一种通过选择合适样品温度点来提高libs测量精度的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及利用LIBS(激光诱导）对高铬低碳铁合金中碳含量进行炉前测量的工 艺过程，特别涉及到一种针对样品温度变化对LIBS测量改进的方法。
【背景技术】
[0002] 由于各类新型合金在硬度、密度以及耐腐蚀性等方面具有传统金属所不能比拟的 优势，因此新型合金在现代工业和日常生活中都得到了越来越广泛的应用。同时，各类新型 合金在冶炼的过程中，对冶炼条件有了更高的要求，对样品中各元素含量的控制也有了更 加严格地要求。这就意味在冶炼过程中，对冶炼的合金中各元素需要有更加严格的监控。
[0003] 合金中碳元素的含量对合金的各类性质（如硬度、韧度和强度等）都有着很大的 影响，因此在冶金过程中，对冶炼中合金的碳元素含量进行检测是十分必要的。由于LIBS 在实时性以及非接触式等优势，使其已经在冶金领域得到较好的发展，与此同时LIBS测量 也有一些需要改进的地方。由于LIBS受测量环境因素的影响比较明显，这就使得LIBS的 重复性不佳。在实际的测量中我们在炉前取样，应用LIBS测量所测得的数据差异较大，我 们在分析后发现，炉前取到的样品后，样品的温度会下降（从液态到固态），也就是说，样本 的温度对LIBS的测量又较大的影响，那么对于铁合金的样品，那点的样品温度是一个合适 测量的点。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是为了改进由于温度因素造成的LIBS重复性不佳的问题，而提供 一种通过选择合适样品温度点来提高LIBS测量精度的方法，以达到提高LIBS的测量精度
[0005] 本发明的方法是基于样本温度对LIBS在线检测的影响，首先做出铁合金样本的 温度变化规律对应的曲线，找出样本温度变化曲线中稳定的温度段为1615-1625K，该温 度段的铁合金样本处于熔融态附近，铁合金样本在熔融态时温度会有一个6-8s的稳定时 间，在这个状态下样本温度以及样本其他的一些特性都是相对稳定的；因此将该温度段为 1615-1625K作为LIBS的测量温度。
[0006] 本发明的包括以下具体步骤：
[0007] ( -）、首先利用中频炉对铁合金样本进行加热，将其加热至液态，随后停止对其 加热使其自然冷却，同时使用红外温度检测装置对样本温度进行实时监控，从而得到铁合 金样本从液态变为固态的过程中的温度变化曲线；
[0008] (二）、从铁合金样本的温度下降曲线可以清楚的看出铁合金温度变化曲线的 可以大致分为三个阶段：第一个阶段的温度范围为1625-1850K，第二阶段的温度范围为 1615-1625K，第三阶段的温度范围为297-1615K，第一阶段表示的是铁合金样品从液态降温 到熔融态的过程，在这个温度段内，铁合金的温度是成线性下降的；第二阶段表示样本降温 进入熔融态后的温度，在这个阶段由于铁合金内部满足局部热动力平衡，即样品散发出的 能量与样品内分子结晶而释放出的能量达到一个平衡态，在这个阶段，铁合金样本的温度 稳定在一个的值不变，这个阶段大概可以维持6-8s;第三阶段表示的是样本从熔融态变为 固态的过程，这个过程样品温度也是线性下降的。
[0009] (三）、在LIBS的测量中，应尽量保持样品的测量因素稳定，在这些因素中样品温 度是LIBS测量中的一个极不稳定的因素，因此在测量时应充分考虑样品温度对测量的影 响。从步骤（二）中的分析可以知道铁合金样品的温度变化过程是有一定规律的，当铁合 金样品变为熔融态时，样品的温度会存在一个6-8s的稳定阶段，在这个阶段内除了样品的 温度外，样品的其他特性也是比较稳定的，因此将该温度作为LIBS的测量温度可以很大程 度上提高LIBS的测量精度。
[0010] (四）、由于在实际的工业测量中，通常要求进行炉前检测，这就意味着工业测量 实际上是在高温铁合金熔液的条件下进行，而这个铁合金处于液态的温度范围又是非常宽 的，但是对于一种确定样品来说它的熔融态温度是固定的，在这个熔融态下样品温度有一 个6-8S的稳定时间，在这个温度下进行测量可以得到一个相对稳定的测量环境，这对工业 测量是非常有利的。
[0011] 所述的铁合金样本为高铬低碳铁合金。
[0012] 温度变化曲线具体见图1所示的铁合金样本温度变化曲线图。
[0013] 当铁合金温度处于1615-1625K的熔融态时，铁合金样本的温度会有一个6-8S的 稳定段，而在这个状态下铁合金样本的其他性质也是相对稳定的。因此如果将该状态作为 铁合金的测量状态，就可以对LIBS的测量有很大的改进，以下将对其进行理论性的说明： [00141
(1)
[0015] 公式（1)表示的是等离子体温度与光谱强度的关系，这里的h是Planck常数，Aqp 表示的是Einstein阶跃几率，vqp是过渡频率，Nq激发态的量子数，NA表示的是系统中的原 子总数，gq是q的简并状态，T是激发态的等离子体的温度，k是Boltzmann常数，Eq是q态 的激发能量。
[0016] 对于同一样本，除等离子体温度T外其他参数均可以认为是恒定的，因此可将公 式（1)简化为公式（2)的形式：
[0017] I雄 (2)
[0018] 这里CJPC2表示常数。
[0019] 根据等离子体产生原理知，在原子被激发过程中，原子首先吸收能量变为激发态， 之后原子进入退激阶段，在退激阶段原子会释放出光子，我们所接收到的光谱就是由这些 光子所产生的。以碳原子为例，其基态的电子分布为ls22s22p2,而激发态的电子分布为 lsislp3。碳原子在激发过程中会吸收一定的能量，然后处于较低能量轨道2s轨道的一个 电子会被激发到具有较高能量的2p轨道，并与3个原2p轨道电子发生杂化形成四个能量 相等的sp3杂化轨道。此后发生退激现象，被激发的那个电子回到原低能量轨道，并释放出 光子，这就是我们采集到的光谱。同一样品处于不同的温度时（未激发），其碳原子所具有 的能量是不同的，在样本接收到LIBS发射的激光能量后，温度较高的样品中被激发的碳原 子数是比较多的，其在退激过程中释放的光子数也较多，因此不同温度下同一样品发射出 的光谱也是不同的。在忽略其他一些影响较小的因素的情况下，可以认为样品的光谱幅值 直接受样品的温度影响。由公式（2)以及上面分析可知样品的温度\与等离子体温度的 关系为：
[0020] T=Tg+Log(E)+Cg (3)
[0021] 其中T为等离子体的温度，1；为样品的温度，E为激光器所发出的能量，C3为修正 系数，可得到样品温度与光谱强度的关系为：
[0022]
[0023] 从公式（4)可以看出样品温度对LIBS激发得到的光谱强度有直接的影响，在适当 的温度下进行测量对LIBS测量精度的提高很有帮助。
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