CN110779909A - 便携式libs成分分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式LIBS成分分析仪；该分析仪含有通过电缆连接在一起的主机箱和手持采集头，主机箱的箱体内设有控制电路和激光器的控制模块，手持采集头的机壳内设置有激光器的激光头﹑聚焦透镜﹑光采集器﹑光谱仪﹑活动平台﹑滑轨﹑微调装置和三个激光位移传感器；滑轨安装在机壳的内下壁上，活动平台通过其底部在滑轨上前后移动，激光头安装在活动平台的上表面，微调装置设置在机壳的内壁和激光头之间，激光位移传感器位于激光头发射口的四周，聚焦透镜位于激光头发射口的前方，光采集器位于激光头的一侧，机壳的前端面中部开有检测窗口；本发明克服了现有技术中因操作者手抖等因素引起检测条件变化的缺陷，减小了检测误差。

Description

便携式LIBS成分分析仪

（一）、技术领域：

本发明涉及一种LIBS成分分析仪，特别涉及一种便携式LIBS成分分析仪。

（二）、背景技术：

激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS）技术是一种原子发射光谱技术，其利用高强度脉冲激光烧蚀样品激发出等离子体，通过使用光谱仪解析采集到的等离子体光信号，得到样品中所含元素种类及含量。LIBS技术在冶金、环境监测、深海探测、文物鉴定、太空探索和能源开发等诸多领域都有很大的应用潜力。

LIBS技术对样品的处理非常方便，作为一种新的材料识别及定量分析技术，既可以用于实验室，也可以应用于工业现场或在线检测，而不需要将样品取样到实验室进行长时间的制备和分析，使分析技术从实验室领域极大地拓展到户外、现场、甚至生产工艺过程中。而便携式LIBS成分分析仪就能非常好地实现这一优点。

但便携式LIBS成分分析仪采用手持采集头采集数据，由于人的呼吸和心跳等生理因素会导致手产生抖动，且很多样品表面并不是标准的平面，情况比较复杂，即使用采集头的前端面抵住样品表面检测也不能完全避免抖动，这种抖动会引起透镜与样品之间的距离以及光束与样品表面角度分析条件的变化，很难保证同一样品多次检测分析条件的一致性，这会引起采集数据质量下降，引起分析误差，降低分析仪的分析性能，从而限制了LIBS现场、野外等场合检测的应用及其检测能力的充分展现。

（三）、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种便携式LIBS成分分析仪，该便携式LIBS成分分析仪克服了现有便携式LIBS成分分析仪工作过程中因操作者手抖等因素引起检测条件变化的缺陷，减小检测误差，性能更好。

本发明的技术方案：

一种便携式LIBS成分分析仪，含有主机箱和手持采集头，主机箱含有箱体，箱体内设有控制电路和激光器的控制模块，手持采集头含有机壳，机壳内设置有激光器的激光头﹑聚焦透镜﹑光采集器﹑光谱仪﹑活动平台﹑滑轨﹑上下微调装置﹑左右微调装置﹑前后微调装置和三个相同的激光位移传感器，手持采集头和主机箱之间通过通信电缆连接；LIBS成分分析用的激光从激光头前端的发射口中发射出来，水平设置的滑轨固定安装在机壳的内下壁上，活动平台的底部与滑轨滑动连接，活动平台通过其底部在滑轨上前后移动，激光头固定安装在活动平台的上表面，上下微调装置的两端通过万向接头分别与机壳的内上壁和激光头的上侧面固定连接，左右微调装置的两端通过万向接头分别与机壳的内左壁和激光头的左侧面固定连接或左右微调装置的两端通过万向接头分别与机壳的内右壁和激光头的右侧面固定连接，前后微调装置的两端分别与机壳的内前壁和活动平台底部的前侧面固定连接或前后微调装置的两端分别与机壳的内后壁和活动平台底部的后侧面固定连接，激光头与上下微调装置﹑左右微调装置的连接处位于活动平台的前部或后部，三个激光位移传感器通过支架固定安装在激光头的前方，支架与活动平台的上表面固定连接，三个激光位移传感器位于激光头发射口的四周且围绕激光头发射口的中心轴线均匀分布，三个激光位移传感器的发射口均朝前设置；上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置均为结构相同的微调装置，每个微调装置中含有筒形外壳，筒形外壳的一端封闭，另一端的端面中部设有一个通孔，在筒形外壳内且从筒形外壳的封闭端开始依次安装有具有逆压电效应的压电陶瓷块﹑挡块和压缩弹簧，筒形外壳的封闭端向外伸出有第一连接杆，挡块与压缩弹簧接触的面上伸出有第二连接杆，第二连接杆依次从压缩弹簧﹑筒形外壳端面上的通孔中穿出，第一连接杆和第二连接杆的端部即为微调装置的两端；聚焦透镜﹑光采集器和光谱仪均安装在活动平台上，聚焦透镜位于激光头发射口的前方，且聚焦透镜的主光轴与激光头发射口的中心轴线重合，光采集器位于激光头的一侧，且光采集器的接收口朝向内前方，从激光头的发射口中发射出来的激光经过聚焦透镜后会聚在光采集器的接收口的物镜焦点处或焦点附近，且聚焦透镜的主光轴穿过光采集器的接收口的物镜焦点，光采集器的接收口的物镜焦点位于机壳的前端面所在的平面上；机壳的前端面为垂直于激光头发射口中心轴线的平面，机壳的前端面中部开有检测窗口，激光头和三个激光位移传感器发出的激光均从检测窗口中出去，光采集器的接收口接收的光线从检测窗口中进来，机壳的前端面上安装有激光防护开关，当激光防护开关按下时，其表面与机壳的前端面位于同一个平面上，机壳的外侧面上安装有激光器出光指示灯；机壳的外底面上设有把手，把手上安装有扳机开关；激光防护开关和扳机开关串联在一起后通过通信电缆接到控制模块的出/关光控制信号接口上，激光器出光指示灯通过通信电缆与控制模块的指示灯信号输出端连接，控制模块的触发信号输出端通过通信电缆与光谱仪的外触发信号输入端连接，以控制光谱仪的信号采集时序，光采集器的输出光纤接口与光谱仪的输入光纤接口连接，光谱仪的检测信号输出口通过通信电缆与控制电路的光谱检测信号输入口连接，三个激光位移传感器通过通信电缆与控制电路的位置信号输入口连接，上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置中的压电陶瓷块通过通信电缆与控制电路的输出口连接，控制模块的电源输入端与控制电路的电源输出端连接，控制模块的激光输出控制口通过通信电缆与激光头连接；激光防护开关和扳机开关均为无锁按钮开关，激光器出光指示灯为LED灯。

三个激光位移传感器通过测量自身与样品表面的距离来检测聚焦透镜到样品的距离以及激光轴线相对样品表面的角度，三个激光位移传感器检测到的信号输入到控制电路中，控制电路根据收到的信号判断激光头的上下﹑左右和前后姿态，如果发现激光头的姿态不合适，则发出位置调节信号，该位置调节信号控制上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置中的压电陶瓷块的厚度发生变化，从而微调激光头的上下﹑左右和前后姿态，补偿因手抖引起的激光头姿态不正确所产生的偏移量。

当压电陶瓷块的厚度增加时，可推动挡块向压缩弹簧处移动，从而使微调装置的整个长度增加；当压电陶瓷块的厚度减小时，压缩弹簧推动挡块向压电陶瓷块处移动，从而使微调装置的整个长度减小；三个微调装置通过其长度的变化来调整激光头的姿态，以保证激光头所发射的激光光束垂直于样品表面且发射口与样品表面保持固定距离。

活动平台含有底座﹑竖直转动轴和平台支撑板，底座的底面上设有与滑轨匹配的滑槽，底座通过滑槽与滑轨滑动连接，底座的上表面上设有一个圆孔，竖直转动轴的下端通过轴承安装在圆孔中，竖直转动轴的上端与平台支撑板的下表面中部通过铰接轴铰接，铰接轴沿左右方向水平设置，平台支撑板绕铰接轴上下转动；前后微调装置的两端分别与机壳的内前壁和活动平台底座的前侧面固定连接或前后微调装置的两端分别与机壳的内后壁和活动平台底座的后侧面固定连接；激光头和支架固定安装在平台支撑板的上表面上，激光头与上下微调装置﹑左右微调装置的连接处位于活动平台的前部。激光头发射口与聚焦透镜之间设有光阑，光阑的中心轴线与激光头发射口的中心轴线重合。光阑可对激光头发射口中发射出来的激光进行整形。

滑槽为燕尾槽，滑轨是与滑槽匹配的燕尾形滑轨；聚焦透镜通过透镜支架安装在平台支撑板的上表面上；光阑通过光阑支架安装在平台支撑板的上表面上；光采集器通过光采集器支架安装在平台支撑板的下表面上，光采集器位于激光头发射口的前方一侧；光谱仪直接安装在平台支撑板的下表面上；把手为组合式空心结构，把手含有左半部分和右半部分，扳机开关上的连接导线从把手内部依次穿过机壳底面的竖直通孔﹑滑轨底面的横向凹槽后进入机壳内部并与激光防护开关连接；机壳为组合式结构，机壳含有左壳体和右壳体，滑轨﹑上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置均固定在右壳体的内壁上；扳机开关的外侧环绕有扳机护圈，扳机护圈的一端连接在把手的前侧面上，扳机护圈的另一端连接在机壳的外底面上，扳机护圈可防止扳机开关被误触。

支架含有固定在激光头前方的圆环，圆环的中心轴线与激光头发射口的中心轴线重合，圆环的下部通过支撑杆与平台支撑板的上表面固定连接，圆环的周边向外均匀伸出三个相同的安装杆，三个激光位移传感器分别安装在三个安装杆上，三个激光位移传感器的中心位于同一个垂直于激光头发射口中心轴线的平面上。

三个激光位移传感器发射口的中心轴线相交于激光头发射口的中心轴线上的一点，三个激光位移传感器发射口的中心轴线与激光头发射口的中心轴线的夹角均为α，α﹤25°。

三个激光位移传感器通过三个紧固螺栓分别安装在三个安装杆的侧面上，通过紧固螺栓来调整夹角α的大小。

激光头为柱形，激光头通过其上的紧固箍横向固定安装在平台支撑板的上表面上，紧固箍位于平台支撑板的前部，上下微调装置通过紧固箍与激光头的上侧面固定连接，左右微调装置也通过紧固箍与激光头的左侧面或右侧面固定连接。

控制电路中含有微型计算机﹑电池组﹑开机按钮﹑三个信号转换器﹑三个压电控制器和压电控制USB集线器及电源，三个激光位移传感器的信号输出口分别通过三个信号转换器与微型计算机的位置信号输入口连接，微型计算机的位置调节信号输出口与压电控制USB集线器及电源的输入口连接，压电控制USB集线器及电源的三个输出口通过三个压电控制器分别与上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置中的压电陶瓷块连接，光谱仪的检测信号输出口与微型计算机的光谱检测信号输入口连接，激光器的控制模块的控制信号输入口与微型计算机的激光器控制信号输出口连接，电池组通过开机按钮给微型计算机﹑激光器的控制模块﹑三个激光位移传感器和压电控制USB集线器及电源供电，光谱仪通过其检测信号输出口（如USB口）上的电源端从微型计算机中取电；激光器为微型激光器，光谱仪为微型光谱仪。

激光器由控制模块和激光头组成，激光器的型号为：长春新产业的DPS-1064-mini型纳秒脉冲激光器；激光位移传感器的型号为：松下HL-G108-S-J；压电陶瓷块的型号为：Throlabs的PC4QR型；压电控制器的型号为：Throlabs的KPZ101型；压电控制USB集线器及电源的型号为：Throlabs的KCH301型；万向接头为球形万向接头；光谱仪的型号为：Avaspec-Mini2048-UVI10；机壳的前部为锥台形；信号转换器为USB-RS-422/485转换器，激光位移传感器的信号输出口为RS-422接口或RS-485接口，微型计算机的位置信号输入口为USB接口。

箱体含有上盖和下箱体，微型计算机的显示器安装在上盖的内顶面上，微型计算机的主机﹑电池组﹑激光器的控制模块﹑三个压电控制器﹑压电控制USB集线器及电源安装在下箱体底面的夹层中，开机按钮安装在下箱体的内侧面上部，上盖和下箱体之间的连接电缆从上盖穿出后再从下箱体的内侧壁中进入下箱体底面的夹层中，主机箱和手持采集头之间的通信电缆从下箱体的内底面穿出后再从机壳后部的穿线孔进入机壳中。

该便携式LIBS成分分析仪的使用方法如下：首先打开主机箱的上盖，按下开机按钮，使电池组给微型计算机、激光器的控制模块﹑三个激光位移传感器和压电控制USB集线器及电源供电，微型计算机和激光器处于启动状态，微型计算机通过USB数据线向光谱仪供电，光谱仪启动。当需要进行LIBS分析时，先在微型计算机上设置分析参数，然后手握手持采集头的把手，使手持采集头的前端面抵住样品表面（此时激光防护开关打开），扳动扳机开关，即可进行检测，检测分析结果显示在微型计算机的显示器上，检测完毕，松开扳机开关，并将手持采集头从样品表面移走即可。

由于激光防护开关和扳机开关是串联在一起的，因此，只有激光防护开关和扳机开关同时打开时，激光头才能出光；激光防护开关只有在手持采集头的前端面抵住样品表面时才打开，手持采集头的前端面脱离样品表面时就断开，从而中断激光头出光，保证没有激光泄露风险。

激光器出光的同时还通过触发信号线控制光谱仪以合理的时间采集光谱，光谱仪把采集到的光谱数据通过数据线传回微型计算机，在微型计算机上储存并分析。

不使用该LIBS成分分析仪时，可将手持采集头放置在下箱体中固定，然后将上盖盖在下箱体上即可。下箱体的内底面上可设置与手持采集头形状匹配的凹坑，手持采集头卡装在该凹坑中，开机按钮也可以安装在下箱体的内底面上。

本发明的有益效果：

1﹑本发明采用三个激光位移传感器检测激光器的激光头的发射口到样品表面的距离以及相对样品表面的角度，然后通过检测到的信息控制上下微调装置﹑左右微调装置﹑前后微调装置的动作，及时调整激光头姿态，使激光头的发射口始终保持到样品的固定距离，且发射出的激光垂直于样品表面；本发明克服了便携式LIBS成分分析仪工作过程中因操作者手抖引起的检测条件变化的缺陷，减小了成分分析仪的误差，使成分分析仪的性能更好。

2﹑本发明的微调装置中采用了具有逆压电效应的压电陶瓷块，当压电陶瓷块上的电压发生变化时，其厚度会发生微小变化，从而使微调装置的长度发生微小变化，达到微调激光头姿态的目的，压电陶瓷块使得微调装置的调整精度高﹑调整速度块，非常适用于调整由于手抖引起的激光头姿态变化。

3﹑本发明的手持采集头内采用了微型激光器和微型光谱仪，使手持采集头的体积小巧﹑使用起来灵活自如；手持采集头在不使用时可放入主机箱的箱体内，携带方便；微型计算机为平板电脑，平板电脑安装在主机箱的上盖中，检测时，打开箱体的上盖即可在平板电脑的触摸屏上设置参数及观察检测分析的结果，使用非常方便。

（四）、附图说明：

图1为便携式LIBS成分分析仪的结构示意图；

图2为图1中的手持采集头的右视放大结构示意图；

图3为图2的左视结构示意图（去除了机壳的左壳体和把手的左半部分）；

图4为图3中的A-A剖视结构示意图；

图5为图2中去除了机壳的锥台形前部时的结构示意图；

图6为控制电路的电路原理示意图。

（五）、具体实施方式：

参见图1～图6，图中，便携式LIBS成分分析仪含有主机箱和手持采集头，主机箱含有箱体，箱体内设有控制电路和激光器的控制模块，手持采集头含有机壳1，机壳1内设置有激光器的激光头2﹑聚焦透镜39﹑光采集器40﹑光谱仪42﹑活动平台﹑滑轨4﹑上下微调装置5﹑左右微调装置6﹑前后微调装置7和三个相同的激光位移传感器8，手持采集头和主机箱之间通过通信电缆50连接；LIBS成分分析用的激光从激光头2前端的发射口3中发射出来，水平设置的滑轨4固定安装在机壳1的内下壁上，活动平台的底部与滑轨4滑动连接，活动平台通过其底部在滑轨4上前后移动，激光头2固定安装在活动平台的上表面，上下微调装置5的两端通过万向接头9分别与机壳1的内上壁和激光头2的上侧面固定连接，左右微调装置6的两端通过万向接头9分别与机壳1的内左壁和激光头2的左侧面固定连接，前后微调装置7的两端分别与机壳1的内后壁和活动平台底部的后侧面固定连接，激光头2与上下微调装置5﹑左右微调装置6的连接处位于活动平台的前部，三个激光位移传感器8通过支架10固定安装在激光头2的前方，支架10与活动平台的上表面固定连接，三个激光位移传感器8位于激光头2发射口3的四周且围绕激光头2发射口3的中心轴线均匀分布，三个激光位移传感器8的发射口33均朝前设置；上下微调装置5﹑左右微调装置6和前后微调装置7均为结构相同的微调装置，每个微调装置中含有筒形外壳11，筒形外壳11的一端封闭，另一端的端面中部设有一个通孔12，在筒形外壳11内且从筒形外壳11的封闭端开始依次安装有具有逆压电效应的压电陶瓷块13﹑挡块14和压缩弹簧15，筒形外壳11的封闭端向外伸出有第一连接杆16，挡块14与压缩弹簧15接触的面上伸出有第二连接杆17，第二连接杆17依次从压缩弹簧15﹑筒形外壳11端面上的通孔12中穿出，第一连接杆16和第二连接杆17的端部即为微调装置的两端；聚焦透镜39﹑光采集器40和光谱仪42均安装在活动平台上，聚焦透镜39位于激光头2发射口3的前方，且聚焦透镜39的主光轴与激光头2发射口3的中心轴线重合，光采集器40位于激光头2的一侧，且光采集器40的接收口朝向内前方，从激光头2的发射口3中发射出来的激光经过聚焦透镜39后会聚在光采集器40的接收口的物镜焦点前方2毫米处，且聚焦透镜39的主光轴穿过光采集器40的接收口的物镜焦点，光采集器40的接收口的物镜焦点位于机壳1的前端面51所在的平面上；机壳1的前端面51为垂直于激光头2发射口3中心轴线的平面，机壳1的前端面51中部开有检测窗口52，激光头2和三个激光位移传感器8发出的激光均从检测窗口52中出去，光采集器40的接收口接收的光线从检测窗口52中进来，机壳1的前端面51上安装有激光防护开关38，当激光防护开关38按下时，其表面与机壳1的前端面51位于同一个平面上，机壳1的外侧面上安装有激光器出光指示灯37；机壳1的外底面上设有把手35，把手35上安装有扳机开关36；激光防护开关38和扳机开关36串联在一起后通过通信电缆50接到控制模块的出/关光控制信号接口上，激光器出光指示灯37通过通信电缆50与控制模块的指示灯信号输出端连接，控制模块的触发信号输出端通过通信电缆50与光谱仪42的外触发信号输入端连接，以控制光谱仪42的信号采集时序，光采集器40的输出光纤接口与光谱仪42的输入光纤接口连接，光谱仪42的检测信号输出口通过通信电缆50与控制电路的光谱检测信号输入口连接，三个激光位移传感器8通过通信电缆50与控制电路的位置信号输入口连接，上下微调装置5﹑左右微调装置6和前后微调装置7中的压电陶瓷块13通过通信电缆50与控制电路的输出口连接，控制模块的电源输入端与控制电路的电源输出端连接，控制模块的激光输出控制口通过通信电缆50与激光头2连接；激光防护开关38和扳机开关36均为无锁按钮开关，激光器出光指示灯37为LED灯。

三个激光位移传感器8通过测量自身与样品表面的距离来检测聚焦透镜39到样品的距离以及激光轴线相对样品表面的角度，三个激光位移传感器8检测到的信号输入到控制电路中，控制电路根据收到的信号判断激光头2的上下﹑左右和前后姿态，如果发现激光头2的姿态不合适，则发出位置调节信号，该位置调节信号控制上下微调装置5﹑左右微调装置6和前后微调装置7中的压电陶瓷块13的厚度发生变化，从而微调激光头2的上下﹑左右和前后姿态，补偿因手抖引起的激光头2姿态不正确所产生的偏移量。

当压电陶瓷块13的厚度增加时，可推动挡块14向压缩弹簧15处移动，从而使微调装置的整个长度增加；当压电陶瓷块13的厚度减小时，压缩弹簧15推动挡块14向压电陶瓷块13处移动，从而使微调装置的整个长度减小；三个微调装置通过其长度的变化来调整激光头2的姿态，以保证激光头2所发射的激光光束垂直于样品表面且发射口3与样品表面保持固定距离。

活动平台含有底座21﹑竖直转动轴22和平台支撑板23，底座21的底面上设有与滑轨4匹配的滑槽25，底座21通过滑槽25与滑轨4滑动连接，底座21的上表面上设有一个圆孔26，竖直转动轴22的下端通过轴承27安装在圆孔26中，竖直转动轴22可绕自身轴线转动，竖直转动轴22的上端与平台支撑板23的下表面中部通过铰接轴28铰接，铰接轴28沿左右方向水平设置，平台支撑板23绕铰接轴28上下转动；前后微调装置7的两端分别与机壳1的内后壁和活动平台底座21的后侧面固定连接；激光头2和支架10固定安装在平台支撑板23的上表面上，激光头2与上下微调装置5﹑左右微调装置6的连接处位于活动平台的前部。激光头2发射口3与聚焦透镜39之间设有光阑56，光阑56的中心轴线与激光头2发射口3的中心轴线重合。光阑56可对激光头2发射口3中发射出来的激光进行整形。

滑槽25为燕尾槽，滑轨4是与滑槽25匹配的燕尾形滑轨；聚焦透镜39通过透镜支架53安装在平台支撑板23的上表面上；光阑56通过光阑支架57安装在平台支撑板23的上表面上；光采集器40通过光采集器支架41安装在平台支撑板23的下表面上，光采集器40位于激光头2发射口3的前方一侧；光谱仪42直接安装在平台支撑板23的下表面上；把手35为组合式空心结构，把手35含有左半部分和右半部分，扳机开关36上的连接导线从把手35内部依次穿过机壳1底面的竖直通孔44﹑滑轨4底面的横向凹槽45后进入机壳1内部并与激光防护开关38连接；机壳1为组合式结构，机壳1含有左壳体和右壳体，滑轨4﹑上下微调装置5﹑左右微调装置5和前后微调装置7均固定在右壳体的内壁上；扳机开关36的外侧环绕有扳机护圈55，扳机护圈55的一端连接在把手35的前侧面上，扳机护圈55的另一端连接在机壳1的外底面上，扳机护圈55可防止扳机开关36被误触。

支架10含有固定在激光头2前方的圆环29，圆环29的中心轴线与激光头2发射口3的中心轴线重合，圆环29的下部通过支撑杆30与平台支撑板23的上表面固定连接，圆环29的周边向外均匀伸出三个相同的安装杆31，三个激光位移传感器8分别安装在三个安装杆31上，三个激光位移传感器8的中心位于同一个垂直于激光头2发射口3中心轴线的平面上。

三个激光位移传感器8发射口33的中心轴线相交于激光头2发射口3的中心轴线上的一点，三个激光位移传感器8发射口33的中心轴线与激光头2发射口3的中心轴线的夹角均为α，α=20.5°。

三个激光位移传感器8通过三个紧固螺栓34分别安装在三个安装杆31的侧面上，通过紧固螺栓34来调整夹角α的大小。

激光头2为柱形，激光头2通过其上的紧固箍32横向固定安装在平台支撑板23的上表面上，紧固箍32位于平台支撑板23的前部，上下微调装置5通过紧固箍32与激光头2的上侧面固定连接，左右微调装置6也通过紧固箍32与激光头2的左侧面固定连接。

控制电路中含有微型计算机﹑电池组﹑开机按钮49﹑三个信号转换器﹑三个压电控制器和压电控制USB集线器及电源，三个激光位移传感器8的信号输出口分别通过三个信号转换器与微型计算机的位置信号输入口连接，微型计算机的位置调节信号输出口与压电控制USB集线器及电源的输入口连接，压电控制USB集线器及电源的三个输出口通过三个压电控制器分别与上下微调装置5﹑左右微调装置6和前后微调装置7中的压电陶瓷块13连接，光谱仪42的检测信号输出口与微型计算机的光谱检测信号输入口连接，激光器的控制模块的控制信号输入口与微型计算机的激光器控制信号输出口连接，电池组通过开机按钮49给微型计算机﹑激光器的控制模块﹑三个激光位移传感器8和压电控制USB集线器及电源供电，光谱仪42通过其检测信号输出口（如USB口）上的电源端从微型计算机中取电；激光器为微型激光器，光谱仪42为微型光谱仪。

激光器由控制模块和激光头2组成，激光器的型号为：长春新产业的DPS-1064-mini型纳秒脉冲激光器；激光位移传感器8的型号为：松下HL-G108-S-J；压电陶瓷块13的型号为：Throlabs的PC4QR型；压电控制器的型号为：Throlabs的KPZ101型；压电控制USB集线器及电源的型号为：Throlabs的KCH301型；万向接头9为球形万向接头；光谱仪42的型号为：Avaspec-Mini2048-UVI10；机壳1的前部为锥台形；信号转换器为USB-RS-422/485转换器，激光位移传感器8的信号输出口为RS-422接口，微型计算机的位置信号输入口为USB接口。

箱体含有上盖47和下箱体46，微型计算机的显示器48安装在上盖47的内顶面上，微型计算机的主机﹑电池组﹑激光器的控制模块﹑三个压电控制器﹑压电控制USB集线器及电源安装在下箱体46底面的夹层中，开机按钮49安装在下箱体46的内侧面上部，上盖47和下箱体46之间的连接电缆54从上盖47穿出后再从下箱体46的内侧壁中进入下箱体46底面的夹层中，主机箱和手持采集头之间的通信电缆50从下箱体46的内底面穿出后再从机壳1后部的穿线孔43进入机壳1中。

该便携式LIBS成分分析仪的使用方法如下：首先打开主机箱的上盖47，按下开机按钮49，使电池组给微型计算机、激光器的控制模块﹑三个激光位移传感器8和压电控制USB集线器及电源供电，微型计算机和激光器处于启动状态，微型计算机通过USB数据线向光谱仪42供电，光谱仪42启动。当需要进行LIBS分析时，先在微型计算机上设置分析参数，然后手握手持采集头的把手35，使手持采集头的前端面51抵住样品表面（此时激光防护开关38打开），然后扳动扳机开关36，即可进行检测，检测分析结果显示在微型计算机的显示器48上，检测完毕，松开扳机开关36，并将手持采集头从样品表面移走即可。

由于激光防护开关38和扳机开关36是串联在一起的，因此，只有激光防护开关38和扳机开关36同时打开时，激光头2才能出光；激光防护开关38只有在手持采集头的前端面51抵住样品表面时才打开，手持采集头的前端面51脱离样品表面时就断开，从而中断激光头2出光，保证没有激光泄露风险。

激光器出光的同时还通过触发信号线控制光谱仪42以合理的时间采集光谱，光谱仪42把采集到的光谱数据通过数据线传回微型计算机，在微型计算机上储存并分析。

不使用该LIBS成分分析仪时，可将手持采集头放置在下箱体46中固定，然后将上盖47盖在下箱体46上即可。下箱体46的内底面上可设置与手持采集头形状匹配的凹坑，手持采集头卡装在该凹坑中，开机按钮49也可以安装在下箱体46的内底面上。

Claims (10)

1.一种便携式LIBS成分分析仪，其特征是：含有主机箱和手持采集头，主机箱含有箱体，箱体内设有控制电路和激光器的控制模块，手持采集头含有机壳，机壳内设置有激光器的激光头﹑聚焦透镜﹑光采集器﹑光谱仪﹑活动平台﹑滑轨﹑上下微调装置﹑左右微调装置﹑前后微调装置和三个相同的激光位移传感器，手持采集头和主机箱之间通过通信电缆连接；LIBS成分分析用的激光从激光头前端的发射口中发射出来，水平设置的滑轨固定安装在机壳的内下壁上，活动平台的底部与滑轨滑动连接，活动平台通过其底部在滑轨上前后移动，激光头固定安装在活动平台的上表面，上下微调装置的两端通过万向接头分别与机壳的内上壁和激光头的上侧面固定连接，左右微调装置的两端通过万向接头分别与机壳的内左壁和激光头的左侧面固定连接或左右微调装置的两端通过万向接头分别与机壳的内右壁和激光头的右侧面固定连接，前后微调装置的两端分别与机壳的内前壁和活动平台底部的前侧面固定连接或前后微调装置的两端分别与机壳的内后壁和活动平台底部的后侧面固定连接，激光头与上下微调装置﹑左右微调装置的连接处位于活动平台的前部或后部，三个激光位移传感器通过支架固定安装在激光头的前方，支架与活动平台的上表面固定连接，三个激光位移传感器位于激光头发射口的四周且围绕激光头发射口的中心轴线均匀分布，三个激光位移传感器的发射口均朝前设置；上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置均为结构相同的微调装置，每个微调装置中含有筒形外壳，筒形外壳的一端封闭，另一端的端面中部设有一个通孔，在筒形外壳内且从筒形外壳的封闭端开始依次安装有具有逆压电效应的压电陶瓷块﹑挡块和压缩弹簧，筒形外壳的封闭端向外伸出有第一连接杆，挡块与压缩弹簧接触的面上伸出有第二连接杆，第二连接杆依次从压缩弹簧﹑筒形外壳端面上的通孔中穿出，第一连接杆和第二连接杆的端部即为微调装置的两端；聚焦透镜﹑光采集器和光谱仪均安装在活动平台上，聚焦透镜位于激光头发射口的前方，且聚焦透镜的主光轴与激光头发射口的中心轴线重合，光采集器位于激光头的一侧，且光采集器的接收口朝向内前方，从激光头的发射口中发射出来的激光经过聚焦透镜后会聚在光采集器的接收口的物镜焦点处或焦点附近，且聚焦透镜的主光轴穿过光采集器的接收口的物镜焦点，光采集器的接收口的物镜焦点位于机壳的前端面所在的平面上；机壳的前端面为垂直于激光头发射口中心轴线的平面，机壳的前端面中部开有检测窗口，激光头和三个激光位移传感器发出的激光均从检测窗口中出去，光采集器的接收口接收的光线从检测窗口中进来，机壳的前端面上安装有激光防护开关，当激光防护开关按下时，其表面与机壳的前端面位于同一个平面上，机壳的外侧面上安装有激光器出光指示灯；机壳的外底面上设有把手，把手上安装有扳机开关；激光防护开关和扳机开关串联在一起后通过通信电缆接到控制模块的出/关光控制信号接口上，激光器出光指示灯通过通信电缆与控制模块的指示灯信号输出端连接，控制模块的触发信号输出端通过通信电缆与光谱仪的外触发信号输入端连接，光采集器的输出光纤接口与光谱仪的输入光纤接口连接，光谱仪的检测信号输出口通过通信电缆与控制电路的光谱检测信号输入口连接，三个激光位移传感器通过通信电缆与控制电路的位置信号输入口连接，上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置中的压电陶瓷块通过通信电缆与控制电路的输出口连接，控制模块的电源输入端与控制电路的电源输出端连接，控制模块的激光输出控制口通过通信电缆与激光头连接；激光防护开关和扳机开关均为无锁按钮开关。

2.根据权利要求1所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述活动平台含有底座﹑竖直转动轴和平台支撑板，底座的底面上设有与滑轨匹配的滑槽，底座通过滑槽与滑轨滑动连接，底座的上表面上设有一个圆孔，竖直转动轴的下端通过轴承安装在圆孔中，竖直转动轴的上端与平台支撑板的下表面中部通过铰接轴铰接，铰接轴沿左右方向水平设置，平台支撑板绕铰接轴上下转动；前后微调装置的两端分别与机壳的内前壁和活动平台底座的前侧面固定连接或前后微调装置的两端分别与机壳的内后壁和活动平台底座的后侧面固定连接；激光头和支架固定安装在平台支撑板的上表面上，激光头与上下微调装置﹑左右微调装置的连接处位于活动平台的前部；激光头发射口与聚焦透镜之间设有光阑，光阑的中心轴线与激光头发射口的中心轴线重合。

3.根据权利要求2所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述滑槽为燕尾槽，滑轨是与滑槽匹配的燕尾形滑轨；聚焦透镜通过透镜支架安装在平台支撑板的上表面上；光阑通过光阑支架安装在平台支撑板的上表面上；光采集器通过光采集器支架安装在平台支撑板的下表面上，光采集器位于激光头发射口的前方一侧；光谱仪直接安装在平台支撑板的下表面上；把手为组合式空心结构，把手含有左半部分和右半部分，扳机开关上的连接导线从把手内部依次穿过机壳底面的竖直通孔﹑滑轨底面的横向凹槽后进入机壳内部并与激光防护开关连接；机壳为组合式结构，机壳含有左壳体和右壳体，滑轨﹑上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置均固定在右壳体的内壁上；扳机开关的外侧环绕有扳机护圈，扳机护圈的一端连接在把手的前侧面上，扳机护圈的另一端连接在机壳的外底面上。

4.根据权利要求2所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述支架含有固定在激光头前方的圆环，圆环的中心轴线与激光头发射口的中心轴线重合，圆环的下部通过支撑杆与平台支撑板的上表面固定连接，圆环的周边向外均匀伸出三个相同的安装杆，三个激光位移传感器分别安装在三个安装杆上，三个激光位移传感器的中心位于同一个垂直于激光头发射口中心轴线的平面上。

5.根据权利要求4所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述三个激光位移传感器发射口的中心轴线相交于激光头发射口的中心轴线上的一点，三个激光位移传感器发射口的中心轴线与激光头发射口的中心轴线的夹角均为α，α﹤25°。

6.根据权利要求5所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述三个激光位移传感器通过三个紧固螺栓分别安装在三个安装杆的侧面上，通过紧固螺栓来调整夹角α的大小。

7.根据权利要求2所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述激光头为柱形，激光头通过其上的紧固箍横向固定安装在平台支撑板的上表面上，紧固箍位于平台支撑板的前部，上下微调装置通过紧固箍与激光头的上侧面固定连接，左右微调装置也通过紧固箍与激光头的左侧面或右侧面固定连接。

8.根据权利要求1所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述控制电路中含有微型计算机﹑电池组﹑开机按钮﹑三个信号转换器﹑三个压电控制器和压电控制USB集线器及电源，三个激光位移传感器的信号输出口分别通过三个信号转换器与微型计算机的位置信号输入口连接，微型计算机的位置调节信号输出口与压电控制USB集线器及电源的输入口连接，压电控制USB集线器及电源的三个输出口通过三个压电控制器分别与上下微调装置﹑左右微调装置和前后微调装置中的压电陶瓷块连接，光谱仪的检测信号输出口与微型计算机的光谱检测信号输入口连接，激光器的控制模块的控制信号输入口与微型计算机的激光器控制信号输出口连接，电池组通过开机按钮给微型计算机﹑激光器的控制模块﹑三个激光位移传感器和压电控制USB集线器及电源供电；激光器为微型激光器，光谱仪为微型光谱仪。

9.根据权利要求8所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述激光器的型号为：DPS-1064-mini；激光位移传感器的型号为：松下HL-G108-S-J；压电陶瓷块的型号为：Throlabs的PC4QR型；压电控制器的型号为：Throlabs的KPZ101型；压电控制USB集线器及电源的型号为：Throlabs的KCH301型；万向接头为球形万向接头；光谱仪的型号为：Avaspec-Mini2048-UVI10；机壳的前部为锥台形；信号转换器为USB-RS-422/485转换器，激光位移传感器的信号输出口为RS-422接口或RS-485接口，微型计算机的位置信号输入口为USB接口。

10.根据权利要求8所述的便携式LIBS成分分析仪，其特征是：所述箱体含有上盖和下箱体，微型计算机的显示器安装在上盖的内顶面上，微型计算机的主机﹑电池组﹑三个压电控制器﹑压电控制USB集线器及电源安装在下箱体底面的夹层中，开机按钮安装在下箱体的内侧面上部，上盖和下箱体之间的连接电缆从上盖穿出后再从下箱体的内侧壁中进入下箱体底面的夹层中，主机箱和手持采集头之间的通信电缆从下箱体的内底面穿出后再从机壳后部的穿线孔进入机壳中。

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