CN114354578A - 一种基于libs技术的水下元素在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光诱导击穿光谱技术领域，具体为一种基于LIBS设备的水下元素在线检测装置及方法。装置由密封压力仓内部的LIBS系统与外部的气流控制系统两部分组成，气流控制系统包括气体探头仓、气源，气源通过气源管路连接气体探头仓，气体探头仓一端开孔，另一端与密封压力仓之间通过玻璃窗口密封隔断。LIBS系统内部的激光器输出激光至水下待检测物体表面产生等离子体光谱，光谱仪采集沿原光路返回的等离子体光谱。装置在水中工作时，通过气体探头使探测光路由原有的水体环境改为气体环境，可极大提高等离子体的激发与收集效率，无需繁琐的精密对焦过程，提高水下固体或水体化学元素原位在线检测灵敏度。本装置和方法，可广泛用于海洋矿产勘探，海洋环境监测等领域。

Description

一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光谱分析领域，具体为一种利用激光诱导击穿光谱技术进行水下目标元素成分原位在线检测的装置与方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(LIBS)技术，即通过激光激发目标物质形成等离子体，等离子体中处于激发态的原子、离子或分子向低能级或基态跃迁时，向外发射特定能量的光子，形成特征光谱，通过对特征光谱解析进而获得分析物质的化学成分。它是一种适合于极端环境下，对多元素直接进行快速、无接触、原位分析技术。然而在水下LIBS在线检测过程中，水体对光的吸收和散射作用、水体猝灭效应、动态击穿效应等都对光学信号激发与光谱收集等产生不利影响。需要在降低激光能量防止水体击穿的同时，提高会聚精度以便提高局部功率密度。但是降低能量就会造成光谱信号的减弱，而会聚精度过高，会造成光谱信号对检测距离的影响极其敏感，十分影响水下LIBS在线检测技术的实际应用。因此，亟需解决上述问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于LIBS技术的高灵敏度易于操作的水下在线检测装置及方法。通过气体探头使探测光路由原有的水体环境改为气体环境，可极大提高等离子体的激发与收集效率，无需繁琐的精密对焦过程，提高水下固体或水体化学元素原位在线检测灵敏度。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，包括密封压力仓和设于其内的LIBS系统，以及外部的气流控制系统；所述LIBS系统用于激光诱导击穿光谱信号的激发与收集；所述气流控制系统用于生成水下气态检测光路。

所述气流控制系统与密封压力仓之间通过玻璃窗口密封隔断。

所述气流控制系统包括气体探头仓、气源，所述气源通过气源管路连接气体探头仓，气体探头仓一端开孔用于输出激光和排出水汽，在LIBS检测系统前端至检测物范围内形成气态环境。

所述气流控制系统还包括在气体探头仓内设置的压力传感器，以及在气源管路上设置的流量控制阀；所述压力传感器用于检测气体探头仓内的气压，所述流量控制阀用于控制气源的流量。

所述LIBS系统包括光学光路单元、激发与采集控制单元；所述激发与采集控制单元用于触发内部的激光器输出激光依次经过光学单元的光路、玻璃窗口、气体探头仓一端的开孔、水下待检测物体表面，以及采集沿原光路返的等离子体光谱。

所述激发与采集控制单元包括控制器、激光器、光谱仪，控制器输出信号控制激光器输出激光、控制光谱仪采集等离子体光谱。

所述光学光路单元在激光光路入射方向上设有聚焦透镜，使得激光聚焦在气体探头仓一端的开孔外的光路上，等离子体光谱沿光路返回经过收集透镜后，再汇聚进入光谱仪；所述聚焦透镜设于直线模组上，直线模组上的电机连接控制器，电机转动带动聚焦透镜在直线模组上沿光路方向移动，从而改变焦距使得激光聚焦在待测物体表面。

在所述的密封压力仓内部还设有视频采集摄像头用于观察气态光路内部的图像画面上传给控制器。

还包括：

控制器转发采集的等离子体光谱数据至上位机，或者对采集的等离子体光谱数据进行分析，获取当前待测水下固体或水体化学元素的种类和元素相对含量。

进一步的，所述激发与采集控制单元还包括与控制器、激光器、光谱仪分别连接的时序控制器，用于按照控制器的预设时序分别触发激光器、光谱仪工作。

所述光学光路单元包括在激光光路入射方向依次设置的二向色镜、聚焦透镜，使得激光聚焦在气体探头仓一端的开孔外的光路上，等离子体光谱沿光路返回经过二向色镜反射再经过收集透镜汇聚进入光谱仪；二向色镜的作用是用于透过激光器发射的激光，同时可以反射等离子体光谱以供光谱仪收集。

进一步的，所述密封压力仓内还包括电源模块，或者连接外部的电源。

一种如上所述基于LIBS技术的水下元素在线检测装置的基于LIBS技术的水下在线检测方法，所述基于LIBS技术的水下在线检测方法应包含以下步骤：

吹气排水的步骤：压力传感器实时检测当前水体压力值；开启流量控制阀，通过气源向气体探头仓内供气，气体将气体探头内部水体通过探头前端出气孔排出；

稳定气压环境的步骤：控制器通过压力传感器监测气体探头仓内部的水体压力，通过控制流量控制阀调节供气量，使气体探头仓内部保持预设的气压环境；

激发与采集的步骤：密封压力仓内控制器控制激光器输出激光经过光学单元的光路、玻璃窗口、气体探头仓一端的开孔、照射在水下待检测物体表面，以及控制光谱仪采集沿原光路返回的等离子体光谱数据至控制器。

进一步的，方法还包括以下步骤：控制器转发采集的等离子体光谱数据至上位机，或者对采集的等离子体光谱数据进行分析，获取当前待测水下固体或水体化学元素的种类和元素相对含量。

进一步的，还包括控制器输出指令控制视频采集摄像头采集密封压力仓内部的气态光路图像画面。

本发明具有以下有益效果及优点：

装置在水中工作时，通过气体探头使探测光路由原有的水体环境改为气体环境，可极大提高等离子体的激发与收集效率，无需繁琐的精密对焦过程，提高水下固体或水体化学元素原位在线检测灵敏度。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明方法流程图；

其中，1为密封压力仓、11光学光路单元、1101二向色镜、1102聚焦透镜、1103收集透镜、1104直线模组、12激发与采集控制单元、1201控制器、1202激光器、1203光谱仪、1204时序控制器、13、防水电缆接口、2气流控制系统、21气体探头仓、22气源、23流量控制阀、24视频采集摄像头、25压力传感器、26玻璃窗口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、即使方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合实例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合附图对本发明作详细的描述。

针对现有存在的技术问题，本发明提供了一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置及方法。

装置包括密封压力仓1和气流控制系统2。密封压力仓1内LIBS系统用于激光诱导击穿光谱信号的激发与收集；所述气流控制系统2用于生成水下气态检测光路。LIBS系统包括光学光路单元11、激发与采集控制单元12；激发与采集控制单元13内部的激光器输出激光依次经过光学单元12的光路组件、玻璃窗口26、气体探头仓21一端的开孔2101至水下待检测物体表面产生等离子体光谱，激发与采集控制单元13内部的光谱仪采集沿原光路返回的等离子体光谱。激发与采集控制单元12包括控制器1201和与其连接的激光器1202、光谱仪1203，控制器1201连接通讯接口13。光学光路单元11包括在激光光路入射方向上依次设置的二向色镜、聚焦透镜1102，使得激光聚焦在气体探头仓21一端的开孔2101外的待检测物体表面，待检测物体表面激发的等离子体光谱沿原光路返回经过二向色镜反射再经过收集透镜1103后，再汇聚进入光谱仪1203。聚焦透镜1102设于直线模组1104上，直线模组1104上的电机连接控制器1201，电机转动带动聚焦透镜1102在直线模组1104上沿光路方向移动，改变焦距使得激光聚焦在待测物体表面。气流控制系统2包括气体探头仓21、气源22，气源22通过气源管路连接气体探头仓21，气体探头仓21一端开孔2101，另一端与密封压力仓1之间通过玻璃窗口26密封隔断，气源管路上设置的流量控制阀23，流量控制阀23连接控制器1201，气体探头仓21内设置压力传感器25，其连接控制器1201。密封压力仓(1)内部还设有视频采集摄像头24。密封压力仓内还设有电源模块，或者连接外部的电源。通讯接口13为串口模块或无线模块。压力传感器25通过水密电缆与密封压力仓1内部控制器1201相连，所述供气管路为耐压气管。所述电源模块通过水密电缆与外部供电相连。

工作时，先由水下机械手控制检测系统，使气体探头仓21前端贴于待测目标表面，由控制器1201通过压力传感器25检测气体探头仓21内部压力，并通过调节流量控制阀23使气体探头内部充满气体，控制器1201控制激光器1202发射高能量脉冲激光，激光通过光学光路单元11内部的光路组件穿过玻璃窗口与气体探头仓21内部，在待测目标表面会聚，产生等离子体，等离子体发射光通过气体探头仓21进入光学光路单元11内的光路，并由内部透镜组耦合到光谱仪中，直线模组1104用于调节会聚焦距，时序控制器1204用于控制激光器1202与光谱仪1203的间隔时间，视频采集摄像头24用于观察检测情况，光谱仪1203所收集的谱线数据通过控制器1201上传到远端数据服务器中进行分析，以实现水下目标元素成分原位在线检测。

如图1所示，本发明提供的一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置包括：

密封压力仓1，密封压力仓1材质为钛合金，外形为圆柱体结构，以防止水体的腐蚀并耐高压。压力仓外部设有石英光学窗口26与气体探头仓21相接，用于激发等离子体并收集光谱信号，同时，压力仓1外部设有防水电缆接口13用于接驳外部传感器与水上设备通讯以及供电。密封压力仓1内部设有控制器1201，控制器1201为工控机等用于控制、计算与数据通讯的设备。工控机可直接分析光谱数据，并把分析结果上传到远端服务器，其中央处理器为4核心酷睿处理器，主频应高于1.8GHz，系统内存高于4G。密封压力仓1内部设有脉冲激光器1202，用于激发等离子体。激光器选用发散角极小的光纤激光器，其特征参数为：输出波长为1064nm，单脉冲能量1-3mJ，频率10-40KHz。密封压力仓1内部设有时序控制器1204，可用于精密控制脉冲激光器1202和光谱仪1203之间的开启时间，其时间范围包括1μs-10μs，控制时间精度为10ns。密封压力仓1内部设有光谱仪1203，光谱仪1203的收集光谱范围应在160-1200nm之间，入射光线直接耦合进入光谱仪狭缝，或者通过光纤导入。密封压力仓1内部设有直线模组1104，可快速调节光学光路单元11内部透镜组焦距，使脉冲激光聚焦于待测目标分析表面。因本专利的有益效果，无需精密对焦，调焦精度为0.1毫米量级，调焦速度低于10秒钟。密封压力仓1内部设有电源模块，能够稳定输出5V，24V直流电压，输出总功率为1000W，或者连接外部直流电源。

外部气流控制系统2包括压力传感器25，气体探头仓21，流量控制阀23与供气管路和气源。压力传感器25的检测范围应适合水体检测深度，如检测6000米深度，其压力量程最大值应高于60兆帕。流量控制阀23用于控制水下气流流量，实际检测时稳定状态下的气流流量低于0.5升/分钟。气源22为气瓶，容量为4升，供气气源为氩气。气体探头仓21为中空圆柱体结构，材质为钛合金，前端有橡胶护圈，防止撞击损坏检测物。

工作时，先由水下机械手握持检测装置，使气体探头仓21前端贴于待测目标表面，机械手行进速度应不高于0.5米/秒。由控制器1201通过压力传感器25检测气体探头仓21内部压力，并通过流量控制阀23使气体探头内部充满气体，控制模块器1201控制激光器1202发射高能量脉冲激光，激光通过光学光路单元11的光路组件穿过玻璃窗口26与气体探头仓21内部，在待测目标表面会聚，产生等离子体，等离子体发射光通过气体探头仓21进入光学光路单元11，并由内部透镜组耦合到光谱仪1203中，直线模组1104用于调节会聚焦距，时序控制器1204用于控制激光器1202与光谱仪1203的间隔时间，视频采集摄像头24用于观察检测情况，光谱仪1203所收集的谱线数据通过控制器1201上传到远端数据服务器中进行分析，以实现水下目标元素成分原位在线检测。

所述的气体探头仓21，具有抗压性，能够在高压环境下维持内部气态光路结构形状不变，探头前端设有出气孔2101，保证检测位置无气泡干扰，探头前端设有柔性材料，防止因受撞击而损坏检测目标。气体探头仓21整个内部直至前端接触的待测目标分析表面为气体环境状态。根据检测环境和深度的不同，供气气源22可以是高压气瓶，也可以直接通过水上管道进行供气。供气气源种类为氦气、氖气、氩气、氮气、空气等气体。所述的脉冲激光器1202，可以为常规激光器，也可以为发散角极小的光纤激光器。所述光学光路单元11内部设有直线模组1104，可快速调节光学光路单元11内部透镜组焦距，使脉冲激光聚焦于待测目标表面。

如图2所示，本发明提供的一种基于LIBS技术的水下元素在线检测方法包括以下步骤：

通过压力传感器22获取当前水体压力值；

开启流量控制阀23，通过供气装置22向气体探头仓21内供气，气体将气体探头仓21内部水体通过探头前端出气孔排出；

控制器1201通过压力传感器22与视频采集摄像头24监测气体探头头仓21内部状态，通过控制流量控制阀23调节供气量，使气体探头仓21内部为稳定的气态工作环境；

密封压力仓1内控制器1201控制激光器1202、光谱仪1203等设备开始水下原位在线检测，获得LIBS光谱数据；

获得的LIBS光谱数据通过控制器1201进行分析，或通过通讯电缆上传至远端数据服务器中进行分析，获得目标元素种类和元素相对含量。

本发明所提供的基于LIBS技术的水下元素在线检测方法，业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图2的本发明提供的基于LIBS技术的水下元素在线检测方法仅仅是一个具体实施例。

Claims (10)

1.一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，包括密封压力仓(1)和设于其内的LIBS系统，以及外部的气流控制系统(2)；所述LIBS系统用于激光诱导击穿光谱信号的激发与收集；所述气流控制系统(2)用于生成水下气态检测光路。

2.根据权利要求1所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，所述气流控制系统(2)与密封压力仓(1)之间通过玻璃窗口(26)密封隔断。

3.根据权利要求1所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，所述气流控制系统(2)包括气体探头仓(21)、气源(22)，所述气源(22)通过气源管路连接气体探头仓(21)，气体探头仓(21)一端开孔(2101)用于输出激光和排出水汽，在LIBS检测系统前端至检测物范围内形成气态环境。

4.根据权利要求1所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，所述气流控制系统(2)还包括在气体探头仓(21)内设置的压力传感器(25)，以及在气源管路上设置的流量控制阀(23)；所述压力传感器(25)用于检测气体探头仓(21)内的气压，所述流量控制阀(23)用于控制气源(22)的流量。

5.根据权利要求1所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，所述LIBS系统包括光学光路单元(11)、激发与采集控制单元(12)；所述激发与采集控制单元(13)用于触发内部的激光器输出激光依次经过光学单元(12)的光路组件、玻璃窗口(26)、气体探头仓(21)一端的开孔(2101)至水下待检测物体表面产生等离子体光谱，所述激发与采集控制单元(13)内部的光谱仪采集沿原光路返回的等离子体光谱。

6.根据权利要求5所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，所述激发与采集控制单元(12)包括控制器(1201)和与其连接的激光器(1202)、光谱仪(1203)，所述控制器(1201)连接防水电缆接口(13)，控制器(1201)输出信号控制激光器(1202)输出激光、控制光谱仪(1203)采集等离子体光谱。

7.根据权利要求5所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，所述光学光路单元(11)包括在激光光路入射方向上设有聚焦透镜(1102)，使得激光聚焦在气体探头仓(21)一端的开孔(2101)外的待检测物体表面，待检测物体表面激发的等离子体光谱沿原光路返回经过收集透镜(1103)后，再汇聚进入光谱仪(1203)；所述聚焦透镜(1102)设于直线模组(1104)上，直线模组(1104)上的电机连接控制器(1201)，电机转动带动聚焦透镜(1102)在直线模组(1104)上沿光路方向移动，从而改变焦距使得激光聚焦在待测物体表面。

8.根据权利要求1-7任意一项所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，在所述的密封压力仓(1)内部还设有视频采集摄像头(24)用于观察气态光路内部的图像画面上传给控制器(1201)。

9.根据权利要求8所述一种基于LIBS技术的水下元素在线检测装置，其特征在于，还包括：

控制器(1201)转发采集的等离子体光谱数据至上位机，或者对采集的等离子体光谱数据进行分析，获取当前待测水下固体或水体化学元素的种类和元素相对含量。

10.一种如权利1-9任意一项所述基于LIBS技术的水下元素在线检测装置的基于LIBS技术的水下在线检测方法，其特征在于，所述基于LIBS技术的水下在线检测方法应包含以下步骤：

吹气排水的步骤：压力传感器(25)实时检测当前水体压力值；开启流量控制阀(23)，通过气源(22)向气体探头仓(21)内供气，气体将气体探头(21)内部水体通过探头前端出气孔(2101)排出；

稳定气压环境的步骤：控制器(1201)通过压力传感器(25)监测气体探头仓(21)内部的水体压力，通过控制流量控制阀(23)调节供气量，使气体探头仓(21)内部保持预设的气压环境；

激发与采集的步骤：密封压力仓(1)内控制器(1201)控制激光器(1202)输出激光经过光学单元(11)的光路、玻璃窗口(26)、气体探头仓(21)一端的开孔(2101)、照射在水下待检测物体表面，以及控制光谱仪(1203)采集沿原光路返回的等离子体光谱数据至控制器(1201)。

Images