本發(fā)明涉及一種用于直接檢測廢鋼及金屬成分并進行分類的激光誘導擊穿光譜裝置，屬于金屬成分光譜分析檢測設備技術領域。

背景技術：

冶煉前期加入一定比例的廢鋼是一種降低冶煉成本、加快吹煉速度、降低氧氣及溶劑消耗的有效配比方法，由于廢鋼中元素及其成分不同，而且來源各異、種類繁多、形狀各不相同、表面情況惡劣，對其進行準確檢測、分類的難度較大。

目前鋼鐵企業(yè)的廢鋼分類成分檢測方法一般是先在實驗室中對試樣進行切割、打磨、拋光，甚至需要壓片、熔片或者溶解入液體等制樣過程，然后送往實驗室電火花直讀光譜/X射線熒光光譜/ICP等光譜儀進行分析，過程繁瑣、前期制樣耗時，對試樣規(guī)格要求嚴格，不具備在線原位分析能力。

中國專利申請?zhí)?01510207084.0公開了一種廢鋼分選機械化程度高的方法，但基于電磁鐵進行金屬分選，誤差較大，不能根本快速檢測廢鋼及金屬成分做到準確分類。中國專利申請?zhí)?01320746533.5公開了一種用于廢鋼質量分揀的系統(tǒng)，其中成分檢測結構利用X射線熒光光譜進行分析，但是這種系統(tǒng)的輕元素分析能力差，重要的 C元素往往檢測不到，含量過低的輕元素往往存在誤差，而且也存在X射線輻射隱患，不能根本在線快速進行廢鋼分選。中國專利申請?zhí)?00710038192.5公開了一種不銹鋼廢鋼成分檢測方法，它是利用不同配料及冶煉工藝，利用鋼液中Cr、Ni及原料結構等計算廢鋼中Cr、Ni含量，不能快速直接檢測更多廢鋼種類的各種成分。中國專利申請?zhí)?01280049711.7公開了一種廢金屬分選方法，這種方法先通過流體處理廢金屬片表面，再利用光譜法進行成分檢測再分類，但該裝置是廠房機械化運轉，需要將廢鋼片先處理再放置于傳送裝置進行檢測，不能在線原位檢測，而且對試樣規(guī)格也有要求。

激光誘導擊穿光譜（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS）是一種激光燒蝕光譜分析技術，激光聚焦在測試位點，當激光脈沖的能量密度大于擊穿閾值時，即可產生等離子體。基于這種特殊的等離子體剝蝕技術，通常在原子發(fā)射光譜技術中分別獨立的取樣、原子化、激發(fā)三個步驟均可由脈沖激光激發(fā)源一次實現(xiàn)。等離子體能量衰退過程中產生連續(xù)的軔致輻射以及內部元素的離子發(fā)射線，通過光纖光譜儀采集光譜發(fā)射信號，分析譜圖中元素對應的特征峰強度即可以用于樣品的定性以及定量分析。

LIBS技術以其無需制樣、分析時間短、實時性強、無損、快檢、非接觸測量、對待測樣品形態(tài)規(guī)格無要求、全譜段測量等優(yōu)點在廢鋼快檢及分類方面有很好的應用價值。LIBS技術是利用激光器發(fā)出脈沖激光激發(fā)廢鋼產生等離子體，再利用等離子體輻射的光進行檢測分析，將所接收的廢鋼金屬合金成分及含量參數(shù)與其預先存儲的合格廢鋼的金屬合金成分及含量標準參數(shù)進行比對實現(xiàn)廢鋼分類，鋼鐵行業(yè)中廣泛推廣LIBS方法可為用戶帶來特別的利益。

目前，無論是IVEA的手持LIBS還是TSI的車載小型LIBS儀器，都是在現(xiàn)有儀器基礎上形成的小型化儀器，此外，牛津的手持儀器已經可以實現(xiàn)電池操控，五秒內對鋼鐵樣品實現(xiàn)分類定性，這是商業(yè)化LIBS的一大進步，值得所有面向應用的科研團隊學習。而對于國內的LIBS技術來說，已經實現(xiàn)了便攜式激光誘導擊穿光譜分析儀器的國產化。便攜式激光光譜分析儀(LIBS Mobile)以及體積更小、質量更輕，更適用于野外現(xiàn)場樣品快速分析的手持式LIBS儀器：手持式激光光譜分析儀(LIBS Mini)，均能在數(shù)秒之內在原地完成對固體、液體甚至氣體形態(tài)的物質的完整在線元素分析，因此該類便攜式儀器可用于地質、環(huán)境、安保、古董、冶金、表面處理及電子器件現(xiàn)場分析。目前，現(xiàn)有應用于廢鋼分類的LIBS設備，不能檢測磷、硫元素，對碳元素檢測精度也遠遠達不到實際應用需求，因此迫切需要能夠在現(xiàn)場對廢鋼及金屬進行檢測分類的LIBS設備，以滿足生產的需要。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種用于廢鋼及金屬的在線快速檢測裝置，這種檢測裝置精度高、靈活性好、易于調整操作，同時體積小、集成度高、環(huán)境適應性強、移動方便，可用于各種工業(yè)現(xiàn)場的各種廢鋼種類檢測。

解決上述技術問題的技術方案是：

一種用于廢鋼及金屬的在線快速檢測裝置，它由激光器、檢測光路通道、光纖、光譜儀、控制器組成，檢測光路通道的后端與激光器前端相連，檢測光路通道前端的出光口與待測試樣相對，光纖的前端連接在檢測光路通道前端的出光口與待測試樣相對，光纖穿過檢測光路通道，光纖的后端與光譜儀相連接，激光器還與光譜儀的觸發(fā)機構相連接，激光器和光譜儀分別與控制器相連接。

上述用于廢鋼及金屬的在線快速檢測裝置，所述檢測光路通道由匯聚透鏡和透鏡調節(jié)結構、透鏡光纖支架、連接結構三部分組成，匯聚透鏡安裝在透鏡調節(jié)結構上，透鏡光纖支架位于透鏡調節(jié)結構的前方，透鏡調節(jié)結構和透鏡光纖支架之間由連接結構相連接，光纖的后部通過在透鏡調節(jié)結構，光纖的前部安裝在透鏡光纖支架上。

上述用于廢鋼及金屬的在線快速檢測裝置，所述透鏡調節(jié)結構包括鏡圈底座、鏡圈、鏡圈鎖母，鏡圈底座為扁圓柱體，鏡圈鎖母固定在鏡圈底座的中心軸線上，鏡圈鎖母內壁設置有內螺紋，匯聚透鏡固定于鏡圈內，鏡圈的外表面設置有外螺紋，鏡圈的外螺紋與鏡圈鎖母的內螺紋相匹配，鏡圈與鏡圈鎖母為螺紋連接，鏡圈底座上還有光纖孔，光纖穿過光纖孔。

上述用于廢鋼及金屬的在線快速檢測裝置，所述透鏡光纖支架包括光纖支架、光纖頭卡芯、卡芯螺母，光纖支架位于透鏡調節(jié)結構的鏡圈的出光方向上，光纖支架為扁圓柱體，光纖支架的扁圓柱體中心軸線與鏡圈底座的扁圓柱體中心軸線重合，光纖支架13上有光纖頭孔，光纖頭孔的軸線與鏡圈的軸線有傾斜夾角，光纖頭部安裝在光纖頭卡芯中，卡芯螺母將光纖頭部固定，光纖頭卡芯嵌入在光纖頭孔中，光纖支架中心有支架中心孔，經匯聚透鏡匯聚后的激光穿過支架中心孔。

上述用于廢鋼及金屬的在線快速檢測裝置，所述連接結構包括三個調節(jié)螺桿和與各個螺桿配合的多個鎖緊螺母，光纖支架的扁圓柱體兩側和下部中央分別開有三個螺桿孔，鏡圈底座的扁圓柱體的中部和下部中央分別開有對應的螺桿孔，三個調節(jié)螺桿的兩端分別與光纖支架和鏡圈底座的螺桿孔相連接，鎖緊螺母旋在調節(jié)螺桿上。

上述用于廢鋼及金屬的在線快速檢測裝置，所述透鏡調節(jié)結構還包括兩個鏡片墊圈、鏡片鎖母，兩個鏡片墊圈安裝在鏡圈的內壁上，匯聚透鏡位于兩個鏡鏡片墊圈之間，鏡片鎖母的外壁上有螺紋，鏡片鎖母旋入到鏡圈的內螺紋中，鏡片鎖母與匯聚透鏡壓緊固定。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的檢測光路通道與激光器前端相連，用于將激光器發(fā)出的脈沖激光引導至所述檢測光路通道的末端出光口并激發(fā)待測試樣產生等離子體，待測試樣處產生的等離子體信號耦合傳輸至光譜儀，光譜儀與控制器相連接，控制器對譜線信息進行譜線識別、定量分析、數(shù)據庫比對，以確定廢鋼及金屬的類別。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點：

1、本發(fā)明光路部分采用多維度調節(jié)結構，精度高、靈活性好、可隨時調整、調好后固定性強，適用于不同種類成分檢測；

2、本發(fā)明裝置體積小、集成度高、環(huán)境適應性強、移動方便，可用于各種工業(yè)現(xiàn)場的廢鋼種類檢測；

3、本發(fā)明可以對鋼廠中各種規(guī)格、形狀的廢鋼進行快速檢測，無需前期制樣，安全、準確的顯示結果；

4、本發(fā)明操作簡單、全元素同時檢測，通過與數(shù)據庫對比即可快速進行廢鋼分類。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結構示意圖；圖2是檢測光路通道的結構示意圖；

圖3是光纖支架的左視圖；

圖4是鏡片鎖母示意圖；

圖5是圖4的A-A剖視圖；

圖6是光纖頭卡芯示意圖；

圖7是圖6的側視圖。

圖中標記如下：激光器1、檢測光路通道2、充氣氣嘴3、透鏡光纖支架4、匯聚透鏡5、光纖6、準直透鏡7、出氣氣嘴8、窗口片9、錐形口10、光譜儀11、控制器12、光纖支架13、光纖頭卡芯14、卡芯螺母15、調節(jié)螺桿16、鎖緊螺母17、鏡圈底座18、鏡圈19、鏡片墊圈20、鏡片鎖母21、鏡圈鎖母22、光纖孔23、光纖頭孔24、螺桿孔25、支架中心孔26。

具體實施方式

本發(fā)明由激光器1、檢測光路通道2、光纖6、光譜儀11、控制器12組成。

圖中顯示，本發(fā)明的基本結構是：檢測光路通道2的后端與激光器1前端相連，檢測光路通道2前端的出光口與待測試樣相對，光纖6的前端連接在檢測光路通道2前端的出光口與待測試樣相對，光纖6穿過檢測光路通道2，光纖的后端與光譜儀11相連接，激光器1還與光譜儀11的觸發(fā)機構相連接，激光器1和光譜儀11分別與控制器12相連接。

激光器1的作用是發(fā)出脈沖激光，激光通過檢測光路通道2照射到待測樣品上，在待測樣品檢測面激發(fā)出等離子體信號，等離子體信號被光纖和光譜儀采集，分析譜圖中元素對應的特征峰強度即可以用于樣品的定性以及定量分析。同時，激光器1還與所述光譜儀11相連，用于在發(fā)出脈沖激光的同時發(fā)出脈沖信號通過觸發(fā)線觸發(fā)光譜儀11啟動。

檢測光路通道2用于將激光器1發(fā)出的脈沖激光引導至檢測光路通道2的末端出光口并激發(fā)待測試樣產生等離子體，還用于協(xié)助光纖6將待測試樣處產生的等離子體信號耦合傳輸至光譜儀11。

圖中顯示，檢測光路通道2由匯聚透鏡5和透鏡調節(jié)結構、透鏡光纖支架4、連接結構三部分組成。匯聚透鏡5安裝在透鏡調節(jié)結構上，透鏡光纖支架4位于透鏡調節(jié)結構的前方，透鏡調節(jié)結構和透鏡光纖支架4之間由連接結構相連接，光纖6的后部通過在透鏡調節(jié)結構，光纖6的前部安裝在透鏡光纖支架4上。

圖中顯示，透鏡調節(jié)結構用于調節(jié)匯聚透鏡5與樣品之間的距離，使得樣品正好位于所述匯聚透鏡5的焦點位置，激發(fā)出的等離子體信號更強。透鏡調節(jié)結構包括鏡圈底座18、鏡圈19、鏡圈鎖母22。鏡圈底座18為扁圓柱體，鏡圈鎖母22固定在鏡圈底座18的中心軸線上，鏡圈鎖母22內壁設置有內螺紋，匯聚透鏡5固定于鏡圈19內，鏡圈19的外表面設置有外螺紋，鏡圈19通過螺紋擰在鏡圈鎖母22的內壁上。鏡圈19旋入鏡圈鎖母22的長度可調，當鏡圈19旋進距離較短時，匯聚透鏡5位置相對靠后，即激光經過匯聚透鏡5之后匯聚的焦點位置靠后；反之，焦點靠前。

圖中顯示，透鏡調節(jié)結構還有鏡片墊圈20、鏡片鎖母21。兩個鏡片墊圈20安裝在鏡圈19的內壁上，匯聚透鏡5位于兩個鏡鏡片墊圈20之間，鏡片鎖母21的外壁上有螺紋，鏡片鎖母21旋入到鏡圈19的內螺紋中，鏡片鎖母21與匯聚透鏡5壓緊固定。鏡圈底座22上還有光纖孔23，光纖6穿過光纖孔23。

圖中顯示，透鏡光纖支架4包括光纖支架13、光纖頭卡芯14、卡芯螺母15。光纖支架13位于透鏡調節(jié)結構的鏡圈19的出光方向上，光纖支架13為扁圓柱體，光纖支架13的扁圓柱體中心軸線與鏡圈底座18的扁圓柱體中心軸線重合。光纖支架13上有光纖頭孔24，光纖頭孔24的軸線與鏡圈19的軸線有傾斜夾角。光纖6頭部外部由兩個半圓環(huán)形的光纖頭卡芯14抱住，然后將整體用卡芯螺母15旋轉鎖緊并固定位置于光纖頭孔24中。光纖支架13中心有支架中心孔26，經匯聚透鏡5匯聚后的激光穿過支架中心孔26。

圖中顯示，連接結構包括三個調節(jié)螺桿16和與各個螺桿配合的多個鎖緊螺母17，光纖支架13的扁圓柱體兩側和下部中央分別開有三個螺桿孔25，鏡圈底座18的扁圓柱體的中部和下部中央分別開有對應的螺桿孔，三個調節(jié)螺桿16的兩端分別與光纖支架13和鏡圈底座18的螺桿孔25相連接，鎖緊螺母17旋在螺桿16上。通過同步調節(jié)各個鎖緊螺母17，使得光纖支架13沿調節(jié)螺桿16前后移動。它的另一種結構是，鏡圈19上開設有與調節(jié)螺桿16對應的螺桿孔，各個調節(jié)螺桿16的一端插入到所述螺桿孔中，另一端固定在所述光纖支架13上，通過調節(jié)各個鎖緊螺母17，使得鏡圈19沿調節(jié)螺桿16移動。連接結構的整體組合具有導軌作用，當激光焦點位于入射光線與采集光路交點前時，向前移動光纖支架13可以前移交點接近焦點從而高效率收集信號，反之則向后移動，實現(xiàn)光纖支架13與匯聚透鏡5之間距離長短的改變，即可使光纖6頭部前后移動，尋找實際焦點，高效率耦合激發(fā)出的等離子體信號。

圖中顯示，光纖支架13為球體的端面，便于在檢測光路通道2內進行角度偏轉，所述光纖支架13處的鎖緊螺母17可以不同步調節(jié)，三個點確定一個平面，使得光纖支架13發(fā)生角度偏轉，從而改變光纖6傾斜角度，從而調節(jié)了光纖頭的收集角度，便于更精細、更準確的尋找入射光線與采集光路交點。

圖中顯示，檢測光路通道2還包括充氣氣嘴3、出氣氣嘴8、光纖孔23、與光纖6頭部相連的準直透鏡7、位于檢測光路通道2前端的窗口片9、與窗口片9連接的錐形口10。窗口片9安裝于檢測光路通道2前端，窗口片9前端為一個錐形口10，進行待測樣品激發(fā)后等離子體信號的收集。窗口片9采用紫外熔融石英窗口片，可以對深紫外波段信號高透。

本發(fā)明在廢鋼分類系統(tǒng)調整好后，為更準確的檢測到更低含量的深紫外波段信號，利用所述充氣氣嘴3充入氬氣等保護氣氛，通過所述出氣氣嘴8排氣，當充入氣體濃度達到預定標準時即可密封兩個氣嘴，進行檢測；也可保留兩個氣嘴打開狀態(tài)，邊檢測邊進行流動式充氣、排氣。

本發(fā)明的一個實施例部分器件如下：

激光器1采用Dawa-200型脈沖激光器，輸出能量可調范圍0-200mJ，通過設定電壓值調節(jié)輸出能量。

光譜儀11采用AvaSpec-ULS2048系列光纖光譜儀，利用多通道拼接實現(xiàn)寬波段（目前使用波段175-750nm）、高分辨率信號檢測，可實現(xiàn)廢鋼中從深紫外、可見到紅外波段的元素譜線譜線檢測。

匯聚透鏡5、準直透鏡7采用紫外波段透過率高的紫外熔融石英透鏡片。

光纖6采用抗紫外曝光處理光纖，可以對180-600nm波段信號高效率傳輸。

本發(fā)明的工作過程如下：

激光器1發(fā)出脈沖激光對準檢測光路通道2并同軸出射，經過內部匯聚透鏡5及其他部件的匯聚及傳輸?shù)藉F形口10處，在準待測樣品檢測面激發(fā)出等離子體信號，然后經過準直透鏡7、光纖6等耦合傳輸?shù)焦庾V儀11進行譜線處理，最后由控制器12進行最終定量分析、譜庫對比及分類顯示。