[发明专利]一种矿石分类与实时定量分析的光谱检测新方法

说明书

本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱对矿石分类与实时定量分析的光谱检测新方法，该方法包括：获取若干样品被激光激发后的光谱数据，首先进行光谱预处理来降低光谱的波动性，其次通过支持向量机对全部的矿石进行准确分类，并利用主成分分析法降维，提升元素定量分析的精度，之后通过相关性变量筛选偏最小二乘回归分析(R‑PLS)改进算法，极大的降低了矿石的预测集的均方根误差以及平均相对误差。该技术去除了冗余的数据，使建模变量数大大减少，提高了运算速度。本发明基于激光诱导击穿光谱技术实现了对矿石中铁含量的定量分析，构建出一种利用激光诱导击穿光谱技术的对矿石分类与实时定量分析的光谱检测新方法。

技术领域

本发明属于全新的矿石分类与实时定量定性分析的光谱检测新方法，具体涉及一种利用激光诱导击穿光谱的成分定量分析方法、测试系统及处理算法，用于实现在低材料损耗的情况下，快速便捷地对矿石进行分类和定量分析。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术是一种利用脉冲激光对样品表面的小部分材料进行击穿并产生等离子体，等离子体冷却发光，随后对该等离子体所发射出的光谱进行分析，即是分析样品材料的组成成分的全元素检测手段。该测试手段具有诸多特点及优势。首先，激光诱导击穿光谱技术的检测过程对目标样品损伤小，仅需要对目标样品表面微克级别的材料进行击穿，可以认为是无损检测；其次，激光诱导击穿光谱技术的测试过程不需要对目标样品进行复杂的预处理，处理过程不需要使用化学试剂，对环境无污染。在测试过程中仅需要直接将脉冲激光聚焦于待测样品表面，即可得到其元素组成的相关信息；同时激光诱导击穿光谱技术对目标样品的形态没有特定的要求，对于气态，液态和固态的样品均可以进行测试；最后，由于激光诱导击穿光谱技术的测试过程是通过对光谱信息进行分析从而得到测试结果，因此其测试过程也相对传统的检测方法比较快速。

现如今，在科研以及工业应用领域，如生物医学，环境检测，港口海关，材料分析等诸多领域，对于目标样品的元素成分检测的需求都非常迫切。与化学分析方法或者高能射线探测法等传统元素测试方法相比较，激光诱导击穿光谱技术在测试过程中具备对于样品的损伤更小，样品制备等测试前准备过程更加便捷，测试过程耗时更短等特点。因此更加适合于各种需样品进行元素测试的场合。例如在生物医学相关等场合，要求测试手段能够在显微镜下操作。在港口海关，为了应对大量的货物吞吐量，在对货物进行检测时，则需要测试手段方便快速，且对于货物的损伤较小。在材料分析领域，则需要其测试手段的测试范围足够宽，并且能够尽可能地对目标样品中的各种成分进行测试和分析。正是因为激光诱导击穿光谱技术的各种特点和优势，其能够很好的满足上述各种测试场合的要求。

目前大多数研究多集中在对矿物成分、地理来源进行分类与鉴别上，以及LIBS结合化学计量学方法提升矿石分析精度。将分类和定量分析方法结合，通过支持向量机对光谱进行分类，然后采用相关性变量筛选偏最小二乘回归进行定量分析；在光谱的选择方面，依托主成分分析方法，建立光谱数据和典型元素含量线性关系，依次取出相关系数R大于0.9，0.85，…，0的光谱进行偏最小二乘回归，分别计算出决定系数R²，预测集的均方根误差(RMSEP)，平均相对误差(ARE)等信息。未经过分类的矿石经过全谱偏最小二乘回归分析后，RMSEP＝3.227％，ARE＝31.75％。而将矿石利用我们提出的这种新方法即进行分类后再进行相关性变量筛选偏最小二乘回归分析(R-PLS)，铁矿石、锰矿石、铬矿石的RMSEP分别降至0.975％、0.418％、0.123％，ARE分别降至1.46％、6.72％、1.09％。表明将矿石分类后再进行相关性变量筛选偏最小二乘回归分析大大提升了定量分析的准确性。因此，这种对矿石分类与实时定量分析的光谱检测新方法具有很大的优势。

发明内容

本发明的目的是提供一种矿石分类和实时定量分析方法、测试系统，其利用激光诱导穿击光谱的技术来实现矿石分类和实时定量分析检测。

一方面，本发明提供了一种元素定量分析方法，包括如下步骤：