一种高温熔体的成分检测设备的制作方法

1.本实用新型属于光谱检测及分析技术领域，特别涉及一种高温熔体的成分检测设备。


背景技术：

2.激光烧蚀光谱分析（laser induced breakdown spectroscopy，libs）技术，激光聚焦在测试位点，当激光脉冲的能量密度大于击穿阈值时，即可产生等离子体。基于这种特殊的等离子体剥蚀技术，通常在原子发射光谱技术中分别独立的取样、原子化、激发三个步骤均可由脉冲激光激发源一次实现。在钢铁和有色冶金行业，可以应用libs技术对冶炼过程高温熔体成分进行检测，以指导对工艺参数的调控，这对制品质量的提升和降能增效来说至关重要。
3.由于冶炼现场空间大小限制以及连接线缆长度的限制，当前的激光诱导击穿光谱检测仪依赖分体的设备实现检测，而设备整体占据空间过大，改动能力差，在冶炼现场中的应用十分不便，检测效率受到较大限制。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于提供一种高温熔体的成分检测设备，能够在冶炼现场高效检测高温熔体的成分。
5.为解决上述技术问题，本实用新型是通过以下技术方案实现的：
6.本实用新型提供的一种高温熔体的成分检测设备，其特征在于，包括：
7.设备壳体；
8.激光器，固定在所述设备壳体内；
9.光谱发生器，固定在所述设备壳体内；
10.光谱采集器，安装在所述设备壳体内，且所述光谱采集器电性连接于所述光谱发生器；以及
11.数据处理器，安装在所述设备壳体内，且所述数据处理器电性连接于所述光谱采集器；其中，所述光谱发生器包括：
12.第一聚焦镜片，安装在所述设备壳体内，且允许所述第一聚焦镜片沿着激光束的发射方向移动，且所述第一聚焦镜片的中心位于激光束的发射方向上；
13.分色结构，安装在所述设备壳体内，且所述分色结构设置在所述激光器和所述第一聚焦镜片之间，所述分色结构允许激光束透过，且允许所述分色结构反射入射光线；以及
14.耦合器，安装在所述设备壳体内，且所述耦合器固定在所述分色结构反射入射光线的一侧。
15.在本实用新型一实施例中，所述分色结构包括分色镜片，所述分色镜片与水平线间有一预设夹角，且所述预设夹角为30
°
~60
°
。
16.在本实用新型一实施例中，所述分色镜片包括透光面，所述透光面设置在靠近所
述激光器的一侧。
17.在本实用新型一实施例中，所述分色镜片包括反射面，所述反射面设置在靠近所述第一聚焦镜片的一侧。
18.在本实用新型一实施例中，所述分色结构包括第二聚焦镜片，所述第二聚焦镜片设置在所述分色镜片和所述耦合器之间。
19.在本实用新型一实施例中，所述设备壳体上安装增透镜片，所述增透镜片与所述第一聚焦镜片的中心位于同一水平线上。
20.在本实用新型一实施例中，所述设备壳体内安装有扩束镜片，且所述扩束镜片位于所述激光器和所述分色结构之间。
21.在本实用新型一实施例中，所述光谱采集器和所述耦合器通过光纤连接。
22.在本实用新型一实施例中，所述光谱采集器安装在所述激光器的一侧，所述数据处理器安装在所述激光器的另一侧。
23.如上所述，本实用新型提供了一种高温熔体的成分检测设备，能够在冶炼现场对高温熔体进行在线成分检测，无需采样，且能快速得到检测的数据结果。且本实用新型提供的高温熔体的成分检测设备，保持高效检测的同时，结构和分布紧凑，能够以一体化的设备形式在冶炼现场应用，并且不受线缆长度限制，现场调节十分方便。
24.当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
25.在此了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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。
26.图1为本实用新型一实施例中所述检测设备的内部安装结构示意图。
27.图2为本实用新型一实施例中激光器和光谱发生器的内部结构示意图。
28.图3为光谱发生器内部结构示意图。
29.图4为本实用新型一实施例中所述检测设备的外部结构示意图。
30.标号说明：1、被测件；10、设备壳体；101、底板；1011、线缆通道；102、检测窗口；103、盖板；20、激光器；201、第一器件壳体；21、支撑座；22、激光组件；221、发射端；23、发射窗口；30、光谱发生器；301、第二器件壳体；302、接收窗口；31、扩束镜片；32、分色结构；320、保护壳；321、第一通孔；322、分色镜片；323、第二通孔；324、第二聚焦镜片；325、第三通孔；33、第一聚焦镜片；331、支杆；34、防护镜片；35、底座；351、滑槽；352、滑块；353、动力杆；36、耦合器；40、增透镜片；50、光谱采集器；60、数据处理器；70、控制器；80、电源件；90、传输接口；100、电源接口；110、散热件；120、测距器；130、成像器；140、法兰板；150、固定件。
具体实施方式
31.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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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作出创造性劳动前提下
所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。
32.激光诱导击穿光谱技术中，等离子体能量衰退过程中产生连续的轫致辐射以及内部元素的离子发射线，并通过光纤光谱仪采集光谱发射信号，分析谱图中元素对应的特征峰强度即可以用于样品的定性以及定量分析。原子光谱和粒子光谱的波长和特定元素是对应的，且光谱强度也与元素的含量相关，因此通过本实用新型提供的激光诱导击穿光谱检测系统，应用于冶炼现场，可在一体式的系统设备中，直接对冶炼过程中的高温熔体进行成分检测，不依赖于取样检测，耗时短且检测结果可较快得到。
33.请参阅图1-图4所示，本实用新型提供了一种高温熔体的成分检测设备，所述检测设备包括设备壳体10、激光器20、光谱发生器30、光谱采集器50和数据处理器60。其中，设备壳体10内固定有底板101，激光器20、光谱采集器50、数据处理器60和控制器70固定在底板101上。设备壳体10上设置有检测窗口102，且检测窗口102内固定有增透镜片40，激光器20发射出的激光束通过光谱发生器30和增透镜片40，并达到检测物料。其中，设备壳体10包括盖板103，且盖板103和设备壳体10的壳体本体为螺栓连接，设备壳体10的壳体本体为一体成型。激光器20发出的高能量激光光束通过光谱发生器30聚焦和调整光路后，通过增透镜片40后聚焦在被测件1的表面。其中，被测件1为冶炼现场的物料，且物料为高温熔体。激光束使物料表面烧蚀并产生等离子体信号光，而等离子体信号光会再次通过增透镜片40，并被光谱发生器30获取。光谱发生器30将等离子体信号光耦合处理后，传输给光谱采集器50，从而完成被测件1的光谱数据采集。然后通过数据处理器60对光谱数据进行处理分析，并将分析数据传输至外部的中控终端，从而实现对高温熔体的在线成分检测。其中，光谱采集器50和数据处理器60集成为数据整合装置，通过数据整合装置对等离子光经过耦合的光谱信息进行采集和处理。
34.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，激光器20包括第一器件壳体201、支撑座21和激光组件22。其中，支撑座21固定在第一器件壳体201内，激光组件22安装在支撑座21上，支撑座21能够为激光组件22提供基础高度，以确保激光发射的位置利于光谱发生器30的接收。在本实用新型中，不限定激光组件22的具体类型，在本实施例中，激光组件22为半导体激光器，能够提供激发物料产生等离子体的所需能量，易于集成，有利于提升设备壳体10内部的器件紧凑程度。在其他实施例中，激光组件22为固定激光组件、气体激光组件、液体激光组件，以及自由电子激光组件中的一种，以适应冶炼现场的需求。第一器件壳体201靠近光谱发生器30的一侧设置有发射窗口23。激光组件22包括发射端221，激光组件22将激光束通过发射端221发出，激光束从发射窗口23射出，进入光谱发生器30中。
35.请参阅图1-图3所示，在本实用新型一实施例中，光谱发生器30包括第二器件壳体301、扩束镜片31、分色结构32、第一聚焦镜片33和防护镜片34，扩束镜片31、分色结构32、第一聚焦镜片33和防护镜片34安装在第二器件壳体301内，且扩束镜片31、分色结构32、第一聚焦镜片33和防护镜片34按照激光束发射方向排列分布。其中，扩束镜片31、第一聚焦镜片33、防护镜片34和增透镜片40的中心位于同一高度，且沿激光束发射方向分布，以利于激光束的最大化输出，减少激光束的传输损失。其中，第二器件壳体301靠近激光器20的一侧设置有接收窗口302，且接收窗口302覆盖发射窗口23，以利于激光束完整进入第二器件壳体301内。发射端221发出的激光束经过扩束镜片31扩展后，穿过分色结构32，再经由第一聚焦镜片33聚焦，穿过防护镜片34和增透镜片40到达被测件1的表面。其中，第一聚焦镜片33为
长焦透镜或望远镜结构聚焦镜组。
36.请参阅图1-图3所示，在本实用新型一实施例中，分色结构32包括保护壳320，保护壳320靠近扩束镜片31的一侧设置有第一通孔321，以使扩散后的激光束穿过第一通孔321，进入保护壳320内。保护壳320内安装有分色镜片322，分色镜片322包括透光面，且所述透光面设置在靠近发射端221的一侧，激光束能够从所述透光面穿透分色镜片322。分色镜片322包括反射面，所述反射面设置在靠近第一聚焦镜片33的一侧，入射的等离子光到达反射面后，被分色镜片322反射并发生光路改变。保护壳320与第一通孔321相对的一侧设置有第二通孔323，当激光束烧蚀物料表面产生等离子光，等离子光穿过增透镜片40、防护镜片34和第一聚焦镜片33，通过第二通孔323进入保护壳320内。其中，分色镜片322与水平线间有一预设夹角，且所述预设夹角为30
°
~60
°
，在本实施例中，分色镜片322相较于水平线的夹角为45
°
。保护壳320内还安装有第二聚焦镜片324，经分色镜片322反射的等离子光通过第二聚焦镜片324聚焦。保护壳320上设置有第三通孔325，被第二聚焦镜片324聚焦的等离子光穿过第三通孔325。第二器件壳体301内安装有耦合器36，穿过第三通孔325的等离子光被耦合器36接收并耦合至光纤中。耦合器36电性连接于光谱采集器50。具体的，耦合器36将等离子光的光谱数据通过光纤传输给光谱采集器50。其中，耦合器36为光电传感器。
37.请参阅图1-图3所示，在本实用新型一实施例中，光谱发生器30包括固定在第二器件壳体301内的底座35，底座35上设置有滑槽351，滑槽351内滑动连接有滑块352。其中，滑块352上固定有支杆331，且第一聚焦镜片33连接于支杆331的一端。滑块352带动支杆331沿着滑槽351移动，从而使第一聚焦镜片33沿着激光束的发射方向移动，从而调整激光束的聚焦位置。具体的，激光束聚焦在被测件1的表面。其中，滑块352的移动动力源为是气缸或伺服电机。在本实施例中，滑块352的移动动力源为气缸，且气缸的输出端连接有动力杆353，动力杆353连接于滑块352。
38.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，光谱发生器30和增透镜片40之间的距离大于等于激光器20和光谱发生器30之间的距离，以在提升设备壳体10内器件紧凑程度的基础上，便于耦合器36和光谱采集器之间的线缆连接。如图1和图2所示，激光器20和光谱发生器30之间的距离体现为发射窗口23到接收窗口302之间的距离，且该距离为d1。光谱发生器30和增透镜片40之间的距离体现为耦合器36和增透镜片40之间的距离，且该距离为d2。则d2≥d1。其中，d1的范围为5mm~15mm，具体的，d1为10mm、12mm。d2的范围为5mm~20mm，具体的，d2为12mm、15mm。
39.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，光谱采集器50固定在底板101上，且光谱采集器50和耦合器36电性连接。数据处理器60固定在底板101上，且数据处理器60和光谱采集器50电性连接。其中，光谱采集器50的两侧连接有光纤，且一侧的光纤连接于耦合器36，另一侧的光纤连接于数据处理器60。耦合器36将收集到的等离子光信号处理为电信号，再通过光纤传输给光谱采集器50。具体的，光谱采集器50为光谱探测器，能够将电信号转换为光谱数据，并将光谱数据传输至数据处理器60。在本实施例中，数据处理器60为单片机，能够对光谱数据进行处理，得到被测件1的成分信息。
40.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，光谱采集器50和数据处理器60固定在光谱发生器30的两侧，以提升设备壳体10内器件的紧凑程度。设备壳体10内还固定有控制器70，控制器70电性连接于光谱发生器30、光谱采集器50和数据处理器60，以控制光
谱发生器30、光谱采集器50和数据处理器60的工作时序。具体的，控制器70为可编程控制器件（programmable logic controller，plc），且控制器70内存储有程序指令，以控制光谱发生器30、光谱采集器50和数据处理器60按照预设时序工作。
41.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，设备壳体10内固定有电源件80，其中电源件80电性连接于光谱发生器30、光谱采集器50、数据处理器60和控制器70等。其中，控制器70和电源件80设置在激光器20的一侧，且为与光谱发生器30相对的一侧。控制器70靠近激光器20的一侧和电源件80靠近激光器20的一侧齐平，数据处理器60靠近控制器70的一侧和激光器20靠近控制器70的一侧齐平，以在数据处理器60和控制器70之间形成线缆通道1011。连接在不同器件之间的线缆能够通过线缆通道1011进行统一的布线分配，从而提升设备壳体10内线缆的有序性，以使设备壳体10内的器件结构分布紧凑有序。其中，如图1所示，线缆通道1011的宽度为d，且d的范围为45mm~60mm，具体的，d为50mm、52mm、55mm。
42.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，激光器20、光谱发生器30、光谱采集器50、数据处理器60、控制器70和电源件80固定在底板101上。以上所述的器件包括器件壳体，在器件壳体的两侧连接设置有法兰板140，且法兰板140和器件壳体为一体成型。法兰板140和底板101之间连接固定件150。其中，固定件150螺钉。
43.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，设备壳体10上设置有传输接口90和电源接口100，且传输接口90和电源接口100设置在激光器20的背侧，以降低激光器20发射端221一侧的接线复杂程度。传输接口90与控制器70通过线缆连接。传输接口90用于检测设备与外部的数据交互，如控制命令、光谱信号和成分信息的数据传输交互。为保证远距离传输，传输接口90设置为网口。电源接口100与电源件80电性连接，且电源接口100用于外部电源线缆与电源件80的插拔连接，不受线缆长度的限制，以便于设备的安装维护。
44.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，设备壳体10上安装有散热件110，散热件110设置在激光器20的背侧，且散热件110位于传输接口90和电源接口100之间。在本实施例中，散热件110为风冷器件，具体的，散热件110为风扇，以降低设备壳体10内部的温度，保障设备内部的器件运行。
45.请参阅图1和图2所示，在本实用新型一实施例中，设备壳体10上安装有测距器120和成像器130，测距器120和成像器130电性连接于光谱采集器50。其中，测距器120和增透镜片40设置在同一侧，用于检测被测件1与检测窗口102的距离，以便于调节第一聚焦镜片33的位置，从而使激光束能聚焦在被测件1的表面，提升烧蚀效果。在本实用新型中，不限定测距器120的类型，在本实施例中，测距器120是电子自动测距器或超声波测距器。成像器130和增透镜片40设置在同一侧，用于检测冶炼现场的成像情况，以便于对冶炼现场的工况进行了解。测距器120和成像器130设置在增透镜片40的两侧，以提升设备的结构紧凑程度。
46.本实用新型提供了一种高温熔体的成分检测设备，包括激光器、光谱发生器、光谱采集器和数据处理器，且激光器、光谱发生器、光谱采集器和数据处理器设置在同一设备壳体内。在本实用新型中，光谱发生器内包括第一聚焦镜片、分色结构、扩束镜片，在对物理表面进行烧蚀获得等离子光信号的同时，还能获取等离子光信号，进行光谱数据的收集和处理，从而在冶炼现场，实现对物料成分的快速在线检测。
47.在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“示例”、“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实
施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
48.以上公开的本实用新型实施例只是用于帮助阐述本实用新型。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该实用新型仅为所述的具体实施方式。显然，根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本实用新型的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本实用新型。本实用新型仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。