一種高效的多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜分析和在線成分檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種多路激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)與方法，該發(fā)明特別適用于礦山、大型工業(yè)過(guò)程的多點(diǎn)同時(shí)在線檢測(cè)，可以顯著降低成本，提高檢測(cè)效率，具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。
【背景技術(shù)】
[0002]近些年，一種新型的物質(zhì)成分探測(cè)技術(shù)一一激光探針技術(shù)，也稱激光誘導(dǎo)擊穿光譜(Laser-1nduced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技術(shù)引起了科研人員的極大興趣。與傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法相比，激光探針技術(shù)不僅具有多元素同時(shí)檢測(cè)，檢測(cè)速度快，可用于實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，樣品損傷小及預(yù)處理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，而且可以對(duì)氣體、液體、固體和氣溶膠幾乎所有狀態(tài)的樣品進(jìn)行檢測(cè)。正因如此，目前激光探針技術(shù)被廣泛運(yùn)用于材料分析、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)、食品安全、農(nóng)林業(yè)和深空探測(cè)等領(lǐng)域，并且其應(yīng)用范圍還在不斷擴(kuò)大。此外，激光探針檢測(cè)方法特別適用于一些特殊和惡劣的場(chǎng)合，比如高溫，強(qiáng)輻射，劇毒和易爆等環(huán)境。
[0003]在一些重要和特殊的領(lǐng)域里，激光探針技術(shù)展現(xiàn)出巨大的優(yōu)勢(shì)和良好的應(yīng)用前景。例如采礦工業(yè)，以鐵礦石的開(kāi)采和加工過(guò)程為例，首先需要從礦井開(kāi)采出具有較高品位的鐵礦石，該過(guò)程中需要對(duì)粗鐵礦中的鐵元素含量進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)來(lái)指導(dǎo)礦井的開(kāi)采方向，進(jìn)而節(jié)省人力和物力，提高開(kāi)采的效率，并在一定程度上降低環(huán)境污染。然后通過(guò)采礦車將挖掘的粗鐵礦運(yùn)出礦井，對(duì)礦石進(jìn)行破碎和篩選，以獲得合適而均勻的粒度，該過(guò)程也需要對(duì)破碎和篩選后的礦石中鐵元素含量進(jìn)行測(cè)定。最后，還需對(duì)貧鐵礦進(jìn)行細(xì)磨和精選，采用研磨機(jī)器對(duì)礦石進(jìn)行細(xì)磨需要反復(fù)多次，經(jīng)過(guò)精選后需要對(duì)成分進(jìn)行再次準(zhǔn)確測(cè)量。從上述過(guò)程可以看出，鐵礦石從粗鐵礦到精鐵礦的多道加工工序都需要對(duì)礦石中鐵元素含量進(jìn)行快速準(zhǔn)確檢測(cè)。采用常規(guī)的化學(xué)分析方法和光譜分析方法，不僅取樣過(guò)程復(fù)雜耗時(shí)，檢測(cè)速度慢，無(wú)法實(shí)現(xiàn)多元素同時(shí)檢測(cè)，且只能對(duì)工業(yè)過(guò)程進(jìn)行離線檢測(cè)，而無(wú)法達(dá)到實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的要求。對(duì)采礦工業(yè)而言，節(jié)能和高效的生產(chǎn)是優(yōu)先考慮的方向，如果無(wú)法在這兩個(gè)方面取得突破，將不利于采礦工業(yè)長(zhǎng)足發(fā)展。目前，激光探針技術(shù)已經(jīng)可以初步滿足采礦工業(yè)的成分在線檢測(cè)要求，但是目前單臺(tái)激光探針?lè)治鲈O(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)檢測(cè)，經(jīng)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，鐵礦石的開(kāi)采和加工過(guò)程約包含20?30個(gè)點(diǎn)需要對(duì)礦石中的鐵元素進(jìn)行測(cè)定。因此，要實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)、多對(duì)象的同時(shí)在線檢測(cè)，需要購(gòu)置20?30臺(tái)激光探針檢測(cè)設(shè)備分別對(duì)各個(gè)對(duì)象進(jìn)行檢測(cè)，這樣便會(huì)成倍增加成本，導(dǎo)致企業(yè)利潤(rùn)大幅降低。此外，工礦現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，信號(hào)干擾強(qiáng)，對(duì)檢測(cè)設(shè)備提出了更高的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是為大型工業(yè)過(guò)程提供一種低成本、高效的多點(diǎn)同時(shí)在線檢測(cè)的激光探針檢測(cè)系統(tǒng)和方法，解決多點(diǎn)在線檢測(cè)成本高，檢測(cè)速度慢和抗干擾差的問(wèn)題，提高激光探針技術(shù)的檢測(cè)效率和精度。
[0005]本發(fā)明提供的一種多路激光探針檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括脈沖激光器、光柵光譜儀、ICXD探測(cè)器、數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器和計(jì)算機(jī)，其特征在于，該系統(tǒng)還包括分光耦合裝置A、光信號(hào)合路裝置和多臺(tái)探測(cè)裝置B;
[0006]所述脈沖激光器通過(guò)傳導(dǎo)光纖與分光耦合裝置A的輸入端相連，分光耦合裝置A的輸出端通過(guò)多路傳導(dǎo)光纖將脈沖激光信號(hào)分別傳輸?shù)礁魈綔y(cè)裝置B中，分光耦合裝置A用于將脈沖激光器發(fā)出的脈沖信號(hào)按時(shí)序或者能量分路耦合到多芯光纖，以實(shí)現(xiàn)一束激光對(duì)多個(gè)待測(cè)點(diǎn)的激發(fā)；
[0007]各探測(cè)裝置B均包括掃描振鏡系統(tǒng)D、第二會(huì)聚透鏡和光纖耦合器;所述的掃描振鏡系統(tǒng)D用于對(duì)激光束進(jìn)行聚焦對(duì)檢測(cè)點(diǎn)進(jìn)行面掃描，使各檢測(cè)點(diǎn)表面形成等離子體;第二會(huì)聚透鏡用于從激光束側(cè)向采集所述等離子體發(fā)射的光信號(hào)，采集到的光信號(hào)被光纖耦合器耦合后通過(guò)傳導(dǎo)光纖傳輸至光信號(hào)合路裝置C;
[0008]光信號(hào)合路裝置C用于將多路光信號(hào)合并為一路光信號(hào)，合路后的等離子體光信號(hào)按照傳輸?shù)臅r(shí)序分別被傳導(dǎo)光纖傳送至光柵光譜儀，光柵光譜儀按照時(shí)序?qū)Φ入x子體光信號(hào)分光后傳輸至IC⑶探測(cè)器；
[0009]ICCD探測(cè)器依次對(duì)分光后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換后，各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)光譜信息由計(jì)算機(jī)輸出；
[0010]所述的數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器連接脈沖激光器的Q-SWitch信號(hào)輸出端和ICXD探測(cè)器的觸發(fā)信號(hào)輸入端，用于控制激光脈沖信號(hào)與ICCD探測(cè)的延遲時(shí)間；
[0011]所述計(jì)算機(jī)用于控制脈沖激光器發(fā)出脈沖激光信號(hào)與ICCD開(kāi)始采集信號(hào)的時(shí)間間隔，并接收來(lái)自ICCD探測(cè)器的光譜數(shù)據(jù)，其內(nèi)置的光譜分析軟件是多窗口界面，每個(gè)窗口對(duì)應(yīng)顯示一處探測(cè)點(diǎn)的等離子體光譜信號(hào)，用于對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。
[0012]作為上述技術(shù)方案的改進(jìn)，所述掃描振鏡系統(tǒng)D包括變焦裝置，第一會(huì)聚透鏡，X軸振鏡和Y軸振鏡;變焦裝置用于控制激光束的聚焦位置，脈沖激光首先進(jìn)入變焦裝置，在變焦裝置的控制下激光束的焦距發(fā)生變化，并進(jìn)入第二會(huì)聚透鏡，第二會(huì)聚透鏡用于聚焦激光光束來(lái)提高激光束的功率密度，對(duì)被測(cè)對(duì)象進(jìn)行有效激發(fā)，X軸振鏡和Y軸振鏡的旋轉(zhuǎn)軸分別沿豎直方向和水平方向，其作用是控制由第二會(huì)聚透鏡射出的激光束的方向以實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測(cè)點(diǎn)的面掃描。
[0013]本發(fā)明提供的利用上述多路激光探針檢測(cè)系統(tǒng)的方法，該方法包括下述步驟:
[0014]第I步由脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖在分光耦合裝置A的作用下，按照預(yù)定時(shí)序分別進(jìn)入到多條不同的光信號(hào)傳輸通道，實(shí)現(xiàn)對(duì)一臺(tái)脈沖激光脈沖信號(hào)的分路，將每路激光脈沖信號(hào)分別傳輸?shù)綄?duì)應(yīng)的檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)由一臺(tái)脈沖激光器發(fā)出的激光脈沖對(duì)多處檢測(cè)點(diǎn)的激發(fā)；
[0015]第2步脈沖激光到達(dá)檢測(cè)點(diǎn)后，激光束在掃描振鏡系統(tǒng)D的控制下作用于被測(cè)對(duì)象表面，并且由掃描振鏡系統(tǒng)D控制激光束對(duì)被測(cè)對(duì)象表面進(jìn)行主動(dòng)掃描激發(fā)；
[0016]第3步由第二會(huì)聚透鏡從激光束側(cè)向?qū)Φ入x子體發(fā)射的光信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的光信號(hào)被光纖耦合器耦合到傳導(dǎo)光纖并被傳輸至光信號(hào)合路裝置C，在光信號(hào)合路裝置C的作用下，多路光信號(hào)被合并為一路光信號(hào)并由一路傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)焦鈻殴庾V儀，以對(duì)多路等離子體光譜信號(hào)進(jìn)行探測(cè)；
[0017]第4步光柵光譜儀按照時(shí)序?qū)Φ入x子體光信號(hào)分光后傳輸至ICXD探測(cè)器，然后由ICCD探測(cè)器依次對(duì)分光后的信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中，根據(jù)采集的激光等離子體光譜信號(hào)的優(yōu)劣對(duì)脈沖激光能量的大小，數(shù)字延遲脈沖發(fā)生器的延遲時(shí)間和光學(xué)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，獲得最佳的實(shí)驗(yàn)參數(shù)；
[0018]第5步各個(gè)檢測(cè)點(diǎn)光譜信息由計(jì)算機(jī)輸出，不同檢測(cè)點(diǎn)的檢測(cè)結(jié)果同時(shí)予以顯示，實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的待測(cè)物質(zhì)在線定性和定量分析。
[0019]本發(fā)明提供的激光探針?lè)治鱿到y(tǒng)與常規(guī)的檢測(cè)儀器相比，不僅可以實(shí)時(shí)在線，快速，準(zhǔn)確對(duì)物質(zhì)成分和質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，而且還可以對(duì)多點(diǎn)實(shí)現(xiàn)同時(shí)檢測(cè)，極大地降低了成本，提高了激光探針?lè)治鰞x的檢測(cè)效率。具體來(lái)說(shuō)，本發(fā)明具有以下技術(shù)特點(diǎn):
[0020](I)常規(guī)的激光探針?lè)治鲈O(shè)備只能實(shí)現(xiàn)單點(diǎn)檢測(cè)，要對(duì)多點(diǎn)或多對(duì)象實(shí)現(xiàn)同時(shí)在線檢測(cè)則需在每個(gè)檢測(cè)點(diǎn)分別安置一臺(tái)激光探針?lè)治鰞x，通過(guò)多臺(tái)激光探針?lè)治鰞x聯(lián)用才能達(dá)到檢測(cè)要求。本發(fā)明最突出的技術(shù)特點(diǎn)是利用一套激光探針檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)的同時(shí)在線檢測(cè)，多路光信號(hào)在光信號(hào)合并系統(tǒng)的作用下合并為一路，以便利用一臺(tái)光柵光譜儀和一臺(tái)ICCD探測(cè)器對(duì)多路等離子體光譜信號(hào)進(jìn)行探測(cè)。提高了激光探針的檢測(cè)效率，大幅降低了多點(diǎn)在線檢測(cè)的激光探針?lè)治鰞x的成本。
[0021](2)工礦企業(yè)環(huán)境