一种便携式激光感知光谱元素分析检测装置

1.本实用新型属于光谱测量技术领域，涉及一种元素成像分析系统，具体涉及一种便携式激光感知光谱元素分析检测装置。


背景技术：

2.激光诱导击穿光谱（laser induced breakdown spectroscopy, 简称 libs）检测技术是近年来发展起来的一种属于原子发射光谱的元素检测技术。libs技术的基本原理是利用高能量激光聚焦到样品表面上后，样品表面焦点处的温度迅速上升，局部的高温使原子脱离样品表面迅速向外膨胀，在膨胀过程中，部分原子在强激光场的作用下产生热电子，这些最初的自由电子进一步和其他原子碰撞，最后形成等离子体。通过多通道光谱仪测量等离子体的发光就可以对等离子体中的元素成分和含量进行定性和定量分析。
3.libs技术无需复杂的样品预处理、系统结构简单、操作快捷、能够同时对气体、液体和固体进行实时快速在线测量。近些年来该技术得到了迅速发展，其在生物医学研究、军事安全、宇宙空间探索、工业加工流程控制、环境污染实时检测等领域都取得了重要的研究成果。
4.libs技术可以用于实时检测农田中各类元素的含量情况。在中药材土壤种植中，土壤成分中除含有人体所需的微量元素外，还含有铬、镍、汞等的重金属化合物。libs技术可以很好的对农田中的各类元素进行实时在线检测，并且还能得到样品表面待检测元素浓度的分布情况，尽管libs技术在元素分析领域具有独特的优势，但是到目前为止，libs技术的发展仍然停留在实验室发展阶段，libs的分析仪器还比较少，且通用性不好。因此，提供一种能够稳定分析libs光谱信号、且操作程序简单、设备便携、效率高、可以实现元素浓度表面定量分析的检测装置很有必要。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种便携式激光感知光谱分析检测装置，可高效率地实现在线实时测量，以解决局限于实验室的各类物质元素检测，例如实时检测农田中重金属元素含量不便捷的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案是：一种便携式激光感知光谱元素分析检测装置，包括桶形的壳体，壳体顶部安装有工业平板电脑，壳体的底板上安装有压电平台和多通道光谱仪，壳体内还安装有摄像头、激光发生器和透镜集成座，透镜集成座上安装有聚焦透镜和收光透镜，摄像头与多通道光谱仪分别位于压电平台的两侧，激光发生器位于压电平台上方，透镜集成座位于激光发生器和压电平台之间；压电平台、摄像头以及多通道光谱仪均与工业平板电脑信号连接。
7.壳体内还设有电源，电源分别与压电平台、多通道光谱仪、摄像头、激光发生器以及工业平板电脑电连接。
8.本实用新型具有如下优点：
9.1、聚焦透镜周围环向设置有四个收光透镜，四个收光透镜聚焦位置可调节，保证聚焦透镜和四个收光透镜焦点保持一致，降低激光漫反射，抗干扰，增大收光量，减少光谱信息损失，提高检测准确度；
10.2、便携性好，可野外作业，实现实地实时在线检测，不用将样本送去实验室，节约时间，提高检测效率；
11.3、通用性好，设备操作简单，检测效率高，可快速进行样品内部元素定性、定量分析；
12.4、集成度高，通过工业平板电脑一体控制摄像头、多通道光谱仪、压电平台以及激光发生器，相较于传统libs系统，实现一机多用，缩小了设备体积。
附图说明
13.图1为本实用新型分析检测装置的示意图；
14.图2为图1中透镜集成座结构示意图；
15.图3为图1中聚焦透镜和收光透镜位置示意图；
16.图中：1-壳体、2-压电平台、3-样品靶材、4-多通道光谱仪、5-摄像头、6-激光发生器、7-聚焦透镜、8-工业平板电脑、9-usb接口、10-提手、11-收光透镜、12-透镜集成座、121-上安装板、122-下安装板、123-连接板、13-通孔、14-收光透镜安装孔、15-聚焦透镜安装孔。
具体实施方式
17.下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进一步解释说明。
18.如图1所示，本实用新型分析检测装置，包括桶形的壳体1，壳体1的侧壁上设有提手10，壳体1顶部安装有工业平板电脑8，壳体1的底板上安装有压电平台2和多通道光谱仪4，壳体1内还安装有摄像头5、激光发生器6和透镜集成座12，透镜集成座12上安装有聚焦透镜7和收光透镜11，摄像头5与多通道光谱仪4分别位于压电平台2的两侧，激光发生器6位于压电平台2上方，透镜集成座12位于激光发生器6和压电平台2之间，压电平台2、摄像头5以及多通道光谱仪4均与工业平板电脑8信号连接。
19.如图2所示，本实用新型分析检测装置中的透镜集成座12，包括上下设置的上安装板121和下安装板122，上安装板121和下安装板122通过螺栓固定连接，上安装板121上加工有通孔13，下安装板122上加工有聚焦透镜安装孔15和多个收光透镜安装孔14，通孔13与聚焦透镜安装孔15同轴设置，收光透镜安装孔14的轴线倾斜设置，且沿从上往下的方向逐渐向聚焦透镜安装孔15的轴线聚拢；多个收光透镜安装孔14沿环向均匀设置于聚焦透镜安装孔15周围；上安装板121顶部设有连接板123，连接板123与壳体1固定连接。
20.如图3所示，聚焦透镜7安装于聚焦透镜安装孔15内，每个收光透镜安装孔14内均安装有收光透镜11，收光透镜11的数量为四个。
21.为了便于取放样品，壳体1的侧壁上设有可关闭、打开的门。
22.此外，壳体1内还设有电源，压电平台2、多通道光谱仪4、摄像头5、激光发生器6以及工业平板电脑8均与电源电连接。
23.使用本实用新型分析检测装置时：将待测样品靶材3放置在压电平台2上，开启工业平板电脑8，通过工业平板电脑8控制压电平台2在x、y、z三向移动，确保激光发生器6与样
品靶材3表面之间存在一定的调节距离，调节距离由实际测试情况决定，比如靶材较厚时，调节距离应大一些；靶材较薄时，调节距离小一些。开启激光发生器6，激光发生器6产生波长为1064nm的激光束，激光束通过通过13照射在聚焦透镜7上，经聚焦透镜7聚焦后，照射到样品靶材3上，通过工业平板电脑8控制压电平台2在x、y、z三向移动，使激光束经聚焦透镜7聚焦后的激光焦点作用于样品靶材3表面。样品靶材3表面在激光焦点照射下产生等离子体；开启多通道光谱仪4，多通道光谱仪4的五个通道同时捕捉等离子体光信号，然后，通过工业平板电脑8控制压电平台2的水平移动频率与激光出射频率同步，使激光每次作用于样品靶材3表面的位置都不相同，以确保激光照射到样品靶材3上时能够产生相对稳定的等离子体。多通道光谱仪4将采集的等离子体光信号转换成电信号，并将该电信号传输至工业平板电脑8，工业平板电脑8将接收到的电信号进行处理形成等离子体光谱信息，并予以显示。同时，对等离子体光谱信息进行数据定性定量分析，得出待测样品中所含元素的基本信息。通过工业平板电脑8自带的无线传输模块可以将该待测样品中所含元素的基本信息实时传输给远程实验室，也可以通过工业平板电脑8上的usb接口9将数据导出。
24.检测过程中，摄像头5用于监测样品靶材3的位置。摄像头5将拍摄的图像信号转换成数字信号传输至工业平板电脑8，通过工业平板电脑8控制压电平台2的移动范围，防止样品靶材3移出激光直射范围。四个收光透镜11用于降低激光漫反射，减少光谱信息损失。四个收光透镜11各自的焦点位置可通过旋转镜筒进行手动调节，也可以通过安装在自身镜座内的电动转轴进行微调，电动转轴可与工业平板电脑8相连接，通过改变收光透镜11的聚焦位置来达到对焦的目的，从而使四个收光透镜11与聚焦透镜7的焦点保持一致。
25.压电平台2采用可进行x、y、z三向调节的压电陶瓷平台，方便调整样品靶材3的位置。
26.多通道光谱仪4采用爱万提斯多通道光谱仪，并且五个通道的测量波段均不同，彼此之间通过usb扩展坞连接，可实现200-600nm全波段的光谱测量。
27.工业平板电脑8是具有无线联网功能的小型计算机，包括一块触摸屏和内部集成处理器，用于控制整个设备运行以及对多通道光谱仪4输出数据进行分析处理。
28.电源可安装在壳体内部任何位置，用于给整个装置进行供电，可采用安全性高、能量密度大的三元锂电池。