本實(shí)用新型涉及光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種遠(yuǎn)程LIBS探頭測量裝置。

背景技術(shù)：

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS)，是一種新型原子光譜分析技術(shù)，它利用聚集強(qiáng)脈沖激光將待測樣品直接激發(fā)成等離子體，通過分析等離子體中光譜信號(hào)來實(shí)現(xiàn)樣品的元素分析。該技術(shù)操作簡單，測量速度快，測量范圍廣，具有多相測定能力，能夠完成復(fù)雜物質(zhì)所含元素的定性和定量分析。由于具有上述優(yōu)點(diǎn)，LIBS廣泛的應(yīng)用在冶金分析、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探、在線監(jiān)控、國防等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)意義上，LIBS技術(shù)應(yīng)用過程中，可直接對(duì)待測樣品進(jìn)行近距離的測試與分析，但在某些特定的領(lǐng)域及環(huán)境下，如化工領(lǐng)域的高溫高壓環(huán)境、含有放射性物質(zhì)測試環(huán)境及空間探測等，測試人員無法直接或近距離使用儀器及裝置進(jìn)行作業(yè)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型旨在提供一種遠(yuǎn)程LIBS探頭測量裝置，能進(jìn)行戶外在線原位探測，在某些特定的環(huán)境下，如化工領(lǐng)域的高溫高壓環(huán)境、含有放射性物質(zhì)測試環(huán)境及空間探測等，測試人員無法直接或近距離使用儀器及裝置進(jìn)行作業(yè)時(shí)，能夠保證測試人員安全測量。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下：

一種遠(yuǎn)程LIBS探頭測量裝置，包括探頭模塊、收集模塊、外觸發(fā)檢測模塊、制冷模塊和計(jì)算機(jī)；

所述探頭模塊包括激光器和激光擴(kuò)束系統(tǒng)，所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)包括依次同軸設(shè)置的凹透鏡、凸透鏡和聚焦透鏡；所述激光器的激光頭正對(duì)凹透鏡，所述凹透鏡位于激光頭和凸透鏡之間；

所述收集模塊包括凹面反射鏡和光纖探頭，光纖探頭位于凹面反射鏡的焦點(diǎn)處；

所述外觸發(fā)檢測模塊包括光電管、延時(shí)器和光譜儀；所述光電管與延時(shí)器電連接、延時(shí)器與光譜儀電連接，延時(shí)器接收光電管信號(hào)并延時(shí)觸發(fā)光譜儀工作；所述光纖探頭通過光纖連接光譜儀；

所述制冷模塊包括溫度傳感器和制冷設(shè)備，溫度傳感器、制冷設(shè)備分別與計(jì)算機(jī)電連接，計(jì)算機(jī)接收溫度傳感器信號(hào)并控制制冷設(shè)備工作；所述制冷設(shè)備包括循環(huán)通道和水冷機(jī)，所述循環(huán)通道環(huán)繞探頭模塊、收集模塊和外觸發(fā)檢測模塊；

所述激光器、延時(shí)器和光譜儀分別與計(jì)算機(jī)電連接。

優(yōu)選的，還包括除塵模塊，所述除塵模塊包括保護(hù)氣體噴口，所述保護(hù)氣體噴口設(shè)有電磁閥，電磁閥與計(jì)算機(jī)電連接。

進(jìn)一步的，所述保護(hù)氣體噴口為兩個(gè)，兩個(gè)保護(hù)氣體噴口分別安裝在聚焦透鏡和凹面反射鏡的側(cè)邊。

優(yōu)選的，所述溫度傳感器安裝在探頭模塊的側(cè)邊處。

優(yōu)選的，所述凹面反射鏡與激光器處于同一豎直平面。

優(yōu)選的，所述光電管安裝在激光器側(cè)邊處。

優(yōu)選的，所述延時(shí)器通過串行總線與計(jì)算機(jī)連接。

優(yōu)選的，所述光電管與激光器呈30°夾角。

所述激光器的激光頭對(duì)準(zhǔn)激光擴(kuò)束系統(tǒng)的激光入口，其軸線與凹透鏡、凸透鏡和聚焦透鏡三者的軸線重合。激光器發(fā)射出脈沖激光，脈沖激光先經(jīng)過擴(kuò)束作用，完成擴(kuò)束的脈沖激光到達(dá)聚焦鏡(焦距為5m)，脈沖激光通過聚焦鏡后，在聚焦鏡前方5m處聚焦于待測樣品的表面，聚焦激光與待測樣品物質(zhì)相互作用，并激發(fā)待測樣品產(chǎn)生等離子體，等離子體信號(hào)產(chǎn)生后將于樣品表面呈空間擴(kuò)散。

所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)由一個(gè)凹透鏡、一個(gè)凸透鏡和一個(gè)聚焦透鏡組成。激光器打出的激光到達(dá)擴(kuò)束系統(tǒng)前端的凹透鏡，初始入射激光經(jīng)凹透鏡作用，呈發(fā)散狀繼續(xù)傳播；經(jīng)一定的距離后，到達(dá)凹透鏡后方的擴(kuò)束系統(tǒng)輸出凸透鏡，此處凸透鏡將接收發(fā)散狀的激光光束并改變激光路徑，使激光光束經(jīng)凸透鏡后呈平形狀傳播。光束繼續(xù)傳播到達(dá)聚焦透鏡，經(jīng)聚焦透鏡的聚焦作用，激光光束將在聚焦鏡后方5m處形成一個(gè)功率密度較高的光斑，進(jìn)而有效與待測樣品作用，形成信號(hào)較強(qiáng)的等離子體，經(jīng)由收集系統(tǒng)對(duì)等離子體信號(hào)進(jìn)行收集分析，并最終達(dá)到分析待測樣品組成成分的目的。

所述收集模塊為牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，包括凹面反射鏡和光纖探頭。

所述凹面反射鏡的工作流程是：一定距離外的待測樣品通過與激光作用產(chǎn)生等離子體，等離子體信號(hào)將呈不規(guī)則狀態(tài)空間發(fā)散，由于待測樣品與凹面反射鏡存在一定距離，當(dāng)?shù)入x子體信號(hào)到達(dá)凹面反射鏡位置時(shí)近似呈平行狀態(tài)入射；等離子體信號(hào)入射后到達(dá)收集系統(tǒng)中的凹面反射鏡處，信號(hào)經(jīng)由凹面反射鏡反射并聚焦，焦點(diǎn)處放置光纖探頭，信號(hào)經(jīng)過探頭的耦合并經(jīng)由光纖傳送進(jìn)入光譜儀。

所述光纖探頭置于信號(hào)經(jīng)由凹面反射鏡反射并聚焦的焦點(diǎn)處，將信號(hào)耦合并經(jīng)由光纖傳送進(jìn)入光譜儀。

所述光電管以一定的角度安置于激光器側(cè)邊處，光電管與激光器呈30°夾角，使得光電管更好地接收散射光。當(dāng)脈沖激光由激光器發(fā)出后，激光器將不可避免的向激光束周圍發(fā)射出散射光，此時(shí)散射光到達(dá)預(yù)先安裝的光電管處，將觸發(fā)光電管工作，光電管接收散射光并將散射光的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)而將信號(hào)傳送給脈沖延時(shí)器。

所述延時(shí)器接收來自光電管的信號(hào)以觸發(fā)光譜儀工作，延時(shí)時(shí)間可以通過串口來設(shè)置。

所述光譜儀的工作模式設(shè)定為外觸發(fā)方式，接收光纖傳遞來的譜線信號(hào)，將信號(hào)按波長順序排列形成光譜，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測和記錄。

所述的除塵模塊中的保護(hù)氣體噴口可以在裝置工作時(shí)，發(fā)出保護(hù)氣體在光學(xué)鏡片周圍形成氣簾，防止鏡片粘上灰塵。

所述的制冷模塊中的溫度傳感器可檢測環(huán)境溫度的變化，使制冷模塊對(duì)裝置進(jìn)行適時(shí)地冷卻。

本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本實(shí)用新型獨(dú)特的光路設(shè)計(jì)，使得裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，整個(gè)裝置可集成到一個(gè)手提箱里面，車載到戶外進(jìn)行檢測。

2、本實(shí)用新型的除塵模塊可在光學(xué)鏡片周圍發(fā)出保護(hù)氣體形成氣簾，防止鏡片粘上灰塵，提高光學(xué)傳輸效率，滿足高塵環(huán)境下使用。

3、本實(shí)用新型的制冷模塊中的溫度傳感器可以檢測環(huán)境溫度的變化，使制冷模塊適時(shí)地釋放出冷流體對(duì)裝置進(jìn)行循環(huán)冷卻，既使裝置可以在高溫環(huán)境下使用，又可起到節(jié)能的作用。

4、本實(shí)用新型采用的激光擴(kuò)束系統(tǒng)可以改變激光路徑，使激光光束經(jīng)凸透鏡后呈平行狀傳播，能夠有效地減小激光初始的發(fā)散角，提高脈沖激光光束的準(zhǔn)直效果。

5、本實(shí)用新型可以用于化工、鋼鐵領(lǐng)域的高溫高塵環(huán)境，測試人員無法直接或近距離使用儀器及裝置進(jìn)行作業(yè)的危險(xiǎn)場合，保證測試人員的安全。

6、本實(shí)用新型具有批量樣品測試能力，可進(jìn)行大批量多樣品測試。

7、本實(shí)用新型具有多相分析能力，固體、液體、氣體、懸浮顆粒均可檢測。

8、本實(shí)用新型測試范圍廣，可以測定元素周期表上的所有元素。

9、本實(shí)用新型具有樣品來源判斷能力，通過與數(shù)據(jù)庫對(duì)比，可對(duì)樣品來源進(jìn)行分類判斷。

10、本實(shí)用新型測試速度快，幾十秒就可以完成樣品元素的定性和定量分析；本實(shí)用新型操作簡單，不需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為激光擴(kuò)束示意圖；

圖4牛頓反射收集系統(tǒng)示意圖；

圖5為外觸發(fā)系統(tǒng)示意圖；

圖6為本實(shí)用新型對(duì)白水晶樣品的分析光譜圖；

圖7為本實(shí)用新型對(duì)陶瓷樣品的分析光譜圖；

圖8為本實(shí)用新型的方法流程圖；

圖中：1-激光器、2-凹透鏡、3-凸透鏡、4-聚焦透鏡、5-凹面反射鏡、6-光纖探頭、7-光電管、8-延時(shí)器、9-光譜儀、10-計(jì)算機(jī)。

具體實(shí)施方式

為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。

如圖1-2所示，一種遠(yuǎn)程LIBS探頭測量裝置，包括探頭模塊、收集模塊、外觸發(fā)檢測模塊、制冷模塊和計(jì)算機(jī)10；所述探頭模塊包括激光器1和激光擴(kuò)束系統(tǒng)，所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)包括依次同軸設(shè)置的凹透鏡2、凸透鏡3和聚焦透鏡4；所述激光器1的激光頭正對(duì)凹透鏡2，所述凹透鏡2位于激光頭1和凸透鏡3之間；所述收集模塊包括凹面反射鏡5和光纖探頭6，光纖探頭6位于凹面反射鏡5的焦點(diǎn)處；所述外觸發(fā)檢測模塊包括光電管7、延時(shí)器8和光譜儀9；所述光電管7與延時(shí)器8電連接、延時(shí)器8與光譜儀9電連接，延時(shí)器8接收光電管7信號(hào)并延時(shí)觸發(fā)光譜儀9工作；所述光纖探頭6通過光纖連接光譜儀9；所述制冷模塊包括溫度傳感器和制冷設(shè)備，溫度傳感器、制冷設(shè)備分別與計(jì)算機(jī)10電連接，計(jì)算機(jī)10接收溫度傳感器信號(hào)并控制制冷設(shè)備工作；還包括除塵模塊，所述除塵模塊包括保護(hù)氣體噴口，所述保護(hù)氣體噴口設(shè)有電磁閥，電磁閥與計(jì)算機(jī)10電連接；所述激光器1、延時(shí)器8和光譜儀9分別與計(jì)算機(jī)電連接。所述保護(hù)氣體噴口為兩個(gè)，兩個(gè)保護(hù)氣體噴口分別安裝在聚焦透鏡4和凹面反射鏡5的側(cè)邊。所述制冷設(shè)備包括循環(huán)通道和水冷機(jī)，所述循環(huán)通道環(huán)繞探頭模塊、收集模塊和外觸發(fā)檢測模塊。所述溫度傳感器安裝在探頭模塊的側(cè)邊處。所述凹面反射鏡5與激光器1處于同一豎直平面。所述光電管7安裝在激光器1側(cè)邊處。所述延時(shí)器8通過串行總線與計(jì)算機(jī)10連接。所述光電管7與激光器1呈30°夾角。

如圖3所示，激光器1發(fā)射出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過由凹透鏡2、凸透鏡3和聚焦透鏡4所組成的激光擴(kuò)束系統(tǒng)，激光被凹透鏡2發(fā)散，到達(dá)凸透鏡3，凸透鏡3能夠有效地調(diào)節(jié)激光光束的發(fā)散角，使得具有一定發(fā)散角的激光光束近似變?yōu)槠叫泄馐蕴岣吖馐臏?zhǔn)直效果，進(jìn)而使得激光光束通過聚焦透鏡4后，能夠形成一個(gè)功率密度較高的光斑，在聚焦透鏡4前方5m處放置待測樣品，聚焦激光與待測樣品物質(zhì)相互作用，并激發(fā)待測樣品產(chǎn)生等離子體，等離子體信號(hào)產(chǎn)生后將于樣品表面呈空間擴(kuò)散。與激光器1處于同一豎直平面放置由凹面反射鏡5和光纖探頭6所組成的牛頓反射收集系統(tǒng)，

如圖4所示，由于待測樣品與牛頓反射收集系統(tǒng)存在一定距離，當(dāng)?shù)入x子體信號(hào)到達(dá)收集系統(tǒng)位置時(shí)近似呈平行狀態(tài)入射進(jìn)入牛頓反射系統(tǒng)，其信號(hào)路徑近似如圖中實(shí)線與虛線所示；等離子體信號(hào)入射后到達(dá)收集系統(tǒng)中的凹面反射鏡5處，信號(hào)經(jīng)由凹面反射鏡5反射并聚焦，焦點(diǎn)處放置光纖探頭6，信號(hào)經(jīng)過探頭的耦合并經(jīng)由光纖傳送進(jìn)入光譜儀9。

如圖5所示，光電管7被以一定的角度安置于激光器1側(cè)邊處，當(dāng)脈沖激光發(fā)出后，激光器1將不可避免的向激光束周圍發(fā)射出散射光，此時(shí)散射光到達(dá)預(yù)先安裝的光電管7處，將觸發(fā)光電管7工作，光電管7接收散射光并將散射光的信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)進(jìn)而將信號(hào)傳送至脈沖延時(shí)器8處，最終信號(hào)經(jīng)延時(shí)器8觸發(fā)光譜儀9工作。最終，在計(jì)算機(jī)10上呈現(xiàn)遠(yuǎn)距離外待測樣品的光譜譜圖，通過譜線及強(qiáng)度與元素及含量的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可進(jìn)一步得出待測樣品的成分組成及具體的元素含量信息等。

使用本實(shí)用新型的遠(yuǎn)程測量方法，包括以下步驟：

步驟01：發(fā)射激光；采用計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)射激光光束；

步驟02：擴(kuò)束聚焦；將所述激光光束進(jìn)行擴(kuò)束聚焦處理，所述激光光束通過激光擴(kuò)束系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)束聚焦，所述激光擴(kuò)束系統(tǒng)包括凹透鏡、凸透鏡和聚焦透鏡；

步驟03：激發(fā)信號(hào)；將擴(kuò)束聚焦后的激光光束與待測樣品相互作用，激發(fā)待測樣品產(chǎn)生等離子體信號(hào)；

步驟04：收集信號(hào)；采用牛頓反射收集系統(tǒng)對(duì)所述等離子體信號(hào)進(jìn)行收集匯聚；

步驟05：信號(hào)耦合；將等離子體信號(hào)耦合為譜線信號(hào)，所述等離子體信號(hào)通過光纖探頭的耦合并經(jīng)由光纖傳送進(jìn)入光譜儀；

步驟06：檢測分析；將譜線信號(hào)按波長順序排列形成光譜，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行檢測和記錄。

分別選取白水晶與陶瓷樣品為測試對(duì)象，對(duì)本實(shí)用新型的定性能力進(jìn)行測試。圖6為使用所搭建的基于高溫環(huán)境下的遠(yuǎn)程LIBS探頭測量裝置對(duì)白水晶樣品進(jìn)行定性分析得到的光譜圖，圖7為基于高溫環(huán)境下的遠(yuǎn)程LIBS探頭測量裝置對(duì)陶瓷樣品進(jìn)行定性分析得到的光譜圖。

樣品的測試分析結(jié)果，不僅可以驗(yàn)證所搭建的LIBS遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)定性分析能力，還能夠?yàn)閷鞮IBS遠(yuǎn)程測量的應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。

當(dāng)然，本實(shí)用新型還可有其它多種實(shí)施例，在不背離本實(shí)用新型精神及其實(shí)質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本實(shí)用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實(shí)用新型所附的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。