CN112964695A - 一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪及工作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，首先将待测样品置于样品旋转台上；让激光组件和透镜在待测样品上实现共聚焦；选择合适的激光光源；激光光源经透镜将能量集中在待测样品中心区域，激光将能量传递给待测样品使样品转化为离子态，并得以激发放射出与待测物直接相关的各种波段光波；上一步骤中光波辐射中心位于样品正上方的透镜的焦点上，透镜收集到的各波段组合光以平行光照射到直角棱镜，光线经直角棱镜后发生光路90度偏转，经遮光筒汇聚后导入光室；光线在光室内完成分光到分析检测系统实现定性和定量分析。本发明工作过程较为简单，能够选择不同的激光头，还能够实现自动对焦，有效提升其检测的质量与效率。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪技术领域，特别涉及一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪及其工作方法。
背景技术
激光诱导击穿光谱仪，(libs：Laser-Induced Breakdown Spectroscopy)是通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，利用光谱仪对等离子体发射光谱进行分析，以此来识别样品中的元素组成成分，进而材料的识别、分类、定性以及定量分析。
原子发射光谱的获得主要包括物质的气化和激发态跃迁两个过程。物质的气化是利用高能量将待测物质由固态或液态转化为气态，转化的气态物质以等离子体形式存在，对于不同待测物质，其气化温度不同，因而在物质状态转化时需要的转化能量也不同。然而并非提供的能量越大越好，从实用角度讲，应该根据期望获得的等离子体中原子和离子的粒子数比例、及激发态跃迁时期望获得的元素对应的谱线种类(原子谱线或离子谱线)，提供适当的激发能量以获得某种类型更强的谱线。因而采用能量可调的激发光源，在实际调配等离子中原子与离子数目比时具有实际效用。
在外界环境温度固定情况下，物质发射光谱强度依赖于可供激发的粒子数及跃迁能级差。由于电子跃迁时能量的量子化，某元素波长的获得只与激光单次发射的能量有关；多次累积发射的激光无法激发出能量更高波长更短的波长，只能实现物质激发粒子数的累积。因而配置某固定波长的激光作为激发光源，在粒子种类和数量按需调配、难激发物质光谱获取时，无法做到以一个固定激光光源固定激光光源来满足能量可调可控的实际需求。
在粒子种类和数量按需调配的实现上，一种解决办法是在样品制备时人为添加一些特定电离度的元素通过调节激发温度来实现待测物等离子中粒子种类和数量的调控作用。人为元素的引入，一来给定量分析带来干扰，二来单纯元素的可获得性又制约了其理论向实用转化的可操作性。
另外一种解决办法是配置市面上能量较高的激光器，在应用时做不同程度衰减，常用的激光能量衰减方法为偏振衰减法和电动功率衰减法，利用能量衰减后的激发光源来调节激发粒子类型并获得期望的被测原子的激发波长，如难于激发物质的发射光谱。然而，这种能量衰减程度固定在一定范围，对于有更宽能量需求的用户，无法实现一个libs满足用户宽能量需求。
且在检测的过程中，现有的光谱仪经常需要不断的进行人工对焦，其不仅影响检测的进度和检测的精准度，同时也会耗费一定的人工和时间，因而现有的光谱仪还有待于改进。
发明内容
发明目的：为了克服以上不足，本发明的目的是提供一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪，其结构简单，设计合理，对光谱仪的结构进行了优化，通过在激光头安装支架上同时安装多个激光头，让其能够根据实际的需要选择不同的激光头，满足用户对宽激发能量的需求，以更为灵活的方式获得粒子种类和数量的调控，并为难激发物质的激发提供更多选择；同时，该光谱仪大大的提高了激光光源与样品距离的精准性，保证了每次激光发射立体角的一致性。同时，激光激光束以近乎掠入射角打到样品表面，可最大化利用，可最大化利用样品发射的光谱。
技术方案：为了实现上述目的，本发明提供了一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：具体的工作方法如下：
1)：首先将待测样品置于样品台的样品旋转台上；
2)：通过第一测距仪和第二测距仪进行距离检测，并通过数据分析模块对检测的数据进行分析，并将检测和分析的结构反馈给控制机构，然后控制机构根据接收到的数据通过控制升降驱动机构和旋转驱动机构调整样品旋转台的上下以及左右位置，让激光组件和透镜在待测样品上实现共聚焦；
3)：选择合适的激光光源，即通过电机带动激光头安装座转动，在激光头安装座带动下激光头跟随其一起旋转，当激光头发射出的激光波长为需要的激光时，启动激光，激光经过透镜组件汇聚到待测样品表面；
4)：被选定的激光光源经固定的透镜将能量集中在待测样品中心区域，以掠入射照射样品表面，激光将能量传递给待测样品使样品转化为离子态，并得以激发放射出与待测物直接相关的各种波段光波，光波呈锥形向外辐射；
5)：上一步骤中光波辐射中心位于样品正上方的透镜的焦点上，被会透镜收集到的各波段组合光以平行光照射到直角棱镜，直角棱镜摆放在会聚透镜1正上方5-30cm处，光线经直角棱镜后发生光路90度偏转，经位于光室前的遮光筒汇聚后导入光室组件的光室；
6)：光线在光室内完成分光到分析检测系统实现定性和定量分析。
本发明中所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：在步骤2)中让激光头和透镜实现共聚焦的具体方式如下：
1)：已知第一测距仪位置为M1(e’,f)，透镜位置为L2(e,f)，测距仪M1与L2夹角为β，所述第二测距仪位置为L1(c,d)与第一透镜中心夹角为α，α的数值范围为15°～45°；
2)：待测样品放置到样品旋转台上，后被旋转驱动机构带动样品旋转台旋转至透镜正下方，定义为位置1，此时第一激光测距仪实测点落到D1(m,Y)，实测距离为d⊥1，第二测距仪实测点落在D2(X,Y)，实测距离为d∥1；
Y＝f-d⊥1cosβ (式1)
3)：利用样品旋转台下方的升降驱动机构和旋转驱动机构驱动样品旋转台实现上下和左右运动，实现第一测距仪位置M1与第二测距仪位置L1共聚焦于Target(a，Y0)；共聚焦要求样品需置于位置2，共聚焦后测距仪M1到target实测距离为f0，且满足f0＝f2/cosβ；使第二激光测距仪L1到target实测距离为a0，且满足a0＝f1*cosα，其中f2为透镜的焦距，f1为透镜的焦距；
式中，cosβ以首次实测值为准，则cosβ后续默认为：
cosβ＝f0/f2； (式3)
此时，Target的位置坐标Y0满足：
Y0＝f-f2 (式4)
第二激光测距仪L1在位置1和位置2处两次测得的距离差δ：
δ＝a0-d∥1 (式5)
4)：升降驱动机构和旋转驱动机构带动样品从位置1运动到位置2，先后进行了上下移动距离△Y，及水平移动△X；
其中：△Y＝Y-Y0， (式6)
将式1和式4带入式6，得：
ΔY＝f2-d⊥1cosβ (式7)
另有：△X2＝δ2-△Y2 (式8)
将式5和式7带入式8，得：
本发明中所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪，包括：样品台、激光机构、至少一个透镜组件、直角棱镜组件和光室组件，所述样品台中设有工作台和样品旋转台，所述样品旋转台设于工作台上，所述激光机构设于工作台的一侧，所述透镜组件设于样品旋转台的外侧，所述直角棱镜组件设于透镜组件的外侧，且所述透镜组件和直角棱镜组件相互配合，所述光室组件设于样品旋转台的一侧，且所述直角棱镜组件通过遮光筒与光室组件连接。
其中，所述激光机构中设有固定座、激光组件、电机支座和电机，所述固定座设于工作台上，所述激光组件设于固定座上，所述电机支座设于固定座一侧，所述电机设于电机支座上，且所述电机的输出端与激光组件连接。
优选的，所述激光组件中设有激光头安装支架、激光头安装座和一组激光头，所述激光头安装支架设于固定座的上方，所述激光头安装座设于激光头安装支架上，所述激光头设于激光头安装座上，所述电机输出端的驱动轴与激光头安装座做转动式连接，且每个激光头射出的波长不同。
此外，所述样品旋转台的下方设有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构输出端的驱动轴与样品旋转台连接。
进一步的，所述样品旋转台的下方还设有升降驱动机构。
进一步优选的，所述升降驱动机构包括固定座、驱动机构和连接架，所述固定座设于工作台的下方，所述驱动机构设于固定座上，且所述固定座的一侧设有轨道，所述连接架一侧通过滑块与轨道做滑动式连接，下部与驱动机构连接，远离轨道的一侧与旋转驱动机构连接。
更进一步的，所述透镜组件包括支架和透镜，所述支架设于工作台上，所述透镜设于支架上；
所述直角棱镜组件包括第三支架和直角棱镜，所述第三支架设于工作台上，所述直角棱镜设于第三支架上。
此外，所述样品旋转台包括样品旋转台本体，所述样品旋转台本体与旋转驱动机构的输出端连接，且所述样品旋转台本体外侧设有一组样品放置盘。
上述技术方案可以看出，本发明具有如下有益效果：
1、本发明中所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，整个工作过程较为简单，让其能够根据实际的需要选择不同的激光头，满足用户对宽激发能量的需求，以更为灵活的方式获得粒子种类和数量的调控，并为难激发物质的激发配置提供更多选择；同时，在工作过程中，其能够实现自动对焦，该光谱仪大大的提高了激光光源与样品距离的精准性，保证每次激光发射能量一致性，也保证了每次激光收集立体角的一致性，激光以掠射角入射到样品上，可最大化利用样品发射的光谱，提升其检测的质量与效率。
2、本发明所述样品台中设有工作台和样品旋转台，所述样品旋转台的下方设有旋转驱动机构，所述旋转驱动机构的设置，让其能够根据实际需要对样品旋转台进行角度调整。
3、本发明中所述样品旋转台的下方还设有升降驱动机构，所述升降驱动机构的设置，让其能够根据实际检测需要对样品旋转台进行高度调整，从而实现样品旋转台能够实现上下以及左右移动，以完成样品上表面精准调节至用于收集激光的焦点上，且该点同时位于水平方向上的透镜的焦点上让其实现共聚焦，大大的提高了激光光源的精准性。
4、本发明中所述激光机构通过电机带动激光头安装座转动，让激光组件能够实现旋转，让其能够根据实际需要选择对应的激光头，实现一台设备同时搭载多组激光光源，为用户提供更多激发组合选项，实现激发能量大范围可调，按激发需求选择适宜的激光光源，可选性扩大，避免为拓展激发能量而需额外配置另外一台仪器，给使用带来了诸多的便利，减少资源的浪费，同时也减少设备成本的投入。
5、本发明中所述的一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪，其结构简单，设计合理，对光谱仪的结构进行了优化，通过在激光头安装支架上同时安装多个激光头，让其能够根据实际的需要选择不同的激光头，满足用户对宽激发能量的需求，以更为灵活的方式获得粒子种类和数量的调控，并为难激发物质的激发配置提供更多选择；同时，该光谱仪大大的提高了激光光源与样品距离的精准性，保证每次激光发射能量一致性，同时也保证了每次激光收集立体角的一致性，可最大化利用样品发射的光谱，从而让其更好的满足用户的需要。
6、本发明中所述的激光头和透镜实现共聚焦，其整个过程较为简单，通过共聚焦的检测结果来不断的调整样品旋转台位置，让其到达最佳位置，更进一步的提高其检测的精准度。
附图说明
图1为本发明光谱仪的结构示意图；
图2为本发明中另一侧结构示意图；
图3为本发明中旋转驱动机构和升降驱动机构安装示意图；
图4为本发明中外壳的结构示意图；
图5为本发明中激光组件和透镜实现共聚焦的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明。
实施例
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
实施例1
如图1至图4所示的一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪，包括：样品台1、激光机构2、至少一个透镜组件4、直角棱镜组件5和光室组件6，所述样品台1中设有工作台11和样品旋转台12，所述样品旋转台12设于工作台11上，所述激光机构2设于工作台11的一侧，所述透镜组件4设于样品旋转台12的外侧，所述直角棱镜组件5设于透镜组件4的外侧，且所述透镜组件4和直角棱镜组件5相互配合，所述光室组件6设于样品旋转台12的一侧，且所述直角棱镜组件5通过遮光筒7与光室组件6连接。
本实施例中所述激光机构2中设有固定座21、激光组件22、电机支座23和电机24，所述固定座21设于工作台11上，所述激光组件22设于固定座21上，所述电机支座23设于固定座21一侧，所述电机24设于电机支座23上，且所述电机24的输出端与激光组件22连接。
本实施例中所述激光组件22中设有激光头安装支架221、激光头安装座222和一组激光头223，所述激光头安装支架221设于固定座21的上方，所述激光头安装座222设于激光头安装支架221上，所述激光头223设于激光头安装座222上，所述电机24输出端的驱动轴与激光头安装座222做转动式连接，且每个激光头223射出的波长不同。
本实施例中所述样品旋转台12的下方设有旋转驱动机构121，所述旋转驱动机构121输出端的驱动轴与样品旋转台12连接。
本实施例中所述样品旋转台12的下方还设有升降驱动机构122。
本实施例中所述升降驱动机构122包括固定座1221、驱动机构1222和连接架1223，所述固定座1221设于工作台11的下方，所述驱动机构1222设于固定座1221上，且所述固定座1221的一侧设有轨道1224，所述连接架1223一侧通过滑块与轨道1224做滑动式连接，下部与驱动机构1222连接，远离轨道1224的一侧与旋转驱动机构121连接。
本实施例中所述透镜组件4包括支架41和透镜42，所述支架41设于工作台11上，所述透镜42设于支架41上；
所述直角棱镜组件5包括第三支架51和直角棱镜52，所述第三支架51设于工作台11上，所述直角棱镜52设于第三支架51上。
本实施例中所述样品旋转台12包括样品旋转台本体1211，所述样品旋转台本体1211与旋转驱动机构121的输出端连接，且所述样品旋转台本体1211外侧设有一组样品放置盘1212。
实施例2
如图1至图4所示的一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪，包括：样品台1、激光机构2、至少一个透镜组件4、直角棱镜组件5和光室组件6，所述样品台1中设有工作台11和样品旋转台12，所述样品旋转台12设于工作台11上，所述激光机构2设于工作台11的一侧，所述透镜组件4设于样品旋转台12的外侧，所述直角棱镜组件5设于透镜组件4的外侧，且所述透镜组件4和直角棱镜组件5相互配合，所述光室组件6设于样品旋转台12的一侧，且所述直角棱镜组件5通过遮光筒7与光室组件6连接。
本实施例中所述激光机构2中设有固定座21、激光组件22、电机支座23和电机24，所述固定座21设于工作台11上，所述激光组件22设于固定座21上，所述电机支座23设于固定座21一侧，所述电机24设于电机支座23上，且所述电机24的输出端与激光组件22连接。
本实施例中所述激光组件22中设有激光头安装支架221、激光头安装座222和一组激光头223，所述激光头安装支架221设于固定座21的上方，所述激光头安装座222设于激光头安装支架221上，所述激光头223设于激光头安装座222上，所述电机24输出端的驱动轴与激光头安装座222做转动式连接，且每个激光头223射出的波长不同。
本实施例中所述样品旋转台12的下方设有旋转驱动机构121，所述旋转驱动机构121输出端的驱动轴与样品旋转台12连接。
本实施例中所述样品旋转台12的下方还设有升降驱动机构122。
本实施例中所述升降驱动机构122包括固定座1221、驱动机构1222和连接架1223，所述固定座1221设于工作台11的下方，所述驱动机构1222设于固定座1221上，且所述固定座1221的一侧设有轨道1224，所述连接架1223一侧通过滑块与轨道1224做滑动式连接，下部与驱动机构1222连接，远离轨道1224的一侧与旋转驱动机构121连接。
本实施例中所述透镜组件4包括支架41和透镜42，所述支架41设于工作台11上，所述透镜42设于支架41上；
所述直角棱镜组件5包括第三支架51和直角棱镜52，所述第三支架51设于工作台11上，所述直角棱镜52设于第三支架51上。
本实施例中所述样品旋转台12包括样品旋转台本体1211，所述样品旋转台本体1211与旋转驱动机构121的输出端连接，且所述样品旋转台本体1211外侧设有一组样品放置盘1212。
本实施例中所述光室组件6包括光室支架61、光室62和电脑主机63，所述光室支架61设于工作台11上，所述光室62通过减震支座64安装于光室支架61的上方，所述电脑主机63设于工作台11上，并置于光室支架61下方，且所述光室62内的检测器通过数据处理模块与电脑主机63连接。
本实施例中还包括外壳8，所述外壳8设于工作台11上，且所述外壳8上设有放样窗81。
实施例3
本实施例中所述的一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：具体的工作方法如下：
1)：首先将待测样品置于样品台1的样品旋转台12上；
2)：通过第一测距仪和第二测距仪进行距离检测，并通过数据分析模块对检测的数据进行分析，并将检测和分析的结构反馈给控制机构，然后控制机构根据接收到的数据通过控制升降驱动机构122和旋转驱动机构121调整样品旋转台12的上下以及左右位置，让激光组件2和透镜42在待测样品上实现共聚焦；
3)：选择合适的激光光源，即通过电机24带动激光头安装座222转动，在激光头安装座222带动下激光头223跟随其一起旋转，当激光头223发射出的激光波长为需要的激光时，启动激光，激光经过第一透镜组件3汇聚到待测样品表面；
4)：被选定的激光光源经固定的第一透镜32将能量集中在待测样品中心区域，以掠入射照射样品表面，激光将能量传递给待测样品使样品转化为离子态，并得以激发放射出与待测物直接相关的各种波段光波，光波呈锥形向外辐射；
5)：上一步骤中光波辐射中心位于样品正上方的第一透镜32的焦点上，被会透镜42收集到的各波段组合光以平行光照射到直角棱镜52，直角棱镜52摆放在会聚透镜1正上方5-30cm处，光线经直角棱镜52后发生光路90度偏转，经位于光室前的遮光筒7汇聚后导入光室组件6的光室62；
6)：光线在光室62内完成分光到分析检测系统实现定性和定量分析。
如图5所示本实施例中可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：在步骤2中让激光头223和透镜42实现共聚焦的具体方式如下：
1)：已知第一测距仪位置为M1(e’，f)，透镜42位置为L2(e，f)，测距仪M1与L2夹角为β，所述第二测距仪L1(c，d)与透镜32中心夹角为α，α的数值范围为15°～45°；
2)：待测样品放置到样品旋转台12上，后被旋转驱动机构121带动样品旋转台12旋转至透镜42正下方，定义为位置1，此时第一激光测距仪实测点落到D1(m，Y)，实测距离为d⊥1，第二测距仪实测点落在D2(X，Y)，实测距离为d//1；
Y＝f-d⊥1cosβ (式1)
3)：利用样品旋转台12下方的升降驱动机构122和旋转驱动机构121驱动样品旋转台12实现上下和左右运动，实现第一测距仪位置M1与第二测距仪位置L1共聚焦于Target(a，Y0)；共聚焦要求样品需置于位置2，共聚焦后测距仪M1到target实测距离为f0，且满足f0＝f2/cosβ使第二激光测距仪L1到target实测距离为a0，且满足a0＝f1＊cosα，其中f2为透镜42的焦距，f1为透镜32的焦距；
式中，cosβ以首次实测值为准，则cosβ后续默认为：
cosβ＝f0/f2； (式3)
此时，Target的位置坐标Y0满足：
Y0＝f-f2 (式4)
第二激光测距仪L1在位置1和位置2处两次测得的距离差δ：
δ＝a0-d//1 (式5)
4)：升降驱动机构122和旋转驱动机构121带动样品从位置1运动到位置2，先后进行了上下移动距离ΔY，及水平移动ΔX；
其中：ΔY＝Y-Y0， (式6)
将式1和式4带入式6，得：
ΔY＝f2-d⊥1cosβ (式7)
另有：ΔX2＝δ2-ΔY2 (式8)
将式5和式7带入式8，得：
实施例4
如图1至图4所示的一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪，包括：样品台1、激光机构2、第一透镜组件3、透镜组件4、直角棱镜组件5和光室组件6，所述样品台1中设有工作台11和样品旋转台12，所述样品旋转台12设于工作台11上，所述激光机构2设于工作台11的一侧，所述第一透镜组件3和透镜组件4设于样品旋转台12的外侧，所述直角棱镜组件5设于透镜组件4的外侧，且所述透镜组件4和直角棱镜组件5相互配合，所述光室组件6设于样品旋转台12的一侧，且所述直角棱镜组件5通过遮光筒7与光室组件6。
本实施例中所述激光机构2中设有固定座21、激光组件22、电机支座23和电机24，所述固定座21设于工作台11上，所述激光组件22设于固定座21上，所述电机支座23设于固定座21一侧，所述电机24设于电机支座23上，且所述电机24的输出端与激光组件22连接。
本实施例中所述激光组件22中设有激光头安装支架221、激光头安装座222和一组激光头223，所述激光头安装支架221设于固定座21的上方，所述激光头安装座222设于激光头安装支架221上，所述激光头223设于激光头安装座222上，所述电机24输出端的驱动轴与激光头安装座222做转动式连接。
本实施例中所述样品旋转台12的下方设有旋转驱动机构121，所述旋转驱动机构121输出端的驱动轴与样品旋转台12连接。
本实施例中所述样品旋转台12的下方还设有升降驱动机构122。
本实施例中所述升降驱动机构122包括固定座1221、驱动机构1222和连接架1223，所述固定座1221设于工作台11的下方，所述驱动机构1222设于固定座1221上，且所述固定座1221的一侧设有轨道1224，所述连接架1223一侧通过滑块与轨道1224做滑动式连接，下部与驱动机构1222连接，远离轨道1224的一侧与旋转驱动机构121连接。
本实施例中所述第一透镜组件3中设有第一支架31和第一透镜32，所述第一支架31设于工作台11上，所述第一透镜32设于第一支架上；
进一步的，所述透镜组件4包括支架41和透镜42，所述支架41设于工作台11上，所述透镜42设于支架上；
所述直角棱镜组件5包括第三支架51和直角棱镜52，所述第三支架51设于工作台11上，所述直角棱镜52设于第三支架上。
本实施例中所述样品旋转台12包括样品旋转台本体1211，所述样品旋转台本体1211与旋转驱动机构121的输出端连接，且所述样品旋转台本体1211外侧设有一组样品放置盘1212。
本实施例中所述光室组件6包括光室支架61、光室62和电脑主机63，所述光室支架61设于工作台11上，所述光室62通过减震支座64安装于光室支架61的上方，所述电脑主机63设于工作台11上，并置于光室支架61下方，且所述光室62内的检测器通过数据处理模块与电脑主机63连接。
本实施例中还包括外壳8，所述外壳8设于工作台11上，且所述外壳8上设有放样窗81。
实施例5
本实施例中所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的结构与实施例4中光谱仪的结构相同。
如图5所示本实施例中所述的一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：具体的工作方法如下：
1)：首先将待测样品置于样品台1的样品旋转台12上；
2)：通过第一测距仪和第二测距仪进行距离检测，并通过数据分析模块对检测的数据进行分析，并将检测和分析的结构反馈给控制机构，然后控制机构根据接收到的数据通过控制升降驱动机构122和旋转驱动机构121调整样品旋转台12的上下以及左右位置，让激光组件2和第一透镜42在待测样品上实现共聚焦；
3)：选择合适的激光光源，即通过电机24带动激光头安装座222转动，在激光头安装座222带动下激光头223跟随其一起旋转，当激光头223发射出的激光波长为需要的激光时，启动激光，激光经过透镜组件4汇聚到待测样品表面；
4)：被选定的激光光源经固定的第一透镜32将能量集中在待测样品中心区域，以掠入射照射样品表面，激光将能量传递给待测样品使样品转化为离子态，并得以激发放射出与待测物直接相关的各种波段光波，光波呈锥形向外辐射；
5)：上一步骤中光波辐射中心位于样品正上方的第一透镜32的焦点上，被会透镜42收集到的各波段组合光以平行光照射到直角棱镜52，直角棱镜52摆放在会聚透镜1正上方5-30cm处，光线经直角棱镜52后发生光路90度偏转，经位于光室前的遮光筒7汇聚后导入光室组件6的光室62；
6)：光线在光室62内完成分光到分析检测系统实现定性和定量分析。
本实施例中可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：在步骤2中让激光头223和透镜42实现共聚焦的具体方式如下：
1)：已知第一测距仪位置为M1(e’，f)位于透镜支架41上与透镜42不同侧面且与透镜42等高，透镜42位置为L2(e，f)，测距仪M1与L2夹角为β，(产品设计时β按照15°～45°设计)；第二测距仪位置为L1(c，d)位于透镜支架31上与透镜32不同侧面，与透镜32相对关系无强制要求，推荐测距仪与透镜32中心夹角为α(15°～45°)。
2)：待测样品放置到样品旋转台12上，后被旋转驱动机构121带动样品旋转台12旋转至透镜42正下方，定义为位置1，此时第一激光测距仪实测点落到D1(m，Y)，实测距离为d⊥1，第二测距仪实测点落在D2(X，Y)，实测距离为d//1；
Y＝f-d⊥1cosβ (式1)
3)：利用样品旋转台12下方的升降驱动机构122和旋转驱动机构121驱动样品旋转台12实现上下和左右运动，实现第一测距仪位置M1与第二测距仪位置L1共聚焦于Target(a，Y0)；共聚焦要求样品需置于位置2，共聚焦后测距仪M1到target实测距离为f0，且满足f0＝f2/cosβ；使第二激光测距仪L1到target实测距离为a0，且满足a0＝f1＊cosα，其中f2为透镜42的焦距，f1为透镜32的焦距：
式中，cosβ以首次实测值为准，则cosβ后续默认为：
cosβ＝f0/f2； (式3)
此时，Target的位置坐标Y0满足：
Y0＝f-f2 (式4)
第二激光测距仪L1在位置1和位置2处两次测得的距离差δ：
δ＝a0-d//1 (式5)
4)：升降驱动机构(122)和旋转驱动机构(121)带动样品从位置1运动到位置2，先后进行了上下移动距离ΔY，及水平移动ΔX；
其中：ΔY＝Y-Y0， (式6)
将式1和式4带入式6，得：
ΔY＝f2-d⊥1cosβ (式7)
另有：ΔX2＝δ2-ΔY2 (式8)
将式5和式7带入式8，得：
对于激光测距仪的实际摆放位置并无强制的位置要求，在由位置1运动到位置2过程中，实际有效控制量为a0，f0，f1，f2，d⊥1，d//1.这些实时测试量的一次获得，实现了便捷的激光测距共聚焦对位功能。
本实施例光线在光室62内完成分光到分析检测系统实现定性和定量分析，其具体的工作过程为：在光室后方不影响光路的光室壁位置，以密闭方式连接真空泵，利用光谱仪配置的测试软件控制间歇真空系统，间歇真空系统根据比较电路控制真空泵的启动与闭合。
通过跟真空室连接的真空硅管读取到不同真空度对应的模拟量，通过线路连接至相关的ARM芯片，与提前设定的值(模数转换之后)进行对比，当真空度没有达到区间最大值，真空泵开始工作，当检测真空度达到了区间最小值之后，真空泵停止工作。之后持续检测重复上续流程。真空泵出口位置以密闭阀连接在光室上。
在光室外部避开检测器后方及正前方区域放置热电阻，通过温控系统调节光室内的动态恒温。具体为，ARM芯片通过固定在腔体上的温度传感器(通过数据线连接到真空转接板之上)读取相应温度对应的模拟量，经过芯片的模数转换与设定的温度进行对比，读取温度低于设定的温度，风机开始工作为腔体加热，高于设定的温度风机停止工作，停止为腔体加热，借此来达成恒温控制的目的。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：其特征在于：具体的工作方法如下：
1)：首先将待测样品置于样品台(1)的样品旋转台(12)上；
2)：通过第一测距仪和第二测距仪进行距离检测，并通过数据分析模块对检测的数据进行分析，并将检测和分析的结构反馈给控制机构，然后控制机构根据接收到的数据通过控制升降驱动机构(122)和旋转驱动机构(121)调整样品旋转台(12)的上下以及左右位置，让激光组件(2)和透镜(42)在待测样品上实现共聚焦；
3)：选择合适的激光光源，即通过电机(24)带动激光头安装座(222)转动，在激光头安装座(222)带动下激光头(223)跟随其一起旋转，当激光头(223)发射出的激光波长为需要的激光时，启动激光，激光经过透镜组件(4)汇聚到待测样品表面；
4)：被选定的激光光源经固定的第一透镜(32)将能量集中在待测样品中心区域，以掠入射照射样品表面，激光将能量传递给待测样品使样品转化为离子态，并得以激发放射出与待测物直接相关的各种波段光波，光波呈锥形向外辐射；
5)：上一步骤中光波辐射中心位于样品正上方的第一透镜(32)的焦点上，被透镜(42)收集到的各波段组合光以平行光照射到直角棱镜(52)，直角棱镜(52)摆放在会聚透镜(42)正上方5-30cm处，光线经直角棱镜(52)后发生光路90度偏转，经位于光室前的遮光筒(7)汇聚后导入光室组件(6)的光室(62)；
6)：光线在光室(62)内完成分光到分析检测系统实现定性和定量分析。
2.根据权利要求1所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法：其特征在于：如步骤2)中所述的激光头(223)和透镜(42)在待测样品上实现共聚焦的具体方式如下：
1)：已知第一测距仪位置为M1(e’,f)，透镜(42)位置为L2(e,f)，测距仪M1与L2夹角为β，所述第二测距仪位置为L1(c,d)与第一透镜(32)中心夹角为α，α的数值范围为15°～45°；
2)：待测样品放置到样品旋转台(12)上，后被旋转驱动机构(121)带动样品旋转台(12)旋转至透镜(42)正下方，定义为位置1，此时第一激光测距仪实测点落到D1(m,Y)，实测距离为d⊥1，第二测距仪实测点落在D2(X,Y)，实测距离为d∥1；
Y＝f-d⊥1cosβ (式1)
3)：利用样品旋转台(12)下方的升降驱动机构(122)和旋转驱动机构(121)驱动样品旋转台(12)实现上下和左右运动，实现第一测距仪位置M1与第二测距仪位置L1共聚焦于Target(a，Y0)；共聚焦要求样品需置于位置2，共聚焦后测距仪M1到target实测距离为f0，且满足f0＝f2/cosβ；使第二激光测距仪L1到target实测距离为a0，且满足a0＝f1*cosα，其中f2为透镜(42)的焦距，f1为透镜(32)的焦距；
式中，cosβ以首次实测值为准，则cosβ后续默认为：cosβ＝f0/f2；
此时，Target的位置坐标Y0满足：
Y0＝f-f2 (式3)
第二激光测距仪L1在位置1和位置2处两次测得的距离差δ：
δ＝a0-d∥1 (式4)
4)：升降驱动机构(122)和旋转驱动机构(121)带动样品从位置1运动到位置2，先后进行了上下移动距离△Y，及水平移动△X；
其中：△Y＝Y-Y0， (式5)
将式1和式3带入式5，得：
ΔY＝f2-d⊥1cosβ (式6)
另有，△X2＝δ2-△Y2 (式7)
将式4和式6带入式7，得：
3.根据权利要求1所示的一种可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：其中光谱仪包括：样品台(1)、激光机构(2)、至少一个透镜组件(4)、直角棱镜组件(5)和光室组件(6)，所述样品台(1)中设有工作台(11)和样品旋转台(12)，所述样品旋转台(12)设于工作台(11)上，所述激光机构(2)设于工作台(11)的一侧，所述透镜组件(4)设于样品旋转台(12)的外侧，所述直角棱镜组件(5)设于透镜组件(4)的外侧，且所述透镜组件(4)和直角棱镜组件(5)相互配合，所述光室组件(6)设于样品旋转台(12)的一侧，且所述直角棱镜组件(5)通过遮光筒(7)与光室组件(6)连接。
4.根据权利要求3所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：所述激光机构(2)中设有固定座(21)、激光组件(22)、电机支座(23)和电机(24)，所述固定座(21)设于工作台(11)上，所述激光组件(22)设于固定座(21)上，所述电机支座(23)设于固定座(21)一侧，所述电机(24)设于电机支座(23)上，且所述电机(24)的输出端与激光组件(22)连接。
5.根据权利要求4所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：所述激光组件(22)中设有激光头安装支架(221)、激光头安装座(222)和一组激光头(223)，所述激光头安装支架(221)设于固定座(21)的上方，所述激光头安装座(222)设于激光头安装支架(221)上，所述激光头(223)设于激光头安装座(222)上，所述电机(24)输出端的驱动轴与激光头安装座(222)做转动式连接，且每个激光头(223)射出的波长不同。
6.根据权利要求3所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：所述样品旋转台(12)的下方设有旋转驱动机构(121)，所述旋转驱动机构(121)输出端的驱动轴与样品旋转台(12)连接。
7.根据权利要求1所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：所述样品旋转台(12)的下方还设有升降驱动机构(122)。
8.根据权利要求7所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：所述升降驱动机构(122)包括固定座(1221)、驱动机构(1222)和连接架(1223)，所述固定座(1221)设于工作台(11)的下方，所述驱动机构(1222)设于固定座(1221)上，且所述固定座(1221)的一侧设有轨道(1224)，所述连接架(1223)一侧通过滑块与轨道(1224)做滑动式连接，下部与驱动机构(1222)连接，远离轨道(1224)的一侧与旋转驱动机构(121)连接。
9.根据权利要求1所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：所述透镜组件(4)包括支架(41)和透镜(42)，所述支架(41)设于工作台(11)上，所述透镜(42)设于支架(41)上；
所述直角棱镜组件(5)包括第三支架(51)和直角棱镜(52)，所述第三支架(51)设于工作台(11)上，所述直角棱镜(52)设于第三支架(51)上。
10.根据权利要求4所述的可自动对焦、多激光光源的激光诱导光谱仪的工作方法，其特征在于：所述样品旋转台(12)包括样品旋转台本体(1211)，所述样品旋转台本体(1211)与旋转驱动机构(121)的输出端连接，且所述样品旋转台本体(1211)外侧设有一组样品放置盘(1212)。
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2021
- 2021-02-05 CN CN202110162207.9A patent/CN112964695B/zh active Active
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Denomination of invention: A laser induced spectrometer with automatic focusing and multiple laser sources and its working method Granted publication date: 20220823 Pledgee: Jiangsu Taicang Rural Commercial Bank Co.,Ltd. Xinmao Branch Pledgor: Jiangsu Aowen Instrument Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980005091 |
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