一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统的制作方法

1.本实用新型属于激光检测及分析技术领域，特别涉及一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统。


背景技术：

2.目前，冶金原料成分检测多采用化验室人工检测的方法，需要取样、制样和检测分析等流程，检测过程耗时，而且检测结果严重滞后，限制了生产过程工艺参数的及时精准调控。
3.激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy，简称libs)技术是一种快速的成分探测方法，其原理是采用高能激光脉冲激发被分析物质、产生等离子体，同时对等离子体辐射的特征光谱进行分析，得到被检物质的元素种类和含量。由于libs技术是一种无接触的无损检测方法，所得到等离子体光谱包含的信息量大，将其应用在钢铁和有色冶金行业，可以对冶金原料，如铁精矿、混匀矿和铜精矿等进行成分检测，指导原料的配料及工艺技术参数的调整。但是目前，利用一套libs检测系统对冶金原料进行检测，一次只能检测和分析一个待测点的光谱数据，存在检测效率低，检测结果代表性不足的问题。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本实用新型提供了一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统，利用单台激光器能够实现对多个待测点进行同时在线检测和分析，提升检测效率和检测结果的代表性。
5.本实用新型的一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统，其特征在于，所述系统包括激光烧蚀装置、分光装置以及至少两个光谱检测分析装置；
6.所述激光烧蚀装置向待测点发射激光光束；所述分光装置与所述激光烧蚀装置将所述激光光束分为至少两个检测光路；
7.所述光谱检测分析装置一一对应地设置在每个所述检测光路上。
8.可选地，所述分光装置包括多个反射镜，分别为第一反射镜至第n反射镜，其中n为大于1的正整数；
9.所述第n反射镜为全反反射镜，其他所述反射镜为分束镜；
10.所述第一反射镜至所述第n反射镜沿激光照射方向依次设置，且后一反射镜设于前一反射镜的透射光路上；
11.所述第一反射镜至所述第n反射镜的反射光路形成多个所述检测光路。
12.可选地，所述系统还包括传送装置，所述待测点设于所述传送装置的传送表面。
13.可选地，所述激光烧蚀装置包括：
14.同轴设置的激光器和激光扩束器，所述激光扩束器位于所述激光器和所述分光装置之间。
15.可选地，所述分光装置为一个分束镜；
16.所述分束镜将所述激光光束分束分为反射分光路和透射分光路，所述反射分光路和所述透射分光路形成两个所述检测光路；所述光谱检测分析装置数量为两个，分别位于所述分束镜的反射分光路和透射分光路上。
17.可选地，所述光谱检测分析装置包括激光聚焦透镜组和光谱耦合模块，所述激光聚焦透镜组设于所述检测光路上，并将从所述分光装置射入的激光光束聚焦到待测点；
18.所述光谱耦合模块位于所述分光装置和所述激光聚焦透镜组之间。
19.可选地，所述光谱检测分析装置还包括移动导轨，所述激光聚焦透镜组固定在所述移动导轨上；
20.所述移动导轨移动时调节所述激光聚焦透镜组聚焦的所述待测点。
21.可选地，所述系统还包括一个光谱探测器，所述光谱探测器具有多个信号输入端，所述信号输入端与每个所述光谱耦合模块连接；
22.所述光谱探测器对所述光谱耦合模块传输的等离子体光进行探测和解析，获取光谱数据。
23.可选地，所述光谱耦合模块包括同轴布置的分色镜、汇集透镜组和光纤耦合模块；
24.所述分色镜位于所述分光装置和所述激光聚焦透镜组之间，且与所述分光装置和所述激光聚焦透镜组共轴布置，将经过所述激光聚焦透镜组收集和反射的等离子体光进行再次反射；
25.所述汇集透镜组位于所述分色镜的反射光路上；
26.所述分色镜反射的等离子光依次经过所述汇集透镜组和所述光纤耦合模块后，通过光纤传输给所述光谱探测器。
27.可选地，每个所述光谱检测分析装置均包括激光聚焦透镜组、光谱耦合模块和光谱探测器；
28.所述激光聚焦透镜组设于所述检测光路上，并将从所述分光装置射入的激光光束聚焦到待测点；
29.所述光谱耦合模块位于所述分光装置和所述激光聚焦透镜组之间，收集等离子体光并传输至所述光谱探测器；
30.所述光谱探测器对等离子体光进行探测和解析，获取光谱数据。
31.实用新型的一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统，包括激光烧蚀装置、分光装置以及光谱检测分析装置；其中通过激光烧蚀装置向待测点发射激光光束；通过分光装置所述激光光束分为至少两个检测光路；通过在每个所述检测光路上设置所述光谱检测分析装置，实现同时对至少两个待测点的待检测物料进行烧蚀，并检测和分析经过烧蚀后的待测点处发出的等离子光，获取每个待测点处的光谱数据；本实用新型能够充分利用激光烧蚀装置，提高现有的激光诱导击穿光谱检测系统的物料检测效率。
32.本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。
附图说明
33.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例
或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1示出了根据本实用新型实施例的一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统的结构示意图；
35.图2示出了根据本实用新型实施例中同时检测的待测点在传送带上的分布图。
36.图中主要标号说明：
37.1-激光器、2-激光扩束器、3-分光装置、4-光谱检测分析装置、5-等离子体、6-传送带、7-移动导轨、31-第一反射镜、32-第二反射镜、33-第三反射镜、41-第一光谱耦合模块、42-第二光谱耦合模块、43-第三光谱耦合模块、51-第一激光聚焦透镜、52-第二激光聚焦透镜、53-第三激光聚焦透镜、61-第一待测点、62-第二待测点、63-第三待测点、71-第一光谱探测器、72-第二光谱探测器、73-第三光谱探测器、91-第一光纤、92-第二光纤、93-第三光纤。
具体实施方式
38.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
39.如图1所示，为本实用新型的一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统的结构示意图，包括：
40.激光烧蚀装置，能够向待测点发射激光光束；具体的，激光烧蚀装置包括同轴设置的激光器1和激光扩束器2；激光扩束器2位于激光器1和分光装置3之间；
41.分光装置3，能够将激光光束分为至少两个检测光路，激光器1、激光扩束器2和分光装置3同轴设置；
42.以及多个光谱检测分析装置4，光谱检测分析装置4设置在每个检测光路上，能够检测和分析经过烧蚀后的待测点处发出的等离子光，获取待测点处的光谱数据；
43.其中，所述的同轴是指与激光光束光轴重合，此时的激光光束为激光器1发射出的激光光束。
44.现有的激光诱导击穿光谱检测系统中，通常是一个激光烧蚀装置对应一个光谱检测分析装置4，不能对待检测物料进行高效检测。通过本实用新型的多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统，利用分光装置3将激光烧蚀装置发射出的激光光束分束成至少两个检测光路，从而实现一个激光烧蚀装置能够对应至少两个光谱检测分析装置4，应用到实际中，能够实现同时对两个待测点的待检测物料进行检测。
45.根据本实用新型的一个实施例，分光装置3为一个分束镜，分束镜与激光光束光轴呈第一预设夹角布置；分束镜将激光光束按预定比例分束为反射分光路和透射分光路；将反射分光路和透射分光路分别作为检测光路，光谱检测分析装置4为两个，分别对应位于所述分束镜的反射分光路和透射分光路上。由于反射分光路和透射分光路是互相垂直的关
系，本实施例的两个光谱检测分析装置4能够检测位于两个不同面上的待测点。
46.根据本实用新型的另外一个实施例，分光装置3包括至少两个反射镜，其中一个反射镜为全反反射镜，其余的反射镜均为分束镜；分束镜位于全反反射镜和激光烧蚀装置之间，全反反射镜位于距离激光光束扩束器最远的位置。全反反射镜位于其前一个分束镜的透射光路；当分束镜的个数为两个以上时，分束镜之间间隔开设置，每一个分束镜位于前一个分束镜的透射光路上，前一个分束镜的反射光路则作为检测光路。全反反射镜与激光光束光轴呈第二预设夹角布置；分束镜与激光光束光轴呈第三预设夹角布置；应当理解的是，当分束镜不止一个时，每个分束镜与激光烧蚀装置出射的激光光束光轴的夹角可以不同。
47.根据本实用新型的另外一个实施例，分光装置3包括至少两个沿激光光束间隔开分布的反射镜，且均为分束镜；分束镜均位于激光烧蚀装置之后，每一个分束镜位于前一个分束镜的透射光路上，前一个分束镜的透射光路或反射光路则作为检测光路。距离激光光束扩束器最远的位置处的分束镜，其反射光路和透射光路均可以作为检测光路。
48.本技术以上的实施例中，全反反射镜的中心、分束镜的中心均与来自激光烧蚀装置的激光光束光轴重合，其作用在于方便调节分光装置3，且提高整个检测系统中结构的紧凑性。实际中也可以沿着激光光束的传播方向布置。
49.当分光装置3包括一个全反反射镜和至少一个分束镜时，是通过每个分束镜将激光光束按照预设的比例分束为透射光路和反射光路，其中反射光路作为检测光路，而每个分束镜的透射光路又被下一个分束镜进行激光光束分束；最后全反反射镜将射入的激光光束进行反射。对应地，检测分析设备至少有两个，具体地，检测分析设备位于全反反射镜或分束镜的反射光路上。通过设置两个以上的反射镜，可以将激光光束分束为至少两个检测光路，同时，每个检测光路之间的检测分析设备之间是相互独立的关系，相比较与单一的分束镜作为分光装置3，提高了系统的灵活性，通过调整第二预设夹角和第三预设夹角的大小，可以便捷调节各个光谱检测分析装置4，以实现既能够检测位于不同面上的待测点，还可以检测位于相同面上的待测点。
50.进一步地，根据本实施例的较佳实现方式，根据实际的检测指标和检测点数确定分束镜的透光率大小：例如多个点检测不同的波段时，强度低的波段可以通过选择分束镜的透光率小一些的检测回路，激光能量相应地可以大一些。
51.本技术的实施例中，光谱检测分析装置4包括激光聚焦透镜组、光谱耦合模块；
52.激光聚焦透镜组能够将从分光装置3射入的激光光束聚焦到待测点；
53.光谱耦合模块位于分光装置3和激光聚焦透镜组之间，能够收集等离子体光并传输至光谱探测器。
54.根据本技术的具体实施例，光谱探测器可以有一个或者多个，且光谱探测器具有相同或者不同的探测波段。当光谱探测器为一个时，光谱探测器具有多个信号输入端，每个信号输入端分别连接每个光谱检测分析装置4的光谱耦合模块，接收每个光谱耦合模块传输的等离子光。
55.光谱探测器能够对等离子体光进行探测和解析，获取光谱数据。
56.根据本实用新型的一个较佳实施例，每个光谱检测分析装置4还包括一个光谱探测器，光谱探测器与光谱耦合模块连接。
57.根据本实用新型的一个较佳实施例，光谱检测分析装置4还包括移动导轨7，激光
聚焦透镜组固定在移动导轨7上；
58.移动导轨7移动时能够改变激光聚焦透镜组聚焦形成的待测点的位置；从而可实现对不同待测点检测距离的快速精准调控。因为在进行激光诱导击穿光谱检测时，需要保证激光光束垂直聚焦在待检测物料表面，通过设置移动导轨7，可以根据待测点的实际情况（待检测物料表面与激光聚焦透镜组之间的间距）调节激光聚焦透镜组的位置。
59.根据本实用新型的一个较佳实施例，光谱耦合模块包括同轴布置的分色镜、汇集透镜组和光纤耦合模块；分色镜位于分光装置3（具体是指反射镜）和激光聚焦透镜组之间，且与分光装置3和激光聚焦透镜组共轴布置，能够将经过激光聚焦透镜组收集和反射的等离子体光进行再次反射；汇集透镜组位于分色镜的反射光路上；分色镜反射的等离子光依次经过汇集透镜组和光纤耦合模块后，通过光纤传输给光谱探测器。本实施例中，“同轴”和“共轴”均是指与对应检测光路上的激光光束的光轴重合；通过这种共轴式设计，提升了系统中结构的紧凑性和稳定性。
60.根据本实用新型的一个较佳实施例，所述的激光诱导击穿光谱检测系统还包括计算机，计算机与每个光谱检测分析装置4的信号输出端连接，光谱检测分析装置4能够将光谱数据传输至计算机；
61.计算机能够根据接收到的光谱数据对待测点进行光谱分析，从而获取待测点的待检测物料的成分信息。
62.根据本实用新型的一个较佳实施例，该检测系统还包括传送装置，具体为传送带6，待测点形成于该传送带6上，用于传送待测物料，提高检测效率。多个待测点的连线与传送带6传送方向之间的可以是任意夹角，可根据现场实际情况优选。在本实施例中，图1中位于传送带6上方的相关检测器件可集成形成一个整体设备，仅需调节该设备与传送带6之间的夹角，便可实现调节多个待测点的连线与传送带6传送方向之间的角度。
63.通过多点同时检测的方式提高了激光的利用效率，同时也提高了物料检测效率。多点同时检测的方式使物料表面的检测点更多，从而提高检测代表性，同时也提高了检测精度，此外，多个检测光路中的光谱探测器可设置相同或不同波段的光谱范围，使光谱探测范围更加灵活，从而进一步提高检测精度。
64.如图1所示，提供本实用新型一种多点同时检测的激光诱导击穿光谱检测系统的具体实施例，具体为：
65.包括一个激光器1，还包括沿着激光器1射出的激光光束的方向、等激光光轴依次布置的激光光束扩束器、第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33，第二反射镜32位于第一反射镜31的透射光路上，第三反射镜33位于第二反射镜32的透射光路上，其中第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33的反射率分别为33.3%、50%和100%，即第三反射镜为全反反射镜，第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33相互平行设置，且与激光光束扩束器发出的激光光束之间呈一定夹角，使得经第一反射镜31、第二反射镜32和第三反射镜33反射形成的三条检测光路平行。
66.第一反射镜31的反射光路上沿光轴（反射光路的激光光束光轴）依次布置有第一光谱耦合模块41和第一激光聚焦透镜51，第一反射镜31反射的激光光束经过第一激光聚焦透镜51聚焦到第一待测点61，并对第一待测点61的待检测物料进行烧蚀，得到烧蚀的等离子体5；烧蚀完成后，第一激光聚焦透镜51将等离子体光收集和反射到第一光谱耦合模块
41，第一光谱耦合模块41再通过第一光纤91将等离子体光传输到第一光谱探测器71进行检测，获得对应第一待测点61的光谱数据。
67.第二反射镜32的反射光路上沿光轴（反射光路的激光光束光轴）依次布置有第二光谱耦合模块42和第二激光聚焦透镜52，第二反射镜32反射的激光光束经过第二激光聚焦透镜52聚焦到第二待测点62，并对第二待测点62的待检测物料进行烧蚀，得到烧蚀的等离子体5；烧蚀完成后，第二激光聚焦透镜52将等离子体光收集和反射到第二光谱耦合模块42，第二光谱耦合模块42再通过第二光纤92将等离子体光传输到第二光谱探测器72进行检测，获得对应第二待测点62的光谱数据。
68.第三反射镜33的反射光路上沿光轴（反射光路的激光光束光轴）依次布置有第三光谱耦合模块43和第三激光聚焦透镜53，第三反射镜33反射的激光光束经过第三激光聚焦透镜53聚焦到第三待测点63，并对第三待测点63的待检测物料进行烧蚀，得到烧蚀的等离子体5；烧蚀完成后，第三激光聚焦透镜53将等离子体光收集和反射到第三光谱耦合模块43，第三光谱耦合模块43再通过第三光纤93将等离子体光传输到第三光谱探测器73进行检测，获得对应第三待测点63的光谱数据。
69.参见图1，每个第一激光聚焦透镜51、第二激光聚焦透镜52和第三激光聚焦透镜53分别位于不同的移动导轨7上；
70.计算机接收到第一待测点61、第二待测点62和第三待测点63的光谱数据后，分别进行光谱数据分析，得到第一待测点61、第二待测点62和第三待测点63的物料成分信息。
71.本实施例中，第一待测点61、第二待测点62和第三待测点63位于物料传送带6上的不同位置，3个待测点与物料传送带6的运动方向平行；为了避免在传送带6运行过程中对已经检测过的点重复检测，3个待测点之间的连线可以设置成与传送带6的运动方向呈预设角度，如图2中所示的待测点在传送带上的分布图，第一待测点61、第二待测点62和第三待测点63之间的连续与物料传送带6的运动方向倾斜，要实现这样的检测位置仅需将图1中传送带6上方的检测设备调整至与传送带6呈一定夹角布置；第一光谱探测器71、第二光谱探测器72和第三光谱探测器73可以是相同的光谱探测器，也可以是不同的光谱探测器；第一光谱探测器71、第二光谱探测器72和第三光谱探测器73探测的波长范围为300nm-600nm。
72.具体地，本领域技术人员也可以根据现场实际需要确定相应数量的检测光路数目、反射镜的透光率（或反射率）、光谱探测器的数目及波段范围。
73.尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。