一种光谱检测装置及矿石光谱检测设备的制作方法

1.本实用新型涉及光谱检测领域，具体涉及一种光谱检测装置及矿石光谱检测设备。


背景技术：

2.相关技术在进行矿石的固废属性筛查的方法包括：作业人员现场依照取样标准取样，将取得的样品送往实验室进行物理检测、化学分析。
3.相关技术采用包括化学滴定分析、电感耦合等离子体发射光谱(icp-oes)、原子吸收光谱(aas)和x射线荧光光谱(xrf)等方法对矿石进行分析。但是上述方法所涉及的设备基本都为实验室设备，需要将样品带回实验室处理。
4.掺杂、掺假、以次充好的铁矿石需要依靠现场查验，目前，查验人员需凭经验判定嫌疑样品，再将嫌疑样品送实验室进行固体废物属性鉴别，尚没有适合的设备用于筛查高风险铁矿石，以及辅助查验人员进行现场技术执法。


技术实现要素：

5.本公开创造性地提出一种对矿石的固废属性进行现场快速筛查的光谱检测装置，该设备可应用于矿石固属性废筛查最前端的锚地、岸边、堆场等场所。
6.本公开创造性地提出一种光谱检查装置，该装置集成了成像系统和基于激光的光谱系统。成像系统能够对待测对象进行拍照和录像，为现场执法提供了证据留存功能，基于激光的光谱系统能够对待测对象进行激光光谱分析，获得待测对象的元素数据。
7.成像系统和基于激光的光谱系统除了上述各自的功能优势，成像系统和基于激光的光谱系统还协同工作，具体地，成像系统在成像时通过对焦装置对焦并获取焦距信息，成像系统将该焦距信息发送给基于激光的光谱系统的调焦装置，基于激光的光谱系统调焦装置能够根据该焦距信息调整激光的焦距，使激光准确地聚焦在待测对象表面，如此实现了一举多得的有益效果。
8.基于上述创造性构思，本公开提供如下技术方案。
9.在一些方面，本公开提供一种光谱检测装置，其特征在于，包括
10.样品台，其用于承载待测对象；
11.成像系统，包括照明装置、图像传感器和对焦装置；
12.其中，照明装置发射用于照射待测对象的照明光；
13.其中，图像传感器采集待测对象的图像数据；
14.其中，对焦装置被配置为对成像系统进行对焦，以及获取焦距信息；
15.基于激光的光谱系统，包括激光源、第一探测器和调焦装置；
16.其中，激光源发射用于照射待测对象的激光；
17.其中，第一探测器接收待测对象与激光相互作用产生的光；
18.其中，调焦装置与对焦装置通信连接，并根据焦距信息控制激光聚焦于待测对象。
19.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括红外光谱系统，红外光谱系统包括红外光光源和第二探测器；
20.其中，红外光光源发射用于照射待测对象的红外光；
21.其中，第二探测器包括采集窗，采集窗在预设波段接收待测对象与红外光相互作用产生的光。
22.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括滤光体，滤光体对预设波段的光有滤除效果，滤光体设置在从照明装置射向采集窗的光线路径上。
23.在一些实施方案中，滤光体为低通滤光片，低通滤光片也称为前截止滤光片或长波通滤光片。低通滤光片在长波处有高透过率，短波处截止的滤光片。
24.在一些实施方案中，滤光体包括滤光板，滤光板设置在照明装置旁或者设置在采集窗旁。
25.在一些实施方案中，滤光体包括筒状滤光罩，筒状滤光罩设置在采集窗的窗口周围，筒状滤光罩的开孔朝向待测对象，筒状滤光罩的侧壁位于从照明装置射向采集窗的光线路径上。
26.在一些实施方案中，基于激光的光谱系统是激光诱导击穿光谱系统。
27.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括辐射探测器，其用于检测待测对象的放射性。
28.在一个实施方案中，辐射探测器是盖革计数器，盖革计数器是根据射线对气体的电离性质设计成的。其探测器(称“盖革管”)的通常结构是在一根两端用绝缘物质密闭的金属管内充入稀薄气体(通常是掺加了稀有气体，如氦、氖、氩等)，在沿管的轴线上安装有一根金属丝电极，并在金属管壁和金属丝电极之间加上略低于管内气体击穿电压的电压。这样在通常状态下，管内气体不放电；而当有高速粒子射入管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号。
29.在一些实施方案中，光谱检测装置包括分析室；样品台、基于激光的光谱系统和成像系统均设置在分析室内。
30.在一些实施方案中，分析室内还设置有以下一项或多项传感器：温度传感器、湿度传感器。
31.在一些实施方案中，光谱检测装置的滤光体对1650纳米以下的光有滤除作用。
32.在一些实施方案中，光谱检测装置的滤光体对950～1650纳米的光有滤除作用。
33.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括控制器，控制器与红外光谱系统和成像系统分别通信连接，用于控制红外光谱系统进行红外光谱检测，以及用于控制成像系统进行成像。
34.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括人机交互装置，人机交互装置与控制器通信连接，人机交互装置包括显示器和输入设备，其中：输入设备用于接收、采集用户输入的指令，并将用户输入的指令输入控制器。
35.在一些方面，本公开提供一种矿石光谱检测设备，包括
36.柜体，柜体内设置有上述任一项的光谱检测装置；和
37.轮子，轮子设置在柜体的底部。
38.在一些方面，本公开提供一种光谱检测方法，包括
39.提供上述任一项的光谱检测装置；
40.将检测对象置于光谱检测装置的样品台上；
41.使用成像系统对待测对象进行图像采集；
42.使用基于激光的光谱系统对待测对象进行激光光谱分析，并采集激光光谱数据；
43.优选地，使用红外光谱系统对待测对象进行光谱分析，并采集红外光谱数据；
44.优选地，在进行激光光谱分析的同时进行图像采集；
45.优选地，在进行红外光谱分析的同时进行图像采集。
46.术语说明
47.本公开如果使用了如下的术语，它们可以具有如下的含义。
48.在本实用新型的描述中，除非另有说明，术语“上”“下”“左”“右”“前”“后”等指示的方位或位置关系仅是为了描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或结构必须具有特定的方位，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
49.有益效果
50.本公开的技术方案可以具有如下的一项或多项优点：
51.(1)不需要对被检测物进行特殊预处理；
52.(2)检测速度快，平均检测一次矿石样品用时较低；
53.(3)能同时检测出被测物的物相和多种元素组成；
54.(4)不需要转移到实验室环境，可直接在取样现场完成；
55.(5)检测人员不需要特别知识技能，经过简单培训即可实现仪器的使用。
56.基于以上几点，仪器的发明解放了海关、企业及港口的人力压力和场地压力，同时避免了进口矿石固废对港口周边及城市环境造成的严重污染，大大改善了港口的营商环境，对港口的经济运行的提高产生了深渊影响。同时还实现国家对进口矿石的总体要求，即“管得住、放的快”的工作目标。
附图说明
57.图1为一些实施例的光谱检测装置的示意图；
58.图2为又一些实施例的光谱检测装置的示意图；
59.图3为又一些实施例的光谱检测装置的示意图；
60.图4为一些实施例的矿石光谱检测设备的示意图；
61.图5为又一些实施例的矿石光谱检测设备的示意图；
62.图6为又一些实施例的矿石光谱检测设备的示意图；
63.图7为又一些实施例的矿石光谱检测设备的示意图。
具体实施方式
64.下面将结合实施例对本实用新型的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本实用新型，而不应视为限定本实用新型的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。
65.图1示出一些实施例的光谱检测装置，包括样品台15、成像系统11和基于激光的光谱系统13。
66.成像系统11包括照明装置111、图像传感器112和对焦装置113；照明装置111发射用于照射待测对象的照明光；图像传感器112采集待测对象的图像数据；对焦装置113被配置为对成像系统11进行对焦，以及获取焦距信息。
67.基于激光的光谱系统13包括激光光源131、第一探测器132和调焦装置133；激光源131发射用于照射待测对象的激光；第一探测器132接收待测对象与激光相互作用产生的光；调焦装置133与对焦装置113通信连接，并根据焦距信息控制激光聚焦于待测对象。
68.在一个具体实施例中，调焦装置133获取焦距信息后，根据获取的焦距信息计算激光光源131与待测对象的最佳焦距距离，然后控制激光聚焦于待测对象。
69.在一个具体实施例中，照明装置111是一个能够发射照明光的光源。照明光包括可见光(例如波长为400～800nm的光)。
70.在一个具体实施例中，照明装置111为载样台15提供可见光环境，为图像传感器112提供拍摄和对焦测距用的背景光源环境。
71.在一个具体实施例中，在检测待测对象的过程中照明装置111持续开启，图像传感器112实现对检测流程的记录，调焦装置133协助基于激光的光谱系统13的调焦。
72.在一个具体实施例中，对焦装置113为电机驱动的自动对焦装置。
73.在一个具体实施例中，对焦装置113采用相位对焦或反差对焦的方式进行对焦。
74.在一个具体实施例中，基于激光的光谱系统13是激光诱导击穿光谱系统。激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy，libs)技术通过超短脉冲激光聚焦待测对象表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析以确定待测对象的物质成分及含量。超短脉冲激光聚焦后能量密度较高，可以将任何物态的待测对象激发形成等离子体，libs技术几乎可以分析任何物态的待测对象。再者，几乎所有的元素被激发形成等离子体后都会发出特征谱线，因此，libs技术可以分析大多数的元素。如果要分析的材料的成分是已知的，libs技术可用于评估每个构成元素的相对丰度，或监测杂质的存在。激光诱导击穿光谱具有快速测量、无需待测对象制备、多元素同时分析等优点。
75.libs技术是物质元素分析的技术之一，具有结构简单、操作方面、检测快速实时、无需待测对象预处理以及可实现多元素同时检测等优点。红外光谱技术是物质分子结构特别是分子结构检测分析的优势技术之一，通过探测不同频率激光的吸收光谱数据，从而有效地判定物质的分子结构。激光诱导等离子体光谱技术与红外光谱技术，前者应用于矿石待测对象中元素种类及含量分析，后者可以应用于矿石待测对象物相的筛查，两种检测手段既可以分别使用，也可以相互补充使用。
76.图2示出一个光谱检测装置，包括样品台15、成像系统11、基于激光的光谱系统13和红外光谱系统12。其中，样品台15、成像系统11、基于激光的光谱系统13与图1示出的光谱照明装置相同。红外光谱12包括红外光光源121和第二探测器122，红外光光源121发射用于照射待测对象的红外光；第二探测器122包括采集窗123，采集窗123在预设波段接收待测对象与红外光相互作用产生的光。
77.在一个具体实施例中，通过红外光谱系统12能够对待测对象进行物相分析。具体来讲，待测对象的分子能选择性吸收电磁光谱中红外区域的光，从而引起分子振动。该吸收
特异性的对应于待测对象分子中的特征化学键。使用光谱仪可以测得光谱图，横坐标为波数(常见4000-600cm-1
)，纵坐标为待测对象对红外辐射的吸光值。该光谱图提供了独特的“分子指纹”，可用于筛选，扫描和鉴定有机及无机待测对象。
78.在一个具体实施例中，红外光谱系统12是无损光谱系统。在一个具体实施例中，红外光谱系统12配备有例如atr探头、漫反射探头、镜面反射探头或掠角反射探头。
79.在一个具体实施例中，如图2所示，光谱检测装置还包括滤光体14。滤光体14对预设波段的光有滤除效果，滤光体设置在从照明装置111射向采集窗123的光线路径上。
80.在一个具体实施例中，照明装置111可能会辐射出干扰红外检测的噪声光(波长范围：950nm-1650nm)，照明装置111发出的噪声光会影响第二探测器122对待测对象产生的光的分析，影响对矿石待测对象物相的判断置信度。滤光体14可以阻挡可能第二探测器122的噪声光。
81.在一个具体实施例中，滤光体14包括滤光板，滤光板设置在照明装置旁或者设置在采集窗旁。
82.在一个具体实施例中，滤光体14包括筒状滤光罩，筒状滤光罩设置在采集窗的窗口周围，筒状滤光罩的开孔朝向待测对象，筒状滤光罩的侧壁位于从照明装置射向采集窗的光线路径上。
83.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括第一光路组件134，其被布置成将激光引导至待测对象，并将待测对象与红外光相互作用所产生的光引导至第二探测器。
84.在一些实施方案中，待测对象与红外光相互作用所产生的光是待测对象对红外光的反射光。
85.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括第二光路组件124，其被布置成将红外光引导至待测对象，并将待测对象与激光相互作用所产生的光引导至第二探测器。
86.在一些实施方案中，待测对象与激光相互作用所产生的光是待测对象的原子被激光激发后辐射的光，即原子发射光谱。
87.在一些实施方案中，光谱检测装置还包括第三光路组件114，其被布置成将照明光引导至待测对象，并将待测对象与照明光相互作用所产生的光引导至图像传感器。
88.在一些实施方案中，待测对象与可见光相互作用所产生的光是待测对象对可见光的反射光。
89.图3示出又一些实施例的光谱检测装置。如图3所示，在一个具体实施例中，光谱检测装置包括显微成像单元50、激光诱导击穿光谱检测单元60、红外检测单元70和样品台15。
90.如图3所示，显微成像单元50包括led光源51、低通滤光片52、反光镜54和聚光镜57；led光源51发出照明光，低通滤光片52滤除长波长以下(例如1650nm以下)的照明光，反光镜54将照明光反射进入聚光镜57，聚光镜57将照明光汇聚到载物台15上的待测对象表面上。显微成像单元50还包括第一透镜55、镜筒透镜56和工业相机53。载样台15上的待测对象与照明光相互作用后的光线依次通过镜筒透镜56和第一透镜55进入工业相机。
91.如图3所示，激光诱导击穿光谱系统包括脉冲激光器61、单通镜63、第一光谱仪62和光纤64。其中，光纤64带有收集端口65；脉冲激光器61产生的高能量纳秒脉冲聚焦于载物台15上的待测对象表面，瞬间气化电离微量待测对象并产生等离子体发光；等离子体发光的光子由收集端口65耦合进光纤64并传输给第一光谱仪62，由第一光谱仪62记录该待测对
象的激光诱导击穿光谱，并从特征谱线解析出待测对象中的元素信息。
92.如图3所示，红外检测单元70包括红外光源75、第一二向色镜74、第二二向色镜73、第三二向色镜72。红外光源75发出的光束到载样台15上的待测对象表面；反射后光被依次经过第一二向色镜74、第二二向色镜73、第三二向色镜72后进入第二光谱仪71，由第二光谱仪71记录待测对象的红外吸收光谱并解析待测对象中的物相信息。
93.在一个具体实施例中，待测对象是矿石，例如位于海关的进口矿石。
94.图4示出一些实施例的矿石光谱检测设备。如图4所示，矿石光谱检测设备包括柜体31，柜体31内设置有光谱检测装置，光谱检测装置包括样品台15、照明装置111、图像传感器112、红外光谱系统12、基于激光的光谱系统13、辐射探测器16、温度湿度传感器17、人机交互单元18。
95.在一个具体实施例中，如图4所示，矿石光谱检测设备还包括轮子32，轮子32设置在柜体31底部。轮子32用于带动矿石光谱检测设备移动。
96.在一个具体实施例中，矿石光谱检测设备是移动式矿石光谱检测设备。
97.在一个具体实施例中，矿石光谱检测设备还包括存储器，存储器内存储有用于运行在该设备上的检测软件、检测算法以及数据库等。
98.图5示出又一些实施例的矿石光谱检测设备。如图5所示，矿石光谱检测设备包括控制器41和电源42。在一个具体实施例中，控制器41是集成电路。在一个具体实施例中，电源42是电池。
99.图6示出又一些实施例的矿石光谱检测设备。如图6所示，矿石光谱检测设备包括柜体31和人机交互装置18，人机交互装置18设置在柜体31上，人机交互装置包括显示器181。
100.图7示出又一些实施例的矿石光谱检测设备。如图7所示，矿石光谱检测设备包括柜体31和把手33，把手33设置在柜体31上。把手33用于供使用者手持并牵拉、移动矿石光谱检测设备。
101.在一个具体实施例中，样品台包括连杆升降机构、精密滑台、电动机构和料盘。其中，连杆升降机构提供高度方向的移动，精密滑台提供水平方向的移动，电动机构可做圆周方向的转动，最终能在三个维度精密调节样品的位置。
102.在一个具体实施例中，激光光源可以是具有不同波长与脉冲能量的等离子体激光器、nd:yag激光器或准分子激光器。
103.在一个具体实施例中，第一探测器是光谱仪，光谱仪可以建立在一个具有阶梯光栅和棱镜的色散单元上，可以同时测量待测对象从duv到nir范围的libs发射光谱，结合不同的ccd、emccd、iccd和cmos探测器，可提供宽的波段测量范围。
104.在一个具体实施例中，第一探测器配置有iccd相机，用于探测等离子体发光的光子，光谱分辨率小于0.25nm，光谱测量范围至少覆盖180-345nm、340-570nm、565-775nm波段。
105.在一些具体实施例中，红外光光源是钨灯、卤钨灯、nernst棒、硅碳棒、金属丝光源、金属陶瓷棒、ever-glo光源、大功率水冷硅碳棒、金属陶瓷棒、ever-glo光源或高压汞弧灯。
106.在一个具体实施例中，红外光光源能够发出红外光，红外光的波长范围可以为
950-1650nm，像素间距6.2nm，光源寿命大于40000小时。脉冲激光光源输出的波长为1064nm，能量大于100mj，输出频率1hz。
107.在一个具体实施例中，第二探测器为红外光谱仪，其分辨率6.2nm，采样积分时间小于10μs。
108.在一个具体实施例中，第二探测器采集预设范围的光，预设范围例如是950-1650nm。
109.在一个具体实施例中，辐射探测器16通过如下的工作方式工作：当载样台中矿石样品发射出的高速粒子射入盖革计数器的探测管内时，粒子的能量使管内气体电离导电，在丝极与管壁之间产生迅速的气体放电现象，从而输出一个脉冲电流信号，被相连的电子装置所记录，由此测量得单位时间内的射线数。
110.在一个具体实施例中，辐射探测器16的限量值为0.2ugy/h，平滑时间为100s。
111.在一个具体实施例中，矿石光谱检测设备是集矿石元素分析、物相识别和辐射剂量检测为一体的矿石固废属性筛查手段。以红外光谱检测技术分析进口矿石的物相、以激光诱导击穿光谱技术分析进口矿石的元素组成、以盖革计数原理分析进口矿石辐射剂量的检测技术集成的现场快速筛查系统。
112.虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本公开的范围由所附权利要求来限定。