CN106568761A - 一种远程libs探头测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种远程LIBS探头测量装置，包括探头模块、收集模块、外触发检测模块、制冷模块、除尘模块和计算机；本发明旨在提供一种远程LIBS探头测量装置，能进行户外在线原位探测，在某些特定的环境下，如化工领域的高温高压环境、含有放射性物质测试环境及空间探测等，测试人员无法直接或近距离使用仪器及装置进行作业时，能够保证测试人员安全测量。另外，本发明独特的光路设计，使得装置体积小、结构紧凑、质量轻，整个装置可集成到一个手提箱里面，车载到户外进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器技术领域，尤其涉及一种远程LIBS探头测量装置。
背景技术
激光诱导击穿光谱技术(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS)，是一种新型原子光谱分析技术，它利用聚集强脉冲激光将待测样品直接激发成等离子体，通过分析等离子体中光谱信号来实现样品的元素分析。该技术操作简单，测量速度快，测量范围广，具有多相测定能力，能够完成复杂物质所含元素的定性和定量分析。由于具有上述优点，LIBS广泛的应用在冶金分析、环境监测、地质勘探、在线监控、国防等领域。
传统意义上，LIBS技术应用过程中，可直接对待测样品进行近距离的测试与分析，但在某些特定的领域及环境下，如化工领域的高温高压环境、含有放射性物质测试环境及空间探测等，测试人员无法直接或近距离使用仪器及装置进行作业。
发明内容
本发明旨在提供一种远程LIBS探头测量装置，能进行户外在线原位探测，在某些特定的环境下，如化工领域的高温高压环境、含有放射性物质测试环境及空间探测等，测试人员无法直接或近距离使用仪器及装置进行作业时，能够保证测试人员安全测量。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种远程LIBS探头测量装置，包括探头模块、收集模块、外触发检测模块、制冷模块和计算机；
所述探头模块包括激光器和激光扩束系统，所述激光扩束系统包括依次同轴设置的凹透镜、凸透镜和聚焦透镜；所述激光器的激光头正对凹透镜，所述凹透镜位于激光头和凸透镜之间；
所述收集模块包括凹面反射镜和光纤探头，光纤探头位于凹面反射镜的焦点处；
所述外触发检测模块包括光电管、延时器和光谱仪；所述光电管与延时器电连接、延时器与光谱仪电连接，延时器接收光电管信号并延时触发光谱仪工作；所述光纤探头通过光纤连接光谱仪；
所述制冷模块包括温度传感器和制冷设备，温度传感器、制冷设备分别与计算机电连接，计算机接收温度传感器信号并控制制冷设备工作；所述制冷设备包括循环通道和水冷机，所述循环通道环绕探头模块、收集模块和外触发检测模块；
所述激光器、延时器和光谱仪分别与计算机电连接。
优选的，还包括除尘模块，所述除尘模块包括保护气体喷口，所述保护气体喷口设有电磁阀，电磁阀与计算机电连接。
进一步的，所述保护气体喷口为两个，两个保护气体喷口分别安装在聚焦透镜和凹面反射镜的侧边。
优选的，所述温度传感器安装在探头模块的侧边处。
优选的，所述凹面反射镜与激光器处于同一竖直平面。
优选的，所述光电管安装在激光器侧边处。
优选的，所述延时器通过串行总线与计算机连接。
优选的，所述光电管与激光器呈30°夹角。
所述激光器的激光头对准激光扩束系统的激光入口，其轴线与凹透镜、凸透镜和聚焦透镜三者的轴线重合。激光器发射出脉冲激光，脉冲激光先经过扩束作用，完成扩束的脉冲激光到达聚焦镜(焦距为5m)，脉冲激光通过聚焦镜后，在聚焦镜前方5m处聚焦于待测样品的表面，聚焦激光与待测样品物质相互作用，并激发待测样品产生等离子体，等离子体信号产生后将于样品表面呈空间扩散。
所述激光扩束系统由一个凹透镜、一个凸透镜和一个聚焦透镜组成。激光器打出的激光到达扩束系统前端的凹透镜，初始入射激光经凹透镜作用，呈发散状继续传播；经一定的距离后，到达凹透镜后方的扩束系统输出凸透镜，此处凸透镜将接收发散状的激光光束并改变激光路径，使激光光束经凸透镜后呈平形状传播。光束继续传播到达聚焦透镜，经聚焦透镜的聚焦作用，激光光束将在聚焦镜后方5m处形成一个功率密度较高的光斑，进而有效与待测样品作用，形成信号较强的等离子体，经由收集系统对等离子体信号进行收集分析，并最终达到分析待测样品组成成分的目的。
所述收集模块为牛顿式反射望远镜系统，包括凹面反射镜和光纤探头。
所述凹面反射镜的工作流程是：一定距离外的待测样品通过与激光作用产生等离子体，等离子体信号将呈不规则状态空间发散，由于待测样品与凹面反射镜存在一定距离，当等离子体信号到达凹面反射镜位置时近似呈平行状态入射；等离子体信号入射后到达收集系统中的凹面反射镜处，信号经由凹面反射镜反射并聚焦，焦点处放置光纤探头，信号经过探头的耦合并经由光纤传送进入光谱仪。
所述光纤探头置于信号经由凹面反射镜反射并聚焦的焦点处，将信号耦合并经由光纤传送进入光谱仪。
所述光电管以一定的角度安置于激光器侧边处，光电管与激光器呈30°夹角，使得光电管更好地接收散射光。当脉冲激光由激光器发出后，激光器将不可避免的向激光束周围发射出散射光，此时散射光到达预先安装的光电管处，将触发光电管工作，光电管接收散射光并将散射光的信号转化为电信号进而将信号传送给脉冲延时器。
所述延时器接收来自光电管的信号以触发光谱仪工作，延时时间可以通过串口来设置。
所述光谱仪的工作模式设定为外触发方式，接收光纤传递来的谱线信号，将信号按波长顺序排列形成光谱，并对结果进行检测和记录。
所述的除尘模块中的保护气体喷口可以在装置工作时，发出保护气体在光学镜片周围形成气帘，防止镜片粘上灰尘。
所述的制冷模块中的温度传感器可检测环境温度的变化，使制冷模块对装置进行适时地冷却。
本发明具有以下优点：
1、本发明独特的光路设计，使得装置体积小、结构紧凑、质量轻，整个装置可集成到一个手提箱里面，车载到户外进行检测。
2、本发明的除尘模块可在光学镜片周围发出保护气体形成气帘，防止镜片粘上灰尘，提高光学传输效率，满足高尘环境下使用。
3、本发明的制冷模块中的温度传感器可以检测环境温度的变化，使制冷模块适时地释放出冷流体对装置进行循环冷却，既使装置可以在高温环境下使用，又可起到节能的作用。
4、本发明采用的激光扩束系统可以改变激光路径，使激光光束经凸透镜后呈平行状传播，能够有效地减小激光初始的发散角，提高脉冲激光光束的准直效果。
5、本发明可以用于化工、钢铁领域的高温高尘环境，测试人员无法直接或近距离使用仪器及装置进行作业的危险场合，保证测试人员的安全。
6、本发明具有批量样品测试能力，可进行大批量多样品测试。
7、本发明具有多相分析能力，固体、液体、气体、悬浮颗粒均可检测。
8、本发明测试范围广，可以测定元素周期表上的所有元素。
9、本发明具有样品来源判断能力，通过与数据库对比，可对样品来源进行分类判断。
10、本发明测试速度快，几十秒就可以完成样品元素的定性和定量分析；本发明操作简单，不需要对样品进行预处理。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为本发明结构示意图；
图3为激光扩束示意图；
图4牛顿反射收集系统示意图；
图5为外触发系统示意图；
图6为本发明对白水晶样品的分析光谱图；
图7为本发明对陶瓷样品的分析光谱图；
图8为本发明的方法流程图；
图中：1-激光器、2-凹透镜、3-凸透镜、4-聚焦透镜、5-凹面反射镜、6-光纤探头、7-光电管、8-延时器、9-光谱仪、10-计算机。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
如图1-2所示，一种远程LIBS探头测量装置，包括探头模块、收集模块、外触发检测模块、制冷模块和计算机10；所述探头模块包括激光器1和激光扩束系统，所述激光扩束系统包括依次同轴设置的凹透镜2、凸透镜3和聚焦透镜4；所述激光器1的激光头正对凹透镜2，所述凹透镜2位于激光头1和凸透镜3之间；所述收集模块包括凹面反射镜5和光纤探头6，光纤探头6位于凹面反射镜5的焦点处；所述外触发检测模块包括光电管7、延时器8和光谱仪9；所述光电管7与延时器8电连接、延时器8与光谱仪9电连接，延时器8接收光电管7信号并延时触发光谱仪9工作；所述光纤探头6通过光纤连接光谱仪9；所述制冷模块包括温度传感器和制冷设备，温度传感器、制冷设备分别与计算机10电连接，计算机10接收温度传感器信号并控制制冷设备工作；还包括除尘模块，所述除尘模块包括保护气体喷口，所述保护气体喷口设有电磁阀，电磁阀与计算机10电连接；所述激光器1、延时器8和光谱仪9分别与计算机电连接。所述保护气体喷口为两个，两个保护气体喷口分别安装在聚焦透镜4和凹面反射镜5的侧边。所述制冷设备包括循环通道和水冷机，所述循环通道环绕探头模块、收集模块和外触发检测模块。所述温度传感器安装在探头模块的侧边处。所述凹面反射镜5与激光器1处于同一竖直平面。所述光电管7安装在激光器1侧边处。所述延时器8通过串行总线与计算机10连接。所述光电管7与激光器1呈30°夹角。
如图3所示，激光器1发射出脉冲激光，脉冲激光经过由凹透镜2、凸透镜3和聚焦透镜4所组成的激光扩束系统，激光被凹透镜2发散，到达凸透镜3，凸透镜3能够有效地调节激光光束的发散角，使得具有一定发散角的激光光束近似变为平行光束以提高光束的准直效果，进而使得激光光束通过聚焦透镜4后，能够形成一个功率密度较高的光斑，在聚焦透镜4前方5m处放置待测样品，聚焦激光与待测样品物质相互作用，并激发待测样品产生等离子体，等离子体信号产生后将于样品表面呈空间扩散。与激光器1处于同一竖直平面放置由凹面反射镜5和光纤探头6所组成的牛顿反射收集系统，
如图4所示，由于待测样品与牛顿反射收集系统存在一定距离，当等离子体信号到达收集系统位置时近似呈平行状态入射进入牛顿反射系统，其信号路径近似如图中实线与虚线所示；等离子体信号入射后到达收集系统中的凹面反射镜5处，信号经由凹面反射镜5反射并聚焦，焦点处放置光纤探头6，信号经过探头的耦合并经由光纤传送进入光谱仪9。
如图5所示，光电管7被以一定的角度安置于激光器1侧边处，当脉冲激光发出后，激光器1将不可避免的向激光束周围发射出散射光，此时散射光到达预先安装的光电管7处，将触发光电管7工作，光电管7接收散射光并将散射光的信号转化为电信号进而将信号传送至脉冲延时器8处，最终信号经延时器8触发光谱仪9工作。最终，在计算机10上呈现远距离外待测样品的光谱谱图，通过谱线及强度与元素及含量的对应关系，可进一步得出待测样品的成分组成及具体的元素含量信息等。
使用本发明的远程测量方法，包括以下步骤：
步骤01：发射激光；采用计算机控制激光器发射激光光束；
步骤02：扩束聚焦；将所述激光光束进行扩束聚焦处理，所述激光光束通过激光扩束系统进行扩束聚焦，所述激光扩束系统包括凹透镜、凸透镜和聚焦透镜；
步骤03：激发信号；将扩束聚焦后的激光光束与待测样品相互作用，激发待测样品产生等离子体信号；
步骤04：收集信号；采用牛顿反射收集系统对所述等离子体信号进行收集汇聚；
步骤05：信号耦合；将等离子体信号耦合为谱线信号，所述等离子体信号通过光纤探头的耦合并经由光纤传送进入光谱仪；
步骤06：检测分析；将谱线信号按波长顺序排列形成光谱，并对结果进行检测和记录。
分别选取白水晶与陶瓷样品为测试对象，对本发明的定性能力进行测试。图6为使用所搭建的基于高温环境下的远程LIBS探头测量装置对白水晶样品进行定性分析得到的光谱图，图7为基于高温环境下的远程LIBS探头测量装置对陶瓷样品进行定性分析得到的光谱图。
样品的测试分析结果，不仅可以验证所搭建的LIBS远程测量系统定性分析能力，还能够为将来LIBS远程测量的应用提供一定的基础。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (8)
1.一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：包括探头模块、收集模块、外触发检测模块、制冷模块和计算机；
所述探头模块包括激光器和激光扩束系统，所述激光扩束系统包括依次同轴设置的凹透镜、凸透镜和聚焦透镜；所述激光器的激光头正对凹透镜，所述凹透镜位于激光头和凸透镜之间；
所述收集模块包括凹面反射镜和光纤探头，光纤探头位于凹面反射镜的焦点处；
所述外触发检测模块包括光电管、延时器和光谱仪；所述光电管与延时器电连接、延时器与光谱仪电连接，延时器接收光电管信号并延时触发光谱仪工作；所述光纤探头通过光纤连接光谱仪；
所述制冷模块包括温度传感器和制冷设备，温度传感器、制冷设备分别与计算机电连接，计算机接收温度传感器信号并控制制冷设备工作；所述制冷设备包括循环通道和水冷机，所述循环通道环绕探头模块、收集模块和外触发检测模块；
所述激光器、延时器和光谱仪分别与计算机电连接。
2.根据权利要求1所述的一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：还包括除尘模块，所述除尘模块包括保护气体喷口，所述保护气体喷口设有电磁阀，电磁阀与计算机电连接。
3.根据权利要求2所述的一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：所述保护气体喷口为两个，两个保护气体喷口分别安装在聚焦透镜和凹面反射镜的侧边。
4.根据权利要求1所述的一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：所述温度传感器安装在探头模块的侧边处。
5.根据权利要求1所述的一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：所述凹面反射镜与激光器处于同一竖直平面。
6.根据权利要求1所述的一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：所述光电管安装在激光器侧边处。
7.根据权利要求1所述的一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：所述延时器通过串行总线与计算机连接。
8.根据权利要求6所述的一种远程LIBS探头测量装置，其特征在于：所述光电管与激光器呈30°夹角。
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