[发明专利]一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统及应用

摘要

一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统及应用，包括激光器、计算机、时序控制系统、光谱探测系统、光路系统以及快门系统，其中激光器作为光源发出脉冲激光；计算机用于设定时序控制和光谱分析；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、快门系统和光谱探测系统；光谱探测系统用于获得激光诱导击穿光谱信号；光路系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集；快门系统由时序控制系统进行控制，实现对光学系统的保护。快门系统在样品激发和信号测量的短时间内打开，在其他时间段关闭，使光学系统与粉尘和高温环境物理隔离。本发明对光学元件保护性强，测量安全性好，适用探测波段范围广，同时易于维护。可用于冶炼炉体、粉尘管道等检测环境。

主权项

一种可用于粉尘和高温环境的激光诱导击穿光谱测量系统，其特征在于：包括激光器、计算机、时序控制系统、光谱探测系统、光路系统以及快门系统；其中激光器作为光源发出脉冲激光；计算机用于设定时序控制和光谱分析；时序控制系统通过脉冲输出控制激光器、快门系统和光谱探测系统；光谱探测系统用于获得激光诱导击穿光谱信号，其积分时间和延迟时间可根据系统性能和使用要求进行调节；光路系统用于激光聚焦和等离子体信号光采集；快门系统由时序控制系统进行控制，实现对光学系统的保护，其大小和速度可根据系统性能和使用要求进行调节；开始测量时，通过计算机发送指令到时序控制系统，时序控制系统发出脉冲打开快门系统并触发激光器；激光器发出的脉冲激光经过光路系统和快门系统聚焦到样品表面，样品表面产生的等离子体信号经光路系统采集并传输到光谱探测系统；时序控制系统发出脉冲触发光谱探测系统，通过光谱探测系统获得相应延迟时间和积分时间的激光诱导击穿光谱信号；时序控制系统发出脉冲触发并关闭快门系统；根据测量需求重复测量过程，获得满足分析要求的光谱信号，送入计算机用于后续成份分析；所述时序控制系统通过对激光器、快门系统和光谱探测系统的精确时序控制，使快门系统在样品激发和信号测量的短时间内即毫秒量级时间内打开，在其他时间段关闭，使光学系统与粉尘和高温环境物理隔离，减少应用场合中粉尘对光学系统中光学元件的污染，降低高温辐射对光学元件和光学系统性能的影响；快门在样品激发和信号测量的短时间内，即毫秒量级打开，在其他时间段关闭，使光学系统与粉尘和高温环境物理隔离；通过对激光器、快门系统和光谱探测系统的精确时序控制，即可达10纳秒量级，达到最大限度的防止应用场合中粉尘对光学元件的污染，降低高温辐射对光学元件和光学系统性能的影响；由于等离子体存在时间为几百纳秒到十几微秒，光谱采集系统最短积分时间可根据设备性能进行优选，即光谱探测系统最优积分时间为大于等离子体存在时间的光谱探测设备最短积分时间；所述快门系统的快门速度根据测量激光脉冲频率、激光等离子体存在时间以及光谱积分时间和延迟时间进行优选；整个光路系统与真空腔体上的标准法兰接口进行连接；a.冶金过程开始前，插板阀处于关闭状态，真空辅助系统开始工作，等真空度达到一定要求时，等待冶炼开始；b.冶炼开始后，需要进行成分测量时，通过计算机发送指令到时序控制系统（3），发出脉冲触发并打开插板阀，快门处于关闭状态；c.开始测量时，时序控制系统发出脉冲触发并打开快门；d.时序控制系统发出脉冲触发激光器，发出的脉冲激光经过观察窗进入光路系统真空腔体，通过介质膜反射镜反射到凸面反射镜上，由凹面反射镜聚焦到熔融金属液（17）上；产生的等离子体信号沿原光路返回，透过介质膜反射镜，由透镜聚焦并通过光纤馈入法兰和光纤导出到光谱仪，获得激光诱导击穿光谱信号；e.单次测量结束后，时序控制系统（3）触发并关闭快门；f.通过精密电控平移台自动调节焦距，重复步骤c到步骤e，确认光谱信号最佳位置；g.在最佳聚焦位置处，重复步骤c到步骤e，获得激光诱导击穿光谱信号；h.对所测得激光诱导击穿光谱信号进行分析，得到当前熔融金属液的成分信息；i.冶炼过程中需要成分测量时，重复步骤c到步骤h；j.完成测量过程后，时序控制系统触发并关闭插板阀；若采用激光脉冲频率为10Hz，光谱仪积分时间为0.5ms，延迟时间为0.5ms，快门开启和关闭响应时间为2ms，则单次测量时光学系统暴露时间为3ms，快门系统遮挡效率约为97％。