一种自校准的多通道LIBS合金材料腐蚀敏化度检测系统及方法

本发明属于无损检测与光谱分析相关，更具体地，涉及一种自校准的多通道libs合金材料腐蚀敏化度检测系统及方法。

背景技术：

1、铝镁合金、不锈钢及镍基合金等工程材料因具有良好的力学性能、耐蚀性能和加工性能，被广泛应用于航空航天、海洋装备、能源化工及交通运输等领域。然而，在长期服役过程中，材料晶界处往往会因微量元素偏聚或析出相（如al-mg合金中的相）的形成而发生敏化，导致晶间腐蚀或应力腐蚀开裂。因此，对合金材料腐蚀敏化度进行快速、准确和原位检测，对保障装备服役安全具有重要意义。

2、现有技术中，腐蚀敏化度检测方法主要包括化学腐蚀法、电化学测试法和金相分析法等。上述方法普遍存在制样过程复杂、检测周期长、破坏性强、难以在线应用等不足，难以满足复杂服役构件或大面积区域快速检测的需求。激光诱导击穿光谱技术（libs）具有非接触、响应快、适于原位检测和多元素分析等优点，因此经常被引入用于金属材料成分分析与状态表征。现有较常见的libs方案中，多采用光谱仪对等离子体发射光进行分光采集，再基于完整光谱或特征光谱强度进行分析。

3、libs检测方案虽然能够获得较丰富的光谱信息，但系统结构相对复杂，数据量较大，处理速度受限，在面向大面积扫描、在线检测或快速敏化度评估时，其检测效率和实时性仍存在不足。为了提高检测效率，可采用多通道分光结构，对基体材料元素和析出相元素对应的特征波段进行并行采集，以减少全谱采集带来的冗余信息，提高检测速度和针对性。

4、然而，上述的现有解决方案仍具备以下的缺陷或不足：一方面，仅采用多通道并行采集仍难以消除激光器单脉冲能量波动及实际聚焦状态变化对检测结果的影响；特别是在实际加工与检测过程中，激光焦点偏移会改变激光与材料的耦合状态，进而影响等离子体激发强度和各探测通道信号幅值；若缺少能够反映实际加工状态的校准信息，不同采样点之间的多通道信号可比性和重复性仍然有限，从而影响检测结果的准确性与稳定性。另一方面，仅对激光发射端进行参考监测，通常只能表征激光器输出状态，难以同时反映激光实际作用于待测材料表面的激发强度和焦点状态。

5、相应地，本领域亟需针对基于多通道采集的libs检测方案作出改进及改善，以便更好地符合各类合金材料的腐蚀敏化度需求。

技术实现思路

1、针对现有技术的以上缺陷或需求中的一种或者多种，本发明提供了一种自校准的多通道libs合金材料腐蚀敏化度检测系统及方法，其中通过对其整体构造组成及其工作原理重新进行设计，并对一些关键组成模块如多通道分光探测模块、激光状态监测模块和激光激发模块的具体组成结构及光路设置方式作出针对性改进，相应不仅可利用多通道分光结构实现基体材料信号与析出相信号的并行采集，而且能够基于激光加工回光实现自校准操作，由此显著提高了合金材料腐蚀敏化度检测的效率、准确性和可靠性；

2、相应与现有技术相比，有效克服了目前所存在的检测效率不足、检测结果易受激光强度波动和焦点偏移影响，以及多通道信号缺少实际加工状态参考基准等技术痛点，并尤其适用于铝镁合金、镍基合金、不锈钢或其他合金材料的腐蚀敏化度检测应用场景。

3、为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供一种自校准的多通道libs合金材料腐蚀敏化度检测系统，该系统包括激光激发模块、多通道分光探测模块、激光状态监测模块、高频采集模块和信号处理模块，其中：

4、所述激光激发模块用于发射预设的脉冲激光，并通过光路聚焦至待测合金材料的表面来激发产生等离子体辐射信号，脉冲激光作用于待测合金材料的激光回光信号沿着原光路返回；

5、所述激光状态监测模块用于采集所述激光回光信号中与激光波长对应的目标信号，并将其用于表征脉冲激光实际作用于待测合金材料表面的激发强度和焦点状态，同时作为后续的自校准数据；

6、所述多通道分光探测模块用于接收所述等离子体辐射信号，并将其分离为多个探测通道，所述多个探测通道中至少包括基体材料通道和析出相元素通道，其中该基体材料通道用于采集基体材料元素的特征谱线信号，该析出相元素通道用于采集与各个析出相元素分别保持对应的特征谱线信号；

7、所述高频采集模块分别与所述通道分光探测模块、激光状态监测模块连接，并用于对所述目标信号以及各个所述探测通道的通道信号执行同步采集和数字化处理；

8、所述信号处理模块基于所述目标信号对各个所述探测通道的通道信号进行自校准，用于降低激光强度波动和焦点偏移的影响，并且在完成自校准后，将所述通道信号输入识别模型，由此获得腐蚀敏化度检测结果。

9、作为本发明的进一步优选，对于所述激光激发模块而言，其包括激光器、扩束镜、第一反射镜、第二反射镜、扫描振镜、缩束镜和物镜，其中所述激光器发出的脉冲激光经由所述扩束镜整形后，由所述第一反射镜、第二反射镜反射至所述二向色镜；所述二向色镜对脉冲激光进行反射，使脉冲激光进入所述扫描振镜，并经所述缩束镜、所述物镜后聚焦到置物平台上的待测合金材料的表面，由此激发产生等离子体辐射信号；

10、与此同时，所述激光回光信号沿着原光路返回，也即依次经过所述物镜、所述缩束镜和所述扫描振镜后再次到达所述二向色镜，此时所述激光回光信号中与激光波长对应的目标信号由所述二向色镜反射进入所述激光状态监测模块，而所述激光回光信号中的其他信号则由所述二向色镜透射进入所述多通道分光探测模块。

11、作为本发明的进一步优选，对于所述激光状态监测模块而言，其优选包括沿着光路依次设置的衰减片、聚焦透镜、针孔光阑和探测器，所述聚焦透镜用于将所述目标信号汇聚至所述针孔光阑的位置进行限制，然后由所述探测器接收；

12、其中，当作用于待测合金材料的激光聚焦状态正常时，所述激光回光信号经过所述聚焦透镜后在所述针孔光阑附近形成集中化光斑，同时被所述探测器接收并输出对应的所述目标信号；而当待测合金材料的激光焦点偏离时，所述激光回光信号号在所述针孔光阑处的光斑尺寸和能量分布发生改变，从而使得所述探测器所输出的所述目标信号随之改变。

13、作为本发明的进一步优选，对于所述多通道分光探测模块而言，其由主光路和多个分光链路共同组成，其中：

14、沿着主光路依次设置有陷波滤光片、多个分光探测二向色镜和第三反射镜，所述等离子体辐射信号经过所述陷波滤光片以抑制残余激光的散射干扰，然后在所述多个分光探测二向色镜和所述第三反射镜的作用下分光进入各个分光链路；

15、沿着各个分光链路依次设置有窄带通滤光片、聚焦镜和光电探测器，其中所述窄带通滤光片各自具备不同的中心波长，由此构建形成对应不同波段的多个所述探测通道；各个所述探测通道的分光信号经所述聚焦镜聚焦处理，然后由所述光电探测器采集。

16、作为本发明的进一步优选，对于所述多通道分光探测模块而言，其优选还包括一个或多个的辅助判断通道，所述辅助判断通道用于采集基体材料元素和析出相元素之外的其他特征谱线信号，用于增强对腐蚀敏化度检测结果的辅助判别能力。

17、作为本发明的进一步优选，对于所述多通道分光探测模块而言，其优选还包括背景参考通道，所述背景参考通道被设定为处于不包含基体材料元素和析出相元素的波段位置，并且采集背景波段信号，用于供所述信号处理模块执行时序对齐和/或幅值归一化。

18、作为本发明的进一步优选，当析出相包含多个元素时，优选设置于各个析出元素分别对应的特征谱线通道和/或辅助判断通道，用于实现对不同析出相元素的联合检测。

19、作为本发明的进一步优选，对于所述高频采集模块而言，其优选包括分别与所述通道分光探测模块、激光状态监测模块对应连接的高速模数转换通道。

20、作为本发明的进一步优选，对于所述信号处理模块而言，其优选被配置为包括持向量机、人工神经网络、随机森林之类的识别模型，并用于输入完成自校准的多通道信号，同时输出反映合金材料腐蚀敏化度的分类结果、等级结果、概率结果或定量结果。

21、作为本发明的进一步优选，当待测合金材料为铝镁合金时，所述基体材料通道配置为采集396nm附近的铝原子谱线，所述析出相元素通道配置为采集279nm附近的镁原子谱线；当设置背景参考通道时，所述背景参考通道配置为采集290nm～300nm波段内的连续背景辐射；当设置辅助判断通道时，所述辅助判断通道配置为采集285nm附近的镁原子谱线。

22、按照本发明的另一方面，还提供了相应的自校准的多通道libs合金材料腐蚀敏化度检测方法，所述方法包括：

23、将脉冲激光聚焦至待测合金材料的表面，以激发产生等离子体辐射信号，并使待测合金材料对所述脉冲激光产生的激光回光信号沿原光路返回；

24、由激光状态监测模块采集所述激光回光信号中与激光波长对应的目标信号，由多通道分光探测模块并行采集基体材料元素和析出相元素的特征谱线信号，并由高频采集模块同步采集所述目标信号以及各探测通道的通道信号并进行数字化处理；

25、由信号处理模块基于所述目标信号对各探测通道的通道信号进行自校准，并将自校准后的各探测通道的通道信号输入识别模型，获得腐蚀敏化度检测结果。

26、总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

27、1、本发明的核心技术改进首先在于对检测系统的整体构造组成及其工作原理重新作出了设计，其中相较于现有技术中采用光谱仪进行全谱采集的libs检测方案，本发明通过采用多通道分光探测结构对目标波段进行并行采集，可减少冗余光谱信息，提高检测效率，更适于原位检测、在线检测及大面积扫描检测；与此相紧密配合地，本发明还通过在激光加工回光光路中设置激光状态监测模块，可直接获取反映实际加工状态的自校准信息，从而降低激光强度波动和焦点偏移对检测结果的影响，显著提高了检测结果的一致性和稳定性；

28、2、本发明还进一步对一些关键组成模块如多通道分光探测模块、激光状态监测模块和激光激发模块的具体组成结构及光路设置方式作出了针对性改进；更具体而言，通过设置基体材料通道和析出相元素通道，可实现基体材料信息与析出相信息的并行获取，并可根据待测材料体系灵活扩展辅助判断通道，以增强对不同特征谱线信号的辅助判别能力，提高检测的灵敏性和适用范围；通过可选设置背景参考通道，可进一步对各探测通道信号执行时序对齐和/或幅值归一化，有利于降低表面状态变化、背景波动等因素对检测结果的影响，提高检测结果的可靠性；此外，通过对分光探测二向色镜的设置，可在共享光路条件下实现激光回光自校准与等离子体多波段信号采集的分离传输，有利于简化系统结构，并提高系统集成度；

29、3、本发明中完成自校准后的多通道信号可直接输入识别模型中，由此实现对合金材料腐蚀敏化度的快速识别、分级和定量评估；本发明的整体检测系统结构紧凑、便于操控，减少了干扰因素对检测结果的影响，其核心组件均为常规工业部件，易于采购和集成，设备体积小、安装灵活；相应与现有技术相比，有效克服了目前所存在的检测效率不足、检测结果易受激光强度波动和焦点偏移影响，以及多通道信号缺少实际加工状态参考基准等技术痛点，因而尤其适用于铝镁合金、镍基合金、不锈钢或其他合金材料的腐蚀敏化度检测应用场景。