、图2所示，本实施例的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，包括LIBS系统15，控制及计算系统1，光谱仪3，检测平台7，载物平台24，光纤25。

其中：LIBS系统15包括激光器，与水平方向呈45°夹角设置的分束镜8，竖直设置的第一透镜组，水平设置的第二透镜组，与水平方向呈45°夹角设置的穿孔反射镜18；激光器包括激光器主机2和与激光器主机2通过信号线连接的激光器头6，激光器头6水平放置，激光器主机2控制激光器头6发射脉冲激光，激光器主机2与控制及计算系统1通过信号线连接；检测平台7用于承载LIBS系统15和载物平台24，样品22置于载物平台24上；光纤25一端固定在检测平台7上，另一端与光谱仪3连接，光谱仪3与控制及计算系统1通过信号线连接。分束镜8位于激光器头6发射的脉冲激光光路上，第一透镜组、穿孔反射镜18、载物平台24顺次位于分束镜8的反射光路上；脉冲激光经第一透镜组整形形成长焦深光束11，长焦深光束11穿过穿孔反射镜18打在载物平台24放置的样品22上；第二透镜组、光纤25一端顺次位于穿孔反射镜18的反射光路上。控制及计算系统1包括计算机26及控制柜27，控制柜27内放置控制电路，用于控制激光器主机2发射激光，控制光谱仪3采集光谱，并对采集的光谱信息进行计算分析，显示于计算机26的屏幕上。

第一透镜组包括在竖直并排设置的第一凸透镜9，第一凹透镜10和第二凸透镜12，三片透镜的焦距分别为：350mm、80mm、150mm，并且它们之间的距离是固定的，第一凸透镜9和第一凹透镜10之间的距离为82mm，第一凹透镜10和第二凸透镜12之间的距离为22mm，第一透镜组焦点位置到第二凸透镜12的距离为720mm。也就是说本实施例的检测平台，不需实时调整焦距亦能对一定高度范围内的样品进行检测。因为脐橙的大小是在一定范围内有变化的，而且其表面是曲面，无法保证一个平面；如果光路有很短的焦点范围，能量密度在脐橙表面变化很大，会使不同点的光谱强度变化很大。本发明用三片透镜的组合，使光线在距离样品较远的地方聚光，在聚光时会有一个束腰的效果；经过如此处理的光，其能量密度在脐橙表面的变化很小，脐橙表面不同点的光谱强度相差很小，保证了检测结果的准确性。

第二透镜组起到聚焦的作用，包括水平并列设置的第三凸透镜19和第四凸透镜20，结构比较简单，通过两片凸透镜将样品表面激发的等离子体特征光整形汇聚至光纤25，再由光纤耦合至光谱仪3。

装置的工作原理如下：激光器头6发射的脉冲激光通过分束镜8反射到竖直方向，经第一透镜组整形形成有一定焦深范围的激光束，即形成长焦深光束11；长焦深光束11穿过穿孔反射镜18在样品22表面激发等离子体，并通过穿孔反射镜18将向上发射的等离子体特征光反射到水平方向，经第二透镜组整形后汇聚，形成收光光束17，经光纤25传输到光谱仪3，再通过信号线传输到控制及计算系统1进行计算分析。

本发明的脐橙多元素检测平台，长焦深会使激发点和第一透镜组最后一块透镜的距离增大，光向四周发散地更多，收集的光强度弱，等离子体的特征在谱图上表现地更明显，这体现在检测结果的高准确度；把穿孔反射镜放在激发点上方，反射的光更多，最后采集到的谱图准确性和稳定性高，效果比较好。本发明采用长焦深的LIBS系统进行检测，对脉冲激光整形后使其在焦点上下一定范围内均能产生稳定的等离子体，可完成脐橙表面高度不平整的脐橙检测，形状大小各异、高度相差15mm的不同脐橙检测，可同时检测脐橙中的多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

实施例2：

如图1、图2所示，本实施例的脐橙多元素检测装置，在实施例1的基础上，还包括位置开关23(Omron，E3X-DA11-N)，安装在载物平台24上，与控制及计算系统1连接，起触发检测的作用，当样品22置于载物平台24上时触发位置开关23，进而触发整个装置运行，进行检测。不同的是，其中，第一凸透镜9，第一凹透镜10和第二凸透镜12，三片透镜的焦距分别为：260mm、150mm、200mm，并且它们之间的距离是固定的，第一凸透镜9和第一凹透镜10之间的距离为86.8mm，第一凹透镜10和第二凸透镜12之间的距离为26mm，第一透镜组焦点位置到第二凸透镜12的距离为680mm。

装置的工作原理如下：样品触发位置开关23，触发控制及计算系统1控制各部件进入工作状态，激光器头6发射的脉冲激光通过分束镜8反射到竖直方向，经第一透镜组整形形成有一定焦深范围的激光束，即形成长焦深光束11；长焦深光束11穿过穿孔反射镜18在样品22表面激发等离子体，并通过穿孔反射镜18将向上发射的等离子体特征光反射到水平方向，经第二透镜组整形后汇聚，形成收光光束17，然后经光纤25传输到光谱仪3，再通过信号线传输到控制及计算系统1进行计算分析。可完成脐橙表面高度不平整的脐橙检测，形状大小各异、高度相差20mm的不同脐橙检测，可同时检测脐橙中的多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

实施例3：

如图1、图2所示，本实施例的脐橙多元素检测装置，在实施例2的基础上，检测平台7呈阶梯型布置，在第一阶梯上安装有激光器头6，在第二阶梯的上表面安装有第二光学平板16，第二光学平板16上安装有光学立柱14，光学立柱14用于固定第一透镜组与分束镜8，第二阶梯的下表面安装有第一光学平板5，用于固定第二透镜组和光纤支座21，光纤支座21用于固定光纤25。其中，第一凸透镜9，第一凹透镜10和第二凸透镜12的焦距分别为：400mm、100mm、250mm，并且它们之间的距离是固定的，第一凸透镜9和第一凹透镜10之间的距离为89mm，第一凹透镜10和第二凸透镜12之间的距离为27.5mm，第一透镜组焦点位置到第二凸透镜12的距离为735mm。

本实施例的脐橙多元素检测装置，可完成脐橙表面高度不平整的脐橙检测，形状大小各异、高度相差25mm的不同脐橙检测，可同时检测脐橙中的多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

实施例4：

如图1、图2所示，本实施例的脐橙多元素检测装置，在实施例3的基础上，光纤支座21通过光学接杆4固定在第一光学平板5上，第一透镜组与分束镜8通过光学固定座13固定在光学立柱14上。其中，第一凸透镜9，第一凹透镜10和第二凸透镜12，三片透镜的焦距分别为：300mm、100mm、200mm，并且它们之间的距离是固定的，第一凸透镜9和第一凹透镜10之间的距离为83.9mm，第一凹透镜10和第二凸透镜12之间的距离为25mm，第一透镜组焦点位置到第二凸透镜12的距离为700mm。

本实施例的脐橙多元素检测装置，可完成脐橙表面高度不平整的脐橙检测，形状大小各异、高度相差30mm的不同脐橙检测，可同时检测脐橙中的多种元素，检测快速，绿色，稳定性高。

实施例5：

本发明的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测方法，包括以下步骤：

步骤1：开启激光器主机2、光谱仪3和控制及计算系统1，使装置各部分正常运行，其中激光器主机2、光谱仪3处于等待状态，位置开关23处于工作状态；

步骤2：将样品22放置在载物平台24上，此时样品22触发位置开关23，位置开关23向控制及计算系统1发送触发信号；

步骤3：控制及计算系统1接收到触发信号，立刻向激光器主机2发送外部触发信号，激光器主机2控制激光器头6发射一次脉冲激光，脉冲激光通过分束镜8反射到竖直方向，经第一透镜组整形形成长焦深光束11，长焦深光束11穿过穿孔反射镜18在样品22表面激发等离子体，并再次通过穿孔反射镜18将向上发射的等离子体特征光反射到水平方向，经第二透镜组整形后汇聚，然后经光纤25传输到光谱仪3；

步骤4：控制及计算系统1接收到触发信号，经过4.8μs延迟后向光谱仪3发送外部触发信号，光谱仪3完成一次光谱采集；

步骤5：计算机26分析采集的光谱图，将光谱图显示于计算机26的屏幕上，并提取其中元素谱线强度进行计算分析。

本发明在检测过程中无须手动操作，提高了系统的检测效率，可同时检测脐橙中的多种元素，方法简单快速，具有较强的普适性。

实施例6：

以实施例4的脐橙多元素检测装置为例，分别对经50ppm、100ppm、200ppm的Cu²⁺溶液以及50ppm、100ppm、200ppm的Pb²⁺溶液浸泡的同品种脐橙(南康脐橙)进行检测分析(其中，浸泡Cu²⁺溶液的脐橙高度均比浸泡Pb²⁺溶液的脐橙高30mm左右)，验证本发明的检测效果，光谱采集效果如图3～8所示。

对比图3～图5可知，脐橙中含有的Ca、Al、Fe、Cu等元素均在光谱图中出现了相应的特征峰，并且随着Cu²⁺浓度的增加，其特征峰强度也相应增强；对比图6～图8可知，脐橙中含有的Ca、Al、Fe、Pb等元素均在光谱图中出现了相应的特征峰，并且随着Pb²⁺浓度的增加，其特征峰强度也相应增强；说明本发明的检测装置可以同时对脐橙中的多种元素进行检测，对元素的浓度也有很好的响应，可用于脐橙中元素的定性、定量分析。对比图3与图6、图4与图7、图5与图8，对于表面高度相差30mm的脐橙，本发明的方法对脐橙中的多种元素均能准确检测，各元素谱线强度无明显差异。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，包括检测平台，LIBS系统，载物平台，光谱仪，光纤，控制及计算系统；

所述检测平台用于承载所述LIBS系统和载物平台，所述样品置于所述载物平台上；

所述光纤一端固定在所述检测平台上，另一端与所述光谱仪连接，所述光谱仪与控制及计算系统通过信号线连接；

所述LIBS系统包括激光器，第一透镜组，第二透镜组，分束镜，穿孔反射镜；所述激光器包括激光器主机和与所述激光器主机通过信号线连接的激光器头，所述激光器主机控制所述激光器头发射脉冲激光，所述激光器主机与所述控制及计算系统通过信号线连接；所述分束镜位于所述激光器头发射的脉冲激光光路上，所述第一透镜组、穿孔反射镜、载物平台顺次位于所述分束镜的反射光路上；所述脉冲激光经所述第一透镜组整形形成长焦深光束，所述长焦深光束穿过所述穿孔反射镜打在所述载物平台放置的样品上，所述第一透镜组的位置固定；所述第二透镜组、光纤一端顺次位于所述穿孔反射镜的反射光路上。

2.如权利要求1所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，还至少包括以下技术特征之一：

所述第一透镜组包括在竖直并排设置的第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透镜，所述第一凸透镜，第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离固定；

所述第二透镜组包括水平并列设置的第三凸透镜和第四凸透镜；

所述激光器头水平设置，所述分束镜与水平方向呈45°夹角设置，所述穿孔反射镜与水平方向呈45°夹角设置。

3.如权利要求2所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，还至少包括以下技术特征之一：

所述第一凸透镜和第一凹透镜之间的距离为80～90mm；

第一凹透镜和第二凸透镜之间的距离为22～28mm；

所述第一凸透镜的焦距为260～400mm；

所述第一凹透镜的焦距为80～150mm；

所述第二凸透镜的焦距为150～250mm。

4.如权利要求3所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，还至少包括以下技术特征之一：

所述脉冲激光束波长为1064nm，光束直径为5mm；

所述第一透镜组焦点位置到第二凸透镜的距离为680～750mm；

所述第一透镜组的焦深范围为15～30mm。

5.如权利要求1所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，所述控制及计算系统包括计算机及控制柜，控制柜内放置控制电路，用于控制所述激光器主机发射激光，控制所述光谱仪采集光谱，并对所述光谱信息进行计算分析，显示于所述计算机的屏幕上。

6.如权利要求1所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，所述载物平台上安装有位置开关，所述位置开关与所述控制及计算系统连接。

7.如权利要求1至6中任一项所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，所述光纤通过光纤支座固定在所述检测平台上；所述检测平台呈阶梯型布置，在第一阶梯上安装有所述激光器头，在第二阶梯的上表面安装有第二光学平板，所述第二光学平板安装有光学立柱，所述光学立柱用于固定所述第一透镜组与分束镜，所述第二阶梯的下表面安装有第一光学平板，用于固定所述第二透镜组和光纤支座。

8.如权利要求7所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测装置，其特征在于，所述光纤支座通过光学接杆固定在所述第一光学平板上；和/或所述第一透镜组与所述分束镜通过光学固定座固定在所述光学立柱上。

9.一种基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：开启所述激光器主机、光谱仪和控制及计算系统，使装置各部分正常运行，其中所述激光器主机、光谱仪处于等待状态，所述位置开关处于工作状态；

步骤2：将样品放置在所述载物平台上，此时样品触发所述位置开关，所述位置开关向所述控制及计算系统发送触发信号；

步骤3：所述控制及计算系统接收到所述触发信号，立刻向所述激光器主机发送外部触发信号，所述激光器主机控制所述激光器头发射一次脉冲激光，对样品表面激发等离子体，然后经所述光纤传输到所述光谱仪；

步骤4：所述控制及计算系统接收到所述触发信号，经过微秒级别延迟后向所述光谱仪发送外部触发信号，所述光谱仪完成一次光谱采集；

步骤5：所述计算机分析采集的光谱图，将光谱图显示于所述计算机的屏幕上，并提取其中元素谱线强度进行计算分析。

10.如权利要求9所述的基于长焦深LIBS系统的脐橙多元素检测方法，其特征在于，步骤4中所述微秒级别延迟为3.5～6.5μs。