本实用新型专利技术公开了一种高效的多路激光探针分析系统。该分析系统可将激光光源分成多路通过光纤分别传送至多个待测点，激发产生激光等离子体后，将相应的光谱信号传回检测系统，最终实现一台激光探针仪的多点同时在线检测，使用光纤传输激光和光谱信号，不仅可以提高恶劣环境中激光探针的抗干扰能力，而且还可以大幅降低激光探针仪的应用成本。该实用新型专利技术特别适用于包含多条生产线的大型工业过程，具备对生产线上的产品的多种元素同时进行在线监测的能力，可以大幅降低激光探针仪器的应用成本，将有助于激光探针技术的推广和普及。
【技术实现步骤摘要】
本技术涉及光谱分析和在线成分检测领域，具体涉及一种多路激光探针分析系统，该技术特别适用于矿山、大型工业过程的多点同时在线检测，可以显著降低成本，提高检测效率，具有广泛的应用前景和市场。
技术介绍
近些年，一种新型的物质成分探测技术——激光探针技术，也称激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术引起了科研人员的极大兴趣。与传统的化学分析方法相比，激光探针技术不仅具有多元素同时检测，检测速度快，可用于实时在线检测，样品损伤小及预处理简单等优点，而且可以对气体、液体、固体和气溶胶几乎所有状态的样品进行检测。正因如此，目前激光探针技术被广泛运用于材料分析、生物医疗、环境监测、食品安全、农林业和深空探测等领域，并且其应用范围还在不断扩大。此外，激光探针检测方法特别适用于一些特殊和恶劣的场合，比如高温，强辐射，剧毒和易爆等环境。在一些重要和特殊的领域里，激光探针技术展现出巨大的优势和良好的应用前景。例如采矿工业，以铁矿石的开采和加工过程为例，首先需要从矿井开采出具有较高品位的铁矿石，该过程中需要对粗铁矿中的铁元素含量进行实时在线监测来指导矿井的开采方向，进而节省人力和物力，提高开采的效率，并在一定程度上降低环境污染。然后通过采矿车将挖掘的粗铁矿运出矿井，对矿石进行破碎和筛选，以获得合适而 均匀的粒度，该过程也需要对破碎和筛选后的矿石中铁元素含量进行测定。最后，还需对贫铁矿进行细磨和精选，采用研磨机器对矿石进行细磨需要反复多次，经过精选后需要对成分进行再次准确测量。从上述过程可以看出，铁矿石从粗铁矿到精铁矿的多道加工工序都需要对矿石中铁元素含量进行快速准确检测。采用常规的化学分析方法和光谱分析方法，不仅取样过程复杂耗时，检测速度慢，无法实现多元素同时检测，且只能对工业过程进行离线检测，而无法达到实时在线监测的要求。对采矿工业而言，节能和高效的生产是优先考虑的方向，如果无法在这两个方面取得突破，将不利于采矿工业长足发展。目前，激光探针技术已经可以初步满足采矿工业的成分在线检测要求，但是目前单台激光探针分析设备只能实现单点检测，经实地调研发现，铁矿石的开采和加工过程约包含20～30个点需要对矿石中的铁元素进行测定。因此，要实现多点、多对象的同时在线检测，需要购置20～30台激光探针检测设备分别对各个对象进行检测，这样便会成倍增加成本，导致企业利润大幅降低。此外，工矿现场环境恶劣，信号干扰强，对检测设备提出了更高的要求。
技术实现思路
本技术的目的是为大型工业过程提供一种低成本、高效的多点同时在线检测的激光探针检测系统，解决多点在线检测成本高，检测速度慢和抗干扰差的问题，提高激光探针技术的检测效率和精度。本技术提供的一种多路激光探针检测系统，该系统包括脉冲激光器、光栅光谱仪、ICCD探测器、数字延迟脉冲发生器和计算机，其特征在于，该系统还包括分光耦合装置A、光信号合路装置和多台探测装置B；所述脉冲激光器通过传导光纤与分光耦合装置A的输入端相连，分光耦合装置A的输出端通过多路传导光纤将脉冲激光信号分别传输到各探测装置B中，分光耦合装置A用于将脉冲激光器发出的脉冲信号按时序或者 能量分路耦合到多芯光纤，以实现一束激光对多个待测点的激发；各探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜和光纤耦合器；所述的扫描振镜系统D用于对激光束进行聚焦对检测点进行面扫描，使各检测点表面形成等离子体；第二会聚透镜用于从激光束侧向采集所述等离子体发射的光信号，采集到的光信号被光纤耦合器耦合后通过传导光纤传输至光信号合路装置C；光信号合路装置C用于将多路光信号合并为一路光信号，合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪，光栅光谱仪按照时序对等离子体光信号分光后传输至ICCD探测器；ICCD探测器依次对分光后的信号进行检测，经过光电转换后，各个检测点光谱信息由计算机输出；所述的数字延迟脉冲发生器连接脉冲激光器的Q-switch信号输出端和ICCD探测器的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间；所述计算机用于控制脉冲激光器发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器的光谱数据，其内置的光谱分析软件是多窗口界面，每个窗口对应显示一处探测点的等离子体光谱信号，用于对光谱数据进行分析和处理。作为上述技术方案的改进，所述扫描振镜系统D包括变焦装置，第一会聚透镜，X轴振镜和Y轴振镜；变焦装置用于控制激光束的聚焦位置，脉冲激光首先进入变焦装置，在变焦装置的控制下激光束的焦距发生变化，并进入第二会聚透镜，第二会聚透镜用于聚焦激光光束来提高激光束的功率密度，对被测对象进行有效激发，X轴振镜和Y轴振镜的旋转轴分别沿竖直方向和水平方向，其作用是控制由第二会聚透镜射出的激光束的方向以实现对检测点的面扫描。本技术提供的激光探针分析系统与常规的检测仪器相比，不仅可以实时在线，快速，准确对物质成分和质量进行监测，而且还可以对多点实现同时检测，极大地降低了成本，提高了激光探针分析仪的检测效率。具体来说，本技术具有以下技术特点：(1)常规的激光探针分析设备只能实现单点检测，要对多点或多对象实现同时在线检测则需在每个检测点分别安置一台激光探针分析仪，通过多台激光探针分析仪联用才能达到检测要求。本技术最突出的技术特点是利用一套激光探针检测设备实现了多点的同时在线检测，多路光信号在光信号合并系统的作用下合并为一路，以便利用一台光栅光谱仪和一台ICCD探测器对多路等离子体光谱信号进行探测。提高了激光探针的检测效率，大幅降低了多点在线检测的激光探针分析仪的成本。(2)工矿企业环境复杂而恶劣，对激光探针检测设备的使用寿命危害大，干扰强，本技术采用一分多路的光纤进行激光的传导和等离子信号的采集，不仅可以有效避免恶劣环境的信号干扰，还可以降低恶劣环境对激光探针设备的损害。此外，还采用光开关技术将一台脉冲激光器发出的脉冲信号按规定的时序耦合到多路通道，或者采用分束器将一台脉冲激光器发出的脉冲按能量平均传送至多路通道，实现对多个探测点的被测对象的激发。(3)常规的激光探针分析仪只配备了一套等离子体发生装置和等离子体信号收集装置，无法根据探测对象的数目进行灵活配置。本技术所述的激光探针分析系统可以根据探测点的个数进行配置。主要包括光开关的时间，传导光纤的路数，采集信号装置的数目和光信号合并系统的通道数目，以满足不同应用场合的要求。(4)本技术还采用扫描振镜对被测对象表面进行扫面激发，实现对不同位置的被测对象成分的实时在线分析。附图说明图1为本技术所述的多路激光探针检测系统的结构示意图。图2A为一种分光耦合装置中多芯光缆的结构示意图，图2B为一种分光耦合装置的结构示意图。图3是一种MEMS控制的光开关分光耦合装置结构示意图。图4为探测装置的结构示意图。图5为光信号合路装置的结构示意图。其中，1为脉冲激光器，2、3、4、17和27为分别为第一至第五传导光纤，5为光栅光谱仪，6为增强型电耦合器件(即ICCD探测器)，7数字延迟脉冲发生器，8为计算机，A为光信号分光耦合装置，B为探测装置，C为光信号合路装置，9为激光本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种高效的多路激光探针分析系统，该系统包括脉冲激光器(1)、光栅光谱仪(5)、ICCD探测器(6)、数字延迟脉冲发生器(7)和计算机(8)，其特征在于，该系统还包括分光耦合装置A、光信号合路装置C和多台探测装置B；所述脉冲激光器(1)通过传导光纤与分光耦合装置A的输入端相连，分光耦合装置A的输出端通过多路传导光纤将脉冲激光信号分别传输到各探测装置B中，分光耦合装置A用于将脉冲激光器(1)发出的脉冲信号按时序或者能量分路耦合到多芯光纤，以实现一束激光对多个待测点的激发；各探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜(25)和第二光纤耦合器(26)；所述的扫描振镜系统D用于对激光束进行聚焦对检测点进行面扫描，使各检测点表面形成等离子体；第二会聚透镜(25)用于从激光束侧向采集所述等离子体发射的光信号，采集到的光信号被第二光纤耦合器(26)耦合后通过传导光纤传输至光信号合路装置C；光信号合路装置C用于将多路光信号合并为一路光信号，合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪(5)，光栅光谱仪(5)按照时序对等离子体光信号分光后传输至ICCD探测器(6)；ICCD探测器(6)依次对分光后的信号进行检测，经过光电转换后，各个检测点光谱信息由计算机(8)；所述的数字延迟脉冲发生器(7)连接脉冲激光器(1)的Q‑switch信号输出端和ICCD探测器(6)的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间；所述计算机(8)用于控制脉冲激光器(1)发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器(6)的光谱数据。...
【技术特征摘要】
1.一种高效的多路激光探针分析系统，该系统包括脉冲激光器(1)、光栅光谱仪(5)、ICCD探测器(6)、数字延迟脉冲发生器(7)和计算机(8)，其特征在于，该系统还包括分光耦合装置A、光信号合路装置C和多台探测装置B；所述脉冲激光器(1)通过传导光纤与分光耦合装置A的输入端相连，分光耦合装置A的输出端通过多路传导光纤将脉冲激光信号分别传输到各探测装置B中，分光耦合装置A用于将脉冲激光器(1)发出的脉冲信号按时序或者能量分路耦合到多芯光纤，以实现一束激光对多个待测点的激发；各探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜(25)和第二光纤耦合器(26)；所述的扫描振镜系统D用于对激光束进行聚焦对检测点进行面扫描，使各检测点表面形成等离子体；第二会聚透镜(25)用于从激光束侧向采集所述等离子体发射的光信号，采集到的光信号被第二光纤耦合器(26)耦合后通过传导光纤传输至光信号合路装置C；光信号合路装置C用于将多路光信号合并为一路光信号，合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪(5)，光栅光谱仪(5)按照时序对等离子体光信号分光后传输至ICCD探测器(6)；ICCD探测器(6)依次对分光后的信号进行检测，经过光电转换后，各个检测点光谱信息由计算机(8)；所述的数字延迟脉冲发生器(7)连接脉冲激光器(1)的Q-switch信号输出端和ICCD探测器(6)的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间；所述计算机(8)用于控制脉冲激光器(1)发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器(6)的光谱数据。2.根据权利要求1所述的多路激光探针分析系统，其特征在于，所述扫描振镜系统D包括变焦装置(19)，第一会聚透镜(20)，X轴振镜(21)和Y轴振镜(22)；变焦装置(19)用于控制激光束的聚焦位置，脉冲激光首先进入变焦装置(19)，在变焦装置(19)的控制下激光束的焦距发生变化，并进入第一会聚透镜(20)，第一会聚透镜(20)用于聚焦激光光束来提高激光束的功率密度，对...
【专利技术属性】
技术研发人员：郭连波，刘红弟，曾晓雁，李祥友，陆永枫，李嘉铭，朱志豪，唐云，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：新型
国别省市：湖北;42
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