一种无色差浸入式熔融金属成分检测系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种无色差浸入式熔融金属成分检测系统，包括接触式导光系统，接触式导光系统固定在机械辅助系统上，接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，接触式导光系统中端沿激光入射方向依次设有介质膜反射镜、反射式德望远镜、组合锥筒，接触式导光系统的顶端设有进气阀门、底端设为陶瓷筒、下端侧壁设有出气口、内腔上部与中部之间设有调风环，介质膜反射镜的反射光路上设有反射式信号光采集光路并通过光纤与光谱仪连接，光谱仪和脉冲激光器分别与时序控制系统连接，光谱仪、时序控制系统和机械辅助系统分别与计算机连接。可提高发射光谱强度；适用于熔融金属的在线监测，特别是表面有浮渣或者其他遮挡物的复杂环境。
【专利说明】
一种无色差浸入式熔融金属成分检测系统
技术领域
[0001]本实用新型涉及一种高温液态金属成分检测技术，尤其涉及一种无色差浸入式熔融金属成分检测系统。
【背景技术】
[0002]激光诱导击穿光谱(LIBS)技术利用高能脉冲激光聚焦烧蚀样品产生等离子体，通过对所获得的等离子体发射光谱信号进行分析得到样品的成分和含量信息，已广泛应用于冶金生产、污水检测、考古、太空等众多领域。
[0003]现有技术中，LIBS系统中信号光收集一般采用单透镜或者透镜组耦合进入光纤，由于单透镜聚焦具有明显的色差，透镜组消除色差也只能在比较窄的波段范围内有效，故采用透镜或者透镜组收集到的信号光强度都不再是原本的分布，这将给后续的成分分析引入误差;在液体表面有浮渣或者其他干扰的环境下，远程测量系统也不再适用。
【实用新型内容】
[0004]本实用新型的目的是提供一种无色差浸入式熔融金属成分检测系统。
[0005]本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的:
[0006]本实用新型的无色差浸入式熔融金属成分检测系统，包括接触式导光系统，所述接触式导光系统固定在机械辅助系统上，所述接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，所述脉冲激光器发出的脉冲激光通过所述导光系统的顶端的入口窗进入导光系统，所述接触式导光系统沿激光入射方向自上而下设有介质膜反射镜、反射式望远镜系统，所述介质膜反射镜的反射光路上设有反射式信号光采集光路并通过光纤与光谱仪连接，所述光谱仪和脉冲激光器分别与时序控制系统连接，所述光谱仪、时序控制系统和机械辅助系统分别与计算机连接。
[0007]由上述本实用新型提供的技术方案可以看出，本实用新型实施例提供的无色差浸入式熔融金属成分检测系统，光路系统为全反射形式，并可以浸入到熔融金属内，对熔融金属进行直接测量，形成较为封闭、稳定的检测空间，提高发射光谱强度;光学元件都为反射镜，消除了系统色差对成分分析的影响。本实用新型注重对光学元件的清洁、冷却和保护，适用探测波段范围广，无色差。适用于熔融金属的在线监测，特别是表面有浮渣或者其他遮挡物的复杂环境。
【附图说明】
[0008]图1为本实用新型实施例提供的无色差浸入式熔融金属成分检测系统的原理框图。
[0009]图2为本实用新型实施一例提供的无色差浸入式熔融金属成分检测系统的结构示意图。
[0010]图3为本实用新型实施例一提供的光斑追迹图。
[0011]图4为本实用新型实施例二提供的无色差浸入式熔融金属成分检测系统的结构示意图。
[0012]图中:
[0013]1、计算机，2、时序控制系统，3、脉冲激光器，4、光谱仪，5、机械辅助系统，6、光纤，
7、第一凸面反射镜，8、第一凹面反射镜，9、组合锥筒，1、出气口，11、陶瓷筒，12、进气阀门，13、介质膜反射镜，14、第二凹面反射镜，15、调风环，16、第二凸面反射镜，17、熔融金属，18、非球面反射镜。
【具体实施方式】
[0014]下面将对本实用新型实施例一作进一步地详细描述。
[0015]本实用新型的无色差浸入式熔融金属成分检测系统，其较佳的【具体实施方式】是:
[0016]包括接触式导光系统，所述接触式导光系统固定在机械辅助系统上，所述接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，所述脉冲激光器发出的脉冲激光通过所述导光系统的顶端的入口窗进入导光系统，所述接触式导光系统沿激光入射方向自上而下设有介质膜反射镜、反射式望远镜系统，所述介质膜反射镜的反射光路上设有反射式信号光采集光路并通过光纤与光谱仪连接，所述光谱仪和脉冲激光器分别与时序控制系统连接，所述光谱仪、时序控制系统和机械辅助系统分别与计算机连接。
[0017]所述导光系统中的激光聚焦光路和信号光采集光路都为反射式光路。
[0018]所述信号光米集光路结构包括施瓦兹齐德望远镜、卡塞格林望远镜和/或非球面反射镜。
[0019]所述时序控制系统包括脉冲触发器。
[0020]所述接触式导光系统的底端浸入待测熔融金属。
[0021]本实用新型的无色差浸入式熔融金属成分检测系统，光路系统为全反射形式，并可以浸入到熔融金属内，对熔融金属进行直接测量，形成较为封闭、稳定的检测空间，提高发射光谱强度;光学元件都为反射镜，消除了系统色差对成分分析的影响。本实用新型注重对光学元件的清洁、冷却和保护，适用探测波段范围广，无色差。适用于熔融金属的在线监测，特别是表面有浮渣或者其他遮挡物的复杂环境。
[0022]本实用新型中，激光器作为光源发出脉冲激光;计算机用于设定时序控制、光谱分析和调节导光系统焦点位置;时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、光谱探测系统;光谱探测系统用于获得激光诱导等离子体光谱信号;导光系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集，并且具有保护光学元件的结构;气体循环系统对光学元件进行清洁和冷却;机械辅助系统由计算机进行控制，实现导光系统焦点位置的调节。
[0023]本实用新型工作时，气体循环系统从成分检测开始到结束都保持工作，对内部的光学元件进行清洁和冷却，同时扩大光谱采集范围；工作时，先将导光系统前端浸入熔融金属，再根据信号光谱强度对焦点位置进行精确调节;所有的光学元件都使用反射镜，消除系统色差。
[0024]本实用新型工作时具体步骤为:
[0025]开始测量时，进气阀门开启；
[0026]计算机控制机械辅助系统将导光系统前端浸入液面；
[0027]时序控制系统发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过导光系统聚焦到熔融金属表面，产生的等离子体信号经导光系统采集并由光纤传输到光谱探测系统；
[0028]计算机记录光谱探测系统得到的光谱强度，驱动机械辅助系统，精确调节焦点位置，直到采集到的信号光谱强度最大，即完成焦点位置自动调节；
[0029]重复步骤2，得到足够可以做成分分析的光谱数据后，由计算机完成成分分析；
[0030]测量完成，计算机控制机械辅助系统将导光系统置于准备位置，进气阀门关闭。[0031 ] 具体实施例:
[0032]如图1、图2所示。本系统中计算机I用于进行时序控制、光谱分析和焦点位置调节；光谱探测系统采用光谱仪4;光源为脉冲激光器3;时序控制系统2包括脉冲触发器，用于控制和触发激光器3、光谱仪4;导光系统中激光聚焦和信号光采集采用施瓦兹齐德望远镜结构，包括第二凹面反射镜14、第二凸面反射镜16 ;信号光导出亦米用施瓦兹齐德望远镜结构，包括第一凹面反射镜8、第一凸面反射镜7;介质膜反射镜13用于反射信号光同时透过激光;信号光耦合进入光纤6后，再输送到光谱仪4。进气阀门12和出气口 10配合调风环15组成气体循环系统，对内部光学元件进行清洁冷却并有扩大光谱测量范围的作用。组合锥筒9对热流和粉尘的上升有阻挡作用，同时减少杂散光。陶瓷筒11为系统浸入部分，耐高温耐腐蚀，热震性好。机械辅助系统5可以采用重载精密电控平台，受计算机控制进行运动，整个导光系统固定在电控平台上。
[0033]本实施例具体工作流程为:
[0034]进气阀门12开启，等待测量开始；
[0035]熔融金属17表面破渣后，机械辅助系统5移动导光系统，将陶瓷筒11前端面浸入熔融金属；
[0036]时序控制系统2发出脉冲触发激光器3，发出的脉冲激光进入导光系统，透过介质膜反射镜13，经第二凸面反射镜16反射，由凹面反射镜12聚焦到液面;产生的等离子体信号沿原光路返回，被介质膜反射镜13和第一凸面反射镜7反射后，由第一凹面反射镜8聚焦耦合进入光纤6，再输送到光谱仪4，获得LIBS光谱信号；
[0037]由计算机I记录步骤3中获得的光谱信号强度，然后驱动电控平移台5，调节导光系统的焦点位置，即对液面位置进行一维搜索，直到采集到的光谱信号强度最大，导光系统焦点处在液面最佳位置；
[0038]重复步骤3，获得足够的光谱数据，由计算机I做成分分析即可得到成分信息；
[0039]测量完成，计算机驱动电控平移台5，将导光系统提升到准备位置；
[0040]进气阀12关闭，等待下一次测量。
[0041 ]系统光斑追迹如图3所示。取激发的等离子体直径2mm，辐射波长180nm、300nm、400nm、500nm，等离子体到凹面镜14的距离lm，对导光系统的各反射镜参数进行优化，最后得到耦合进入光纤的光斑半径约390um，光线数值孔径0.3。可以采用芯径600um，数值孔径
0.22的光纤进行传输。
[0042]实施例二即以非球面反射镜代替第一施瓦兹齐德望远镜做信号光采集。
[0043]以上所述，仅为本实用新型较佳的【具体实施方式】，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
【主权项】
1.一种无色差浸入式熔融金属成分检测系统，其特征在于，包括接触式导光系统，所述接触式导光系统固定在机械辅助系统上，所述接触式导光系统的上方设有脉冲激光器，所述脉冲激光器发出的脉冲激光通过所述导光系统的顶端的入口窗进入导光系统，所述接触式导光系统沿激光入射方向自上而下设有介质膜反射镜、反射式望远镜系统，所述介质膜反射镜的反射光路上设有反射式信号光采集光路并通过光纤与光谱仪连接，所述光谱仪和脉冲激光器分别与时序控制系统连接，所述光谱仪、时序控制系统和机械辅助系统分别与计算机连接。2.根据权利要求1所述的无色差浸入式熔融金属成分检测系统，其特征在于，所述导光系统中的激光聚焦光路和信号光采集光路都为反射式光路。3.根据权利要求2所述的无色差浸入式熔融金属成分检测系统，其特征在于，所述信号光米集光路结构包括施瓦兹齐德望远镜、卡塞格林望远镜和/或非球面反射镜。
【文档编号】G01N21/71GK205719987SQ201620565835
【公开日】2016年11月23日
【申请日】2016年6月6日
【发明人】曾强, 潘从元, 费腾, 王秋平, 王声波
【申请人】中国科学技术大学