CN114324301B - 提高便携式libs设备检测精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了提高便携式LIBS设备检测精度的方法，具体为：使用便携式LIBS设备激发各种类型的标样，电磁铁产生的磁场约束标样上产生的等离子体，分别获得谱图；选择谱图中多种元素的谱峰，每一种元素选择至少二个谱峰，计算出选择的谱峰的信噪比之和；调整所述电磁铁的电流值，使得各个谱峰的强度均小于峰强阈值的情况下，所述信噪比之和最大，建立标样的类型与其对应的电磁铁的电流值间的映射关系，并保存；获得待测样品的类型，利用所述映射关系得出电磁铁的目标电流值；利用便携式LIBS设备激发待测样品，电磁铁的电流调整到所述目标电流值，从而得到待测样品中元素的含量。本发明具有检测精度高等优点。

Description

提高便携式LIBS设备检测精度的方法

技术领域

本发明涉及元素分析，特别涉及提高便携式LIBS设备检测精度的方法。

背景技术

目前，便携式LIBS设备由于形状、体积、重量等方面的影响，导致仪器重复性、检测限、精确度等方面相对于台式LIBS仪器较差，在性能方面需要进一步提高。

现有提升便携式LIBS设备检测精度的方法主要为，对收集到的LIBS光谱进行算法处理，包括基线校正、滤波、重叠峰分解等预算法和主成分分析、支持向量机、自由定标法等定量分析算法，这些方法有一定提升检测精确度作用，但是提升效果有限，当光谱强度过低时，此类算法并不能达到提升效果，而且对不同种类元素和样品不能全部适用，而且当仪器长时间使用之后不可避免的会出现强度下降的情况。现有解决办法为进行算法校正或控样校正，算法校正使用一套校正系数校正所有样品误差太大，而且这种方法不是对真实强度校正，准确度较低。控样校正需要配合多种控样进行，样品种类越多所需控样越多，操作复杂。

还有，便携式LIBS设备要解决供气系统问题，目前市场上产品的做法是，外接一个小型氩气瓶，仪器内部仅有电磁阀开关和流量检测。外接气瓶是一次性耗材，大约用100次分析，即失效。耗材成本较高，使用不方便，同时使得仪器整体设计笨拙突兀，比如Thermofisher产品，3kg中外置气瓶，如一个大尾巴。

激光等离子体特点是高端低，只有2mm左右，非常微弱，如果供气系统从顶部吹下，会影响火焰形状。

发明内容

为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种提高便携式LIBS设备检测精度的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

提高便携式LIBS设备检测精度的方法，所述提高便携式LIBS设备检测精度的方法为：

使用便携式LIBS设备激发各种类型的标样，电磁铁产生的磁场约束标样上产生的等离子体，分别获得谱图；

选择谱图中多种元素的谱峰，每一种元素选择至少二个谱峰，计算出选择的谱峰的信噪比之和；

调整所述电磁铁的电流值，使得各个谱峰的强度均小于峰强阈值的情况下，所述信噪比之和最大，建立标样的类型与其对应的电磁铁的电流值间的映射关系，并保存；

获得待测样品的类型，利用所述映射关系得出电磁铁的目标电流值；

利用便携式LIBS设备激发待测样品，电磁铁的电流调整到所述目标电流值，从而得到待测样品中元素的含量。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1.信噪比高；

谱峰强度在阈值强度范围内，获得与最高信噪比对应的电磁铁电流值，并保存，使得在检测同类型样品时，通过调节电磁铁的电流值，使得谱峰的信噪比最高；

利用通道的形状设计，以及气体出口设置，使得气瓶提供的气体环绕并托起等离子体，提高了等离子体的亮度，光谱强度得到提高的同时降低了背景，从而提高了信噪比；

2.检测精度高；

利用实际谱峰强度与电磁铁电流值间的对应关系，将实际谱峰强度纠正到建模时的标准谱峰强度，弥补了便携式LIBS设备长时间运行而造成的性能下降，提高了检测精度；

3.体积小、便携性好；

气瓶、光源、光谱仪、分析单元和电池等器件的合理布局，有效地降低了装置体积，也便于操纵人员握持，提高了装置的便携性；

4.连续工作时间长；

在壳体上设置了充气接头，使得气体根据需要地充入气瓶，延长了装置的使用时间。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例提高便携式LIBS设备检测精度的方法的流程示意图。

具体实施方式

图1和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了解释本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例提高便携式LIBS设备检测精度的方法的流程图，如图1所示，所述提高便携式LIBS设备检测精度的方法为：

使用便携式LIBS设备激发各种类型的标样，如铁基样品RE12，电磁铁产生的磁场约束标样上产生的等离子体，分别获得谱图；

选择谱图中多种元素(同类型待测样品中需要检测的元素)的谱峰，每一种元素选择至少二个谱峰，计算出选择的谱峰的信噪比之和；

调整所述电磁铁的电流值，使得各个谱峰的强度均小于峰强阈值的情况下，所述信噪比之和最大，建立标样的类型与其对应的电磁铁的电流值间的映射关系，并保存；

获得待测样品的类型，利用所述映射关系得出电磁铁的目标电流值；

利用便携式LIBS设备激发待测样品，电磁铁的电流调整到所述目标电流值，从而得到待测样品中元素的含量。

为了弥补便携式LIBS设备性能下降的不足，进一步地，利用所述便携式LIBS设备检测建模标样，获得特征元素的实际谱峰强度；

逐步调节电磁铁的电流值，并记录得到的谱图中特征元素的实际谱峰强度；

利用所述实际谱峰强度和电流值，建立实际谱峰强度和电流值间的对应关系；

利用所述对应关系计算出电流值，使得该电流值下，特征元素的实际谱峰强度等于建模标样在建模中特征元素的标准谱峰强度；使用该电流值替换保存的与所述建模标样同类型的标样对应的电流值。

为了提高信噪比，进一步地，所述便携式LIBS设备激发样品的方式为：

将壳体的开口端压紧样品的待测区域；

光源发出的激发光依次穿过通道和开口端，入射到所述待测区域；沿着所述激发光传输方向，所述通道的内径逐渐变小；在垂直于所述激发光的方向上，所述通道的截面为多边形，所述通道的内壁具有至少二个气体出口；

所述待测区域内的样品被激发，形成等离子体；气瓶提供的气体经过减压后从所述通道的内壁排出，环绕所述等离子体螺旋移动，并逆着所述传输方向移动，从而托起所述等离子体；

光接收单元接收所述等离子体的出射光，并送光谱仪；

分析单元分析所述光谱仪的输出信号，得到所述样品的信息。

为了方便地应用本分析方法，进一步地，在壳体内，所述气瓶和光源并列设置，所述光谱仪设置在所述光源和气瓶的下侧，所述分析单元设置在所述气瓶和光源的后侧；

手柄设置在所述壳体的下侧，电池设置在中空的手柄内，为所述光源、光谱仪和分析单元供电。

为了提高工作时间，进一步地，所述壳体上设置充气接头，所述充气接头与所述气瓶连接。

为了使排出气体出口的气体更好地环绕产生的等离子体，进一步地，所述气体出口的中心轴线与侧壁间的夹角小于360°/n，所述截面为n边形。

为了使排出气体出口的气体更好托起产生的等离子体，进一步地，气体脉冲式地排出气体出口，沿着顺时针或逆时针方向，至少二个气体出口依次排出气体。

实施例2：

根据本发明实施例1的提高便携式LIBS设备检测精度的方法的应用例。

在本应用例中，在壳体内，气瓶和光源并列设置，光谱仪设置在所述光源和气瓶的下侧，分析单元设置在所述气瓶和光源的后侧；减压模块、电磁阀和流量传感器依次设置，并处于光源和气瓶之间；减压模块的出口分别连接二个电磁阀，每个电磁阀的出口依次连接流量传感器和气体出口；中空的手柄倾斜地设置在所述壳体的下侧，电池设置在所述手柄内，为光源、光谱仪、分析单元和电磁阀等供电；壳体上设置充气接头，所述充气接头和压力传感器分别与所述气瓶连接；

壳体具有允许所述激发光穿过的开口及与其连通的通道，沿着所述激发光的传输方向，所述通道的内径逐渐变小；在垂直于所述激发光的方向上，所述通道的截面为正六边形，所述通道的位置相对且平行的二个内壁分别具有气体出口，气体出口的中心轴线与内壁间的夹角小于60度，如15度、30度、45度，所述中心轴线垂直于激发光的传输方向。

本发明实施例提高便携式LIBS设备检测精度的方法，如图1所示，所述提高便携式LIBS设备检测精度的方法为：

操作人员握持手柄，并将壳体的开口端压紧建模标样如铁基样品RE12的待测区域；

光源发出的激发光依次穿过通道和开口端，入射到所述待测区域；

所述待测区域内的样品被激发，形成等离子体；在电磁阀的控制下，气瓶提供的气体经过减压后依次从(沿着顺时针方向排列的)气体出口排出，且气体是脉冲式地排出气体出口，使得气体环绕所述等离子体螺旋移动，并逆着所述传输方向移动，从而托起所述等离子体；

按照上述方式激发各种类型的标样，电磁铁产生的磁场约束标样上产生的等离子体，分别获得谱图；

选择谱图中多种元素(同类型待测样品中需要检测的元素)如铁、碳、铬的谱峰，每一种元素选择三个谱峰，计算出选择的9个谱峰的信噪比之和；

逐渐调整所述电磁铁的电流值，使得各个谱峰的强度均小于峰强阈值的情况下，所述信噪比之和最大，建立标样的类型与其对应的电磁铁的电流值间的映射关系，并保存；

获得待测样品的类型，利用所述映射关系得出电磁铁的目标电流值；

利用便携式LIBS设备激发待测样品，电磁铁的电流调整到所述目标电流值，从而得到待测样品中元素的含量；

随着便携式LIBS设备长时间使用，对于同样的建模标样，设备输出的谱峰强度会有下降，为此，采用以下方式；

利用所述便携式LIBS设备检测建模标样，获得特征元素的实际谱峰强度；

逐步调节电磁铁的电流值，并记录得到的谱图中特征元素的实际谱峰强度；

利用所述实际谱峰强度和电流值，建立实际谱峰强度和电流值间的对应关系，如利用多项式拟合得到所述对应关系；

利用所述对应关系计算出电流值，使得该电流值下，特征元素的实际谱峰强度等于建模标样在建模中特征元素的标准谱峰强度；使用该电流值替换保存的与所述建模标样同类型的标样对应的电流值。

Claims (8)

1.提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，所述提高便携式LIBS设备检测精度的方法为：

使用便携式LIBS设备激发各种类型的标样，电磁铁产生的磁场约束标样上产生的等离子体，分别获得谱图；

选择谱图中多种元素的谱峰，每一种元素选择至少二个谱峰，计算出选择的谱峰的信噪比之和；

调整所述电磁铁的电流值，使得各个谱峰的强度均小于峰强阈值的情况下，所述信噪比之和最大，建立标样的类型与其对应的电磁铁的电流值间的映射关系，并保存；

获得待测样品的类型，利用所述映射关系得出电磁铁的目标电流值；

利用便携式LIBS设备激发待测样品，电磁铁的电流调整到所述目标电流值，从而得到待测样品中元素的含量。

2.根据权利要求1所述的提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，所述多种元素是同类型待测样品中需要检测的元素。

3.根据权利要求1所述的提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，利用所述便携式LIBS设备检测建模标样，获得特征元素的实际谱峰强度；

逐步调节电磁铁的电流值，并记录得到的谱图中特征元素的实际谱峰强度；

利用所述实际谱峰强度和电流值，建立实际谱峰强度和电流值间的对应关系；

利用所述对应关系计算出电流值，使得该电流值下，特征元素的实际谱峰强度等于建模标样在建模中特征元素的标准谱峰强度；使用该电流值替换保存的与所述建模标样同类型的标样对应的电流值。

4.根据权利要求1所述的提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，所述便携式LIBS设备激发样品的方式为：

将壳体的开口端压紧样品的待测区域；

光源发出的激发光依次穿过通道和开口端，入射到所述待测区域；沿着所述激发光传输方向，所述通道的内径逐渐变小；在垂直于所述激发光的方向上，所述通道的截面为多边形，所述通道的内壁具有至少二个气体出口；

所述待测区域内的样品被激发，形成等离子体；气瓶提供的气体经过减压后从所述通道的内壁排出，环绕所述等离子体螺旋移动，并逆着所述传输方向移动，从而托起所述等离子体；

光接收单元接收所述等离子体的出射光，并送光谱仪；

分析单元分析所述光谱仪的输出信号，得到所述样品的信息。

5.根据权利要求4所述的提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，在壳体内，所述气瓶和光源并列设置，所述光谱仪设置在所述光源和气瓶的下侧，所述分析单元设置在所述气瓶和光源的后侧；

手柄设置在所述壳体的下侧，电池设置在中空的手柄内，为所述光源、光谱仪和分析单元供电。

6.根据权利要求5所述的提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，所述壳体上设置充气接头，所述充气接头与所述气瓶连接。

7.根据权利要求4所述的提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，所述气体出口的中心轴线与侧壁间的夹角小于360°/n，所述截面为n边形。

8.根据权利要求7所述的提高便携式LIBS设备检测精度的方法，其特征在于，气体脉冲式地排出气体出口，沿着顺时针或逆时针方向，至少二个气体出口依次排出气体。