一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针及在线检测装置及检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针及在线检测装置及检测方法，其包括探针本体，所述探针本体呈倒锥形，其顶端和底端分别具有开口，探针本体的侧壁分别对应设有进气管和出气管，所述进气管和出气管上分别设有气阀；所述探针本体底端开口外周向探针本体轴心方向收缩成半球型，并在轴心处形成小孔，采用以上技术方案探针可以以任意角度伸入熔融液态金属任何深度和位置，减少了激光测距和聚焦调试步骤，节约成本和时间，真正意义上地实现实时在线检测，并提供准确检测，从而精准掌控熔融液态金属中各元素的含量，实时做出调整，保证产品性能和质量；排除安全隐患，减轻工人的劳动强度，使熔炼过程实现自动化和智能化，减少能源浪费和排放。减少能源浪费和排放。减少能源浪费和排放。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针及在线检测装置及检测方法


[0001]本专利技术涉及高温液态成分远距离在线监控领域，具体涉及了一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针及在线检测装置及检测方法。

技术介绍

[0002]钢铁以及合金在冶炼过程中需要实时诊断熔融液态金属的化学成分和温度，以此判断冶炼终点，从而控制成品金属材料的性能。传统的冶炼过程采用人工取样和制样的离线检测方式。这种离线检测方式需要通过取样、冷却、打磨、抛光等一系列过程后，再拿到分析仪器上进行测量和分析，整个过程需要花费4分钟时间，占冶炼时间的10%，其制成的冶金成品材料性能很难达到预期标准，同时造成能源浪费。
[0003]近年来， 越来越多的装备制造对于关键零部件（如：高速轴承，高铁车轮）的材料性能和品质提出严格的要求，导致冶炼生产对熔融状态金属化学成分和温度耐超高温高可靠的在线连续稳定检测传感器技术和方法提出了日益迫切的需求，开始出现基于激光诱导击穿光谱技术（LIBS）的在线检测装置，LIBS是一种利用激光激发等离子体，再利用等离子体的发射光谱进行探测的技术。LIBS技术不需要样品预处理，同时适用于固体、液体、气体。因此，在原位、在线、实时、非接触式分析方面展现出显著的应用价值。
[0004]目前有两类基于LIBS技术的熔体金属在线检测装置。第一类以近距离和开放式光路探测为主，在耐高温探针部分都会有光学结构的存在，且结构复杂，这在高温和烟尘恶劣环境下，开放空间中的空气对紫外和深紫外光谱有强烈的吸收，而有些非金属元素，例如 C、S、P等元素，是质量控制和冶炼终点判断最重要的元素，其等离子体特征光谱主要分布在紫外和深紫外区域，因此无法对紫外和深紫外光谱进行有效的探测，另外探针无法深入液态金属内部，检测过程也会受到炉渣的干扰。第二类以远距离冶金液态金属成分的原位、在线检测探针为主，前端耐高温探针置入冶金液态金属中，内部形成一个密封的空间，充入惰性气体，实现一个惰性气体的光路环境，其内部没有光学元件；耐高温探针包括外部耐火材料部分，充气部分，其底部为开口式结构，但其存在问题如下：由于底部为开口式结构，首先探针置入后由于底部液态金属倒灌入探针内，需要进行液态金属激光测距，然后再进行聚焦调试，需要花费大量的时间，光学系统聚焦的滞后对谱仪获取的当前液态金属产生等离子体光谱实时扰动，造成成分和温度测量偏差，无法真正做到实时检测；其次在冶炼过程中液态金属处于沸腾的情况，金属液面会产生涨落，等离子体页面不稳定，造成离子谱线涨落不可控，而带来检测成分偏差；再次探针伸入到液态金属内部时，炉渣也会随着液态金属倒灌入探针内，对检测成分造成干扰，无法准确检测液态金属的真实成分；另外由于探针本身的材质，探针无法浸入1700多度的液态金属中过长的时间，否则探针在热传导作用下使得激发和收集的复式光路处于高温中，热辐射对于后端的光谱收集产生噪声，因此检测的时间也随之缩短。

技术实现思路

[0005]针对现有技术的不足，本专利技术提供一种无需调节激光测距和聚焦调试，可任意角度和深度的置入冶金炉内的待测熔融液态金属中的基于LIBS技术的熔体浸入式探针。
[0006]本专利技术的一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针，采用以下技术方案：其包括探针本体，所述探针本体呈倒锥形，其顶端和底端分别具有开口，探针本体的侧壁分别对应设有进气管和出气管，所述进气管和出气管上分别设有气阀；所述探针本体底端开口外周向探针本体轴心方向收缩成半球型，并在轴心处形成小孔。
[0007]进一步，所述小孔的直径范围为1mm
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5mm。
[0008]进一步，所述小孔的直径为2mm。
[0009]进一步，所述探针本体、进气管和出气管均为双层结构，其包括内层和外层，所述内层由陶瓷材料成型，所述外层由耐高温隔热碳碳基陶瓷材料成型。
[0010]一种基于LIBS技术的熔体在线检测装置，采用上述一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针，其还包括后端控制台和传感单元，所述后端控制台电性连接传感单元；所述传感单元包括箱体以及设在箱体内的光学系统，所述箱体底部与探针本体顶端连接，所述箱体底部设有与探针本体顶端开口对应的开口，所述箱体底部的开口与探针本体顶端的开口连接处设有光学窗口。
[0011]进一步，所述箱体为双层结构，其包括内层和外层，所述内层由陶瓷材料成型，所述外层由耐高温隔热碳基陶瓷材料成型。
[0012]进一步，所述光学系统包括激光发生器、扩束聚焦模块、远程信号收集模块、光纤耦合模块和光纤光谱仪，所述光纤光谱仪通过电性连接后端控制平台，所述激光发生器发出激光光束，经扩束聚焦模块聚焦后达探针本体底端的小孔，烧蚀待测熔融液态金属产生等离子体，等离子体在激光诱导下冷却膨胀发射信号光，等离子体的信号光传送到远程信号收集模块，再由光纤耦合模块耦合后再导入光纤光谱仪中。
[0013]进一步，所述光学系统还包括第一反射镜和第二反射镜，所述激光发生模块发出激光光束的轴线方向同轴设置远程扩束聚焦模块；所述第一反射镜设置在远程扩束聚焦模块出射方向的光轴上，与其光轴成 45度角，所述第二反射镜设置在远程信号收集模块入射方向的光轴上，与其光轴成45度角，第一反射镜与第二反射镜的中心连线与远程扩束聚焦模块、远程信号收集模块的轴线垂直；所述远程信号收集模块出射方向的光轴上设置光纤耦合模块，光纤耦合模块通过光纤连接光纤光谱仪，光纤光谱仪通过电性连接后端控制平台。
[0014]进一步，所述光学系统还包括实时成像模块和分光片，所述分光片设在远程信号收集模块和光纤耦合模块之间，且处于远程信号收集模块出射方向的光轴上，所述实时成像模块垂直设置于分光片反射方向的光轴上，且电性连接后端控制平台。
[0015]一种基于LIBS技术的熔体在线检测装置的检测方法，应用在上述一种基于LIBS技术的熔体在线检测装置中，其包括以下步骤：熔体浸入式探针以任意角度伸入冶金炉内，其底端穿过冶金炉内熔融液态金属表面炉渣层浸入待测熔融液态金属中，进气管充入惰性气体，探针本体中的空气从出气管流出，从而在探针本体内形成密闭惰性气体环境；后端控制平台控制激光发生模块发出激光光束，通过远程扩束聚焦模块聚焦经光
学窗口后到达探针本体底端的小孔，烧蚀待测熔融液态金属产生等离子体，等离子体在激光诱导下冷却膨胀发射信号光，等离子体的信号光通过探针本体内的惰性气体环境传送到远程信号收集模块，再传递给光纤耦合模块耦合后再导入光纤光谱仪中进行光信号采集与光电转换，并反馈给后端控制平台，完成等离子体信号光的采集。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果如下：1、采用探针本体底端开口外周向探针本体轴心方向收缩成半球型，并在轴心处形成小孔，利用熔融液态金属内部表面张力，使得熔融液态金属和炉渣不会倒灌进入探针本体内，沸腾状态的熔融液态金属的涨落亦不会对其产生影响，熔融液态金属始终附着在探针底部的小孔处，因此探针可以以任意角度伸入熔融液态金属任何深度和位置，只需激光的光束保持聚焦在本体底端的小孔，提供物距一定的稳定准等离子体本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针，其包括探针本体，所述探针本体呈倒锥形，其顶端和底端分别具有开口，探针本体的侧壁分别对应设有进气管和出气管，所述进气管和出气管上分别设有气阀；其特征在于：所述探针本体底端开口外周向探针本体轴心方向收缩成半球型，并在轴心处形成小孔。2.根据权利要求1所述的一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针，其特征在于：所述小孔的直径范围为1mm
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5mm。3.根据权利要求1所述的一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针，其特征在于：所述小孔的直径为2mm。4.根据权利要求1所述的一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针，其特征在于：所述探针本体、进气管和出气管均为双层结构，其包括内层和外层，所述内层由陶瓷材料成型，所述外层由耐高温隔热碳碳基陶瓷材料成型。5.一种基于LIBS技术的熔体在线检测装置，采用权利要求1或4所述的一种基于LIBS技术的熔体浸入式探针，其特征在于：其还包括后端控制台和传感单元，所述后端控制台电性连接传感单元；所述传感单元包括箱体以及设在箱体内的光学系统，所述箱体底部与探针本体顶端连接，所述箱体底部设有与探针本体顶端开口对应的开口，所述箱体底部的开口与探针本体顶端的开口连接处设有光学窗口。6.根据权利要求5所述的一种基于LIBS技术的熔体在线检测装置，其特征在于：所述箱体为双层结构，其包括内层和外层，所述内层由陶瓷材料成型，所述外层由耐高温隔热碳基陶瓷材料成型。7.根据权利要求5所述的一种基于LIBS技术的熔体在线检测装置，其特征在于：所述光学系统包括激光发生器、扩束聚焦模块、远程信号收集模块、光纤耦合模块和光纤光谱仪，所述光纤光谱仪通过电性连接后端控制平台，所述激光发生器发出激光光束，经扩束聚焦模块聚焦后达探针本体底端的小孔，烧蚀待测熔融液态金属产生等离子体，等离子体在激光诱导下冷却膨胀发射信号光，等离子体的信号光传送...

【专利技术属性】
技术研发人员：孔令华，丁志刚，郑积仕，洪茂雄，邹诚，林娟娟，叶宏基，任祥旭，侯伟裕，杨嘉诚，吴琪，
申请(专利权)人：福建工程学院，
类型：发明
国别省市：