CN112881347A - 诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法，系统包括激光器、耦合模块、光谱仪、控制模块和诊断探头；控制模块输出第一控制指令，以使激光器输出第一光信号，第一光信号经耦合模块耦合至光纤并传输至聚焦探头，聚焦探头将第一光信号聚焦至金属衬底以产生等离子体，被探测气体在等离子体的作用下产生第二光信号；控制模块输出第二控制指令，第二控制指令作用于光谱仪，以使光谱仪对聚焦探头采集的第二光信号进行光谱测试。本发明的目的在于提供一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法，能在气体击穿阈值下进行气体成分与混合比的远程探测，具有实时响应、在线测量、应对恶劣环境的优势。
Description
技术领域
本发明涉及光谱测试领域，具体涉及一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法。
背景技术
大气污染物、空气中的有毒物质测量一直是科学研究以及社会关注的重大问题，发动机燃料混合比、尾气成分测量也是航空航天亟待解决的关键问题，所有以上场景都涉及到如何远程实时地进行气体成分测量。激光诱导击穿光谱技术(LIBS)是一种原子光谱技术，主要用于元素的检测，原理是采用激光等离子的发光光谱中谱线的波长、强度等信息分析材料所含元素以及各元素成分之间的比例，具有简便、快速、无需样品预处理、多元素同时测量、复杂环境原位实时检测等优点。LIBS在环境检测、工业控制、生物安全、矿产勘探等方面具有巨大的应用前景。
LIBS同样可以应用于气体成分的检测，然而气体的击穿阈值相比固体或者金属材料高100倍以上。受制于空气的击穿能量要求，目前激光诱导击穿光谱对气体成分的测量都采用短焦透镜进行高能激光聚焦，该方法对激光的能量以及诊断布局都要求极高，且激光只能采用空间光传输的方式，使用起来不太方便，离工程应用还有较远的距离。
发明内容
本发明的目的在于提供一种诊断探头、气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统及方法，能在气体击穿阈值下进行气体成分与混合比的远程探测，具有实时响应、在线测量、应对恶劣环境的优势。
本发明通过下述技术方案实现：
一种诊断探头，所述诊断探头是一个用于激光诱导击穿光谱的诊断探头，包括聚焦探头和金属衬底，所述金属衬底设置在所述聚焦探头的焦点处。
优选地，所述金属衬底为铜板或铝板。
一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统，包括激光器、耦合模块、光谱仪、控制模块以及如上所述的诊断探头；其中，所述耦合模块和所述诊断探头通过光纤连接；
所述控制模块输出第一控制指令，所述第一控制指令作用于所述激光器，以使所述激光输出第一光信号，所述第一光信号经所述耦合模块耦合至所述光纤并经所述光纤传输至所述聚焦探头，所述聚焦探头将所述第一光信号聚焦至所述金属衬底，所述金属衬底在所述第一光信号的作用下产生等离子体，被探测气体在所述等离子体的作用下产生第二光信号；
所述控制模块输出第二控制指令，所述第二控制指令作用于所述光谱仪，以使所述光谱仪对所述聚焦探头采集的所述第二光信号进行光谱测试。
优选地，所述耦合模块包括第一耦合镜头、二向色镜以及第二耦合镜头，所述二向色镜与所述聚焦探头通过所述光纤连接；
当所述激光器输出所述第一光信号时，所述第一光信号经所述第一耦合镜头耦合后传输至所述二向色镜，经所述二向色镜透射后经所述光纤传输至所述聚焦探头；
当所述聚焦探头采集到所述第二光信号时，所述第二光信号经所述光纤传输至所述二向色镜，经所述二向色镜反射后传输至所述第二耦合镜头，所述第二耦合镜头将所述第二光信号耦合至所述光谱仪。
优选地，所述控制模块包括同步控制单元，所述同步控制单元用于同步生成所述第一控制指令和所述第二控制指令。
使用如上所述的一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统的方法，包括以下步骤：
S1：获取第一控制指令，所述第一控制指令用于控制激光器输出第一光信号；
S2：获取第二光信号，所述第二光信号由被探测气体与等离子体碰撞获取，所述等离子体由所述第一光信号与金属衬底作用生成；
S3：获取被测气体光谱，所述被测气体光谱由光谱仪对所述第二光信号检测获取。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、在激光能量低于气体击穿阈值下，实现气体LIBS光谱测量；
2、采用光纤作为传输介质，实现待测气体的远程诊断；
3、在被探测气体位置，仅需安装一个探头，能够进行恶劣环境气体成分诊断，使用方便、灵活；
4、相比其他气体诊断手段，无需气体采集，具有实时在线的能力，诊断响应时间快。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明诊断探头的结构示意图；
图2为本发明的系统框图；
图3为本发明远程激光诱导击穿光谱气体成分诊断结果示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
一种诊断探头，如图1所示，包括聚焦探头和金属衬底，金属衬底设置在聚焦探头的焦点处。
在气体成分的检测中，由于气体的击穿阈值相比固体或者金属材料高100倍以上，受制于空气的击穿能量要求，目前激光诱导击穿光谱对气体成分的测量都采用短焦透镜进行高能激光聚焦，由于高能量的激光信号杀伤力很大且激光信号肉眼不可见，很容易对工作人员咋成伤害。因此，使用该方法对被测气体进行测试时，对激光的能量以及诊断布局都要求极高；此外，由于在此种方式下，激光只能采用空间光传输的方式，使用起来不太方便，离工程应用还有较远的距离。
基于此，发明人设计了一个用于激光诱导击穿光谱的诊断探头，该诊断探头包括聚焦探头和金属衬底，且金属衬底设置在聚焦探头的焦点处。当激光光束经聚焦探头聚焦至金属衬底上时，金属衬底被激光光束烧蚀后产生等离子体，等离子体向外膨胀并与周围被测气体碰撞，被测气体被碰撞发光，该发光信号被诊断探头采集，从而可以对被探测气体的光谱进行测试。
在本方案中，通过诊断探头对激光光束聚焦，使得激光光束的能量集中，将小能量光束信号转变为大能量光束信号，从而使得金属衬底在大能量光束信号的作用下产生等离子体，并利用产生的等离子体与被测气体碰撞以使得被测气体发光。相比于现有技术中，通过使用大能量的激光光束信号击穿被测气体，不仅降低了激光光束的功率，同时由于激光光束能量较低，增加了测试过程的安全性。
进一步地，在本实施例中，金属衬底设置为铜板或铝板。
一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统，如图2所示，包括激光器、耦合模块、光谱仪、控制模块以及如上所述的诊断探头；
具体地，在本实施例中，耦合模块包括第一耦合镜头、二向色镜以及第二耦合镜头，且二向色镜与聚焦探头通过光纤连接。当激光器输出第一光信号时，第一光信号经第一耦合镜头耦合至二向色镜，并经二向色镜透射后经光纤传输至聚焦探头；当聚焦探头采集到第二光信号时，第二光信号经光纤传输至二向色镜，经二向色镜反射后传输至第二耦合镜头，第二耦合镜头将第二光信号耦合至光谱仪进行探测。
控制模块包括同步控制单元，同步控制单元用于同步生成第一控制指令和第二控制指令，由于光束的传播速度较快，为使得光谱仪能准确的对第二光信号进行探测，第一控制指令和第二控制指令同步生成。
工作时，控制模块同时发出第一控制指令和第二控制指令，其中，第一控制指令作用于激光器，使得激光器输出第一光信号，第一光信号被第一耦合模块耦合至光纤中，并被传输至聚焦探头，从而聚焦在金属衬底产生等离子体；被测气体在等离子体的碰撞下产生第二光信号，聚焦探头采集第二光信号并通过光纤将第二光信号传输至二向色镜，二向色镜对第二光信号反射后传输至第二耦合模块，从而被第二耦合模块耦合至光谱仪，光谱仪在第二控制指令的作用下对第二光信号进行光谱探测和分析，从而获取被探测气体的成分与混合比。如图3所示，图3为本申请采用Cu板作为金属衬底对空气以及氦气进行成分辨识和测量的结果。
相比传统的LIBS气体诊断方法，本申请公开的诊断系统可以在气体击穿阈值以下实现气体的成分辨识，同时采用光纤传输的方法实现了远程成分的诊断。相比其他的气体光谱诊断技术，本方法具有实时响应、在线测量、应对恶劣环境的优势。且本申请的诊断系统不仅能应用于空气中有毒有害物质成分检测，还能应用于原位实时在线的发动机燃料混合比、尾气排放成分、各种燃烧烟气的物质成分测量。
使用如上所述的一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统的方法，包括以下步骤：
S1：获取第一控制指令，第一控制指令用于控制激光器输出第一光信号；
S2：获取第二光信号，第二光信号由被探测气体与等离子体碰撞获取；其中，等离子体由第一光信号与金属衬底作用生成；
S3：获取被测气体光谱，被测气体光谱由光谱仪对第二光信号检测获取。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种诊断探头，其特征在于，所述诊断探头是一个用于激光诱导击穿光谱的诊断探头，包括聚焦探头和金属衬底，所述金属衬底设置在所述聚焦探头的焦点处。
2.根据权利要求1所述的一种诊断探头，其特征在于，所述金属衬底为铜板或铝板。
3.一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统，其特征在于，包括激光器、耦合模块、光谱仪、控制模块以及如权利要求1或2所述的诊断探头；其中，所述耦合模块和所述诊断探头通过光纤连接；
所述控制模块输出第一控制指令，所述第一控制指令作用于所述激光器，以使所述激光输出第一光信号，所述第一光信号经所述耦合模块耦合至所述光纤并经所述光纤传输至所述聚焦探头，所述聚焦探头将所述第一光信号聚焦至所述金属衬底，所述金属衬底在所述第一光信号的作用下产生等离子体，被探测气体在所述等离子体的作用下产生第二光信号；
所述控制模块输出第二控制指令，所述第二控制指令作用于所述光谱仪，以使所述光谱仪对所述聚焦探头采集的所述第二光信号进行光谱测试。
4.根据权利要求3所述的一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统，其特征在于，所述耦合模块包括第一耦合镜头、二向色镜以及第二耦合镜头，所述二向色镜与所述聚焦探头通过所述光纤连接；
当所述激光器输出所述第一光信号时，所述第一光信号经所述第一耦合镜头耦合至所述二向色镜，并经所述二向色镜透射后经所述光纤传输至所述聚焦探头；
当所述聚焦探头采集到所述第二光信号时，所述第二光信号经所述光纤传输至所述二向色镜，经所述二向色镜反射后传输至所述第二耦合镜头，所述第二耦合镜头将所述第二光信号耦合至所述光谱仪。
5.根据权利要求4所述的一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统，其特征在于，所述控制模块包括同步控制单元，所述同步控制单元用于同步生成所述第一控制指令和所述第二控制指令。
6.使用如权利要求3-5中任意一项所述的一种气体成分的激光诱导击穿光谱诊断系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：获取第一控制指令，所述第一控制指令用于控制激光器输出第一光信号；
S2：获取第二光信号，所述第二光信号由被探测气体与等离子体碰撞获取，所述等离子体由所述第一光信号与金属衬底作用生成；
S3：获取被测气体光谱，所述被测气体光谱由光谱仪对所述第二光信号检测获取。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20210601 |
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