CN115468948A - 高低起伏运动物料激光诱导击穿光谱在线检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光光谱在线检测技术领域，特别涉及一种高低起伏运动物料激光诱导击穿光谱在线检测装置及方法。该装置包括主机柜、数据处理及控制系统、激光激发和光谱信号收集系统、压力及温湿度控制模块、测距系统及自动调焦模块，压力及温湿度控制模块用于控制及检测主机柜内的压力及温湿度信息，且提供压缩空气；激光激发和光谱信号收集系统用于发射激光至物料表面及收集等离子体信号且输出到光谱仪中；测距系统用于检测物料表面高度变化信息，数据处理及控制系统根据物料表面高度变化信息控制自动调焦模块，进而调整激光聚焦和光谱收集的焦距。本发明集成度高，将在线检测的输送带上物料组分含量实时传送到中控室，提升生产效率，降低能源消耗。

Description

高低起伏运动物料激光诱导击穿光谱在线检测装置及方法

技术领域

本发明涉及激光光谱在线检测技术领域，特别涉及一种高低起伏运动物料激光诱导击穿光谱在线检测装置及方法。

背景技术

在钢铁、水泥、煤炭、无机盐等行业，输送带上物料的成分是通过人工取样、制样等一系列繁琐过程后，最后送到实验室进行成分分析，这种分析方法属于不连续的离线分析，不仅费时、费力，分析出来的样品成分具有严重的滞后性，不能实时指导前序的生产工艺进行成分调整。目前整个社会处于智能制造升级的浪潮中，只有实时监测物料成分，才能最终形成闭环控制，实现智能制造，提高产品质量，为企业和社会带来显著的效益。因此亟需一种能够实现实时、在线的分析技术来提供物料成分信息。

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术是由一束高能量的激光聚焦到样品产生等离子体，通过对等离子体光谱的分析，可对样品中不同元素进行定性、定量分析。它具有无需样品制备、实时、快速、可同时分析多种元素等优点，非常适合在工业现场进行物质成分的实时、在线分析。

为满足工业现场测量的实时性要求，需要直接对输送带上的物料进行成分分析，输送带上快速传输的物料，具有物料时多时少、高低不平、颗粒大小不等、物料状态变化频繁等特点，针对物料高度不一致的情况有采用挡板刮平物料的方案，但是容易将物料刮到皮带下方，也有采用自动对焦装置进行自动调焦的，如公告号为CN206974906U的专利文献，采用普通变焦镜头，其缺点是不能分析紫外光谱；如公告号为CN107783242B的专利文献，通过改变三片式镜片组之间的距离，根据面阵CCD成像时各像素点光强的标准差最小完成调焦，此种方案在工业现场干扰因素太多，调焦精度不高，另外采用三片式镜组实现调焦，对光谱信号的损耗较大。

在工业现场还具有高粉尘、高蒸汽等特点，比如不同原料在配比时为了保证混合料混合均匀，一般会加入水蒸汽进行混合，输送带物料上方就会弥漫着大量的气雾，一方面气雾容易在窗口结露，另一方面在激光传输路径上对激光和光谱信号传输产生严重衰减，目前常用的风扇吹扫仅仅是减少粉尘对窗口的污染，不能解决大量气雾对传输路径的影响。

综上所述，针对输送带上物料高低变化引起的在线分析困难，目前已有方案都有不同的缺点，同时工业现场具有高粉尘、高蒸汽特点，目前方案也不能完全解决。

发明内容

针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置及方法，能够克服现场物料起伏变化、高粉尘、高蒸汽对光谱信号的影响，提供稳定的光谱数据，克服现场高温、高震动、高粉尘、高湿度等恶劣条件对设备长期稳定运行的影响，最终可实时得到输送带上物料的组分含量，进而指导生产过程，提高产品质量，提升生产效率，降低能源消耗。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，包括主机柜及设置于主机柜内的数据处理及控制系统、激光激发和光谱信号收集系统、压力及温湿度控制模块、测距系统及自动调焦模块，其中主机柜设置于输送带的上方，且主机柜的底部沿输送带的输送方向依次设有测距窗口探杆和激光窗口探杆；

压力及温湿度控制模块用于控制及检测主机柜内的压力及温湿度信息，同时向测距窗口探杆和激光窗口探杆提供压缩空气；

激光激发和光谱信号收集系统用于发射激光至输送带上的物料表面并且产生等离子体，同时收集等离子体信号且输出到光谱仪中；

测距系统通过测距窗口探杆检测输送带上的物料表面高度变化信息且将物料表面高度变化信息传输到数据处理及控制系统，数据处理及控制系统根据接收到的物料表面高度变化信息控制自动调焦模块，自动调焦模块根据数据处理及控制系统的控制指令调整激光聚焦和光谱收集的焦距；

数据处理及控制系统用于控制各系统的动作，同时将收集到的光谱信息转换为所测元素的浓度信息。

所述激光激发和光谱信号收集系统包括激光光源及整形系统、光纤聚焦收集模块及激光和光谱信号耦合模块；

激光光源及整形系统用于发射激光并且对激光光束进行整形；

激光和光谱信号耦合模块用于反射激光至物料表面，同时将等离子体信号透射至光纤聚焦收集模块上；

光纤聚焦收集模块用于收集等离子体信号且输出到光谱仪中。

所述自动调焦模块包括直线电机模组和调焦透镜，其中直线电机模组沿竖直方向输出动力，调焦透镜设置于直线电机模组的输出端，调焦透镜位于所述激光窗口探杆的上方，调焦透镜通过直线电机模组的驱动进行升降，从而调整激光聚焦和光谱收集的焦距。

所述测距系统包括激光测距仪，激光测距仪设置于所述测距窗口探杆的上端，用于检测物料表面高度信息。

所述测距窗口探杆为锥形结构，且上端设有测距窗口探杆进气口，测距窗口探杆进气口与所述压力及温湿度控制模块连接；所述测距窗口探杆的底部设有方形出气口。

所述激光窗口探杆的上部为夹层结构，夹层结构的外壁设有进风口，进风口与设置于所述主机柜外侧的鼓风模块连接；所述激光窗口探杆的下部为锥形结构，锥形结构的底部设有探测口。

所述数据处理及控制系统包括PLC控制模块及与PLC控制模块连接的信号及数据处理模块，其中信号及数据处理模块与所述激光激发和光谱信号收集系统及所述测距系统连接；PLC控制模块与自动调焦模块连接。

所述信号及数据处理模块包括工控机及与工控机连接的光谱仪、时序控制器，其中光谱仪与所述激光激发和光谱信号收集系统连接，时序控制器与所述激光激发和光谱信号收集系统、光谱仪及测距系统连接。

一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测方法，包括如上所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，所述检测方法包括以下步骤：

步骤1：由输送带传输物料；

步骤2：通过压力及温湿度控制模块调整主机柜内的压力、温度及湿度在工作范围内，且为测距窗口探杆和激光窗口探杆提供压缩空气；

步骤3：根据输送带的速度V以及测距窗口和激光窗口之间的距离L，设置激光光源系统的参数，参数包括激光能量大小和频率，同时设置激光出光和光谱收集之间的延时；

步骤4：通过激光测距仪开始测量物料表面高度变化信息，且将物料表面高度变化信息反馈给PLC控制模块，PLC控制模块根据物料表面高度变化信息控制自动调焦模块进行调焦；

步骤5：信号及数据处理模块控制激光光源及整形系统发出激光，激光经激光和光谱信号耦合模块反射到调焦透镜，再经调焦透镜聚焦到输送带上的物料表面且产生等离子体；

步骤6：等离子体通过调焦透镜准直后，通过激光和光谱信号耦合模块透射到光纤聚焦收集模块，然后通过光纤将信号光传输到信号及数据处理模块；

步骤7：工控机将光谱信号转换成所测元素的浓度值。

通过鼓风模块向所述激光窗口探杆上部的夹层结构内提供吹扫气流。

本发明具有以下有益效果及优点：

1.本发明根据现场物料起伏不平，检测高度不一致的情况，采用了自动调焦的方式来保证聚焦距离和收集距离的一致性，从而保证测量结果的精度。通过移动调焦透镜实现自动聚焦，物料变化多少，透镜移动多少，控制简单，收光效率高。整套自动调焦系统结构简单，调焦精准，反应速度快，稳定性高，非常适合工业现场长期使用。

2.本发明根据现场粉尘和蒸汽大的情况，采用了锥形且上部为夹层的激光窗口探杆结构，将鼓风机吹送的风形成一股强烈的气流向下直吹来消除激光传输路径上弥漫的大量蒸汽和粉尘的影响，从而保证了光谱信号的稳定性；同时内外双层腔体的结构避免了鼓风机送来的风往上朝激光窗口吹扫，避免了鼓风机引入现场的不干净的空气污染激光窗口。

3.本发明根据现场粉尘和蒸汽大的情况，采用了压缩空气吹扫且方形出口的测距窗口探杆结构来消除粉尘和蒸汽对测距窗口的污染，从而保证了测距仪显示正确的距离信息。

4.本发明采用主机柜高防护等级设计和压力及温湿度控制系统的设计可使本装置长时间稳定的工作于恶劣的现场工况条件下。

5.本发明实时在线分析粉末或颗粒物料的组分含量，浓度数据直接传送到中控室中，可实时指导生产过程，提高生产效率，提高产品质量，最终实现智能制造，为企业带来经济效益。

附图说明

图1为本发明一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置的结构示意图；

图2为本发明中测距系统及自动调焦模块的结构示意图；

图3为本发明中激光窗口探杆的结构示意图；

图4为本发明中测距窗口探杆的结构示意图；

图5为本发明中激光的光路示意图；

图中：1为输送带，2为测距窗口探杆,3为激光测距仪，4为压力及温湿度控制模块，5为PLC控制模块，6为激光光源及整形系统，7为信号及数据处理模块，8为主机柜，9为光纤聚焦收集模块，10为激光和光谱信号耦合模块，11为自动调焦模块，12为鼓风模块，13为激光窗口探杆，14为窗口，15为时序控制器，16为工控机，17为直线电机模组，18为调焦透镜，19为进风口，20为探测口，21为测距窗口探杆进气口，22为方形出气口。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1所示，本发明一实施例提供一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，包括主机柜8及设置于主机柜8内的数据处理及控制系统、激光激发和光谱信号收集系统、压力及温湿度控制模块4、测距系统及自动调焦模块11，其中主机柜8设置于输送带1的上方，且主机柜8的底部沿输送带1的输送方向依次设有测距窗口探杆2和激光窗口探杆13，测距窗口探杆2和激光窗口探杆13分别设置于两个窗口14上；压力及温湿度控制模块4用于控制及检测主机柜8内的压力及温湿度信息，同时向测距窗口探杆2和激光窗口探杆13提供压缩空气；激光激发和光谱信号收集系统用于发射激光至输送带1上的物料表面并且产生等离子体，同时收集等离子体信号且输出到光谱仪中；测距系统通过测距窗口探杆2检测输送带1上的物料表面高度变化信息且将物料表面高度变化信息传输到数据处理及控制系统，数据处理及控制系统根据接收到的物料表面高度变化信息控制自动调焦模块11，自动调焦模块11根据数据处理及控制系统的控制指令调整激光聚焦和光谱收集的焦距；数据处理及控制系统用于控制各系统的动作，同时将收集到的光谱信息转换为所测元素的浓度信息。

如图1所示，本发明的实施例中，激光激发和光谱信号收集系统包括激光光源及整形系统6、光纤聚焦收集模块9及激光和光谱信号耦合模块10，其中激光光源及整形系统6用于发射激光并且对激光光束进行整形；激光和光谱信号耦合模块10用于反射激光至物料表面，同时将等离子体信号透射至光纤聚焦收集模块9上；光纤聚焦收集模块9用于收集等离子体信号且输出。

如图2所示，本发明的实施例中，自动调焦模块11包括直线电机模组17和调焦透镜18，其中直线电机模组17沿竖直方向输出动力，调焦透镜18设置于直线电机模组17的输出端，调焦透镜18位于激光和光谱信号耦合模块10与激光窗口探杆13之间，调焦透镜18通过直线电机模组17的驱动进行升降，从而调整激光聚焦和光谱收集的焦距。具体地，调焦透镜18可以是单片式石英透镜，也可以是消色差镜组，焦距在200mm和1000mm之间。

本发明的实施例中，测距系统包括激光测距仪3，激光测距仪3设置于测距窗口探杆2的上端，用于检测物料表面高度信息。具体地，激光测距仪3具有外触发功能，响应时间毫秒量级，测量精度亚毫米量级。

如图1所示，本发明的实施例中，数据处理及控制系统包括PLC控制模块5及与PLC控制模块5电连接的信号及数据处理模块7，其中信号及数据处理模块7与激光光源及整形系统6、光纤聚焦收集模块9及激光测距仪3连接；PLC控制模块5与自动调焦模块11连接。

如图2所示，本发明的实施例中，信号及数据处理模块7包括工控机16及与工控机16连接的光谱仪、时序控制器15，其中光谱仪与光纤聚焦收集模块9连接，时序控制器15与光谱仪、激光光源及整形系统6、激光测距仪3连接。时序控制器15用于控制激光光源及整形系统6、光谱仪、激光测距仪3之间的时序，光谱仪用于将光纤传输的光信号转换成电信号，工控机16根据得到的光谱信号按照光谱预处理、多变量处理等一系列算法最终转换成所测元素的浓度值，PLC控制模块5用于跟工控机16通信，控制各系统的动作。最终浓度信息可通过TCP/IP、Modbus、OPC等多种协议实时传输到中控室中，进而指导生产工艺参数调整。

本发明的实施例中，激光测距仪3接到时序控制器15发出的TTL信号后开始测距，测距信息反馈给PLC控制模块5，PLC控制模块5将此距离信息同预先设置好的基准面距离信息进行比较，从而控制直线电机模组17进行上下移动，进而带动调焦透镜18上下移动，最终达到最佳聚焦效果。直线电机模组17具有行程长（大于物料波动范围）、高加速度及高运动速度（在100ms范围内能完成最大行程运动）。本实施中，直线电机模组17为现有技术，可采用任意一种实现升降运动的直线驱动机构，在此不作限定。

如图3所示，本发明的实施例中，激光窗口探杆13的上部为夹层结构，夹层结构的外壁设有进风口19，进风口19与设置于主机柜8外侧的鼓风模块12连接；激光窗口探杆13的下部为锥形结构，锥形结构的底部设有探测口20。

本发明实施例中，测距窗口探杆2、激光窗口探杆13和鼓风模块12组成防尘除雾系统，防尘除雾系统用于适应现场高粉尘、高蒸汽的恶劣环境。具体地，鼓风模块12由鼓风机和过滤筒组成，通过高功率漩涡增压气泵输出强劲气流，进气口最好安装在工业现场相对洁净的位置，尽量保证进入激光窗口探杆13内的气流相对洁净。激光窗口探杆13锥形出口设计，同时上部采用夹层结构，当鼓风模块12将风送到激光窗口探杆13的进风口19内，形成一股强劲的气流向下直吹，将激光传输路径上弥漫的蒸汽和粉尘吹扫干净，避免对激光聚焦和光谱收集的影响，同时激光窗口探杆13的夹层结构设计使得鼓风模块产生的气流不会流向激光窗口，避免鼓风模块12产生的气流不干净造成激光窗口污染。

如图4所示，本发明的实施例中，测距窗口探杆2为锥形结构，且上端设有测距窗口探杆进气口21，测距窗口探杆进气口21与压力及温湿度控制模块4连接；测距窗口探杆2的底部设有方形出气口22。测距窗口探杆2保护测距窗口，测距窗口探杆2出口处采用方形出气口22，在能满足激光测距仪3正常工作的前提下，尽量减少压缩空气的消耗，压缩空气进入测距窗口探杆2内形成一股向下气流，阻止现场粉尘或蒸汽对测距窗口的污染，从而保证测距仪显示的距离信息正确。

如图5所示，本发明的实施例中，激光光源及整形系统6包括光路同轴设置的激光出光模块、激光合束镜组及光束整形镜组，激光出光模块产生的激光经激光合束镜组后合成一束激光，然后经光束整形镜组整形后，再通过激光和光谱信号耦合模块10反射到调焦透镜18，最后经调焦透镜18聚焦到输送带1上的物料表面产生等离子体。

本发明的实施例中，光谱收集系统包括光纤聚焦收集模块9，激光在物料表面产生的等离子体通过调焦透镜18准直后，再通过激光和光谱信号耦合模块10透射到光纤聚焦收集模块9上，然后通过光纤将信号光传输到信号及数据处理模块7内。

本发明一实施例提供的一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其工作原理是：

将主机柜8固定于输送带1中心正上方合适高度位置，将测距窗口探杆2和激光窗口探杆13以及鼓风模块12连接并固定好，保证正常的供电、压缩空气、通信；设置好激光光源及整形系统6的参数，包括激光能量大小、频率，设置好激光出光和光谱收集之间的延时，设置好温度控制逻辑以及压力控制阈值；开始测量，根据激光测距仪3的测距信息，自动调焦模块11将焦距调整到最佳位置。通过信号及数据处理模块7控制激光光源及整形系统6发出激光，进而激发物料产生等离子体，通过光纤聚焦收集模块9将等离子光谱收集上来传到信号及数据处理模块7，得到监测物料的实时光谱，利用已建立好的标定模型如单变量模型或多变量模型应用于在线分析，将不同元素的特征谱线的强度值转换成元素浓度值，从而得到了输送带1上粉末或颗粒物料的实时浓度值。通过工控机16或PLC控制模块5将浓度数据实时传送到中控室，进而由中控室决策工艺参数的调整。实时监测温度、压力、流量、谱线均值、测距距离等参数，如有异常，实时进行调整，保证整套系统正常运转。

具体地，通过信号及数据处理模块7中的时序控制器15控制激光出光和光谱收集之间的延时，激光光源及整形系统6发出具有一定发散角和光斑大小的激光后，先通过激光合束镜组后合成一束激光，再经过激光整形镜组将激光进一步整形扩束，减小其发散角，然后通过激光和光谱信号耦合模块10反射到调焦透镜18，最后经调焦透镜18将激光会聚到远处的物料表面，通过调整反射镜角度可使激光从激光窗口探杆13正中心射出聚焦到输送带1上物料表面产生等离子体。通过将激光光束整形再聚焦后可减小聚焦光斑直径，提高激光功率密度，从而激发出更强的等离子体。等离子体光沿激光窗口探杆13原路返回经过调焦透镜18准直后，再通过激光和光谱信号耦合模块10透射到光纤聚焦收集模块9上，光纤聚焦收集模块9采用了消色差设计，保证宽波段光谱的收集聚焦效果，然后通过光纤将信号光传输到信号及数据处理模块7中的光谱仪，为了保证光谱分辨率，可采用多个光谱仪组成光谱收集阵列。

本实施例中，根据输送带1的速度V和测距窗口中心到激光窗口中心的距离L，计算出激光光源及整形系统6的工作频率为V/L，从激光测距仪3接到触发TTL信号到直线电机模组17完成移动，整个过程需要在L/V的时间内完成，即整个调焦过程需要在一个激光出光周期内完成，这样才能保证激光聚焦光斑的一致性。具体工作流程是：工控机16控制时序控制器15发出触发信号，激光测距仪3接到触发信号后开始测距，测距信息反馈给PLC控制模块5，PLC将此距离信息同预先设置好的基准面距离信息进行比较，从而控制自动调焦模块11中的直线电机模组17进行上下移动，进而带动调焦透镜18上下移动，从而达到最佳聚焦效果，最终可以保证测试过程中不受输送带1上物料起伏波动的影响。压力及温湿度控制模块4用于控制主机柜8的温度、湿度、压力保持在合理工作范围之内，从而保证设备能在现场恶劣环境下长期稳定运行。具体地，压力及温湿度控制模块4是根据主机柜8内的温度传感器反馈的温度信息，然后按照设置好的温度逻辑，从而保证机柜温度保持在工作温度范围之内，尤其可以保证激光光源及整形系统6在恒温下工作，这样可以保证激光出光能量的稳定性。压力控制系统用于保证主机柜8内部维持一定的正压，避免现场粉尘及蒸汽对设备尤其是光学设备的污染，从而避免在激光高能量的击打下污染镜片。主机柜8按照高防护等级设计，同时进行温度及湿度控制及正压维持，从而可以保证设备可以在恶劣的工业现场下长期稳定运行。

在上述设计构思的基础上，本发明的另一实施例提供一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测方法，包括如上任意实施例中的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，检测方法包括以下步骤：

步骤1：由输送带1传输物料；将主机柜8固定于输送带1中心正上方合适高度位置，将测距窗口探杆2和激光窗口探杆13以及鼓风模块12连接并固定好，保证正常的供电、压缩空气、通信；

步骤2：通过压力及温湿度控制模块4调整主机柜8内的压力、温度及湿度在工作范围内，且为测距窗口探杆2和激光窗口探杆13提供压缩空气；

步骤3：根据输送带1的速度V以及测距窗口和激光窗口之间的距离L，设置激光光源系统的参数，参数包括激光能量大小和频率，同时设置激光出光和光谱收集之间的延时；

步骤4：激光测距仪3接到时序控制器15发出的TTL信号后开始测距，通过激光测距仪3测量物料表面高度变化信息，且将物料表面高度变化信息反馈给PLC控制模块5，PLC控制模块5根据物料表面高度变化信息控制自动调焦模块11进行调焦，达到最佳聚焦效果；

步骤5：信号及数据处理模块7控制激光光源系统发出激光，激光经激光合束镜组后合成一束激光，然后经激光整形镜组整形后，激光经激光和光谱信号耦合模块10反射到调焦透镜18，再经调焦透镜18聚焦到输送带1上的物料表面且产生等离子体；

步骤6：等离子体通过调焦透镜18准直后，通过激光和光谱信号耦合模块10透射到光纤聚焦收集模块9，然后通过光纤将信号光传输到信号及数据处理模块7；

步骤7：工控机16根据得到的光谱信号按照光谱预处理、多变量模型等一系列算法最终转换成所测元素的浓度值，进一步将浓度数据传送到中控室，指导生产工艺参数调整。

进一步地，通过鼓风模块12向激光窗口探杆13上部的夹层结构内提供吹扫气流。开启鼓风机，降低现场蒸汽和粉尘对激光信号和光谱信号的影响；调整好压缩空气供气的各路流量，避免粉尘和蒸汽对光学腔体以及窗口的污染。设置好温度控制逻辑以及压力控制阈值，保证激光出光系统在恒定温度下工作，提高激光能量的稳定性，同时避免压力过大引起的腔体形变。

本实施例中，通过自动调焦方式可以适应输送带1上物料起伏的波动，尤其适用于物料颗粒大小不等、物料起伏剧烈的工业现场；通过防尘除雾系统，可以防止激光窗口被污染，以及现场物料散发出的大量蒸汽和粉尘对激光聚焦和光谱收集的影响；通过对主机柜高防护等级设计和压力及温湿度控制系统的设计，保证设备能在现场恶劣环境下长期稳定运行；通过将浓度数据实时传送到中控室，可以实时指导生产过程，优化生产工艺参数，实现智能制造。

本发明能够有效克服输送带上物料高度波动大造成的光谱信号不稳定以及高粉尘、高蒸汽对激光和光谱信号的影响。本发明采用的自动调焦方案调焦精准、快速，控制简单，长期稳定性高，收光效率高；本发明采用的防尘除雾系统结构简单，风力强劲，能有效解决现场高粉尘、高蒸汽对测量结果的影响。本发明集成度高，容易布置，可将在线检测得到的输送带上物料组分含量实时传送到中控室，进而指导生产过程，优化生产工艺参数，实现智能制造，最终提高产品质量，提升生产效率，降低能源消耗，为企业带来显著的经济效益。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非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作的任何修改、等同替换、改进、扩展等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，包括主机柜（8）及设置于主机柜（8）内的数据处理及控制系统、激光激发和光谱信号收集系统、压力及温湿度控制模块（4）、测距系统及自动调焦模块（11），其中主机柜（8）设置于输送带（1）的上方，且主机柜（8）的底部沿输送带（1）的输送方向依次设有测距窗口探杆（2）和激光窗口探杆（13）；

压力及温湿度控制模块（4）用于控制及检测主机柜（8）内的压力及温湿度信息，同时向测距窗口探杆（2）和激光窗口探杆（13）提供压缩空气；

激光激发和光谱信号收集系统用于发射激光至输送带（1）上的物料表面并且产生等离子体，同时收集等离子体信号且输出到光谱仪中；

测距系统通过测距窗口探杆（2）检测输送带（1）上的物料表面高度变化信息且将物料表面高度变化信息传输到数据处理及控制系统，数据处理及控制系统根据接收到的物料表面高度变化信息控制自动调焦模块（11），自动调焦模块（11）根据数据处理及控制系统的控制指令调整激光聚焦和光谱收集的焦距；

数据处理及控制系统用于控制各系统的动作，同时将收集到的光谱信息转换为所测元素的浓度信息。

2.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，所述激光激发和光谱信号收集系统包括激光光源及整形系统（6）、光纤聚焦收集模块（9）及激光和光谱信号耦合模块（10）；

激光光源及整形系统（6）用于发射激光并且对激光光束进行整形；

激光和光谱信号耦合模块（10）用于反射激光至物料表面，同时将等离子体信号透射至光纤聚焦收集模块（9）上；

光纤聚焦收集模块（9）用于收集等离子体信号且输出到光谱仪中。

3.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，所述自动调焦模块（11）包括直线电机模组（17）和调焦透镜（18），其中直线电机模组（17）沿竖直方向输出动力，调焦透镜（18）设置于直线电机模组（17）的输出端，调焦透镜（18）位于所述激光窗口探杆（13）的上方，调焦透镜（18）通过直线电机模组（17）的驱动进行升降，从而调整激光聚焦和光谱收集的焦距。

4.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，所述测距系统包括激光测距仪（3），激光测距仪（3）设置于所述测距窗口探杆（2）的上端，用于检测物料表面高度信息。

5.根据权利要求4所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，所述测距窗口探杆（2）为锥形结构，且上端设有测距窗口探杆进气口（21），测距窗口探杆进气口（21）与所述压力及温湿度控制模块（4）连接；所述测距窗口探杆（2）的底部设有方形出气口（22）。

6.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，所述激光窗口探杆（13）的上部为夹层结构，夹层结构的外壁设有进风口（19），进风口（19）与设置于所述主机柜（8）外侧的鼓风模块（12）连接；所述激光窗口探杆（13）的下部为锥形结构，锥形结构的底部设有探测口（20）。

7.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，所述数据处理及控制系统包括PLC控制模块（5）及与PLC控制模块（5）连接的信号及数据处理模块（7），其中信号及数据处理模块（7）与所述激光激发和光谱信号收集系统及所述测距系统连接；PLC控制模块（5）与自动调焦模块（11）连接。

8.根据权利要求7所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，其特征在于，所述信号及数据处理模块（7）包括工控机（16）及与工控机（16）连接的光谱仪、时序控制器（15），其中光谱仪与所述激光激发和光谱信号收集系统连接，时序控制器（15）与所述激光激发和光谱信号收集系统、光谱仪及测距系统连接。

9.一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测方法，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置，所述检测方法包括以下步骤：

步骤1：由输送带（1）传输物料；

步骤2：通过压力及温湿度控制模块（4）调整主机柜（8）内的压力、温度及湿度在工作范围内，且为测距窗口探杆（2）和激光窗口探杆（13）提供压缩空气；

步骤3：根据输送带（1）的速度V以及测距窗口和激光窗口之间的距离L，设置激光光源系统的参数，参数包括激光能量大小和频率，同时设置激光出光和光谱收集之间的延时；

步骤4：通过激光测距仪（3）开始测量物料表面高度变化信息，且将物料表面高度变化信息反馈给PLC控制模块（5），PLC控制模块（5）根据物料表面高度变化信息控制自动调焦模块（11）进行调焦；

步骤5：信号及数据处理模块（7）控制激光光源及整形系统（6）发出激光，激光经激光和光谱信号耦合模块（10）反射到调焦透镜（18），再经调焦透镜（18）聚焦到输送带（1）上的物料表面且产生等离子体；

步骤6：等离子体通过调焦透镜（18）准直后，通过激光和光谱信号耦合模块（10）透射到光纤聚焦收集模块（9），然后通过光纤将信号光传输到信号及数据处理模块（7）；

步骤7：工控机（16）将光谱信号转换成所测元素的浓度值。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，通过鼓风模块（12）向所述激光窗口探杆（13）上部的夹层结构内提供吹扫气流。

Images