Libs成分分析中光谱空间分布的测量装置及方法
【专利摘要】一种LIBS成分分析中光谱空间分布的测量装置及方法，属于材料成分分析【技术领域】。装置包括光学平台、实验台支架、下垂直移动调整旋钮、下固定旋钮、下连接块、下垂直移动块、上垂直移动调整旋钮、上固定旋钮、上连接块、上垂直移动块、激光头、激光聚焦透镜、金属样品、右导轨支架、左导轨支架、右高度尺、左高度尺、光轴导轨、标定支架连接块、光纤头光轴滑块、光纤头滑块转接板、光纤固定杆、光纤头固定环、光纤、会聚透镜光轴滑块、会聚透镜滑块转接板、会聚透镜固定杆、会聚透镜、导轨支架光轴连接轴、光谱仪。用于测量脉冲激光击打金属样品产生的等离子体光谱的空间分布，优点是可以有效的测出等离子体光谱的空间分布，使用方便，成本低廉。
【专利说明】LIBS成分分析中光谱空间分布的测量装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于材料成分分析【技术领域】，特别提供了一种LIBS成分分析中光谱空间 分布的测量装置及方法。 技术背景
[0002] 激光诱导击穿光谱技术（LIBS)是一种快速检测技术，能用于固态和液态金属材 料成分分析，高炉炉气分析，炉渣分析，钢材缺陷分析等过程中，应用范围十分广泛，然而目 前LIBS成分检测技术的精度还不够高，迫切需要改进。
[0003] 改进的一个方面就是在激光器设备、光谱仪设备和被测样本已确定的条件下，确 定激光器激光头（包括聚焦透镜）、光谱仪测量头（包括光谱搜集透镜和光纤）与样本烧蚀 点（激光束轴心和样本表面的交点）之间的空间位置和姿态关系，以尽可能获得到信噪比 最佳的等离子体光谱信号，为提高成分检测精度提供最佳的信号基础。
[0004]LIBS成分分析中的光谱空间分布检测，就是给定激光头、光谱仪测量头相对于样 本烧蚀点的一系列不同的空间位置和姿态，测量相应位置和姿态下的激光诱导等离子体光 谱信号，为分析确定最佳光谱信号提供数据基础。
[0005] 当激光束垂直聚焦到样本表面以下确定深度时，等离子体沿激光束轴线呈轴对 称。在测量光谱空间分布时，需要调整光谱测量头的透镜和光纤，使二者的光轴同时通过烧 蚀点，并使二者分别和烧蚀点相距设定的距离，还要允许二者的光轴能和水平面呈不同角 度。要实现这样的功能，可以采用一个或多个通用的二维或三维手动或电动位移台来调整， 但这样做得的装置，使用起来不方便。
[0006] 尽
【发明者】所知，还未见有文献公布有关这样装置的细节。有鉴于此，本发明提出一 种LIBS成分分析中光谱空间分布的测量装置及方法。本发明使用方便，成本低廉。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种LIBS成分分析中光谱空间分布的测量装置及方法， 用于检测脉冲激光击打金属样品表面时产生的等离子体的光谱空间分布。
[0008] 本发明的装置包括光学平台1、实验台支架2、下垂直移动调整旋钮3、下固定旋钮 4、下连接块5、下垂直移动块6、上垂直移动调整旋钮7、上固定旋钮8、上连接块9、上垂直移 动块10、激光头11、激光聚焦透镜12、金属样品13、右导轨支架14、左导轨支架15、右高度 尺16、左高度尺17、光轴导轨18、标定支架连接块19、光纤头光轴滑块20、光纤头滑块转接 板21、光纤固定杆22、光纤头固定环23、光纤24、会聚透镜光轴滑块25、会聚透镜滑块转接 板26、会聚透镜固定杆27、会聚透镜28、导轨支架光轴连接轴29、光谱仪30。
[0009] 下固定旋钮4的螺纹杆和下连接块5的螺纹孔相连，下连接块5通过其上的一个 与上述螺纹孔连通且相互垂直的通孔套在实验台支架2的垂直圆柱支杆上；顺时针或逆时 针旋转下固定旋钮4,能将下连接块5压紧在实验台支架2的垂直圆柱支杆上，或者将下连 接块5从实验台支架2的垂直圆柱支杆上松开；当下连接块5从实验台支架2的垂直圆柱 支杆上松开时，可以手工调整下连接块5沿实验台支架2的垂直圆柱支杆上下移动；手工调 整下连接块5的位置后，再顺时针旋转下固定旋钮4将下连接块5压紧在实验台支架2的 垂直圆柱支杆上；实验台支架2的垂直圆柱支杆的轴线和水平面垂直。
[0010] 下垂直移动调整旋钮3的转轴和下连接块5的轴承相连，转轴和轴承的轴线沿水 平方向；下连接块5的滑动导轨槽和下垂直移动块6的滑动导轨相连；下垂直移动块6的滑 动导轨上的齿条和下垂直移动调整旋钮3的转轴上的齿轮相连；金属样品13放置在下垂直 移动块6上；通过旋转下垂直移动调整旋钮3能带动下垂直移动块6以及金属样品13相对 于下连接块5上下移动。
[0011] 上固定旋钮8的螺纹杆和上连接块9的螺纹孔相连，上连接块9通过其上的一个 与上述螺纹孔连通且相互垂直的通孔套在实验台支架2的垂直圆柱支杆上；顺时针或逆时 针旋转上固定旋钮8,能将上连接块9压紧在实验台支架2的垂直圆柱支杆上，或者将上连 接块9从实验台支架2的垂直圆柱支杆上松开；当上连接块9从实验台支架2的垂直圆柱 支杆上松开时，可以手工调整上连接块9沿实验台支架2的垂直圆柱支杆上下移动；手工调 整上连接块9的位置后，再顺时针旋转上固定旋钮8将上连接块9压紧在实验台支架2的 垂直圆柱支杆上。
[0012] 上垂直移动调整旋钮7的转轴和上连接块9的轴承相连，转轴和轴承的轴线沿水 平方向；上连接块9的滑动导轨槽和上垂直移动块10的滑动导轨相连；上垂直移动块10的 滑动导轨上的齿条和上垂直移动调整旋钮7的转轴上的齿轮相连；激光聚焦透镜12通过螺 纹旋紧于激光头11上，激光头11与上垂直移动块10通过螺栓相连；通过旋转上垂直移动 调整旋钮7能带动上垂直移动块10以及激光头11相对于上连接块9上下移动。
[0013] 右导轨支架14、左导轨支架15、右高度尺16的主尺和左高度尺17的主尺分别通 过螺钉固定在光学平台1上；右高度尺16的游标和左高度尺17的游标分别通过螺钉连接 在标定支架连接块19上；右高度尺16和左高度尺17相互平行，保证当手动上下移动标定 支架连接块19时，右商度尺16的游标和左商度尺17的游标能分别沿右商度尺16的主尺 和左高度尺17的主尺同步上下移动，指示出标定支架连接杆19的高度；当标定支架连接块 19的下表面和底座1的上表面重合时，右商度尺16的游标和左商度尺17的游标同时指不 零刻度。
[0014] 右导轨支架14和左导轨支架15的轴承内圈分别以过盈配合的方式和导轨支架光 轴连接轴29套在一起；导轨支架光轴连接轴29的一个端面和光轴导轨18的一个端面焊接 在一起，光轴导轨18自然放置在标定支架连接块19上；当手动上下移动标定支架连接块 19时，可驱动光轴导轨18连同导轨支架光轴连接轴29 -起绕导轨支架光轴连接轴29的轴 线转动；导轨支架光轴连接轴29的轴线平行于光学平台1的上表面，且和水平面平行。
[0015] 光纤头光轴滑块20和会聚透镜光轴滑块25分别通过滑动导轨槽和光轴导轨18 相连，并可在光轴导轨18上自由滑动；光轴导轨18上设有标尺，标尺的零点在光轴导轨18 和导轨支架光轴连接轴29的焊接面；从前视图上看，光纤头光轴滑块20的左端面对应的光 轴导轨18的标尺刻度指示了光纤头光轴滑块20的位置；会聚透镜光轴滑块25的左端面对 应的光轴导轨18的标尺刻度指示了会聚透镜光轴滑块25的位置。
[0016]会聚透镜滑块转接板26以螺钉固定在会聚透镜光轴滑块25上；会聚透镜固定杆 27上设有标尺，标尺的零点是会聚透镜固定杆27的最下端；会聚透镜固定杆27可沿会聚 透镜滑块转接板26的通孔自由滑动；会聚透镜滑块转接板26的上表面对应的会聚透镜固 定杆27的标尺刻度指示了会聚透镜固定杆27的位置；会聚透镜28与会聚透镜固定杆27 通过螺纹连接。
[0017] 光纤头滑块转接板21以螺钉固定在光纤头光轴滑块20上；光纤固定杆22上设有 标尺，标尺的零点是光纤固定杆22的最下端；光纤固定杆22可沿光纤头滑块转接板21的 通孔自由滑动；光纤头滑块转接板21的上表面对应的光纤固定杆22的标尺刻度指示了光 纤固定杆22的位置；光纤24与光纤头固定环23螺纹连接，光纤头固定环23与光纤固定杆 22通过螺纹连接；光纤24和光谱仪30相连。
[0018] 本发明所述的方法如下：
[0019] 1.在激光头11和光谱仪30都处于停止工作状态下进行下面的调整工作：
[0020] 调整上连接块9,并使上垂直移动块10向下移动到最下位置，调整下连接块5使 下垂直移动块6和金属样品13不遮挡激光器光路；开启激光器，使激光器聚焦点落在光学 平台1的设定点T上；固定上连接块位置，向上移动上垂直移动块，使上垂直移动块10的U 型槽槽底上表面和光学平台1的上表面的距离为f-u+w+h+y。
[0021] 调整下连接块和金属样品13的中心和激光束重合，固定下连接块；调整下垂直移 动块，使金属样品13的上表面与光学平台1的距离为h+y;这样，就是激光束通过T点，并 且使得激光束的焦点汇聚在金属样品13表面下深度u所处的位置。
[0022] 2、给定0 = 0i和s=Si，其中0i和Si都分别是一个固定值，计算关键参数并 进行调整。
[0023] (1)计算标定支架连接块19应移到的标尺刻度m2;计算公式如下：
【权利要求】
1. 一种LIBS成分分析中光谱空间分布的测量装置，其特征在于，包括光学平台、实验 台支架、下垂直移动调整旋钮、下固定旋钮、下连接块、下垂直移动块、上垂直移动调整旋 钮、上固定旋钮、上连接块、上垂直移动块、激光头、激光聚焦透镜、金属样品、右导轨支架、 左导轨支架、右高度尺、左高度尺、光轴导轨、标定支架连接块、光纤头光轴滑块、光纤头滑 块转接板、光纤固定杆、光纤头固定环、光纤、会聚透镜光轴滑块、会聚透镜滑块转接板、会 聚透镜固定杆、会聚透镜、导轨支架光轴连接轴、光谱仪； 下固定旋钮（4)的螺纹杆和下连接块（5)的螺纹孔相连，下连接块（5)通过其上的一 个与上述螺纹孔连通且相互垂直的通孔套在实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上；顺时针或 逆时针旋转下固定旋钮（4)，能将下连接块（5)压紧在实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上， 或者将下连接块（5)从实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上松开；当下连接块（5)从实验台 支架（2)的垂直圆柱支杆上松开时，手工调整下连接块（5)沿实验台支架（2)的垂直圆柱 支杆上下移动；手工调整下连接块（5)的位置后，再顺时针旋转下固定旋钮（4)将下连接块 (5) 压紧在实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上；实验台支架（2)的垂直圆柱支杆的轴线和 水平面垂直； 下垂直移动调整旋钮（3)的转轴和下连接块（5)的轴承相连，转轴和轴承的轴线沿水 平方向；下连接块（5)的滑动导轨槽和下垂直移动块（6)的滑动导轨相连；下垂直移动块 (6) 的滑动导轨上的齿条和下垂直移动调整旋钮（3)的转轴上的齿轮相连；金属样品（13) 放置在下垂直移动块（6)上；通过旋转下垂直移动调整旋钮（3)能带动下垂直移动块（6) 以及金属样品（13)相对于下连接块（5)上下移动； 上固定旋钮（8)的螺纹杆和上连接块（9)的螺纹孔相连，上连接块（9)通过其上的一 个与上述螺纹孔连通且相互垂直的通孔套在实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上；顺时针或 逆时针旋转上固定旋钮（8)，能将上连接块（9)压紧在实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上， 或者将上连接块（9)从实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上松开；当上连接块（9)从实验台 支架（2)的垂直圆柱支杆上松开时，手工调整上连接块（9)沿实验台支架（2)的垂直圆柱 支杆上下移动；手工调整上连接块（9)的位置后，再顺时针旋转上固定旋钮（8)将上连接块 (9) 压紧在实验台支架（2)的垂直圆柱支杆上； 上垂直移动调整旋钮（7)的转轴和上连接块（9)的轴承相连，转轴和轴承的轴线沿水 平方向；上连接块（9)的滑动导轨槽和上垂直移动块（10)的滑动导轨相连；上垂直移动块 (10) 的滑动导轨上的齿条和上垂直移动调整旋钮（7)的转轴上的齿轮相连；激光聚焦透镜 (12)通过螺纹旋紧于激光头（11)上，激光头（11)与上垂直移动块（10)通过螺栓相连；通 过旋转上垂直移动调整旋钮（7)能带动上垂直移动块（10)以及激光头（11)相对于上连接 块（9)上下移动； 右导轨支架（14)、左导轨支架（15)、右高度尺（16)的主尺和左高度尺（17)的主尺分 别通过螺钉固定在光学平台（1)上；右高度尺（16)的游标和左高度尺（17)的游标分别通 过螺钉连接在标定支架连接块（19)上； 光纤头光轴滑块（20)和会聚透镜光轴滑块（25)分别通过滑动导轨槽和光轴导轨（18) 相连，并在光轴导轨（18)上自由滑动； 会聚透镜滑块转接板（26)以螺钉固定在会聚透镜光轴滑块（25)上；会聚透镜固定杆 (27)上设有标尺，标尺的零点是会聚透镜固定杆（27)的最下端；会聚透镜固定杆（27)沿 会聚透镜滑块转接板（26)的通孔自由滑动； 光纤头滑块转接板（21)以螺钉固定在光纤头光轴滑块（20)上；光纤固定杆（22)沿光 纤头滑块转接板（21)的通孔自由滑动；光纤（24)与光纤头固定环（23)螺纹连接，光纤头 固定环（23)与光纤固定杆（22)通过螺纹连接；光纤（24)和光谱仪（30)相连。
2. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，右高度尺（16)和左高度尺（17)相 互平行，保证当手动上下移动标定支架连接块19时，右高度尺（16)的游标和左高度尺（17) 的游标能分别沿右高度尺（16)的主尺和左高度尺（17)的主尺同步上下移动，指示出标定 支架连接杆（19)的高度；当标定支架连接块（19)的下表面和底座（1)的上表面重合时，右 商度尺（16)的游标和左商度尺（17)的游标同时指不零刻度。
3. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，右导轨支架（14)和左导轨支架（15) 的轴承内圈分别以过盈配合的方式和导轨支架光轴连接轴（29)套在一起；导轨支架光轴 连接轴（29)的一个端面和光轴导轨（18)的一个端面焊接在一起，光轴导轨（18)自然放 置在标定支架连接块（19)上；当手动上下移动标定支架连接块（19)时，可驱动光轴导轨 (18)连同导轨支架光轴连接轴（29) -起绕导轨支架光轴连接轴（29)的轴线转动；导轨支 架光轴连接轴29的轴线平行于光学平台（1)的上表面，且和水平面平行。
4. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，光轴导轨（18)上设有标尺，标尺的零 点在光轴导轨（18)和导轨支架光轴连接轴（29)的焊接面；从前视图上看，光纤头光轴滑块 (20)的左端面对应的光轴导轨（18)的标尺刻度指示了光纤头光轴滑块（20)的位置；会聚 透镜光轴滑块25的左端面对应的光轴导轨（18)的标尺刻度指示了会聚透镜光轴滑块（25) 的位置。
5. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，会聚透镜滑块转接板（26)的上表 面对应的会聚透镜固定杆（27)的标尺刻度指示了会聚透镜固定杆（27)的位置；会聚透镜 (28)与会聚透镜固定杆（27)通过螺纹连接。
6. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，光纤固定杆（22)上设有标尺，标尺的 零点是光纤固定杆（22)的最下端。
7. 根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于，光纤头滑块转接板（21)的上表面对 应的光纤固定杆（22)的标尺刻度指示了光纤固定杆（22)的位置。
8. -种采用权利要求1所属装置的LIBS成分分析中光谱空间分布的测量方法，其特征 在于，包括如下工艺步骤： (1) 在激光头（11)和光谱仪（30)都处于停止工作状态下进行下面的调整工作： 调整上连接块（9)，并使上垂直移动块（10)向下移动到最下位置，调整下连接块（5)使 下垂直移动块（6)和金属样品（13)不遮挡激光器光路；开启激光器，使激光器聚焦点落在 光学平台（1)的设定点T上；固定上连接块位置，向上移动上垂直移动块，使上垂直移动块 (10)的U型槽槽底上表面和光学平台1的上表面的距离为f-u+w+h+y; 调整下连接块和金属样品（13)的中心和激光束重合，固定下连接块；调整下垂直移动 块，使金属样品（13)的上表面与光学平台（1)的距离为h+y;这样，就是激光束通过T点， 并且使得激光束的焦点汇聚在金属样品（13)表面下深度u所处的位置； (2) 给定Θ= 01和s =Sl，其中01和Sl都分别是一个固定值，计算关键参数并进行 调整： 1) 计算标定支架连接块19应移到的标尺刻度m2 ;计算公式如下： m2 =Hi1XtanΘ+p-p/cosθ(I.I) 2) 计算光纤头光轴滑块20应移到的标尺刻度％，会聚透镜光轴滑块25应移到的标尺 刻度Hl4 ;计算公式如下： m3=-cos (arcsin(h/l2) +Θ)eIjs-Ijl5-I7 (1. 2)m4= -cos (arcsin(h/l2)+ Θ ) · 12+s-1「16 (I. 3) 3) 计算光纤固定杆22应移到的标尺刻度m5，会聚透镜固定杆27应移到的标尺刻度 Kl6 ;计算公式如下： m5= Z-(I2 ·sin(arcsin(h/l2) +θ)^1-X1) (I. 4) m6 =z-(I2 ·sin(arcsin(h/l2) +θ)-r2-x2) (I. 5) 4) 先调整标定支架连接块19到标尺刻度m2，再调整光纤头光轴滑块20和会聚透镜光 轴滑块25分别到标尺刻度％和m4，最后调整光纤固定杆22和会聚透镜固定杆27分别到 标尺刻度m5和m6;这样会聚透镜28和光纤24的光轴重合并通过样本烧蚀点； 5) 测量激光诱导等离子体光谱信号1 ; (3) 保持s=S1，改变角度Θ值为Θ2?θM，重复步骤1共M-I次，测量等离子体光 谱信号2?M; (4) 改变S=s2?SN，重复步骤1?2共N-I次，测量出等离子体光谱信号Μ+1，Μ+2，? MXN； 至此完成等离子体光谱的空间分布测量。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，公式（I. 1)?（1.5)的推导过程如下： 公式（1. 1)的推导过程如下： m2 =y+K9Q =y+PQ-P2P-K9P2 =y+n^Xtanθ_p/cosΘ_(y_p) =Hi1XtanΘ+p-p/cosΘ 公式（I. 2)和（I. 3)的推导过程如下： βi+β2 =arcsin(h/l2)…① βJθ=Ji/2…② sinβ2 =χ/12…③ s+x=Ijl4 …④ m3 = 14+15_1，··? m4 =I4-I6 …⑥ 由①?③得到 x=-cos(arcsin(h/l2) +Θ) · 12···? 由④和⑦得到 I4 =-cos(arcsin(h/l2) +θ) · 由⑤和⑧得到公式（I. 2) m3 = -cos (arcsin(h/l2) + θ ) · !^+S-Ijl5-I7 由⑥和⑧得到公式（I. 3) m4 = -cos (arcsin (h/l2) + θ ) · Ijs-I1-L6 公式（I. 4)和（I. 5)推导过程如下： cos β 2 = 13/12···⑨ I3 =z-ms+r^x^··? I3 =z-m6+r2+xf〇 由①?②和⑨得到 I3 = I2 · sin (arcsin (h/l2) + Θ)…? 由⑩和?得到公式（1.4) m5 =Z-I2· sin (arcsin (h/l2) + θ )+γχ+χχ 由◎ 1和?得到公式（1.5) m6 = z-l2 · sin (arcsin (h/l2) + Θ )+r2+x2〇
【文档编号】G01N21/63GK104458665SQ201410836968
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月28日 优先权日:2014年12月28日
【发明者】吴少波, 龙森, 王丽晴, 许贵, 张云贵, 于立业, 孙彦广, 黄健, 刘鸿 申请人:冶金自动化研究设计院