專利名稱：基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及環(huán)境光學(xué)檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的土壤重金屬檢測仍以現(xiàn)場采樣、實(shí)驗(yàn)室分析方法為主，無論其光學(xué)系統(tǒng)、所采用光譜儀還是計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，體積都較大且笨重，只能從現(xiàn)場取回土壤樣品并加工后才能用于檢測。目前能夠進(jìn)行現(xiàn)場原位檢測的小巧、輕便的土壤重金屬探測系統(tǒng)還很少。而且土壤重金屬等離子體的范圍一般在300nnT500nm之間，即使 已經(jīng)出現(xiàn)了用于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的光學(xué)探頭，但這些探頭的設(shè)計(jì)并沒有針對土壤重金屬的特征光譜波段來提高等離子體信號的接受效率，因此這些探頭也不適用于現(xiàn)場土壤重金屬探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的就是為了彌補(bǔ)已有技術(shù)的缺陷，提供一種小型化、質(zhì)量輕、便于攜帶和操作的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置，包括有光學(xué)探頭部分和信號采集與控制部分；
所述的光學(xué)探頭部分包括一個殼體，在殼體內(nèi)部一端放置一個激光器發(fā)射頭，有一控制激光器發(fā)射頭調(diào)Q輸出的開關(guān)電路設(shè)置在殼體內(nèi)部邊緣處，所述的開關(guān)電路上有手動開關(guān)按鈕，所述的手動開關(guān)按鈕凸出在殼體外側(cè)，在所述激光器發(fā)射頭發(fā)射激光的前方光路上依次設(shè)置有凸透鏡一和離軸非球面鏡，殼體的另一端開有小孔，所述的激光器發(fā)射頭發(fā)出的激光經(jīng)過凸透鏡一匯聚并透過離軸非球面鏡后通過所述的小孔照到待測樣品的表面，將待測樣品擊穿并發(fā)射等離子體光譜，等離子體光譜經(jīng)過所述的離軸非球面鏡的反射折轉(zhuǎn)90度，同時被高度準(zhǔn)直，入射到位于離軸非球面鏡下方的透鏡組，所述的透鏡組由凹透鏡一、凸透鏡二和凹透鏡二依次排列組成，等離子體光譜經(jīng)過透鏡組后匯聚成極小的光斑，在光斑半徑達(dá)到極小值的位置放置一光纖一端的光纖頭，等離子體光譜的光譜信號通過光纖頭耦合進(jìn)光纖；另外在殼體的一側(cè)固定有一光電探測器且位于所述的離軸非球面鏡的上方；
所述的信號采集與控制部分由光譜儀、觸發(fā)電路、電源模塊和電腦組成，所述的電源模塊的輸入端連接所述的開關(guān)電路，輸出端連接所述的激光器發(fā)射頭，所述的光電探測器探測的信號輸入進(jìn)所述的觸發(fā)電路，觸發(fā)電路的輸出端與所述的的光譜儀相連，光譜儀還與所述的電腦相連，所述的光纖的另一端的光纖頭連接在光譜儀上。所述的離軸非球面鏡上鍍有寬帶介質(zhì)膜；所述的凸透鏡一的材料為BK7 ;所述的凸透鏡二的材料為FK51 ;所述的凹透鏡一和二的材料為BaKl ;所述的激光器發(fā)射頭長度小于11cm,寬度小于3cm,高度小于4cm,重量小于100克。
本發(fā)明的工作原理是按下手動開關(guān)按鈕，接通開關(guān)電路，開關(guān)電路將調(diào)Q電信號輸入進(jìn)電源模塊，電源模塊再將調(diào)Q電信號輸入進(jìn)激光器發(fā)射頭中，來調(diào)節(jié)激光器發(fā)射頭發(fā)出的激光，激光通過凸透鏡一進(jìn)行變換，大于90%的能量透過鍍有寬帶介質(zhì)膜的離軸非球面鏡后匯聚到待測樣品表面將待測樣品擊穿并發(fā)射等離子體光譜，經(jīng)過離軸非球面鏡的反射折轉(zhuǎn)90度，并高度準(zhǔn)直，進(jìn)入透鏡組，透鏡組可以將波長范圍在300納米到500納米范圍內(nèi)的光匯聚成極小的光斑，此光斑半徑小于5Mm，如圖2所示，光斑耦合進(jìn)光纖；另外，離軸非球面鏡反射的微弱的激光雜散光信號被光電探測器采集到，并轉(zhuǎn)化成電信號輸入進(jìn)觸發(fā)電路，經(jīng)過觸發(fā)電路轉(zhuǎn)化為TTL高電平信號并輸入進(jìn)光譜儀觸發(fā)其工作，觸發(fā)電路輸出信號與光譜儀門控信號之間的時序如圖4所示，光譜儀按照預(yù)先設(shè)定好的門開延時和門寬時間來進(jìn)行工作，另外，光纖將收集到的等離子體光信號輸入到光譜儀，光譜儀將光信號轉(zhuǎn)化為電信號并輸入到電腦中，通過電腦的處理最終實(shí)現(xiàn)將等離子體信號的存儲和顯示。土壤重金屬探測對光譜儀分辨率只要求達(dá)到O. Inm即可，波長范圍在30(T500nm。而達(dá)到此分辨率、在此波段范圍內(nèi)、體積小、質(zhì)量輕的光譜儀已經(jīng)商業(yè)化，且價(jià)格便宜，容易·購買。隨著平板電腦和掌上電腦的普及，計(jì)算機(jī)的體積和質(zhì)量越來越小，而性能越來越高，且價(jià)格越來越便宜，根據(jù)平板電腦或掌上電腦的操作系統(tǒng)開發(fā)相應(yīng)的光譜儀軟件，可以實(shí)現(xiàn)對光譜儀數(shù)據(jù)的讀取、存儲和處理。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
I、整個系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕，方便攜帶和操作，成本低，且易 于實(shí)現(xiàn)。2、系統(tǒng)的光學(xué)探頭中采用離軸非球面鏡，能將等離子發(fā)出的光束轉(zhuǎn)折的同 時進(jìn)行高度準(zhǔn)直，且不產(chǎn)生色差，為后繼光束耦合進(jìn)光纖提供保障。3、系統(tǒng)的光學(xué)探頭中采用材料不同的透鏡組對30(T500nm的高度準(zhǔn)直光束 進(jìn)行匯聚，使得光斑半徑的最小值小于5Mm，如圖2所示。由于一般的單模光纖的內(nèi)芯
芯徑在flOMffl之間，因此該透鏡組可以使得幾乎所有光束耦合進(jìn)光纖，大大提高了信號收集的效率。4、系統(tǒng)的光學(xué)探頭中由于提高了等離子體信號的接受效率，并且采用透鏡
對激光光束變換，激光器發(fā)射頭的輸出能量可以降低，從而減少了檢測過程中對樣品的損壞。5、系統(tǒng)的光學(xué)探頭中由于提高了等離子體信號的接收效率，可以減小光學(xué)
系統(tǒng)的相對孔徑，減少透鏡孔徑縮小系統(tǒng)體積的同時也使得工作距離較大，從而減少了樣品被激光作用時的濺射對光學(xué)探頭的污染。


圖I為本發(fā)明中光學(xué)探頭部分示意圖。圖2為等離子體光譜經(jīng)過透鏡組匯聚后在光纖頭入口處的點(diǎn)列圖。圖3為信號采集與控制部分示意圖。圖4為觸發(fā)電路輸出信號和門控電路信號時序圖。圖中，光譜儀門開延時為Tl，門寬為T2。
圖5為本發(fā)明整體的示意圖。
具體實(shí)施例方式如圖5所示，一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置，包括有光學(xué)探頭部分和信號采集與控制部分；
如圖I所示，所述的光學(xué)探頭部分包括一個殼體11，在殼體11內(nèi)部一端放置一個激光器發(fā)射頭I，有一控制激光器發(fā)射頭I調(diào)Q輸出的開關(guān)電路9設(shè)置在殼體11內(nèi)部邊緣處，所述的開關(guān)電路9上有手動開關(guān)按鈕10，所述的手動開關(guān)按鈕10凸出在殼體11外側(cè)，在所述激光器發(fā)射頭I發(fā)射激光的前方光路上依次設(shè)置有凸透鏡一 2和離軸非球面鏡3，殼體11的另一端開有小孔，所述的激光器發(fā)射頭I發(fā)出的激光經(jīng)過凸透鏡一 2匯聚并透過離軸非球面鏡3后通過所述的小孔照到待測樣品12的表面，將待測樣品12擊穿并發(fā)射等離子體光譜，等離子體光譜經(jīng)過所述的離軸非球面鏡3的反射折轉(zhuǎn)90度，同時被高度準(zhǔn)直，入射到位于離軸非球面鏡3下方的透鏡組，所述的透鏡組由凹透鏡一 4、凸透鏡二 5和凹透鏡二6依次排列組成，等離子體光譜經(jīng)過透鏡組后匯聚成極小的光斑，在光斑半徑達(dá)到極小值的 位置放置一光纖一端的光纖頭7，等離子體光譜的光譜信號通過光纖頭7耦合進(jìn)光纖；另外在殼體11的一側(cè)固定有一光電探測器8且位于所述的離軸非球面鏡3的上方；
如圖2所示，所述的信號采集與控制部分由光譜儀17、觸發(fā)電路14、電源模塊15和電腦16組成，所述的電源模塊15的輸入端連接所述的開關(guān)電路9，輸出端連接所述的激光器發(fā)射頭1，所述的光電探測器8探測的信號輸入進(jìn)所述的觸發(fā)電路14，觸發(fā)電路14的輸出端與所述的的光譜儀17相連，光譜儀17還與所述的電腦16相連，所述的光纖的另一端的光纖頭18連接在光譜儀17上。所述的離軸非球面鏡3上鍍有寬帶介質(zhì)膜；所述的凸透鏡一 2的材料為BK7 ;所述的凸透鏡二 5的材料為FK51 ;所述的凹透鏡一 4和二 6的材料為BaKl ;所述的激光器發(fā)射頭I長度小于11cm，寬度小于3cm，高度小于4cm，重量小于100克；所述的開關(guān)電路9上有手動開關(guān)按鈕10。
權(quán)利要求
1.一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置，其特征在于包括有光學(xué)探頭部分和信號采集與控制部分； 所述的光學(xué)探頭部分包括一個殼體，在殼體內(nèi)部一端放置一個激光器發(fā)射頭，有一控制激光器發(fā)射頭調(diào)Q輸出的開關(guān)電路設(shè)置在殼體內(nèi)部邊緣處，所述的開關(guān)電路上有手動開關(guān)按鈕，所述的手動開關(guān)按鈕凸出在殼體外側(cè)，在所述激光器發(fā)射頭發(fā)射激光的前方光路上依次設(shè)置有凸透鏡一和離軸非球面鏡，殼體的另一端開有小孔，所述的激光器發(fā)射頭發(fā)出的激光經(jīng)過凸透鏡一匯聚并透 過離軸 非球面鏡后通過所述的小孔照到待測樣品的表面，將待測樣品擊穿并發(fā)射等離子體光譜，等離子體光譜經(jīng)過所述的離軸非球面鏡的反射折轉(zhuǎn)90度，同時被高度準(zhǔn)直，入射到位于離軸非球面鏡下方的透鏡組，所述的透鏡組由凹透鏡一、凸透鏡二和凹透鏡二依次排列組成，等離子體光譜經(jīng)過透鏡組后匯聚成極小的光斑，在光斑半徑達(dá)到極小值的位置放置一光纖一端的光纖頭，等離子體光譜的光譜信號通過光纖頭耦合進(jìn)光纖；另外在殼體的一側(cè)固定有一光電探測器且位于所述的離軸非球面鏡的上方； 所述的信號采集與控制部分由光譜儀、觸發(fā)電路、電源模塊和電腦組成，所述的電源模塊的輸入端連接所述的開關(guān)電路，輸出端連接所述的激光器發(fā)射頭，所述的光電探測器探測的信號輸入進(jìn)所述的觸發(fā)電路，觸發(fā)電路的輸出端與所述的的光譜儀相連，光譜儀還與所述的電腦相連，所述的光纖的另一端的光纖頭連接在光譜儀上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置，其特征在于所述的離軸非球面鏡上鍍有寬帶介質(zhì)膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置，其特征在于所述的凸透鏡一的材料為BK7 ;所述的凸透鏡二的材料為FK51 ;所述的凹透鏡一和二的材料為BaKl。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置，其特征在于所述的激光器發(fā)射頭長度小于11cm，寬度小于3cm，高度小于4cm，重量小于.100 克。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的便攜手持式土壤重金屬探測裝置，包括有光學(xué)探頭部分和信號采集與控制部分，所述的光學(xué)探頭部分為殼體內(nèi)的激光器發(fā)射頭發(fā)射激光經(jīng)過一系列透鏡后耦合到光纖中，并輸入到信號采集與控制部分的光譜儀中，將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸入進(jìn)電腦中，電腦對輸入的信號進(jìn)行存儲與處理。本發(fā)明采用離軸非球面鏡，能將等離子發(fā)出的光束轉(zhuǎn)折的同時進(jìn)行高度準(zhǔn)直，且不產(chǎn)生色差，為后繼光束耦合進(jìn)光纖提供保障；還采用透鏡對激光光束變換，激光器發(fā)射頭的輸出能量可以降低，從而減少了檢測過程中對樣品的損壞，有系統(tǒng)集成度高、體積小、重量輕，方便攜帶和操作，成本低，且易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N21/63GK102901717SQ201210191220
公開日2013年1月30日 申請日期2012年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月12日
發(fā)明者趙南京, 王寅, 劉文清, 馬明俊, 張玉鈞, 石煥, 王春龍, 劉立拓, 劉建國 申請人:中國科學(xué)院安徽光學(xué)精密機(jī)械研究所