CN201575971U - 一种用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置 - Google Patents

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孙兰香
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Abstract

一种用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置，属于激光诊断和测量技术领域。包括光源系统、光路系统及信号采集分析系统，光源发出的激光与光路系统的二向色镜形成45°入射角，光路系统将收集到的光信号通过光纤传入信号采集分析系统中进行分析。本实用新型利用激光直接照射熔融金属产生等离子体，然后把等离子体所辐射的光进行采集分析，实时的监测熔融金属的组分含量，可以根据所得到的分析结果实时指导冶炼生产过程。利用本实用新型可以提高产品质量，减少缺陷；降低能源消耗；增加熔炼周转次数，提高产能；延长炉体寿命。

Description

一种用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置
技术领域
本实用新型属于激光诊断和测量技术领域，具体涉及一种对熔融金属进行实时、在线快速分析其组分含量的激光诱导击穿光谱装置。
背景技术
国家统计局报告中的一组数字显示，我国工业能耗占全国一次能源消费的70％左右，而钢铁冶金、石油化工、有色金属等高耗能行业占工业总能耗的69％。同国际先进水平相比，这些行业主要产品单位能耗要高出40％。特别是作为能耗大户的冶金行业，其外购能源费用约占钢铁生产成本的25％。能耗过大严重影响我国冶金工业市场竞争力，已成为制约我国冶金工业发展的一大瓶颈。
目前冶金行业采用实验室离线测量样品组分含量，冶炼产品的成分分析需要从熔炉里取样少量的液态样品，经冷却、固化、打磨、抛光等处理过程以后，再运送到炉前分析实验室进行分析。通常冶炼一炉钢需要25-30分钟，而冶炼产品的组分分析时间约3-5分钟，分析时间占冶炼时间的1/10左右。这种离线、非连续的冶金分析方式与冶炼过程严重脱节，造成炉内产品组分预测不及时，冶炼时间延长，因而浪费大量能源和原材料。本实用新型装置就是一种在线分析装置，用于缩短组分分析时间，对于冶金行业的生产效率的提高、产品质量的提升、能源的节约等都将有重大的影响。
实用新型内容
针对上述存在的技术问题，本实用新型提供一种用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置，以解决目前冶金行业对熔融金属组分含量测量离线分析的问题。
本实用新型采用的技术方案是：
一种用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置，包括光源系统、光路系统及信号采集分析系统，光源发出的激光与光路系统的二向色镜形成45°入射角，光路系统通过光纤与信号采集分析系统连接。
所述的光路系统包括二向色镜、两个聚焦透镜、光纤和两个电控平移台，所述两个聚焦透镜和二向色镜同轴固定，第二聚焦透镜和光纤分别固定在两个电控平移台上，第二聚焦透镜位于感应炉内坩埚中熔融金属上方，并且使其焦点位于熔融金属液面中，光纤位于第一聚焦透镜的焦点处，并与信号采集分析系统的分光仪连接，二向色镜设置在两聚焦透镜之间，光源的光线投射在二向色镜上形成45°入射角，两个电控平移台分别与信号采集分析系统的计算机连接。
所述的信号采集分析系统包括分光仪、光电倍增管、取样积分器、示波器、光电二极管和计算机，分光仪通过光电倍增管分别与取样积分器、示波器连接，取样积分器和示波器分别与光电二极管连接，示波器通过取样积分器与计算机连接；光电倍增管上连接有高压电源。
所述的光源为Nd:YAG激光器。
本实用新型的有益效果是：本实用新型利用激光直接照射熔融金属产生等离子体，然后把等离子体所辐射的光进行采集分析，实时的监测熔融金属的组分含量，可以根据所得到的分析结果实时指导冶炼生产过程。
本实用新型中采用两个电控平移台分别控制第二聚焦透镜和光纤端口，可实时调整第二聚焦透镜到熔融金属液面的距离使其最优化，以及实时调整光纤端口的位置使第一聚焦透镜聚焦后的信号光斑正好入射到光纤端口中，两聚焦透镜间的二向色镜与激光入射方向成45°，使反射后的激光由聚焦透镜会聚到熔融金属表面，从而诱导产生等离子体。
利用本实用新型可以提高产品质量，减少缺陷；降低能源消耗；增加熔炼周转次数，提高产能；延长炉体寿命。
附图说明
图1为本实用新型的结构示意图。
其中：1.感应炉，2.数字示波器，3.取样积分器(BOXCAR)，4.计算机，5.光电二极管，6.光源，7.分光仪，8.光电倍增管(PMT)，9.高压电源(HV)，10.光纤，11.第一电控平移台，12.第一聚焦透镜，13.二向色镜，14.第二聚焦透镜，15.第二电控平移台，16.坩埚。
具体实施方式
实施例：如图1所示，本实用新型包括光源6、光路系统及信号采集分析系统，光源发出的激光与光路系统的二向色镜13形成45°入射角，光路系统通过光纤与信号采集分析系统连接，将收集到的光信号通过光纤10传入信号采集分析系统中进行分析。
本例中所述的光路系统包括二向色镜13、两个聚焦透镜、光纤10和两个电控平移台，所述两个聚焦透镜和二向色镜13同轴固定，第二聚焦透镜14和光纤10分别固定在两个电控平移台上，其中第一聚焦透镜11、二向色镜13和光源6分别固定在实验台上，第二聚焦透镜14位于感应炉1内坩埚16中熔融金属上方，并且固定在第二电控平移台15上，使其可以调节与熔融金属液面的距离从而达到最优，光纤10固定在第一电控平移台12上，位于第一聚焦透镜11的焦点处，使其可以二维调节，从而满足经第一聚焦透镜11会聚后的信号光斑完全入射到光纤10端口中，光纤10与信号采集分析系统的分光仪7连接，二向色镜13固定在两聚焦透镜之间，光源6的光线投射在二向色镜13上形成45°入射角，两个电控平移台分别与信号采集分析系统的计算机4连接。两电控平移台分别用于控制第二聚焦透镜14和光纤10端口的位置，根据光谱信号的强弱移动第二聚焦透镜14和光纤10的位置，使它们处于最佳的位置。利用光纤10传输信号光，可以尽量减少光的损耗，并且可以比较方便的移动光谱采集系统，减少了对空间的限制。
所述的信号采集分析系统包括分光仪7、光电倍增管8、取样积分器3、数字示波器2、光电二极管5和计算机4，分光仪7通过光电倍增管8分别与取样积分器3和数字示波器2连接，取样积分器3和数字示波器2分别与光电二极管5连接，数字示波器2通过取样积分器3与计算机4连接；光电倍增管8上连接有高压电源9。光电倍增管8是一种具有极高灵敏度和超快时间响应的真空电子管类光探测器件，高压电源9与光电倍增管8连接用来为其提供高压。取样积分器3和数字示波器2分别与光电倍增管8相连接，用来对光电倍增管8所探测到的电信号进行采集。光电二极管5用于触发数字示波器2和取样积分器3，当接收到激光发出的信号时触发取样积分器3和数字示波器2开始采集信号。利用取样积分器3可以对采集到的信号进行取样积分，并且根据数字示波器2上显示的时间分辨谱可以利用取样积分器3控制采集信号的延时和采集信号的门宽，使其达到最佳的信噪比。
本例光源6采用Nd:YAG激光器，激光器发出的激光用于激发熔融金属产生等离子体光谱，所选用的波长为1064nm，脉宽为8ns，重复频率为10Hz，最大脉冲能量为200mJ。二向色镜13用于把波长为1064nm的激光成90度反射到熔融金属液面，把从激光等离子体发出的其它波段的光透射出去，将其固定在与激光入射方向成45°的位置。
本实用新型的工作过程：激光器发出的波长为1064nm的激光经过二向色镜13反射后，由第二聚焦透镜14会聚到熔融金属表面，使得样品表面的激光能量达到击穿阈值，从而诱导产生等离子体。等离子体所辐射的光通过第二聚焦透镜14，然后透射过二向色镜13，由第一聚焦透镜11聚焦到光纤10的端口中，根据信号的强度使第一聚焦透镜11正好把信号光会聚到光纤10端口中。等离子体所辐射的光经过光纤10传到分光仪7中，分光仪7将入射的光按波长分开，然后通过与分光仪7连接的光电倍增管8将光信号转换处成电信号，通过与光电倍增管8分别连接的取样积分器3和数字示波器2，对光电倍增管8所探测到的电信号进行采集，将取样积分器3和数字示波器2采集到的数据传输到计算机4，通过计算机4进行处理分析，得到激光等离子体光谱，根据我们所拥有的知识库实时的显示出各个谱线所代表的元素以及强度，即可以实时的监测熔融金属组分含量，根据所得到的结果实时的对原材料进行增减，达到所需要求。
本实用新型可以根据具体的实施环境，根据信号的强弱以及信噪比的好坏对第二聚焦透镜14和光纤10端口的位置进行调控。
本实用新型可应用于冶炼钢铁、铝、玻璃等行业。

Claims (4)

1.一种用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置，其特征在于：包括光源系统、光路系统及信号采集分析系统，光源发出的激光与光路系统的二向色镜形成45°入射角，光路系统通过光纤与信号采集分析系统连接。
2.根据权利要求1所述用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置，其特征在于：所述的光路系统包括二向色镜、两个聚焦透镜、光纤和两个电控平移台，所述两个聚焦透镜和二向色镜同轴固定，第二聚焦透镜和光纤分别固定在两个电控平移台上，第二聚焦透镜位于感应炉内坩埚中熔融金属上方，并且使其焦点位于熔融金属液面中，光纤位于第一聚焦透镜的焦点处，并与信号采集分析系统的分光仪连接，二向色镜设置在两聚焦透镜之间，光源的光线投射在二向色镜上形成45°入射角，两个电控平移台分别与信号采集分析系统的计算机连接。
3.根据权利要求1所述用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置，其特征在于：所述的信号采集分析系统包括分光仪、光电倍增管、取样积分器、示波器、光电二极管和计算机，分光仪通过光电倍增管分别与取样积分器、示波器连接，取样积分器和示波器分别与光电二极管连接，示波器通过取样积分器与计算机连接；光电倍增管上连接有高压电源。
4.根据权利要求1所述用于熔融金属的激光诱导击穿光谱装置，其特征在于：所述的光源为Nd:YAG激光器。
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