CN112255149B - 松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测方法、系统及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测方法、系统及存储介质，其包括：准备N个粒度不同的松散颗粒堆积物样品，组成一组颗粒堆积物样品集；将颗粒堆积物样品集中的样品依次放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取各个样品对应的特征光谱图；从每个样品的特征光谱图中选取两条特征谱线，分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值；将测量得到的比值作为表征松散颗粒堆积物中粒度尺寸的探针，采用这组样品集对应的每个样品的两条选定谱线的光谱强度比构建光谱数据与颗粒粒度的标定关系；获得待测松散颗粒堆积物的特征光谱数据；根据待测松散颗粒堆积物对应的特征发射光谱数据，利用光谱数据与颗粒粒度的标定关系，获得待测颗粒堆积物中的颗粒粒度。

Description

松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测方法、系统及存储介质

技术领域

本发明涉及一种原子发射光谱测量技术领域，特别是关于一种基于激光诱导击穿光谱技术检测松散颗粒堆积物粒度尺寸的方法、系统及存储介质。

背景技术

在实际生产、环境勘探以及科学研究活动中，常常需要面对在线/原位检测松散微颗粒(几十到几百微米的颗粒)堆积物中粒度尺寸的问题。测量颗粒堆积物中粒度尺寸的传统方法由很多，比如采用标准筛、显微镜以及激光粒度仪等等。这些方法虽然具有设备相对简单、操作相对容易等优点，但无法方便快捷的满足在线/原位的检测要求。

激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)由于它自身的技术优势，如无需复杂预处理便可对不同形态的样品进行元素分析，并快速地获取分析结果等，在工业工程控制、环境勘探以及相关联的食品安全等领域具有极为广阔的应用前景。LIBS技术用于在线/原位分析由微颗粒堆积而成的松散物时，堆积物依赖于颗粒大小会呈现出具有不同硬度(这里的“硬度”通常与颗粒粒径存在负相关)的软物质特性；而激光与软物质相互作用时，软物质会吸收部分本应该用来加热等离子体的能量，对高温激光等离子体的产生造成影响。影响的严重程度取决于软物质在遭受等离子体产生过程的冲击时所呈现出的硬度。因此，寻找一个可灵敏表征固体微颗粒堆积物硬度(也即表征松散堆积物中颗粒粒径)的探针，有望将LIBS技术拓展应用到松散颗粒堆积物中粒度的在线/原位检测。已公开的文献中较多的报道了松散微颗粒堆积物放置特殊托盘内(专利申请公开号：CN102798625B)和特制的样品室内(专利申请公开号：CN105136752A)后使用LIBS技术对其组分含量进行分析。这些工作表明了在组分分析前对样品的放置方式做某些限定，在一定程度上能够提高LIBS技术分析具有软物质特性的松散颗粒堆积物的精度，但是这些文献中从未对激光诱导击穿光谱技术应用于检测松散堆积物中颗粒粒度的问题进行讨论。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于激光诱导击穿光谱技术检测松散颗粒堆积物粒度尺寸的方法、系统及存储介质，其能方便快捷的实现颗粒堆积物的粒度大小的检测。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测方法，其包括以下步骤：1)准备N个粒度不同的松散颗粒堆积物样品，组成一组颗粒堆积物样品集，得到各样品中的颗粒粒度分布；2)将颗粒堆积物样品集中的样品依次放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取各个样品对应的特征光谱图；3)从每个样品的特征光谱图中选取两条特征谱线，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值，得到两条谱线的强度比；4)将测量得到的比值作为表征松散颗粒堆积物中粒度尺寸的探针，采用这组样品集中每个样品的两条选定谱线的光谱强度比构建光谱数据与颗粒粒度的标定关系；5)获得待测松散颗粒堆积物的特征光谱数据；6)根据待测松散颗粒堆积物对应的特征发射光谱数据，将该光谱数据与标定关系进行比对，获得待测颗粒堆积物中的颗粒粒度。

进一步，所述特征光谱图的获取方法包括以下步骤：

2.1)以脉冲激光为激发光源，经过聚焦透镜聚焦后的激光与样品表面相互作用产生等离子体；

2.2)等离子体产生的辐射光信号进入采集透镜，通过光纤导入光谱仪，经过光谱仪后转化成电信号被计算机采集，得到堆积物中元素的特征光谱图；

2.3)采集M个激光脉冲对应的光谱图并做平均，得到该样品对应的特征光谱图。

进一步，所述步骤2.2)中，采集透镜采用垂直于堆积物表面方向收集光信号。

进一步，在测量激光等离子体发射谱线的过程中，将样品设置为快速平移。

进一步，设置激光运行在低脉冲频率模式。

进一步，所述两条谱线的强度比获取方法为：从每个样品的光谱图中选取具有相同含量的元素对应的未发生饱和吸收、且不是来自于同一上能级的两条特征谱线，求得这两条特征谱线的积分面积，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值。

进一步，所述两个特征谱线的强度比R为：

其中，C是常数，k是玻尔兹曼常数，E₁和E₂分别是两特征发射谱线所对应的上能级，T_exc是等离子温度。

一种松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测系统，其包括：第一处理模块、第二处理模块、强度比获取模块、标定关系构建模块、第三处理模块和颗粒粒度检测模块；所述第一处理模块：准备N个粒度不同的松散颗粒堆积物样品，组成一组颗粒堆积物样品集，得到各样品中的颗粒粒度分布；所述第二处理模块：将颗粒堆积物样品集中的样品依次放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取各个样品对应的特征光谱图；所述强度比获取模块：从每个样品的特征光谱图中选取两条特征谱线，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值，得到两条谱线的强度比；所述标定关系构建模块：将测量得到的比值作为表征松散颗粒堆积物中粒度尺寸的探针，采用这组样品集中每个样品的两条选定谱线的光谱强度比构建光谱数据与颗粒粒度的标定关系；所述第三处理模块：用于获得待测松散颗粒堆积物的特征光谱数据；所述颗粒粒度检测模块：根据待测松散颗粒堆积物对应的特征发射光谱数据，将该光谱数据与标定关系进行比对，获得待测颗粒堆积物中的颗粒粒度。

一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。

一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述的方法中的任一方法的指令。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、相比现有的检测方法和仪器，本发明基于LIBS原子发射谱的测量技术，提供一个可灵敏表征松散微颗粒堆积物中粒度大小的探针，并使用该探针方便快捷的实现颗粒堆积物的粒度大小的检测。本发明具有无需特别取样，操作方便，分析速度快的优点，可以在现场对颗粒堆积物的粒度进行检测，并借助粒度的测量结果评估颗粒堆积系统的软硬程度。2、本发明采用LIBS技术中所涉及的激光等离子体形成过程中引起的微弱冲击力，对松散微颗粒堆积物中颗粒粒径进行检测的灵敏度高；随着手持式LIBS商业设备的逐步完善，本发明具有方便快捷的原位、实时检测特点。

附图说明

图1是本发明检测方法的整体流程示意图。

图2是谱线强度比值随松散颗粒堆积物样品中颗粒粒度中心尺寸的变化曲线图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图和实施例对本发明做进一步的介绍。

在本发明的第一实施方式中，提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测方法，该方法采用激光诱导等离子体的发射谱线特征来表征松散微颗粒堆积物中的颗粒粒度大小。如图1所示，该检测方法包括以下步骤：

1)准备N个粒度不同的松散颗粒堆积物样品，组成一组颗粒堆积物样品集，得到各样品中的颗粒粒度分布，每个堆积物样品分别标记为S₁,S₂,S₃,……S_N。

在本实施例中，各样品中的颗粒粒度分布的获取方法采用已有方法，例如SEM。

优选的，每个松散堆积物样品所含主元素相同、表面平整、堆积厚度大于10毫米。

2)将颗粒堆积物样品集中的样品依次放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取各个样品对应的特征光谱图；

首先，从步骤1)中的这组颗粒堆积物样品集中任选一个样品放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取该样品对应的特征光谱图；

其次，对颗粒堆积物样品集中其它松散堆积物样品依次重复步骤2)，最终得到这组样品各自对应的特征光谱图；

具体包括以下步骤：

2.1)以脉冲激光为激发光源，经过聚焦透镜聚焦后的激光与样品表面相互作用产生等离子体；

2.2)等离子体产生的辐射光信号进入采集透镜，通过光纤导入光谱仪，经过光谱仪后转化成电信号被计算机采集，得到堆积物中元素的特征光谱图；

优选的，采集透镜采用垂直于堆积物表面方向收集光信号；

2.3)采集M个激光脉冲对应的光谱图并做平均，得到该样品对应的特征光谱图；

在本实施例中，在测量激光等离子发射谱线的过程中，将样品设置为快速平移。其中，快速是以先前激光脉冲产生的冲击坑的大小为参照点，确保后续激光脉冲与完全没有遭受先前激光脉冲干扰到的颗粒表面相互作用；

设置激光运行在低脉冲频率模式。其中，低重复频率是以先前激光脉冲产生的溅射物回落为参照点，确保先前激光脉冲与颗粒靶面相互作用飞溅起来的颗粒在下一激光脉冲到来之前已经回落；

整个测量过程中，设备参数(包括激光烧蚀参数、发射光的收集参数等)均保持恒定。

3)从每个样品的特征光谱图中选取两条特征谱线，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值，即为两条谱线的强度比；

具体为：从每个样品的光谱图中选取具有相同含量的元素对应的未发生饱和吸收、且不是来自于同一上能级的两条特征谱线，求得这两条特征谱线的积分面积，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值；

4)测量到的两个特征谱线的比值可表征松散微颗粒堆积物中颗粒粒度的大小，故将测量得到的比值作为表征松散颗粒堆积物中粒度尺寸的探针。采用这组样品集中每个样品的两条选定谱线的光谱强度比构建光谱数据与颗粒粒度的标定关系。

标定曲线是通过拟合不同颗粒尺寸下的光谱强度比值而构建，在这条曲线上颗粒尺寸和光谱强度比呈一一对应关系。

5)采用与步骤2)相同的方法获得待测松散颗粒堆积物的特征光谱数据；

6)根据待测松散颗粒堆积物对应的特征发射光谱数据，将该光谱数据与步骤4)的标定关系进行比对，最终获得待测颗粒堆积物中的颗粒粒度。

上述各步骤中，两个特征谱线的强度比R为：

其中，C是常数，k是玻尔兹曼常数，E₁和E₂分别是两特征发射谱线所对应的上能级，T_exc是等离子温度。

在本发明的第二实施方式中，提供一种松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测系统，其包括第一处理模块、第二处理模块、强度比获取模块、标定关系构建模块、第三处理模块和颗粒粒度检测模块；

第一处理模块：准备N个粒度不同的松散颗粒堆积物样品，组成一组颗粒堆积物样品集，得到各样品中的颗粒粒度分布；

第二处理模块：将颗粒堆积物样品集中的样品依次放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取各个样品对应的特征光谱图；

强度比获取模块：从每个样品的特征光谱图中选取两条特征谱线，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值，得到两条谱线的强度比；

标定关系构建模块：将测量得到的比值作为表征松散颗粒堆积物中粒度尺寸的探针，采用这组样品集中每个样品的两条选定谱线的光谱强度比构建光谱数据与颗粒粒度的标定关系；

第三处理模块：获得待测松散颗粒堆积物的特征光谱数据；

颗粒粒度检测模块：根据待测松散颗粒堆积物对应的特征发射光谱数据，将该光谱数据与标定关系进行比对，获得待测颗粒堆积物中的颗粒粒度。

在本发明的第三实施方式中，提供一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，一个或多个程序包括指令，指令当由计算设备执行时，使得计算设备执行第一实施方式中的任一方法。

在本发明的第四实施方式中，提供一种计算设备，其包括一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在存储器中并被配置为一个或多个处理器执行，一个或多个程序包括用于执行第一实施方式中的任一方法的指令。

综上，本发明在使用时，一束脉冲激光聚焦在松散颗粒堆积物的表面，烧蚀松散堆积物表面，紧接着会有大量的粒子(中性原子、带电离子和电子等)从表面出射形成激光等离子体。等离子体的形成过程中，会对物质表面施加一反冲力。在施加反冲力的过程中，松散堆积物系统会吸收部分出射粒子的动能(这部分被颗粒系统吸收的能量本应该用于后续等离子体的加热)，导致堆积物系统的颗粒飞溅和冲击坑的产生。颗粒物质吸收出射粒子动能的多少与颗粒堆积物的粒度密切相关(因为粒度决定了松散堆积物系统的力链大小，从而决定了这个系统在遭受等离子体产生过程的冲击时所呈现出的硬度)，使得后续作为发射源的等离子体具有了粒度依赖的激发温度。例如，粒度尺寸越小，吸收的本应该用来加热等离子体的出射粒子的动能就会越多，对应后续作为发射源的等离子温度就会越低。在激光等离子体处于局部热平衡的状态下，来自于等离子体中的同一元素发射的两个特征谱线的强度比R仅是等离子体温度的函数，因此比值R可作为表征微颗粒堆积物颗粒粒度的探针。进一步考虑到，等离子体温度这一参数出现在了强度比R计算公式的幂指数中，表明了比值R相对于等离子温度自身而言，能够更灵敏的表征微颗粒堆积物中颗粒粒径的大小。

实施例：

本实施例仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。利用单质铜球微颗粒堆积物为例，对本发明的检测方法进行阐述。本实施例的检测方法包括以下步骤：

1)采用具有窄粒度尺寸分布、粒度中心尺寸(d)为218±15,190±15,165±10,132±10,109±5,95±5,77±5,69±5,and 49±5μm的9种铜球颗粒物组成一组样品集。每个样品颗粒自然堆积在70mm*70mm*10mm的长方体盒中，堆积物表面在不加任何压力的情况下轻轻刮平；

2)将准备的9个样品集依次放置于LIBS装置的二维移动平台上，平台移动速度设置为0.8cm/s，激光脉冲能量设置为120mJ，激光重复频率设置为1Hz，焦平面在样品表面以下12mm处，此时样品表面激光光斑直径约为700μm。采用垂直于样品表面方向收集等离子体辐射光谱。对每一个样品在80个不同测量点采集80幅单激光脉冲对应的特征光谱。

3)对每个样品对应的80幅单脉冲光谱图叠加，得到对应样品中Cu元素的两个特征谱线(在本实施例中选择谱线1为515.3nm和谱线2为510.6nm)的发射强度，计算对应的这两个特征谱线的强度比值R，绘制谱线强度比值R随d的变化曲线，如图2所示。

4)以粒度尺寸为横坐标，对应的谱线强度比为纵坐标建立颗粒堆积物的粒度定标关系曲线。

在不同的实施例中，定标关系可利用多元回归、单变量拟合、偏最小二乘法或神经网络方法建立。

在优选的实施例中，对等离子体特征光谱数据进行预处理，选择合适的谱线进行比较(两条选定的谱线至少满足无饱和吸收，不能来自同一个上能级)。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

Claims (10)

1.一种松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)准备N个粒度不同的松散颗粒堆积物样品，组成一组颗粒堆积物样品集，得到各样品中的颗粒粒度分布；

2)将颗粒堆积物样品集中的样品依次放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取各个样品对应的特征光谱图；

在测量激光等离子发射谱线的过程中，将样品设置为快速平移，快速是以先前激光脉冲产生的冲击坑的大小为参照点，确保后续激光脉冲与完全没有遭受先前激光脉冲干扰到的颗粒表面相互作用；

设置激光运行在低脉冲频率模式，低重复频率是以先前激光脉冲产生的溅射物回落为参照点，确保先前激光脉冲与颗粒靶面相互作用飞溅起来的颗粒在下一激光脉冲到来之前已经回落；

3)从每个样品的特征光谱图中选取具有相同含量的元素对应的未发生饱和吸收、且不是来自于同一上能级的两条特征谱线，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值，得到两条特征谱线的强度比；

4)将测量得到的比值作为表征松散颗粒堆积物中粒度尺寸的探针，采用这组样品集中每个样品的两条特征谱线的强度比构建光谱数据与颗粒粒度的标定关系；

5)获得待测松散颗粒堆积物的特征光谱图；

6)根据待测松散颗粒堆积物对应的特征光谱图，将该特征光谱图与标定关系进行比对，获得待测颗粒堆积物中的颗粒粒度。

2.如权利要求1所述检测方法，其特征在于，所述特征光谱图的获取方法包括以下步骤：

2.1)以脉冲激光为激发光源，经过聚焦透镜聚焦后的激光与样品表面相互作用产生等离子体；

2.2)等离子体产生的辐射光信号进入采集透镜，通过光纤导入光谱仪，经过光谱仪后转化成电信号被计算机采集，得到堆积物中元素的特征光谱图；

2.3)采集M个激光脉冲对应的光谱图并做平均，得到该样品对应的特征光谱图。

3.如权利要求2所述检测方法，其特征在于，所述步骤2.2)中，采集透镜采用垂直于堆积物表面方向收集光信号。

4.如权利要求2所述检测方法，其特征在于，在测量激光等离子体发射谱线的过程中，将样品设置为快速平移。

5.如权利要求2所述检测方法，其特征在于，设置激光运行在低脉冲频率模式。

6.如权利要求1所述检测方法，其特征在于，所述两条特征谱线的强度比获取方法为：从每个样品的光谱图中选取具有相同含量的元素对应的未发生饱和吸收、且不是来自于同一上能级的两条特征谱线，求得这两条特征谱线的积分面积，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值。

7.如权利要求6所述检测方法，其特征在于，所述两条特征谱线的强度比R为：

其中，C是常数，k是玻尔兹曼常数，E₁和E₂分别是所述两条特征谱线所对应的上能级，T_exc是等离子温度。

8.一种松散颗粒堆积物粒度尺寸的检测系统，其特征在于，包括：第一处理模块、第二处理模块、强度比获取模块、标定关系构建模块、第三处理模块和颗粒粒度检测模块；

所述第一处理模块：准备N个粒度不同的松散颗粒堆积物样品，组成一组颗粒堆积物样品集，得到各样品中的颗粒粒度分布；

所述第二处理模块：将颗粒堆积物样品集中的样品依次放在LIBS系统的样品平台上，进行激光等离子体的发射谱线测量，获取各个样品对应的特征光谱图；在测量激光等离子发射谱线的过程中，将样品设置为快速平移，快速是以先前激光脉冲产生的冲击坑的大小为参照点，确保后续激光脉冲与完全没有遭受先前激光脉冲干扰到的颗粒表面相互作用；设置激光运行在低脉冲频率模式，低重复频率是以先前激光脉冲产生的溅射物回落为参照点，确保先前激光脉冲与颗粒靶面相互作用飞溅起来的颗粒在下一激光脉冲到来之前已经回落；

所述强度比获取模块：从每个样品的特征光谱图中选取具有相同含量的元素对应的未发生饱和吸收、且不是来自于同一上能级的两条特征谱线，并分别计算每个样品对应的这两条特征谱线积分面积的比值，得到两条特征谱线的强度比；

所述标定关系构建模块：将测量得到的比值作为表征松散颗粒堆积物中粒度尺寸的探针，采用这组样品集中每个样品的两条特征谱线的强度比构建光谱数据与颗粒粒度的标定关系；

所述第三处理模块：用于获得待测松散颗粒堆积物的特征光谱图；

所述颗粒粒度检测模块：根据待测松散颗粒堆积物对应的特征光谱图，将该特征光谱图与标定关系进行比对，获得待测颗粒堆积物中的颗粒粒度。

9.一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，其特征在于，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行如权利要求1至7所述方法中的任一方法。

10.一种计算设备，其特征在于，包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行如权利要求1至7所述的方法中的任一方法的指令。

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