基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置制造方法
【专利摘要】本发明公开一种基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，包括激光器1、位于激光器1前端的光学及控制系统2、与光学及控制系统2连接的压电陶瓷驱动器3、光纤探头4、与光纤探头4相连接的光谱仪A5和光谱仪B6、位于激光器照射范围内的光电管7、与光电管7连接的延时器8、与延时器8连接的光谱仪B6，光谱仪A5、光谱仪B6通过集线盒12连接工控机主板9，工控机主板9连接显示器10，工控机主板9连接延时器8，还包括电压转换器13，电压转换器13连接电源11、工控机主板9和延时器8；上述部件均集成在一个便携式手提箱里。本发明能满足户外在线原位检测需求的元素成分分析，可以自动聚焦到待测样品表面，完成样品所含元素种类及含量的测量。
【专利说明】基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光电【技术领域】，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置。
【背景技术】
[0002]目前，对物质的成分进行测量的光谱技术主要有电感耦合等离子体发射光谱法(ICP-AES)、原子吸收光谱法(AAS)、气相色谱分析法(GC)、质谱法(MS)等，这些技术都有一些局限性，ICP-AES法、AAS法和MS法需要对样品进行预处理，GC方法对非纯样品的准确定性和定量分析比较困难，MS法的操作困难。运用上述技术对物质所含元素成分进行分析的时候，首先需要收集样品和取回样品，然后再进行分析，不具有实时在线原位检测的能力。
[0003]激光诱导击穿光谱技术(LaserInduced Breakdown Spectroscopy),简称 LIBS,完全弥补了上述缺点，样品无需预处理，能够完成复杂物质所含元素的定性和定量分析，操作简单，具有在线原位测量的能力。此外LIBS测量范围广，能测量元素周期表上的所有元素；测量速度快，具有批量测试能力；固体、液体、气体、悬浮颗粒均可测量，具有多相测定能力。由于具有上述优点，LIBS可以被广泛的应用在冶金分析、环境监测、地质勘探、在线监控、国防等领域。
[0004]目前，采用LIBS技术的仪器主要有台式LIBS仪器和便携式LIBS仪器两种。台式LIBS仪器需要将样品带到实验室测量，不能发挥LIBS技术在线原位测量的优势。而便携式LIBS仪器的结构比较灵活，更能适应在线原位测量对仪器结构灵活性的苛刻要求。因此，此便携式LIBS仪器的开发具有更加广阔的应用空间。
【发明内容】
[0005]本发明旨在提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，能满足户外在线原位检测需求的元素成分分析装置，该装置可以自动聚焦到待测样品表面，完成样品所含元素种类及含量的测量。
[0006]为达到上述目的，本发明是采用以下技术方案实现的:
[0007]本发明公开的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，包括激光器、位于激光器前端的光学及控制系统、与光学及控制系统连接的压电陶瓷驱动器、光纤探头、与光纤探头相连接的光谱仪A和光谱仪B、位于激光器照射范围内的光电管、与光电管连接的延时器、与延时器连接的光谱仪B，所述光谱仪A、光谱仪B通过集线盒连接工控机主板，所述工控机主板连接显示器，工控机主板连接延时器，还包括电压转换器，所述电压转换器连接电源、工控机主板和延时器；上述部件均集成在一个便携式手提箱里。
[0008]进一步的，所述光学及控制系统包括主光路、双波长激光自动聚焦系统、控制系统；
[0009]所述主光路包括第一准直镜26、第一反射镜25、聚焦镜14，所述激光器发出的激光依次通过第一准直镜26、第一反射镜25、第一聚焦镜14，所述聚焦镜14的位置可调；[0010]所述双波长激光自动聚焦系统包括聚焦镜14、第二反射镜15、第二准直镜16、(XD检测屏17、第三反射镜18、激光器1、倍频晶体20、齿条21、齿轮22、微型步进电机23、滑块24，所述第三反射镜18的底边与第二准直镜16的轴线相交，其反射面与第二准直镜16的轴线之间的夹角为45。，所述CCD检测屏17处在第二准直镜16的焦点关于第二反射镜18的镜像位置，所述激光器I的激光头处在第二准直镜16的焦点处；所述倍频晶体20固定在滑块24上，所述滑块24通过齿条21、齿轮22、微型步进电机23在滑轨上运动。
[0011]进一步的，所述聚焦镜14的位置由压电陶瓷驱动器3调整，所述压电陶瓷驱动器3由下述机构组成:第一导电板33固定在安装座34上，压电陶瓷片层32固定在第一导电板33和第二导电板31之间并与第一导电板33和第二导电板31紧密接触，所述第二导电板31与第二滑块30 —端固连，所述第二滑块30另一端连接滑动套29，所述聚焦镜14通过固定螺钉28固定在连接滑动套29上，第二滑块30另一端还连接弹簧27的一端，所述接弹簧27的另一端固定在与第二滑块30相适配的滑槽上。
[0012]优选的，所述压电陶瓷片层32由至少2个压电陶瓷片粘接形成。
[0013]进一步的，所述光纤探头4采用分叉光纤，一共有8组，均匀分布在第一聚焦镜14的四周，光纤探头4的轴线与聚焦镜14的轴线之间的夹角为60。，其轴向位置可通过细牙螺旋配合调节。
[0014]进一步的，所述光电管7的感光口放在激光器I的激光头附近。光电管7的位置可以调节。
[0015]进一步的，所述显示器10带有旋转机构。
[0016]进一步的，所述延时器8的延时时间通过串口设置。
[0017]本发明能自动聚焦，测试范围广，测试速度快，并且体积小、质量轻、携带便利，可车载到户外进行原位探测。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明的原理框图；
[0019]图2是本发明的主光路不意图；
[0020]图3是本发明的双波长自动聚焦系统示意图；
[0021]图4是本发明的压电陶瓷驱动器剖视图；
[0022]图中:1_激光源、2-光学及控制系统、3-电陶瓷驱动器、4-光纤探头、5-光谱仪A、6-光谱仪B、7-光电管、8-延时器、9-工控机主板、10-显示器、11-电源、12-集线盒、13-电压转换器、14-聚焦镜、15-第二反射镜B、16-第二准直镜、17-CXD屏、18-第三反射镜、20-倍频晶体、21-齿条、22-齿轮、23-微型步进电机、24-滑块、25-第一反射镜A、26-第一准直镜A、27-弹簧、28-紧定螺钉、29-滑动套、30-滑块、31 -第二导电板、32-压电陶瓷片层、33-第一导电板、34-安装座。
【具体实施方式】
[0023]为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进行进一步详细说明。
[0024]如图1所示，本发明包括激光器1、位于激光器I前端的光学及控制系统2、与光学及控制系统2连接的压电陶瓷驱动器3、光纤探头4、与光纤探头4相连接的光谱仪A5和光谱仪B6、位于激光器照射范围内的光电管7、与光电管7连接的延时器8、与延时器8连接的光谱仪B6，光谱仪A5、光谱仪B6通过集线盒12连接工控机主板9，光电管7的感光口放在激光器I的激光头附近。光电管7的位置可以调节，工控机主板9连接显示器10，工控机主板9连接延时器8，延时器8的延时时间可由工控机主板通过串口设置；还包括电压转换器13，电压转换器13连接电源11、工控机主板9和延时器8 ;显示器10底部带有旋转机构，可改变角度以满足观察需要，上述部件均集成在一个便携式手提箱里。
[0025]本发明的工作原理为:激光器I的激光头对准光学及控制系统2的激光入口，激光器I打出的激光经过光学及控制系统2的传递和会聚，到达待测样品表面激发等离子体，等离子体发射出的谱线被光纤探头4接收，通过光纤传递给光谱仪A5和光谱仪B6，由光谱仪A5和光谱仪B6完成谱线的检测和记录；光电管7的感光口放在激光器I的激光头附近，光电管7的输出端与延时器8连接，延时器8又与光谱仪A5连接，从而实现激光器I与光谱仪A5和光谱仪B6的时序控制。电源11与电压转换器13连接，电压转换器13与延时器8、工控机主板9连接，工控机主板9和集线盒12、显示器10连接，集线盒12与两台光谱仪均连接，从而完成整个系统的供电和数据通信。
[0026]光谱仪A5采用带宽为250nm-405nm，最低分辨率为0.1nm的光谱仪，里面自带有CCD检测器。
[0027]光谱仪B6采用带宽为400nm-650nm，最低分辨率为0.1nm的光谱仪，里面也带有CCD检测器。
[0028]光电管7采用可测的带宽为280nm-680nm的光电管，探测灵敏度高，能探测到极其微弱的光信号。
[0029]延时器8通过BNC线与光谱仪连接。延时器8在收到光电管7传来的TTL电平信号后，根据设定的时间参数延迟一段时间，再将TTL电平信号传给光谱仪，使光谱仪A5开启，采集数据。延时器8的延迟时间可以通过串口进行设定。
[0030]工控机主板9采用支持DC12V电源供电的工控机主板。主板9通过USB线与两个USB母口连接，这两个USB母口留在外壳上，用于拷贝产生的数据。主板9的USB线与集线盒12的打印机接口相连，给集线盒12供电，主板9的VGA接口与显示器10相连。
[0031]显示器10通过合页与外壳连接现在一起，可以旋转。
[0032]电源11采用12VDC电源，外壳上留有电源11的指示灯、开关和充电接口。
[0033]集线盒12上面有数个USB接口、电源接口、网口、VGA接口。它的USB 口与光谱仪
5、光谱仪6连接，给光谱仪供电。
[0034]电压转换器13与延时器8、工控机主板9连接。电压转换器13将12V DC电源转换成7.5V DC电源和12V DC电源两种电源，7.5V DC电源给延时器8供电，12V DC电源给工控机主板9供电。
[0035]由于等离子体的寿命只有几十微秒，非常地短，等离子体发射谱线的时间更加短，所以需要精确地控制等离子体产生后，光谱仪A5和光谱仪B6的采集时间。在激光器I打出激光时，光电管7几乎能在同一时刻接收到光信号，将光信号转换成电信号传给延时器8，延时器8能够以Ins为步长，去调节光谱仪5和光谱仪6的采集时间，使激光器I和光谱仪A5、光谱仪B6之间有非常好的时序关系。[0036]光学及控制系统2包括主光路、双波长激光自动聚焦系统、控制系统；
[0037]如图2所不,主光路包括第一准直镜26、第一反射镜25、聚焦镜14,激光器I发出的激光依次通过第一准直镜26、第一反射镜25、第一聚焦镜14，聚焦镜14的位置可调；波长为1064nm的激光，经过第一准直镜26后变成平行光，平行光经第一反射镜25反射后，又经过聚焦镜14聚焦，在待测样品表面激发等离子体。
[0038]如图3所示，双波长激光自动聚焦系统包括聚焦镜14、第二反射镜15、第二准直镜16、CXD检测屏17、第三反射镜18、倍频晶体20、齿条21、齿轮22、微型步进电机23、滑块24，所述第三反射镜18的底边与第二准直镜16的轴线相交，其反射面与第二准直镜16的轴线之间的夹角为45。，所述CCD检测屏17处在第二准直镜16的焦点关于第二反射镜18的镜像位置，所述激光器I的激光头处在第二准直镜16的焦点处；倍频晶体20固定在滑块24上，所述滑块24通过齿条21、齿轮22、微型步进电机23在滑轨上运动。
[0039]双波长激光自动聚焦系统的工作原理如下:打开激光器1，产生的532nm激光经过第三反射镜18被挡去一半，剩下的一半通过第二准直镜16、第二反射镜15、聚焦镜14后到达待测样品表面，后被反射；如果聚焦镜14聚焦完成，待测样品表面正好处在聚焦镜14的焦点上，CCD检测屏17上就会形成一个光点；如果待测样品表面处于聚焦镜14的焦点的上方，CCD检测屏17上则会形成一个右半圆光斑；如果待测样品表面位于聚焦镜14的焦点的下方，CXD检测屏17上则会形成一个左半圆光斑。控制系统通过检测是左半圆还是右半圆来判定待测样品表面是处在焦点下方还是上方。紧接着，控制系统根据能量分析法确定待测样品表面与焦点之间的距离，并将控制信息(电压信号)输出到压电陶瓷驱动器3上，控制压电陶瓷驱动器3伸长或者缩短相应的长度，完成自动聚焦。如果待测样品会吸收或者透射532nm波长的光，在CCD检测屏17上就检测不到光信号，此时控制系统会输出一定数量的脉冲信号给微型步进电机23，使之转过特定角度，再通过齿轮22和齿条21的啮合传动，使倍频晶体20移动一定距离，进入到光路中。激光器I打出的波长为532nm的光透过倍频晶体20后就变成了波长为266nm的光,266nm的光就会进入光路中，重复一次上述过程，完成自动聚焦。由于同时吸收或者透射532nm、266nm两种波长的光的材料极少，该聚焦系统能完成绝大部分材料的自动聚焦。如果恰巧遇到这种材料或者遇到斜面，用户可切换到手动聚焦模式，利用532nm激光的可见性，通过一边改变输出电压信号地大小，一边用眼睛观察样品表面光斑地大小的方式来完成手动聚焦。
[0040]如图4所示，聚焦镜14的位置由压电陶瓷驱动器3调整，压电陶瓷驱动器3由下述机构组成:第一导电板33固定在安装座34上，安装座34与手提箱外壳通过螺栓连接固定在一起，整个压电陶瓷驱动器3就固定在手提箱外壳上，压电陶瓷片层32固定在第一导电板33和第二导电板31之间并与第一导电板33和第二导电板31紧密接触，压电陶瓷片层32由数个压电陶瓷片粘接形成，第二导电板31与第二滑块30 —端固连，第二滑块30另一端连接滑动套29，第一聚焦镜14通过固定螺钉28固定在连接滑动套29上，第二滑块30另一端还连接弹簧27的一端，接弹簧27的另一端固定在与第二滑块30相适配的滑槽上。
[0041]电陶瓷驱动器3会根据控制系统的输出信号来微调聚焦镜14的位置，第二导电板31、第一导电板33通过导线与控制系统连接，控制系统与CXD检测屏17连接，CXD检测屏17上的光信号就能转变成电压信号加载到导电板31和导电板33上。当聚焦未完成时，CCD检测屏对其上面的光信号进行处理，后将处理结果传给控制系统，控制系统根据输入的信号产生相应的电压信号输出到第二导导电板31和第一导导电板33上，电压变化引起加在压电陶瓷片层32上的电场强度发生变化，由于压电陶瓷材料具有逆压电效应，压电陶瓷片层32在强度变化的电场作用下会产生与电场强度变化量相应的形变，第二滑块30就会推动聚焦镜14移动相应的距离去完成聚焦。
[0042]光纤探头4 一共有8组，均采用分叉光纤，它们均匀分布在第一聚焦镜14的四周，光纤探头4的轴线与第一聚焦镜14的轴线之间的夹角为60。，此时，大多数元素的谱线信号都比较强。光纤探头4的轴向位置可以通过细牙螺旋配合调节，此时，LIBS信号的空间分辨性更好。
[0043]当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
【权利要求】
1.基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:包括激光器1、位于激光器I前端的光学及控制系统2、与光学及控制系统2连接的压电陶瓷驱动器3、光纤探头4、与光纤探头4相连接的光谱仪A5和光谱仪B6、位于激光器照射范围内的光电管7、与光电管7连接的延时器8、与延时器8连接的光谱仪B6，所述光谱仪A5、光谱仪B6通过集线盒12连接工控机主板9，所述工控机主板9连接显示器10，工控机主板9连接延时器8，还包括电压转换器13，所述电压转换器13连接电源11、工控机主板9和延时器8 ；上述部件均集成在一个便携式手提箱里。
2.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:所述光学及控制系统2包括王光路、双波长激光自动聚焦系统、控制系统； 所述主光路包括第一准直镜26、第一反射镜25、聚焦镜14,所述激光器I发出的激光依次通过第一准直镜26、第一反射镜25、第一聚焦镜14，所述聚焦镜14的位置可调； 所述双波长激光自动聚焦系统包括聚焦镜14、第二反射镜15、第二准直镜16、CCD检测屏17、第三反射镜18、倍频晶体20、齿条21、齿轮22、微型步进电机23、滑块24，所述第三反射镜18的底边与第二准直镜16的轴线相交，其反射面与第二准直镜16的轴线之间的夹角为45。，所述CXD检测屏17处在第二准直镜16的焦点关于第二反射镜18的镜像位置，所述激光器I的激光头处在第二准直镜16的焦点处；所述倍频晶体20固定在滑块24上，所述滑块24通过齿条21、齿轮22、微型步进电机23在滑轨上运动。
3.根据权利要求2所述的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:所述聚焦镜14的位置由压电陶瓷驱动器3调整，所述压电陶瓷驱动器3由下述机构组成:第一导电板33固定在安装座34上，压电陶瓷片层32固定在第一导电板33和第二导电板31之间并与第一导电板33和第二导电板31紧密接触，所述第二导电板31与第二滑块30 —端固连，所述第二滑块30另一端连接滑动套29，所述聚焦镜14通过固定螺钉28固定在连接滑动套29上，第二滑块30另一端还连接弹簧27的一端，所述接弹簧27的另一端固定在与第二滑块30相适配的滑槽上。
4.根据权利要求3所述的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:所述压电陶瓷片层32由至少2个压电陶瓷片粘接形成。
5.根据权利要求2所述的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:所述光纤探头4 一共有8组，均采用分叉光纤，它们均匀分布在第一聚焦镜14的四周，光纤探头4的轴线与聚焦镜14的轴线之间的夹角为60。，其轴向位置可通过细牙螺旋配合调节。
6.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:所述光电管7的感光口放在激光器I的激光头附近，光电管7的位置可以调节。
7.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:所述显示器10带有旋转机构。
8.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱技术的便携式元素成分分析装置，其特征在于:所述延时器8的延时时间通过串口设置。
【文档编号】G01N21/63GK104007090SQ201410225846
【公开日】2014年8月27日 申请日期:2014年5月27日 优先权日:2014年5月27日
【发明者】段忆翔, 林庆宇, 王杰, 刘安良, 王帅, 王旭 申请人:四川大学