[发明专利]激光光谱诱导成分检测系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型激光光谱诱导检测系统，特别是涉及一种采用激光汇聚在钢水表面，通过针对所激发等离子体光谱进行分析，得到钢水成分的在线检测系统，属于激光检测技术领域。

背景技术

激光诱导等离子体光谱(Laser Induced Plasma Spectroscopy，LIPS)技术，是一种利用脉冲激光烧蚀物质产生等离子体，通过等离子体发射光谱来定性或定量研究物质成份的分析技术。它具有适用范围广、分析速度快、测量破坏性小、可远程非接触测量以及可实现实时、原位检测等优点。

LIPS是基于激光和材料相互作用产生的发射光谱的一种定量分析技术，该方法在测量过程中只需几微克即可，故可实现非破坏测量；无需样品预处理即可实现对任何物理状态物质的元素分析，使LIPS技术应用范围非常广泛；LIPS技术是光学应用技术，可测量分析远达几十米处的样品，其远程分析能力对危险、高温环境或敌对环境中有非常大的吸引力；使用LIPS技术进行成份分析，整个过程只需十秒左右，实时性和快速性非常良好；LIPS技术可通过定标对物质中痕量元素进行定量分析，且检测限和精密度完全满足应用需求。凭借LIPS技术本身所固有的优势，使其在近十年来倍受关注，通过不断的研究和完善，现已广泛应用于众多领域。

将基于LIPS技术的分析设备用于钢铁冶炼，实现材料冶炼过程中的成份在线测量，解决冶炼过程只能事前计算分析、事后检测，无法在事中进行控制的问题。目前钢铁工业采用的离线分析方法不仅耗时，而且将导致接近3％的钢产量最终降级甚至废弃。我国作为钢铁生产大国，2010年全国粗钢产量为62665万吨，钢铁行业平均吨钢综合能耗为615千克标准煤，按国家统计局每度电折0.404千克标准煤计算，我国钢铁行业每年浪费能源折合电度高达429.27亿度。在线检测和闭环控制显然是减少这种浪费的关键技术手段之一，可大大降低成本，节约资源。

根据LIPS分析特性可知，激光激发的光谱存在时间非常短暂，为了能够瞬间采集到整个波段信号，必须使光谱仪具有全谱瞬态测量的特性。高分辨率的扫描型光栅光谱仪以及具有极高分辨率的时间扫描型光谱仪(傅里叶型光谱仪)并不合适。虽然平像场光栅光谱仪能够一定程度上满足静态测量的需求，但是对于同时满足高分辨率、宽波段，通常需要多个通道集合共同完成全谱段的测试。由于激光诱导等离子光谱测试系统精度较高，采用不同的分光系统与探测器，现有的常规光谱测试的一致性较难实现。而中阶梯光栅光谱仪有体积小、分辨率、全谱瞬态直读的特点，在LIPS系统应用中具有明显优势。它能够同时实现该系统对分光系统的各项指标要求，并且系统稳定性较高、检出限较低，灵敏度较高，能够实现高分辨率、全谱段精确测量。中阶梯光栅光谱仪具有体积小、分辨率、全谱瞬态直读的特点，在LIPS系统应用中具有明显优势。中阶梯光栅光谱仪分光系统示意图如图3所示，入射光经棱镜进行横向色散，在经中阶梯光栅进行主方向色散，从而在像面上呈现二维重叠光谱，采用面阵探测器进行接收。

针对金属冶炼过程中的钢水成分在线检测，目前国内外尚无相关的产品，也没有相关的专利保护内容。而本发明针对金属冶炼过程中的钢水成分在线检测实际需求，提出了高实用性的技术方案，解决了金属冶炼过程中的钢水成分在线检测的诱导激光导引、原子蒸汽吸收光谱干扰等问题，具有很好的实用意义。

发明内容

本发明目的在于提供一种针对金属冶炼过程中的激光诱导光谱检测系统，用来针对钢水成分进行实时的在线分析。

本发明的目的是这样实现的：

本发明涉及的激光光谱诱导在线钢水成分检测系统，如图1和图2所示，包括：凹面反射镜1、凸面反射镜2、窗口镜3、套管4、钢炉5、计算机6、检测点距离动态监测系统7、反馈调节控制装置8、激光光源9、光束折转系统10、中阶梯光栅光谱仪13、积分延迟探测系统14、激光光束质量调节系统11。还可以将凹面反射镜1和凸面反射镜2构成的光学聚焦结构替换成透镜组12。

在所述的技术方案中，所述的凹面反射镜1和凸面反射镜2用来将诱导激励的激光束汇聚到被检测的钢水表面上；

在所述的技术方案中，所述的窗口镜3用来密封钢炉；

在所述的技术方案中，所述的套管4用来将钢炉中的激光束进行密封，并深入钢水表面；

在所述的技术方案中，所述的钢炉5是冶炼的钢炉，内部包含大量钢水；

在所述的技术方案中，所述的计算机6是金属冶炼过程中激光诱导光谱检测系统的控制和显示分析中心；