一种激光检测固体材料成分的装置及方法与流程

本发明涉及一种激光诱导击穿光谱快速检测固体材料成分的装置及方法，属于光谱分析检测设备及方法技术领域。

背景技术：

激光诱导击穿光谱技术（laser-Induced break down spectroscopy，LIBS）是发出高能量的脉冲激光与样品作用产生等离子体，通过采集和探测离子体信号，获得相应的光谱信息，进而进行相应的数据处理和分析，即可得到测量样品中各元素的成分。由于LIBS 技术是基于原子发射光谱学的物质成分和浓度分析技术，具有无需制样、分析时间短、实时性强、无损、快检、非接触测量、对待测样品形态规格无要求、全谱段测量等优点，被广泛应用于钢铁冶金、生物医药、环境监测等领域。尤其在钢铁冶金领域，炼钢过程钢中的化学成分直接影响了成品钢材的质量和性能，为实现炼钢系统的自动化控制，提高炼钢控制水平和钢水质量，需要对钢铁成分快速检测分析，因此小型化快速简便测试系统的开发和应用得到广泛关注，其高效简便的测试手段和设备开发成为行业前沿热点。

目前，在炉渣等固体材料成分检测方面主要有直读光谱法、X射线荧光光谱法、CS化学分析法、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、气相色谱分析法、质谱法（ICP-MS）等技术，这些技术虽然能够检测炉渣、废钢等固体材料组分，但是其过程需经历制样、研磨等过程，整个实验流程较长，成本较高，并且需要专门的技术人员进行操作。利用LIBS技术无需对试样进行加工，分析速度快，操作简单，能够做到全元素全谱检测，但是，目前利用LIBS技术测炉渣、废钢等固体材料成分主要应用于实验室阶段，尚未在工业设备化方面有突破性研究，如多重光路集成安装问题、检测环境及实验条件一致性问题等许多技术问题亟于解决。在冶金行业钢铁成分检测方面，LIBS设备应用已有很多研究，但是目前对于C、P、S三种元素检测来看，目前国内外成型LIBS设备基本不能完成这三大元素成分的准确检测（其中小型化设备激光功率不够，光路紧凑未配置真空、充气环境）。但对于钢铁行业而言，C、P、S三大元素对于钢种鉴别、品质判定等都有至关重要作用，因此研制利用LIBS设备对全元素检测，特别是针对C、P、S三大主要元素成分进行准确检测具有十分现实的重要意义。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是一种激光检测固体材料成分的装置和方法，这种检测装置和方法能够解决目前LIBS技术难以进行工业化现场应用及推广的难题，实现了炉渣、废钢等固体材料成分的现场快速检测，尤其可实现C、P、S三大难测元素的准确测定。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种激光检测固体材料成分的装置，它包括激光器、前置光路单元、右封装套筒、左封装套筒、抽拉式样品仓、真空泵、真空计、光纤和光谱仪，前置光路单元连接在激光器的前端，前置光路单元的前方与抽拉式样品仓相对，前置光路单元封装在右封装套筒内，抽拉式样品仓封装在左封装套筒内，右封装套筒的一端与激光器通过法兰相连接，右封装套筒的另一端与左封装套筒的一端通过法兰相连接，左封装套筒的另一端与抽拉式样品仓由法兰相连接，前置光路单元与光纤的一端相连接，光纤的另一端穿过右封装套筒上的光纤导出孔与光谱仪相连接，真空泵与左封装套筒侧壁上的气体管路相连接，真空计安装在气体管路上。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述前置光路单元包括光通道、二向色镜支架、定焦部件、入射透镜和光纤支架，光通道为套筒结构，光通道套筒的后端有法兰与激光器相连接，二向色镜支架安装在光通道侧壁上，定焦部件为套筒，定焦部件的套筒连接在光通道套筒的前端，入射透镜安装在定焦部件的套筒前端，入射透镜前端安装有光纤支架。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述光通道与定焦部件连接处、定焦部件与入射透镜连接处、入射透镜与光纤支架连接处均为凸台与凹槽的连接结构，并有内六角螺栓固定。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述光通道与激光器连接法兰上有光通道法兰密封槽，光通道侧壁上开有等离子信号输出孔，光通道侧壁上还开有与光通道长度方向呈45°角度的二向色镜安装孔及二向色镜支架定位装置，二向色镜支架侧方开有球形定位槽。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述二向色镜支架上有球形定位槽，二向色镜支架定位装置包括顶珠、顶珠弹簧和顶珠弹簧底座，顶珠、顶珠弹簧和顶珠弹簧底座置于光通道侧孔内，顶珠与球形定位槽相配合起到定位限位作用。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述光纤支架包括支架圆盘、光纤通道、光纤接头和光纤扣，支架圆盘上开有与轴线呈一定角度的光纤通道孔，光纤通道为端部带螺纹的中空圆柱体，与光纤通道孔过盈配合，光纤接头与光纤通过螺纹相接置于光纤通道内，光纤扣为一带有一定锥度的中空圆柱体，内部设有螺纹，与光纤通道前段螺纹配合连接。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述抽拉式样品仓包括样品台、位置调节装置及基底法兰，样品台为三段式中空圆柱结构，样品台前段作为置样台，为半剖式结构，前端面铣平开孔，中间部分为中空圆柱杆状结构，尾端为带有一平端面的中空圆柱结构，内部设有螺纹。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述位置调节装置包括可移动顶杆、调节手柄、顶杆弹簧及顶杆弹簧底座，可移动顶杆、顶杆弹簧与顶杆弹簧底座依次连接置于样品台内部，可移动顶杆端部设有螺纹孔，调节手柄与螺纹孔配合安装，顶杆弹簧底座尾端设有螺纹，用于与样品台尾部螺纹孔配合固定位置调节装置，通过后拉调节手柄可实现快速换样。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述基底法兰上开有样品台调节槽、基底法兰密封槽、定位销孔和锁紧槽，样品台调节槽上部开有固定螺纹孔，样品台调节槽与样品台尾部端面接触固定。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述左封装套筒上开有石英观察窗、三通气体管路，左封装套筒与抽拉式样品仓的连接法兰上安装的快速夹紧机构，左封装套筒与抽拉式样品仓的连接法兰上设有两个定位销、固定销孔及法兰锁紧槽，右封装套筒上开有两个光纤导出孔，右封装套筒及与激光器的连接法兰上设有保护气体通道，两个光纤导出孔分别有共轴光路和不共轴光路的光纤导出。

上述激光检测固体材料成分的装置，所述快速夹紧机构包括滑销、固定滑块、压缩弹簧、弹簧底座及旋紧手柄，快速夹紧机构通过固定销轴连接安装于左封装套筒的法兰锁紧槽中，滑销上开有U型槽和连接孔，固定滑块通过U型槽固定在滑销上，连接孔与固定销轴相连接，滑销轴上设有螺纹，与旋紧手柄中的螺纹孔配合。

一种使用上述装置检测固体材料成分方法，它采用以下步骤进行：

a. 选择合适的光路系统：选择共轴光路，可节约实验空间，选择不共轴光路，检测精度更高；

b. 选取合适焦距的入射透镜24和合适长度的定焦部件23完成前置光路单元2的安装；

c. 光纤组合安装完毕后将光纤8从右封装套筒3上的光纤导出孔31导出；

d. 将待测样品安装于抽拉式样品仓5内，利用快速夹紧机构45将基底法兰53与左封装套筒4法兰固定；

e. 开启激光器1，先设定较低的脉冲能量和频率，通过石英观察窗41观察激光焦点位置，对样品台51进行微调，使激光焦点汇聚在样品表面；

f. 完成样品位置的调整后开启光谱仪9，根据实验要求调整激光器1参数：脉冲能量、频率，进行系列已知含量样品的光谱测定，然后测定未知样品光谱；

g. 通过测试得到的光谱对被检测元素的成分进行分析。

本发明的有益效果是：

本发明采用激光器、前置光路单元、右封装套筒、左封装套筒、抽拉式样品仓、光纤和光谱仪等结构，前置光路单元可以实现多重光路的集成安装，可结合工业现场条件快速实现不共轴光路和共轴光路的切换，实现整个光路长、短的调整；抽拉式样品仓能够快速更换试样，操作过程简单，能有效降低劳动强度；右封装套筒、左封装套筒结构便于调节光纤安装位置，防止光纤内部弯折，并可以满足保护气氛和真空度要求，便于观察激光在试样上的聚焦位置。

本发明采用LIBS技术可以完成对废钢、炉渣等固体材料成分的现场快速检测和分析，相比于其他检测手段，解决了耗时长、精度低等问题，具有显著的高效率、低能耗等优点，对于提高产品质量、提高生产效率起到了显著作用。

本发明是LIBS设备在钢铁成分检测技术的突破，解决了长期没有得到解决的难题，实现了利用LIBS设备的全元素工业化检测，特别是对C、P、S三大主要元素成分的准确检测，为LIBS设备的工业化利用开辟了新的途径。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是前置光路单元的结构示意图；

图3是图2的剖视图；

图4、5、6、7分别是是前置光路单元的二向色镜支架、定焦部件、入射透镜、光纤支架的结构示意图；

图8是抽拉式样品仓结构示意图；

图9是图8的剖视图；

图10是右封装套筒的结构示意图；

图11是左封装套筒的结构示意图；

图12是快速夹紧机构的结构示意图；

图13是快速夹紧机构中的滑销结构示意图。

图中标记如下：

激光器1、前置光路单元2、右封装套筒3、左封装套筒4、抽拉式样品仓5、真空泵6、真空计7、光纤8、光谱仪9；

光通道21、二向色镜支架22、定焦部件23、入射透镜24、光纤支架25；

光通道法兰密封槽211、等离子体信号输出孔212、二向色镜安装孔213、二向色镜支架定位装置214、二向色镜支架215、光通道侧孔216、球形定位槽2151、顶珠2141、顶珠弹簧2142、顶珠弹簧底座2143；

定焦部件光纤导出槽235、入射透镜光纤导出槽243；

支架圆盘253、光纤通道254、光纤接头255、光纤扣256、光纤通道孔2531；

光纤导出孔31、32、保护气体通道33；

石英观察窗41、三通气体管路42、定位销411、固定销孔412、固定销轴413、法兰锁紧槽414；

快速夹紧机构45、滑销451、固定滑块452、压缩弹簧453、压缩弹簧底座454、旋紧手柄455；

样品台51、位置调节装置52、基底法兰53；

可移动顶杆521、调节手柄522、顶杆弹簧523、顶杆弹簧底座524；

样品台调节槽531、基底法兰密封槽532、定位销孔533、锁紧槽534。

具体实施方式

本发明由激光器1、前置光路单元2、右封装套筒3、左封装套筒4、抽拉式样品仓5、真空泵6、真空计7、光纤8、光谱仪9组成。

图1显示，前置光路单元2连接在激光器1的前端，前置光路单元2的前方与抽拉式样品仓5相对，前置光路单元2封装在右封装套筒3内，抽拉式样品仓5封装在左封装套筒4内，右封装套筒3的一端与激光器1通过法兰相连接，右封装套筒3的另一端与左封装套筒4的一端通过法兰相连接，左封装套筒4的另一端与抽拉式样品仓5由法兰相连接。前置光路单元2与光纤8的一端相连接，光纤8的另一端穿过右封装套筒3上的光纤导出孔32与光谱仪9相连接，光谱仪9连接软件后处理单元，进行光谱数据处理与定量分析。真空泵6与左封装套筒4侧壁上的气体管路相连接，真空计7安装在气体管路上。

图2、3显示，前置光路单元2包括光通道21、二向色镜支架22、定焦部件23、入射透镜24和光纤支架25。光通道21为套筒结构，光通道21套筒的后端有法兰与激光器1相连接，二向色镜支架22安装在光通道21侧壁上，定焦部件23为套筒，定焦部件23的套筒连接在光通道21套筒的前端，入射透镜24安装在定焦部件23的套筒前端，入射透镜24前端安装有光纤支架25。

图2、3显示，光通道21法兰开有光通道法兰密封槽211，用于保证实验所要求的真空度及保护气氛密封。光通道21侧方开有等离子体信号输出孔212，当采用共轴光路时，等离子信号经过二向色镜从该孔导出，通过准直透镜将信号输入光谱仪9中。光通道21侧壁上还开有与光通道21长度方向呈45°角度的二向色镜安装孔213及色镜支架定位装置214，便于二向色镜支架215的安装定位。在二向色镜支架215的侧方开有一球形定位槽2151。

图3、4显示，二向色镜支架215上有球形定位槽2151，二向色镜支架定位装置214包括顶珠2141、顶珠弹簧2142和顶珠弹簧底座2143。所述的顶珠2141、顶珠弹簧2142和顶珠弹簧底座2143置于光通道侧孔216中，二向色镜支架22安装时，依靠顶珠2141与球形定位槽2151的配合起到定位限位作用。

图4、5、6、7显示，光通道21、定焦部件23和入射透镜24前端均设有高度为2~3mm凸台及螺孔，定焦部件23和光纤支架25尾部设有2~3mm凹槽及螺孔，其中定焦部件23和入射透镜24前端分别开有定焦部件光纤导出槽235、入射透镜光纤导出槽243，上述凸台和凹槽相互配合并根据光纤导出槽定位，同时依靠内六角圆柱头螺钉固定。

图7显示，光纤支架25包括支架圆盘253、光纤通道254、光纤接头255和光纤扣256，其中支架圆盘253上开有与轴线呈25.27°的光纤通道孔2531，光纤通道254为端部带螺纹的中空圆柱体，与光纤通道孔2531过盈配合，光纤接头255与光纤8通过螺纹相接置于光纤通道内，光纤扣256为一带有一定锥度的中空圆柱体，内部设有螺纹，与光纤通道254前段螺纹配合连接。

图8、9显示，抽拉式样品仓5包括样品台51、位置调节装置52及基底法兰53。样品台51为三段式中空圆柱结构，样品台前段作为置样台，为半剖式结构，外部直径为42mm，前端面铣平开孔，中间部分为为直径为20mm的中空圆柱杆状结构，尾端为带有一平端面的中空圆柱结构，内部设有螺纹，用于安装顶杆弹簧底座524。

图8、9显示，位置调节装置52包括可移动顶杆521、调节手柄522、顶杆弹簧523及顶杆弹簧底座524。可移动顶杆521端部设有螺纹孔，调节手柄522与螺纹孔配合安装，可移动顶杆521、顶杆弹簧523与顶杆弹簧底座524依次连接置于样品台51内部，顶杆弹簧底座524尾部设有螺纹，与样品台51尾端配合固定位置调节装置52，通过后拉调节手柄522可实现快速换样。

图8、9显示，基底法兰53上开有样品台调节槽531，基底法兰密封槽532、定位销孔533和锁紧槽534。样品台调节槽531上部开有固定螺纹孔，通过旋紧内六角平端紧定螺钉使得内六角平端面和样品台51尾部端面接触固定。

图10显示，右封装套筒3两端均设有套筒法兰，右封装套筒3上开有两个光纤导出孔31、32两个光纤导出孔31、32分别用于不共轴光路和共轴光路系统时的光纤8导出，右封装套筒3与前置光路单元2连接的右端法兰上设有的保护气体通道33。

图11显示，左封装套筒4两端均设有套筒法兰，左封装套筒4上开有石英观察窗41、三通气体管路42。左封装套筒4与抽拉式样品仓5相连接的左端法兰上设有两个定位销411、固定销孔412、固定销轴413及法兰锁紧槽414，抽拉式样品仓5的快速夹紧机构45通过固定销轴413安装在左端法兰上，快速夹紧机构45可绕固定销轴413旋转，便于固定抽拉式样品仓5。

图12、13显示，快速夹紧机构45包括滑销451、固定滑块452、压缩弹簧453、压缩弹簧底座454及旋紧手柄455。滑销451上开有U型槽和连接孔，U型槽用于固定滑块452在滑销451上的位置固定，其位置根据样品基底法兰53的厚度调整，连接孔与固定销轴413相连，将快速夹紧机构45整体安装于左封装套筒4的法兰锁紧槽414中，使其可以通过滑销451实现绕固定销轴413的周向旋转。滑销轴上设有螺纹，与旋紧手柄455中的螺纹孔配合，将由固定滑块452、压缩弹簧453和压缩弹簧底座454构成的压缩单元固定，完成试样位置调整后，通过旋紧手柄455可将抽拉式样品仓5与左封装套筒4锁紧固定。

本发明各部分的使用及工作原理：

前置光路单元2的使用：根据实验要求和空间光路实际体积情况，首先选择合适的光路系统。当采用不共轴光路时，入射激光方向与激发样品后收集等离子体方向呈一定角度，此时无需安装二向色镜，选择与入射透镜24焦距适合的定焦部件23利用内六角螺栓将其安装于光通道21前段，入射透镜24安装于定焦部件23前段，将光纤8固定在光纤支架25上，然后使光纤8通过透镜支架和定焦部件23的光纤导出槽235、入射透镜光纤导出槽243从光纤导出孔31导出；当采用共轴光路时，将二向色镜215安装在光通道21上，保持其他部件安装位置不变，将光纤8从光纤导出孔32导出。

抽拉式样品仓5的使用：选择待测试样，通过后拉调整手柄522，使得顶杆弹簧523收缩，将试样置于样品台51内，确保样品表面与前端面平齐，安装完毕后，根据定焦距离调整样品台51至合适距离，然后通过内六角平端紧定螺钉固定，更换试样时，只需移开快速夹紧机构45，将抽拉式样品仓5整体抽拉出来进行试样更换即可。

右封装套筒3、左封装套筒4的使用：根据实验要求，通过连接真空泵6或者充氩装置确保右封装套筒3、左封装套筒4内部保持一定的真空度或者保护气氛。通过石英观察窗口41观察焦点位置，对样品台51进行一定的微调。

快速夹紧机构45的使用：快速夹紧机构45主要满足快速更换试样需求，首先松开旋紧手柄455，使固定滑块452与基底法兰53脱离，将抽拉式样品仓5抽出进行试样更换，调整好对焦距离后，旋转滑销451，利用固定滑块452将基底法兰53与左套筒法兰固定，最后旋紧手柄455，完成抽拉式样品仓5与左封装套筒4锁紧固定，并保证密封。

本发明的使用上述装置检测固体材料成分方法，它采用以下步骤进行：

a. 选择合适的光路系统：选择共轴光路，可节约实验空间，选择不共轴光路，检测精度更高；

b. 选取合适焦距的入射透镜24和合适长度的定焦部件23完成前置光路单元2的安装；

c. 光纤组合安装完毕后将光纤8从右封装套筒3上的光纤导出孔31导出；

d. 将待测样品安装于抽拉式样品仓5内，利用快速夹紧机构45将基底法兰53与左封装套筒4法兰固定；

e. 开启激光器1，先设定较低的脉冲能量和频率，通过石英观察窗41观察激光焦点位置，对样品台51进行微调，使激光焦点汇聚在样品表面；

f. 完成样品位置的调整后开启光谱仪9，根据实验要求调整激光器1参数：脉冲能量、频率，进行系列已知含量样品的光谱测定，然后测定未知样品光谱；

g. 通过测试得到的光谱对被检测元素的成分进行分析。

下面结合具体的实施例对本发明实验装置的使用方法进行具体说明：

实施例1：

检测固体钢试样，以火花直读光谱标样碳素结构钢为例，利用本发明对其进行元素测定。

实验开始前，首先确保激光器1处于理想的工作环境（温度、湿度等）内。

选用不共轴光路系统和焦距为100mm的入射透镜。

选取焦距为100mm的入射透镜24和长40mm的定焦部件23完成前置光路单元2部分的安装。

光纤组合安装完毕后将光纤8从右封装套筒3上的光纤导出孔31导出。

将待测样品安装于抽拉式样品仓5内，利用快速夹紧机构45将基底法兰53与左封装套筒4法兰固定。

开启激光器1，先设定较低的脉冲能量（100mJ）和频率（1HZ），通过石英观察窗41观察激光焦点位置，对样品台51进行微调，使激光焦点汇聚在样品表面。

完成样品位置的调整后开启光谱仪9，根据实验要求调整激光器1参数：脉冲能量（130mJ）、频率（1HZ），进行系列已知含量样品的光谱测定，然后测定未知样品光谱。

利用内标法得到C元素线性相关系数可达0.999，C元素含量为0.43%（国家标准样品碳素结构钢GSB A68072-92-5，C元素认证含量为0.44%）。

实施例2：

利用本发明对炉渣进行元素检测。

实验开始前，首先确保激光器1处于理想的工作环境（温度、湿度等）内。

选用共轴光路和焦距为40mm的入射透镜24。

对炉渣样品进行研磨压片制成圆盘状（直接测量），选取焦距为40mm的入射透镜24和长100mm的定焦部件23以及二向色镜完成前置光路的安装。

光纤组合安装完毕后将光纤8从右封装套筒3上的光纤导出孔32导出。

将待测样品安装于抽拉式样品仓5内，利用快速夹紧机构45将基底法兰53与左封装套筒4法兰固定。

开启激光器1，先设定较低的脉冲能量（100mJ）和频率（1HZ），通过石英观察窗41观察激光焦点位置，对样品台51进行微调，使激光焦点汇聚在样品表面。

完成样品位置的调整后开启光谱仪9，根据实验要求调整激光器1参数：脉冲能量（130mJ）、频率（1HZ），进行系列已知含量炉渣压片样品的光谱测定，然后测定未知炉渣样品。

利用内标法得到Si元素含量反推其氧化物含量为36.73%（高炉渣标准样品YSBC28851-98，SiO2认证含量为34.65%）。