利用LIBS光谱的快速材料分析的制作方法

临时申请的优先权声明

本申请要求于2014年6月23日提交、申请号为62/015,756的美国临时专利的优先权，该临时专利的全部内容通过完全引用并入本文。

本发明涉及激光诱导击穿光谱（laser-inducedbreakdownspectroscopy,libs）的领域，更具体地涉及一种用于对运输系统上移动的材料执行libs分析的方法及系统。

背景技术：

对于各种应用，需要用于确定样品的物质组成的方法。一种已知的方法是激光诱导击穿光谱（libs），libs包括将一个激光束聚焦至样品的一个表面，利用足够高的功率密度将样品材料的小部分转换成等离子体状态。等离子体羽的光发射由光收集组件来收集，所收集的光发射的谱分布（即，根据波长的强度）在波长灵敏检测器（比如，分光仪）中分析，该波长灵敏检测器以电子形式生成信息，描述所述谱分布。由于样品材料的原子及分子成分具有特有的光发射光谱，所述分光仪生成的信息揭示样品的激光束聚焦或指向的部分的成分。

原则上，所述样品可能是固体、液体或气体。在气态样品的情况下，样品的“表面”的概念不存在，激光束仅聚焦在气态样品中。已知的libs测量设备的缺陷包括结构庞大以及现场应用的受限适应性。在某些应用中，libs测量系统能够根据元素浓度表示各种样品。在其它应用中，材料的类型，比如，特定的合金合成物，可以利用或不利用精确的元素浓度的测定来识别。libs技术相对于xfr（x射线荧光）的首要优点在于其能够测定比如li、b、be、c、al、na以及mg的光元素的元素浓度。

在库马尔（kumar）的美国专利6,795,179中，描述了一种金属颗粒分拣系统，包括传送机，其用于随机地传送在一随机方位的成形的零碎金属件；图像检测器，其用于电子地记录预定义观察区域的图像，所述零碎工件通过传统的平直传送机系统在该预定义观察区域中传送；位置检测器，其用于检测传送带的移动；激光系统，其配置为在选定的时间间隔内提供包括一连串的多个激光脉冲的激光束；以及至少一个激光扫描组件，其包括可定位束分流器和聚焦元件，可定位束分流器用于引导激光束至传送机上的选定目标区域中的任何位置处的选定工件，聚焦元件安装在束分流器的激光脉冲的源头的下游处以聚焦光束并且提供沿一个平面的均匀的激光功率密度。所述系统进一步包括光收集器，其用于收集受激光脉冲照射的工件所产生的等离子体的光；光分布及光谱分析仪系统，其用于隔离和测量所收集的光的至少一个选定带；分离器，其基于鉴别器信号转移工件至不同的箱子；以及控制逻辑，其用于继续获取传送机的选定观察区域的图像，处理图像以识别并且当零碎工件经过观察区域时放置零碎工件，监控激光系统以确定下一激光脉冲何时可用，在传送机上选取照射的脉冲的下一可用光束可能引导至已识别工件的下游位置，按照要求操作扫描组件以引导脉冲至选定的目标区域，分析从等离子体收集的光谱数据，至少部分地基于光谱数据分析生成鉴别器信号，根据鉴别器信号选择性地激活分离器以分拣已分析的工件。虽然明显地有效，这个系统是设备及投资密集的，需要多个扫描组件以生成等离子体样品，并且还需要用于继续获取以及处理传送机的选定观察区域的图像的控制逻辑以及其它组件。

在graft等人的美国专利6,753,957中，公开了一种用于矿物分拣及检测的方法，该方法包括遥感，并且更具体地，用于移动带上传送的材料中的元素的矿物或微量浓度的实时检测及内容评价。graft等人的发明采用了激光诱导击穿光谱（libs）系统，特定元素或矿物的发射谱线特征的强度比使得在移动带上同样能够检测。因为相关矿物具有不同的化学成分，即，特征谱线界定的主要或微量元素、相对强度使得所有阶段能够在与libs及移动带系统一致的短时间内一贯地识别及评估。

技术实现要素：

本文提供了一种利用libs系统对沿传送机或斜槽行进的材料进行快速的材料分析的方法及系统，由此提供了快速的光谱测量，对于预期的工商应用具有相当高的精确度。

在一个范例实施例中，执行金属分拣时不需要像其它现有技术的系统一样进行激光扫描。替代地，待抽样的每个金属件隔离在运送材料的振动斜槽中，由此避免了扫描激光的需求。激光束发射或投射穿过斜槽的底部（通过槽或孔），金属或样品材料工件的表面通过重力约束在狭槽的底部，缓解了在垂直距离移动libs激光聚焦的需要。借助外形，狭槽设计用于进一步约束工件在边对边方向，迫使每个工件在狭槽的孔上移动。捕捉的数据通过利用特定的谱线以在材料类型之间分辨来分析。然后，根据成分，通过空气喷嘴或分流器系统分拣材料。

在本发明的各种范例实施例中，提供了一种沿固定或静止材料的斜槽移动的材料颗粒或工件的激光光谱的方法，该方法经济、精确并且较现有技术的系统更加快速。如此的实施例与传统的实施方式形成对比，传统的实施方式从传送带之上射击激光至工件或颗粒。在一个范例实施例中，本文提供的libs测量系统包括提供大体v形斜槽中的开孔或开口，该开孔或开口允许从斜槽的底部接近待分析的材料。激光束瞄准所述孔，返回光（信号）穿过所述孔通过光检测器来收集。前述范例相对于传统抽样方法的优势包括但不限于：1）每个工件通过斜槽的v形（或凹形）与斜槽中的孔对准；2）每个工件相对于激光及光焦点的位置通过斜槽及重力来固定，当在斜槽上滑动并且由此触碰斜槽时，每个工件具有一个已知的位置，没有自动对焦，仅需要适度的景深；3）由于工件的孔和表面的x、y及z位置已知，不需要运动技术，改善了可靠性，由此改善了所述系统的工业可行性。激光的类型及其操作方法对于商业的libs分拣市场是新奇的。

从传送带之上测量的常见实施方式具有显著的问题：1）如果激光光谱系统固定在空间中，带上的物品是非完全抽样的，激光系统仅在一点处抽样，例如，中心线，带上的振动和运动典型地使物品按大小移动，因此，在任何固定点，仅抽样了颗粒/工件尺寸的子样；2）从上面抽样需要光学系统的自动对焦或较大的景深，前者引入了复杂度，可能降低抽样速度，后者引入了更聚焦的光学系统的附加不确定性；3）尝试追踪每个工件（例如，fraunhoferilt(aachen,germany)的libs系统，用于分拣金属碎片）的从带上面的实施方式使用了3d摄像机以及移动镜头以使激光系统瞄准移动工件。这个复杂度是巨大的，并且影响系统的工业可靠性和可行性。

从具体实施例的以下描述，联系附图，可以最好地理解与本发明的结构及其操作方法有关的各种实施例的新奇特征以及本发明的附加优点。

附图说明

图1a-1b图示地展示了根据本文教导的libs测量系统的一个范例实施例以及流动斜槽的侧视图；

图2展示了根据本文教导的libs测量系统的一个范例实施例；

图3展示了用于从已分析材料的一个表面形成的等离子体收集光的系统100和200的激光及检测系统的一个范例实施例；以及

图4展示了根据本文教导的可以用于系统100和200其中之一的穿透镜子组件的另一范例实施例。

具体实施方式

以下为根据本发明的方法及装置的各种相关概念及实施例的更加详细的描述。应该领会的是，以上介绍以及以下更加详细地讨论的主题的各个方面可能以许多方式的任何一种来实施，主题不限于任何特定的实施方式。具体的实施方式及应用的范例主要提供用于说明目的。

在本发明的一个范例实施例中，提供了一种大量抽样及激光瞄准系统，用以提供大量材料流的材料识别，该系统包括流动斜槽，该流动斜槽具有送料端和输出端，输出端适用于从送料端成一个角度延伸，以便斜槽处于斜面上并且大量材料流沿流动斜槽重力性地流动，流动斜槽具有大体凹形的结构，该大体凹形的结构包括孔，该孔设置于流动斜槽的最大凹面或波谷的一点处，该点位于送料端的一定距离处，以便大量材料流可以形成沿斜槽往下的有序流动。所述系统还包括libs激光系统，该libs激光系统设置于所述孔的附近并且配置为引导脉冲激光束穿过所述孔进入流经所述流动斜槽的材料，所述孔具有足以允许所述激光束穿过到达流动材料的单个颗粒以及允许单个颗粒的辐射穿过所述孔传播回来的尺寸。此外，包括了辐射探测设备，其设置于所述孔的附近并且适用于收集材料的单个颗粒发射的辐射，其中，所述辐射检测设备通信地接合至所述libs激光系统，所述libs激光系统包括分光仪和控制器，所述分光仪配置为识别斜槽中流动的单个颗粒的成分。最后，在一个相关实施例中，所述系统包括至少一个颗粒分流设备，该至少一个颗粒分流设备设置于所述斜槽的输出端的附近并且适于将单个颗粒分流至收集系统，其中，所述至少一个颗粒分流设备通信地接合至控制器并且适于在接收控制器的信号之后启动。

在另一实施例中，提供了一种提供用于大量材料流的材料识别的大量抽样及激光瞄准系统，所述系统包括流动斜槽，该流动斜槽具有送料端和输出端，输出端适用于从送料端成一个角度延伸，以便斜槽处于斜面上并且大量材料流沿流动斜槽重力性地流动，流动斜槽具有大体v形的结构，该大体v形的结构包括孔，该孔设置于v形的流动斜槽的最大凹面的点的附近，该点位于送料端的一定距离处，以便大量材料流可以形成沿斜槽往下的有序流动。进一步地，包括了libs激光系统，该libs激光系统设置于所述孔的附近并且配置为引导脉冲激光束穿过所述孔进入流经所述流动斜槽的材料，所述孔具有足以允许所述激光束穿过到达流动材料的单个颗粒以及允许单个颗粒的辐射穿过所述孔传播回来的尺寸。所述系统进一步包括辐射探测设备，其设置于所述孔的附近并且适用于收集材料的单个颗粒发射的辐射，其中，所述辐射检测设备通信地接合至所述libs激光系统，所述libs激光系统包括分光仪和控制器，所述分光仪配置为从穿透镜子组件接收的辐射识别斜槽中流动的单个颗粒的成分，所述穿透镜子组件配置为允许激光束从镜子组件的后侧穿过镜子的孔，所述镜子组件的前侧配置为将返回光大致反射出激光束路径、反射至所述辐射检测设备的辐射检测光学器件。最后，在一个相关实施例中，所述系统包括至少一个颗粒分流设备，该至少一个颗粒分流设备设置于所述斜槽的输出端的附近并且适于将单个颗粒分流至收集系统，其中，所述至少一个颗粒分流设备通信地接合至控制器并且适于在接收控制器的信号之后启动。

在另一实施例中，提供了一种大量材料流的大量抽样及激光瞄准的方法，该方法包括提供成角度流动斜槽的步骤，所述成角度流动斜槽具有送料端和输出端，所述输出端适于从所述送料端成一个角度延伸，以便所述流动斜槽处于斜面上并且大量材料流沿所述流动斜槽重力性地流动，所述流动斜槽具有大致v形构造，所述大体v形构造包括孔或孔口，所述孔或孔口设置于所述流动斜槽的波谷的中心处，该中心处位于所述送料端的某一距离处，以便大量材料流可以形成沿斜槽往下的有序流动。此外，所述方法包括从设置于所述孔的附近的libs激光系统引导激光束穿过孔并且烧蚀流经所述流动斜槽的材料，以及收集辐射并且将其引导至分光仪的步骤，所述孔具有足以允许激光束穿过到达流动材料的单个颗粒以及允许烧蚀的单个颗粒的辐射穿过孔传输回来的尺寸，辐射从单个的烧蚀材料颗粒穿过所述孔发射，分光仪位于内部具有控制器的libs激光系统中，所述分光仪配置为识别在斜槽中流动的单个颗粒的成分。在一个相关实施例中，所述方法进一步包括提供至少一个颗粒分流设备，所述至少一个颗粒分流设备设置于所述斜槽的输出端的附近并且适于将单个颗粒分流至收集系统，其中，所述至少一个颗粒分流设备通信地接合至所述控制器并且适于在收到控制器的信号之后启动。

参照图1a和1b，图1a图示地描述了根据本发明的一个实施例的材料分拣的libs测量系统100。在这个范例实施例中，libs测量100包括凹形抽样斜槽110、激光及检测系统120、分流器130以及材料箱140和150。在这个范例实施例中，如图1b所示，斜槽110包括平面基底112，该平面基底112由一组侧壁114来限制。在这个范例实施例中，待分析的材料（称为下落碎片150）沿凹形或大体v形斜槽110流动至基底112上并且移动经过斜槽110的基底112上的分析孔113，libs（激光诱导击穿系统）激光系统120发射激光束122穿过孔113。激光束122撞击暴露于开孔或孔口或孔113（还称为分析点114）的下落碎片150的单个颗粒并且将其烧蚀。库马尔（kumar）的美国专利6,795,179中教导了一种libs激光及检测系统的范例，其通过引用整体并入本文。

在这个范例实施例中，分流设备130通信地接合（有线或无线（例如，无线电频或蓝牙））至激光及检测系统120，以便使其启动以引导或分离特定碎片样品152和154至箱140或箱150。在这个范例实施例中，碎片样品152通过重力自然而落入箱140，不需要分流器130，样品154通过分流器130分流至箱150。在一个相关实施例中，基于箱的位置和箱的数量，根据从激光及检测系统120接收的指令，分流器130启动用于分流样品至各种箱。在这个范例实施例中，分流器130为空气喷嘴、空气泵或鼓风机，其配置为发射空气射流以分流样品152或154。在一个相关实施例中，分流器130包括一个元件，该元件在一个收集箱或收集系统的方向推动样品，比如，桨、杆等，或者阻挡样品的前进运动。

在一个相关实施例中，斜槽110以其它构造成形，比如，v形通道或u形通道，允许材料沿凹形流动斜槽向下移动。在其它实施例中，所述斜槽为以下构造其中一种：带有垂直侧面的u形、带有扁平底侧的u形、带有成角度向外的侧面以及扁平底部的u形、带有成角度向外以及弯曲底部的u形。在另一实施例中，所述流动斜槽为斜坡，该斜坡带有与之有效接合的振动机制，以促进材料流的向下流动。在另一实施例中，所述斜槽包括与之有效接合的振动机制，以促进材料流的向下流动。在另一实施例中，所述流动斜槽（或者套筒）包括管或圆筒结构，该管或圆筒结构在管的下表面的中点处具有孔，激光束可以从管向上伸出并且穿过孔。

在各种实施例中，所述斜槽110的斜坡或角度非限制性地属于大约20°至大约70°之间的范围。在小角度，比如，大约20°至大约30°之间，还可以使用振动斜槽或斜坡。在其它实施例中，可以确定材料速度和斜槽角度的关系，以便使材料通过斜槽上的分析孔移动的速度与穿过孔的激光脉冲相互关联。激光测量实际上是瞬间的，材料的速度还取决于材料。

正常地，材料目标的形状中存在不规则行为，但如果这些属于激光聚焦的范围，这排除了对于自动对焦的需要。在一个相关实施例中，当不规则形状的目标超出激光对焦的范围时，系统100使用自动对焦。libs测量系统100的一个优点在于，使用者不需要像现有技术的实施方式一样，追踪宽的移动带上的样品工件。

在一个范例实施例中，激光检测系统120的激光重复率为大约20hz，但激光重复率可以匹配至样品工件在孔113处出现的速度。libs激光能量必须足以引起在样品处的闪光并且提供足以表示样品的分析。在这个范例实施例中，使用了200mj的带有长的焦距的激光，使得穿过孔的焦深的大小足以适应样品材料的激光的焦点的超过1英寸的变化（这可以由工件的不规则形状引起）。在这个范例实施例中，在利用聚焦透镜聚焦在工件150上之前，激光122穿过射束成形光学器件（未图示）。在最简单的构造中，可以使用单一的聚焦透镜。

在这个范例实施例中，用于从样品材料引导等离子体或羽流的光的所述光电探测器（未图示）是带有类型类似于thorlabsapd120a2的紫外线增强的放大硅二极管。然而，可以使用任何的光电探测器以捕捉发射信号。在这个范例实施例中，使用了带有大约5nm带通的主要线路滤波器，以隔离样品材料发射的发射谱线。在相关实施例中，收集光以及隔离发射的其它方式包括将主要线路滤波器与光电倍增管检测器结合、或者将用于分散光的分光仪与用于检测一个或多个特定波长的检测器结合。在一个范例实施例中，成对的检测器/线路滤波器用于每个元件，但在其它实施方式中，使用单一的分光仪以同时测量很多的元件。在美国专利6,753,957中，指导了光学发射的快速光谱分析的范例，其通过引用整体并入本文。通常，光电探测系统是气密的，并且可能包括根据需要净化的输入/输出窗口。

图2展示了根据本发明的一个实施例的利用libs测量系统200的材料分拣系统的范例实施例。在这个范例实施例中，libs测量200包括包括样品斜槽210、激光及检测系统220、至少一个光电探测器224、一堆分流器230以及至少一个材料箱240（未图示）。在这个范例实施例中，斜槽210为大体v形，由于通道与地面成一角度，样品材料通过重力沿斜槽向下移动。在这个范例实施例中，待分析的材料沿斜槽210向下流动并且移动经过斜槽210的分析孔213（优选地设置于最大凹面点处），激光系统220通过该孔发射激光束222。随着激光束穿过孔213（见223），激光束撞击通过孔213（还称为分析孔214）（未图示）暴露的下落碎片，并且生成以返回光的形式的光谱发射225。在一个相关实施例中，孔213覆盖有透明/半透明元件，以帮助保持激光的主透镜无尘。还可以包括清洁或鼓风组件，以清洁激光系统中的所有透镜。库马尔（kumar）的美国专利6,795,179指导了libs激光及检测系统的一个范例，其通过引用整体并入本文。

在这个范例实施例中，libs系统200的激光从下方射击样品并且穿过开孔或孔213，所述开孔或孔213的大小可能改变，但在这个范例中，所述孔的直径为大约0.25英寸和0.375英寸。一个优点在于，重力将下落零碎工件向下拉至斜槽并将其保持在斜槽210上。这允许样品与激光成已知的距离（斜槽的基底），斜槽的大体v形将斜槽的中部的大部分材料样品集中成与孔213对准。基于工件尺寸，斜槽210的下部212可以变窄或变宽，或者斜槽可以连续地弯曲，没有扁平底部。在这个范例实施例中，一堆分流器230通信地接合至激光及检测系统220，以便其启动用于引导或分流确定的零碎样品至至少一个收集箱或收集系统。在这个范例实施例中，分流器230配置为将镁工件吹离主要的铝工件的串流。在这个范例实施例中，分流器230包括空气泵或空气喷嘴或鼓风机，该空气泵或空气喷嘴或鼓风机配置为发射气流，以分流材料样品至确定的箱。在一个相关实施例中，分流器230包括在箱或另一斜槽的方向推动样品的元件，比如，物理分流器，其由壁、可移动桨或杆以及位于流动斜槽的基底处的可控制活门组成。

参照图3，描述了根据本发明的激光及检测系统300的光学构造的一个范例实施例。具体地，激光310发射激光束312，该激光束312撞击激谱线镜子320并且反射至聚焦透镜330。透镜330将激光束312集中至聚焦束312a，该聚焦束312a烧蚀材料样品，以便发射等离子体340。等离子体340的光340a返回穿过透镜330以及然后穿过另一聚焦透镜350时被校准，将其转变至聚焦束340b，聚焦束340b由检测器360收集。在这个有利的范例中，样品的返回光穿过聚焦激光的相同透镜，由此有效地收集及校准，而不是通过一个单独的透镜收集。这个构造可以用于系统100或系统200的激光及检测系统，以供被分析材料的表面上形成的等离子体的光的收集。

参照图4，描述了根据本发明的形成用于激光及检测系统的光学构造400的一部分的穿透镜子组件420的另一范例实施例。具体地，激光410发射激光束412，该激光束412穿过穿透镜子组件420中的孔421，并且撞击聚焦透镜430。透镜430将激光束412集中至聚焦束412a，激光束412a烧蚀材料样品并且形成等离子体440。等离子体440的光440a在穿过透镜430以及撞击穿透镜子组件420时被校准。从440a校准的光然后通过穿透镜子组件反射（除了对应于穿透镜子420中的孔的440a的校准光的中心的部分之外）以形成束440b，然后穿过另一聚焦透镜450以形成聚焦束440c，该聚焦束440c由检测器460收集。在这个有利的范例中，使用了光学构造、设备内部的穿透镜子组件，以允许激光穿过镜子的孔（来自后侧），镜子的前侧反射脱离激光束路径的返回光至检测器光学器件。这个设置可以用于激光及检测系统100或系统200。

在本文描述的各种实施例中，激光参数包括但不限于：主动/被动q开关结构、二极管/灯泵结构、opo和/后非opo结构以及nd:yag激光、铒玻璃，或者可以使用其它可行的半导体材料。激光系统可以在任何激光波长运行，例如，对于nd:yag，波长为1064nm、532nm、355nm、266nm或213nm，激光脉冲能量在焦、毫焦、微焦范围，由此，任何激光能量足以引起等离子体形成于光学器件的焦点处。类似地，如果足以引起等离子体形成于待分析的材料上，可能使用任何脉冲持续时间（例如，纳秒、皮秒或飞秒）的激光以及重复率（非周期性地khz频率或更多）。

本文教导的libs系统的初始应用包括但不限于：铝废料分拣以及再生铝冶炼，再生铝冶炼接收铝废料以在废料进入时评估及核实废料。其它应用包括其它有色金属、黑色金属、耐火材料以及土壤的分析。

以下涉及如此的libs设备的发明通过引用整体并入本文并且组成本公开的一部分：编号为6,753,957、6,795,179、7,763,820和7,821,634的美国专利，以及公开号为2013/0079918的美国专利。

以上描述了多个说明性实施例，应该领会的是，对于本领域的技术人员，各种改变、修饰及改进是容易想到的。如此的改变、修饰及改进确定为这个公开的一部分，并且确定为属于这个公开的精神和范围。本文描述的一些范例包含功能或结构性元件的特定组合，应该理解的是，那些功能和元件可能以根据本发明的其它方式结合，以实现相同或不同的目的。具体地，与一个实施例关联讨论的动作、元件及特征不意在被其它实施例中的类似或其它作用所排除。因此，上文描述及附图仅作为范例，并且不意在限制。