專利名稱：具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光感生光譜測(cè)量技術(shù)，具體是一種具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激 光感生光譜測(cè)量裝置及控制方法。
技術(shù)背景激光感生光譜(Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS)是一種新型光 譜分析技術(shù)，利用聚焦的強(qiáng)脈沖激光激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生等離子體，通過分析等離子 體中的原子或離子發(fā)光光譜獲得物質(zhì)元素成分含量信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品的元素分 析。LIBS技術(shù)具有樣品制備簡(jiǎn)單、多元素同步分析、分析速度快等優(yōu)點(diǎn)，因 此該技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種物質(zhì)的定性或定量分析，有著巨大的實(shí)用價(jià)值。目 前，LIBS技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于環(huán)境污染監(jiān)測(cè)、工業(yè)產(chǎn)品檢測(cè)和考古分析等領(lǐng)域。在采用激光感生光譜技術(shù)進(jìn)行物質(zhì)元素成分分析時(shí)，需要將激光聚焦在被 分析物質(zhì)表面下某一負(fù)離焦量處，即激光聚焦點(diǎn)的位置要控制在被分析物質(zhì)表 面下、滿足測(cè)量要求的距離范圍內(nèi)，此外，入射激光的離焦量變化對(duì)等離子體 的形成影響較大，決定了等離子體產(chǎn)生的效率和效果，而且準(zhǔn)確控制激光的聚 焦點(diǎn)位置可以提高激發(fā)的功率密度，在相同功率密度的情況下則可降低脈沖激 光源的功率；另外，需要將光纖探頭對(duì)準(zhǔn)激光激發(fā)出來的等離子體，才能高效、 有效采集脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子體發(fā)出的特征光譜，減少雜散光和背景光 的影響，最大限度的提高所采集特征光譜的強(qiáng)度，才能提高分析的精度。因此，激光聚焦點(diǎn)位置的控制與光纖探頭的對(duì)準(zhǔn)控制是激光感生光譜技術(shù)的兩大重點(diǎn)。而現(xiàn)有激光感生光譜測(cè)量裝置中都難以保證激光聚焦點(diǎn)位置的精 確控制和光纖探頭的準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)，本領(lǐng)域的技術(shù)人員總要在設(shè)備和試驗(yàn)裝置的調(diào) 試中做很多工作，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整才能獲得一個(gè)較為理想的設(shè)備狀態(tài)，但是該狀 態(tài)卻不能保證其最優(yōu)性和多次調(diào)整的重復(fù)性。這是因?yàn)樵诂F(xiàn)有激光感生光譜測(cè) 量裝置的調(diào)整方法中，激光聚焦點(diǎn)位置的調(diào)整是依靠量具測(cè)量和人眼觀察等離 子體發(fā)光點(diǎn)來確定的，由于不同人的視差存在差異，必然導(dǎo)致調(diào)整的不一致性， 而且當(dāng)樣品表面不平整和不規(guī)則時(shí)，調(diào)整的難度和不確定性還會(huì)進(jìn)一步增大。光纖探頭的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整除依靠人眼觀察外，主要通過觀察激光激發(fā)物質(zhì)產(chǎn)生 的等離子體在光譜儀中的譜線強(qiáng)弱來實(shí)現(xiàn)。但是由于如下原因使得光纖探頭對(duì) 準(zhǔn)難度過大，不易實(shí)現(xiàn)光纖探頭準(zhǔn)確對(duì)準(zhǔn)1、脈沖激光器激發(fā)能量不穩(wěn)定(通 常脈沖激光器激發(fā)能量的穩(wěn)定度在±3%)，兩次激發(fā)后，光譜儀采集的數(shù)據(jù)存在較大波動(dòng)；2、脈沖激光對(duì)物質(zhì)激發(fā)后產(chǎn)生的光譜譜線較多，選擇適合的波 長(zhǎng)譜線及穩(wěn)定光強(qiáng)作為參照量存在難度；3、脈沖激光的不連續(xù)性。另外，考慮到激光感生光譜測(cè)量裝置在實(shí)際應(yīng)用中的具體情況。雖然激光 感生光譜測(cè)量裝置的各儀器大都有防震動(dòng)措施和裝置，但是難免因工作環(huán)境或 其他意外因素使設(shè)備偏離最佳工作狀態(tài)，在這種情況下如果沒有有效的自調(diào)整 和校準(zhǔn)手段，將難以保證激光感生光譜測(cè)量裝置正常穩(wěn)定的工作。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明為了解決現(xiàn)有激光感生光譜測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)激光聚焦點(diǎn)調(diào)整和光纖 探頭對(duì)準(zhǔn)的調(diào)整方法存在難度大、無法保證調(diào)整效果的問題，提供了一種具有 自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置及控制方法。本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置，包括待測(cè)物品放置平臺(tái)、光譜采集分析組件；所述光譜采集分析組 件包含光譜儀、受光譜儀控制的脈沖激光器、至少一個(gè)經(jīng)傳導(dǎo)光纖與光譜儀相 應(yīng)通道相連的光纖探頭，待測(cè)物品放置平臺(tái)置于脈沖激光器的正下方，脈沖激 光器的光學(xué)窗口與待測(cè)物品放置平臺(tái)正對(duì)設(shè)置，且脈沖激光器的光學(xué)窗口前設(shè) 置有聚焦透鏡；所述測(cè)量裝置還包括計(jì)算機(jī)、輔助光源組件、以及計(jì)算機(jī)經(jīng)由 電控單元控制的對(duì)焦調(diào)整組件和光纖探頭角度調(diào)整組件，光譜采集分析組件中 的光譜儀與計(jì)算機(jī)相連；所述對(duì)焦調(diào)整組件包括光學(xué)放大透鏡組、經(jīng)光學(xué)放大透鏡組與待測(cè)物品放 置平臺(tái)上與聚焦透鏡正對(duì)區(qū)域正對(duì)的CCD圖像傳感器、以及設(shè)置于待測(cè)物品 放置平臺(tái)下的電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，CCD圖像傳感器經(jīng)接口電路與計(jì)算機(jī)相連，電 動(dòng)升降機(jī)構(gòu)與電控單元相連；所述光纖探頭角度調(diào)整組件由各光纖探頭分別配設(shè)的電控旋轉(zhuǎn)裝置構(gòu)成， 各電控旋轉(zhuǎn)裝置與電控單元相連；所述輔助光源組件包含與計(jì)算機(jī)相連的電控恒流源、以45。角傾斜設(shè)置于 脈沖激光器與聚焦透鏡之間的選擇透反透鏡、與光纖探頭一一對(duì)應(yīng)的頻段校準(zhǔn) 光源，頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出的光的波長(zhǎng)在對(duì)應(yīng)光纖探頭的光譜測(cè)量范圍內(nèi)，各頻 段校準(zhǔn)光源與選擇透反透鏡之間設(shè)置有使頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出的光由選擇透反 透鏡反射后平行入射聚焦透鏡的光學(xué)鏡片組件，或者頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出的光直 接經(jīng)由選擇透反透鏡反射后平行入射聚焦透鏡，各頻段校準(zhǔn)光源與電控恒流源 相連。其中，脈沖激光器的光學(xué)窗口與聚焦透鏡間的選擇透反透鏡是經(jīng)過鍍膜 處理的鏡片，用于透射脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光，反射頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出的 校準(zhǔn)輔助光。具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置的控制方法，包括對(duì)焦調(diào)整 步驟和光纖探頭角度調(diào)整步驟；
所述對(duì)焦調(diào)整步驟包含如下步驟
a、 將被分析物質(zhì)放于待測(cè)物品放置平臺(tái)上；
b、 由計(jì)算機(jī)控制電控恒流源打開任一頻段校準(zhǔn)光源，被打開頻段校準(zhǔn)光 源發(fā)出恒定亮度的平行光，直接經(jīng)由選擇透反透鏡反射后平行入射聚焦透鏡， 或者經(jīng)由光學(xué)鏡片組件入射選擇透反透鏡，經(jīng)選擇透反透鏡反射后平行入射聚 焦透鏡，經(jīng)聚焦透鏡聚焦，在被分析物質(zhì)表面形成光斑；
c、 由計(jì)算機(jī)經(jīng)接口電路控制CCD圖像傳感器實(shí)時(shí)采集光斑圖像，并對(duì)光 斑圖像處理后，計(jì)算光斑核的有效面積；其中，CCD圖像傳感器前的光學(xué)放 大透鏡組實(shí)現(xiàn)光斑放大，便于光斑在CCD圖像傳感器上成像；
d、 計(jì)算機(jī)根據(jù)計(jì)算得到的光斑核有效面積數(shù)據(jù)，經(jīng)電控單元控制待測(cè)物 品放置平臺(tái)下的電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)動(dòng)作，使電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)帶動(dòng)待測(cè)物品放置平臺(tái)向 著光斑核有效面積減少的方向升降，直到光斑核有效面積減少到計(jì)算機(jī)內(nèi)保存 的預(yù)定閾值以下，則控制電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)停動(dòng)，完成測(cè)量裝置對(duì)焦；
所述光纖探頭角度調(diào)整步驟包含如下步驟
e、 由計(jì)算機(jī)控制電控恒流源打開其中一頻段校準(zhǔn)光源，被打開頻段校準(zhǔn) 光源發(fā)出恒定亮度的平行光，直接經(jīng)由選擇透反透鏡反射后平行入射聚焦透 鏡，或者經(jīng)由光學(xué)鏡片組件入射選擇透反透鏡，經(jīng)選擇透反透鏡反射后平行入 射聚焦透鏡，經(jīng)聚焦透鏡聚焦，在被分析物質(zhì)表面形成光斑；
f、 由計(jì)算機(jī)確定光纖探頭掃描范圍、及掃描起始點(diǎn)，要保證光斑位于光 纖探頭掃描范圍內(nèi)，并啟動(dòng)光譜儀；g、 計(jì)算機(jī)經(jīng)電控單元控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源對(duì)應(yīng)的光纖探頭配置的 電控旋轉(zhuǎn)裝置動(dòng)作，使該電控旋轉(zhuǎn)裝置帶動(dòng)光纖探頭由掃描起始點(diǎn)開始，在步 驟f中確定的光纖探頭掃描范圍內(nèi)逐行或逐列進(jìn)行掃描，尋找光斑；同時(shí)，計(jì) 算機(jī)經(jīng)由光譜儀實(shí)時(shí)讀取與被打開頻段校準(zhǔn)光源對(duì)應(yīng)的光纖探頭的實(shí)時(shí)掃描 數(shù)據(jù)^(A)，計(jì)算與實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)D")對(duì)應(yīng)的平均值^，比較實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)
"(A')中與被打開頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值與平均值n大?。?br> h、 當(dāng)實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"W)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)
據(jù)值明顯大于實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)D^)的平均值萬時(shí)，計(jì)算機(jī)采用爬山法控制與被 打開頻段校準(zhǔn)光源對(duì)應(yīng)的光纖探頭配置的電控旋轉(zhuǎn)裝置動(dòng)作，使該電控旋轉(zhuǎn)裝
置帶動(dòng)光纖探頭進(jìn)行微步距掃描，直至在實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)D")中獲得與被打開 頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最大數(shù)據(jù)值，則控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源 對(duì)應(yīng)的光纖探頭配置的電控旋轉(zhuǎn)裝置停動(dòng)，完成測(cè)量裝置中與被打開頻段校準(zhǔn) 光源對(duì)應(yīng)的光纖探頭對(duì)準(zhǔn)調(diào)整；所述爬山法是數(shù)據(jù)搜索領(lǐng)域中的常用方法。
其中，如實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"W)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng) 的數(shù)據(jù)值為光譜儀輸出量程的最大值時(shí)，則說明光斑亮度太強(qiáng)導(dǎo)致光譜儀輸入 飽和，則由計(jì)算機(jī)控制電控恒流源降低被打開頻段校準(zhǔn)光源的發(fā)光強(qiáng)度，重復(fù) 進(jìn)行步驟g、 h，直至完成測(cè)量裝置中與被打開頻段校準(zhǔn)光源對(duì)應(yīng)的光纖探頭對(duì) 準(zhǔn)調(diào)整；
i、 重復(fù)進(jìn)行步驟e至h，直至完成測(cè)量裝置中所有光纖探頭的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整。 本發(fā)明所述測(cè)量裝置在經(jīng)過上述控制方法調(diào)整后，即可對(duì)放于待測(cè)物品放
置平臺(tái)上的被分析物質(zhì)實(shí)施分析光譜儀在計(jì)算機(jī)控制下，控制脈沖激光器發(fā) 出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)選擇透反透鏡透射后，平行入射聚焦透鏡，經(jīng)聚焦透鏡聚焦到被分析物質(zhì)上，激發(fā)被分析物質(zhì)產(chǎn)生等離子體，等離子體中原子或離子的發(fā)光光譜經(jīng)由光纖探頭采集，經(jīng)傳導(dǎo)光纖傳輸至光譜儀，由光譜儀進(jìn)行分析。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明增設(shè)輔助光源組件、對(duì)焦調(diào)整組件和光纖探頭角度調(diào)整組件，直接對(duì)被分析物質(zhì)進(jìn)行激光聚焦點(diǎn)位置調(diào)整和光纖探頭對(duì)準(zhǔn)，由輔助光源組件為對(duì)焦調(diào)整組件和光纖探頭角度調(diào)整組件提供連續(xù)光源，使得激光感生光譜測(cè)量裝置中激光聚焦點(diǎn)位置的控制與光纖探頭的對(duì)準(zhǔn)控制有了切
實(shí)可靠的依據(jù)，擺脫了人為觀察調(diào)整帶來的不確定性；對(duì)焦調(diào)整組件以CCD圖像傳感器采集由輔助光源組件在待測(cè)物品放置平臺(tái)上被分析物質(zhì)表面形成的光斑圖像，將光斑圖像提供給計(jì)算機(jī)分析，由計(jì)算機(jī)控制電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)，改變待測(cè)物品放置平臺(tái)高度，高精度完成本發(fā)明所述測(cè)量裝置的對(duì)焦調(diào)整，提高激光激發(fā)等離子體時(shí)的功率密度，提高等離子體產(chǎn)生的效率和效果；光纖探頭角度調(diào)整組件以電控旋轉(zhuǎn)裝置控制光纖探頭對(duì)被分析物質(zhì)表面進(jìn)行掃描，捕捉由輔助光源組件在待測(cè)物品放置平臺(tái)上被分析物質(zhì)表面形成的光斑圖像核心，使光纖探頭高精度對(duì)準(zhǔn)激光聚焦點(diǎn)位置，從而使得光譜儀通過光纖探頭能高效、有效采集脈沖激光激發(fā)產(chǎn)生的等離子體發(fā)出的特征光譜，提高光譜儀對(duì)被分析物質(zhì)的分析精度。且本發(fā)明所述測(cè)量裝置的控制方法以全自動(dòng)化方式實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)化程度高，使得本發(fā)明所述測(cè)量裝置可以在無需人為干預(yù)的情況下連續(xù)進(jìn)行測(cè)量，提高了測(cè)量裝置的適用性和測(cè)量效率。
本發(fā)明所述測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用效果好，控制方法簡(jiǎn)單、合理，高精度實(shí)現(xiàn)激光聚焦點(diǎn)調(diào)整和光纖探頭對(duì)準(zhǔn)。


圖1為本發(fā)明所述測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)方框圖；圖2為本發(fā)明所述測(cè)量裝置的一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明所述測(cè)量裝置的另一種結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明所述測(cè)量裝置的第三種結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為光纖探頭掃描范圍及掃描起始點(diǎn)的示意圖；圖6為CCD圖像傳感器采集到的光斑圖像；圖7為圖6中光斑圖像經(jīng)處理后的光斑核圖像；
圖中l(wèi)-待測(cè)物品放置平臺(tái)；2-光譜儀；3-脈沖激光器；4、 5、 6-傳導(dǎo)光纖；7、 8、 9-光纖探頭；10-聚焦透鏡；ll-計(jì)算機(jī)；12-光學(xué)放大透鏡組；13-CCD圖像傳感器；14-電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)；15-接口電路；16、 17、 18-電控旋轉(zhuǎn)裝置；19-電控恒流源；20-選擇透反透鏡；21、 22、 23-頻段校準(zhǔn)光源；24-光學(xué)鏡片組件；25-反射鏡；26、 27-選擇透反透鏡；28-反射鏡；29-被分析物質(zhì)；30-光斑；31-光纖探頭掃描范圍；32-掃描起始點(diǎn)；33-電控單元。
具體實(shí)施例方式
具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置，包括待測(cè)物品放置平臺(tái)1、光譜采集分析組件；所述光譜采集分析組件包含光譜儀2、受光譜儀2控制的脈沖激光器3、至少一個(gè)經(jīng)傳導(dǎo)光纖4與光譜儀2相應(yīng)通道相連的光纖探頭7，待測(cè)物品放置平臺(tái)1置于脈沖激光器3的正下方，脈沖激光器3的光學(xué)窗口與待測(cè)物品放置平臺(tái)1正對(duì)設(shè)置，且脈沖激光器3的光學(xué)窗口前設(shè)置有聚焦透鏡10;所述測(cè)量裝置還包括計(jì)算機(jī)ll、輔助光源組件、以及計(jì)算機(jī)ll經(jīng)由電控單元33控制的對(duì)焦調(diào)整組件和光纖探頭角度調(diào)整組件，光譜采集分析組件中的光譜儀2與計(jì)算機(jī)11相連，如圖1所示；所述對(duì)焦調(diào)整組件包括光學(xué)放大透鏡組12、經(jīng)光學(xué)放大透鏡組12與待測(cè)物品放置平臺(tái)1上與聚焦透鏡10正對(duì)區(qū)域正對(duì)的CCD圖像傳感器13、以及設(shè)置于待測(cè)物品放置平臺(tái)1下的電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)14， CCD圖像傳感器13經(jīng)接口電路15與計(jì)算機(jī)11相連，電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)14與電控單元33相連；
所述光纖探頭角度調(diào)整組件由各光纖探頭7分別配設(shè)的電控旋轉(zhuǎn)裝置16構(gòu)成，各電控旋轉(zhuǎn)裝置16與電控單元33相連；
所述輔助光源組件包含與計(jì)算機(jī)11相連的電控恒流源19、以45°角傾斜設(shè)置于脈沖激光器3與聚焦透鏡10之間的選擇透反透鏡20、與光纖探頭7 —一對(duì)應(yīng)的頻段校準(zhǔn)光源21，頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出的光的波長(zhǎng)在對(duì)應(yīng)光纖探頭7的光譜測(cè)量范圍內(nèi)，各頻段校準(zhǔn)光源21與選擇透反透鏡20之間設(shè)置有使頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出的光由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10的光學(xué)鏡片組件24，或者頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出的光直接經(jīng)由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10，各頻段校準(zhǔn)光源21與電控恒流源19相連。
具體實(shí)施時(shí)，如圖4所示，頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出的光直接經(jīng)由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10，由于脈沖激光器3的光學(xué)窗口與聚焦透鏡10間的距離有限，不便過多設(shè)置選擇透反透鏡20，因此，圖4所示結(jié)構(gòu)適用于僅設(shè)置單一光纖探頭7的、應(yīng)用單通道光譜儀實(shí)現(xiàn)單一頻段范圍光譜測(cè)量分析的測(cè)量裝置；如圖2、 3所示，設(shè)置于各頻段校準(zhǔn)光源7與選擇透反透鏡20之間使頻段校準(zhǔn)光源7發(fā)出的光由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10的光學(xué)鏡片組件24至少可以按圖2、 3中公開的結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，光傳導(dǎo)過程列舉如下如圖2所示，其中一頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出的光經(jīng)由反射鏡25反射后，依次透射選擇透反透鏡26、 27，再經(jīng)由反射鏡28反射后，入射選擇透反透鏡20，由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10;如圖3所示，其中一頻段校準(zhǔn)光源22發(fā)出的光經(jīng)由選擇透反透鏡26反射后，透射選擇透反透鏡27，入射選擇透反透鏡20，由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10。且光學(xué)鏡片組件24亦應(yīng)用了選擇透反透鏡26、 27，用于反射與選擇透反透鏡對(duì)應(yīng)的頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出的光，透射其它頻段校準(zhǔn)光源發(fā)出的光。
具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置的控制方法，包括對(duì)焦調(diào)整步驟和光纖探頭角度調(diào)整步驟；
所述對(duì)焦調(diào)整步驟包含如下步驟
a、 將被分析物質(zhì)29放于待測(cè)物品放置平臺(tái)1上；
b、 由計(jì)算機(jī)11控制電控恒流源19打開任一頻段校準(zhǔn)光源21，被打開頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出恒定亮度的平行光，直接經(jīng)由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡IO，或者經(jīng)由光學(xué)鏡片組件24入射選擇透反透鏡20，經(jīng)選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10，經(jīng)聚焦透鏡10聚焦，在被分析物質(zhì)29表面形成光斑30;
c、 由計(jì)算機(jī)11經(jīng)接口電路15控制CCD圖像傳感器13實(shí)時(shí)采集光斑圖像(如圖6所示)，并對(duì)光斑圖像處理后(如圖7所示)，計(jì)算光斑核的有效面積；其中，CCD圖像傳感器13前的光學(xué)放大透鏡組12實(shí)現(xiàn)光斑30放大，便于光斑30在CCD圖像傳感器13上成像；
d、 計(jì)算機(jī)11根據(jù)計(jì)算得到的光斑核有效面積數(shù)據(jù)，經(jīng)電控單元33控制待測(cè)物品放置平臺(tái)1下的電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)14動(dòng)作，使電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)14帶動(dòng)待測(cè)物品放置平臺(tái)1向著光斑核有效面積減少的方向升降，直到光斑核有效面積減少到計(jì)算機(jī)ll內(nèi)保存的預(yù)定閾值以下，則控制電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)14停動(dòng)，完成測(cè)量裝置對(duì)焦；
所述光纖探頭角度調(diào)整步驟包含如下步驟
e、 由計(jì)算機(jī)11控制電控恒流源19打開其中一頻段校準(zhǔn)光源21，被打開頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出恒定亮度的平行光，直接經(jīng)由選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡IO，或者經(jīng)由光學(xué)鏡片組件24入射選擇透反透鏡20，經(jīng)選擇透反透鏡20反射后平行入射聚焦透鏡10，經(jīng)聚焦透鏡10聚焦，在被分析物質(zhì)29表面形成光斑30;
f、 如圖5所示，由計(jì)算機(jī)11確定光纖探頭掃描范圍31、及掃描起始點(diǎn)32，要保證光斑30位于光纖探頭掃描范圍31內(nèi)，并啟動(dòng)光譜儀2;
g、 計(jì)算機(jī)11經(jīng)電控單元33控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源21對(duì)應(yīng)的光纖探頭7配置的電控旋轉(zhuǎn)裝置16動(dòng)作，使該電控旋轉(zhuǎn)裝置16帶動(dòng)光纖探頭7由掃描起始點(diǎn)32開始，在步驟f中確定的光纖探頭掃描范圍31內(nèi)逐行或逐列進(jìn)行掃描，尋找光斑30;同時(shí)，計(jì)算機(jī)11經(jīng)由光譜儀2實(shí)時(shí)讀取與被打開頻段校準(zhǔn)光源16對(duì)應(yīng)的光纖探頭7的實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)D")，計(jì)算與實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"")對(duì)應(yīng)的平均值^，比較實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"^)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值與平均值^大?。?br> h、 當(dāng)實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"W)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)
的數(shù)據(jù)值明顯大于實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)^W的平均值萬時(shí)，計(jì)算機(jī)11采用爬山法控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源21對(duì)應(yīng)的光纖探頭7配置的電控旋轉(zhuǎn)裝置16動(dòng)作，使該電控旋轉(zhuǎn)裝置16帶動(dòng)光纖探頭7進(jìn)行微步距掃描，直至在實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"(A)中獲得與被打開頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的最大數(shù)據(jù)值，則控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源21對(duì)應(yīng)的光纖探頭7配置的電控旋轉(zhuǎn) 置16停動(dòng)，完成測(cè)量裝置中與被打開頻段校準(zhǔn)光源21對(duì)應(yīng)的光纖探頭7對(duì)準(zhǔn)調(diào)整；
其中，如實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"^)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源21發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)
應(yīng)的數(shù)據(jù)值為光譜儀2輸出量程的最大值時(shí)，則說明光斑30亮度太強(qiáng)導(dǎo)致光譜儀2輸入飽和，則由計(jì)算機(jī)11控制電控恒流源19降低被打開頻段校準(zhǔn)光源21的發(fā)光強(qiáng)度，重復(fù)進(jìn)行步驟g、 h，直至完成測(cè)量裝置中與被打開頻段校準(zhǔn)光源21對(duì)應(yīng)的光纖探頭7對(duì)準(zhǔn)調(diào)整；
i、重復(fù)進(jìn)行步驟e至h，直至完成測(cè)量裝置中所有光纖探頭7的對(duì)準(zhǔn)調(diào)整。
權(quán)利要求
1、一種具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置，包括待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)、光譜采集分析組件；所述光譜采集分析組件包含光譜儀(2)、受光譜儀(2)控制的脈沖激光器(3)、至少一個(gè)經(jīng)傳導(dǎo)光纖(4)與光譜儀(2)相應(yīng)通道相連的光纖探頭(7)，待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)置于脈沖激光器(3)的正下方，脈沖激光器(3)的光學(xué)窗口與待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)正對(duì)設(shè)置，且脈沖激光器(3)的光學(xué)窗口前設(shè)置有聚焦透鏡(10)；其特征在于所述測(cè)量裝置還包括計(jì)算機(jī)(11)、輔助光源組件、以及計(jì)算機(jī)(11)經(jīng)由電控單元(33)控制的對(duì)焦調(diào)整組件和光纖探頭角度調(diào)整組件，光譜采集分析組件中的光譜儀(2)與計(jì)算機(jī)(11)相連；所述對(duì)焦調(diào)整組件包括光學(xué)放大透鏡組(12)、經(jīng)光學(xué)放大透鏡組(12)與待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)上與聚焦透鏡(10)正對(duì)區(qū)域正對(duì)的CCD圖像傳感器(13)、以及設(shè)置于待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)下的電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)(14)，CCD圖像傳感器(13)經(jīng)接口電路(15)與計(jì)算機(jī)(11)相連，電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)(14)與電控單元(33)相連；所述光纖探頭角度調(diào)整組件由各光纖探頭(7)分別配設(shè)的電控旋轉(zhuǎn)裝置(16)構(gòu)成，各電控旋轉(zhuǎn)裝置(16)與電控單元(33)相連；所述輔助光源組件包含與計(jì)算機(jī)(11)相連的電控恒流源(19)、以45°角傾斜設(shè)置于脈沖激光器(3)與聚焦透鏡(10)之間的選擇透反透鏡(20)、與光纖探頭(7)一一對(duì)應(yīng)的頻段校準(zhǔn)光源(21)，頻段校準(zhǔn)光源(21)發(fā)出的光的波長(zhǎng)在對(duì)應(yīng)光纖探頭(7)的光譜測(cè)量范圍內(nèi)，各頻段校準(zhǔn)光源(21)與選擇透反透鏡(20)之間設(shè)置有使頻段校準(zhǔn)光源(7)發(fā)出的光由選擇透反透鏡(20)反射后平行入射聚焦透鏡(10)的光學(xué)鏡片組件(24)，或者頻段校準(zhǔn)光源(7)發(fā)出的光直接經(jīng)由選擇透反透鏡(20)反射后平行入射聚焦透鏡(10)，各頻段校準(zhǔn)光源(7)與電控恒流源(19)相連。
2、權(quán)利要求1所述具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置的控制 方法，包括對(duì)焦調(diào)整步驟和光纖探頭角度調(diào)整步驟；其特征在于所述對(duì)焦調(diào)整步驟包含如下步驟a、 將被分析物質(zhì)(29)放于待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)上；b、 由計(jì)算機(jī)(11)控制電控恒流源(19)打開任一頻段校準(zhǔn)光源(21)， 被打開頻段校準(zhǔn)光源(21 )發(fā)出恒定亮度的平行光，直接經(jīng)由選擇透反透鏡(20) 反射后平行入射聚焦透鏡(10)，或者經(jīng)由光學(xué)鏡片組件(24)入射選擇透反 透鏡(20),經(jīng)選擇透反透鏡(20)反射后平行入射聚焦透鏡(10)，經(jīng)聚焦透 鏡(10)聚焦，在被分析物質(zhì)(29)表面形成光斑(30);c、 由計(jì)算機(jī)(11)經(jīng)接口電路(15)控制CCD圖像傳感器(13)實(shí)時(shí)采 集光斑圖像，并對(duì)光斑圖像處理后，計(jì)算光斑核的有效面積；其中，CCD圖 像傳感器(13)前的光學(xué)放大透鏡組(12)實(shí)現(xiàn)光斑(30)放大，便于光斑(30) 在CCD圖像傳感器(13)上成像；d、 計(jì)算機(jī)(11)根據(jù)計(jì)算得到的光斑核有效面積數(shù)據(jù)，經(jīng)電控單元(33) 控制待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)下的電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)(14)動(dòng)作，使電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)(14)帶動(dòng)待測(cè)物品放置平臺(tái)(1)向著光斑核有效面積減少的方向升降，直 到光斑核有效面積減少到計(jì)算機(jī)(11)內(nèi)保存的預(yù)定閾值以下，則控制電動(dòng)升 降機(jī)構(gòu)(14)停動(dòng)，完成測(cè)量裝置對(duì)焦；所述光纖探頭角度調(diào)整步驟包含如下步驟e、 由計(jì)算機(jī)(11)控制電控恒流源(19)打開其中一頻段校準(zhǔn)光源(21)， 被打開頻段校準(zhǔn)光源(21 )發(fā)出恒定亮度的平行光，直接經(jīng)由選擇透反透鏡(20) 反射后平行入射聚焦透鏡(10)，或者經(jīng)由光學(xué)鏡片組件(24)入射選擇透反 透鏡(20)，經(jīng)選擇透反透鏡(20)反射后平行入射聚焦透鏡(10)，經(jīng)聚焦透 鏡(10)聚焦，在被分析物質(zhì)(29)表面形成光斑(30);f、 由計(jì)算機(jī)(11)確定光纖探頭掃描范圍(31)、及掃描起始點(diǎn)(32)， 要保證光斑(30)位于光纖探頭掃描范圍(31)內(nèi)，并啟動(dòng)光譜儀(2);g、 計(jì)算機(jī)(11)經(jīng)電控單元(33)控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)對(duì) 應(yīng)的光纖探頭(7)配置的電控旋轉(zhuǎn)裝置(16)動(dòng)作，使該電控旋轉(zhuǎn)裝置(16) 帶動(dòng)光纖探頭(7)由掃描起始點(diǎn)(32)開始，在步驟f中確定的光纖探頭掃 描范圍(31)內(nèi)逐行或逐列進(jìn)行掃描，尋找光斑(30);同時(shí)，計(jì)算機(jī)(11) 經(jīng)由光譜儀(2)實(shí)時(shí)讀取與被打開頻段校準(zhǔn)光源(16)對(duì)應(yīng)的光纖探頭(7) 的實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)D")，計(jì)算與實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)D")對(duì)應(yīng)的平均值5，比較實(shí)時(shí) 掃描數(shù)據(jù)"^)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值與 平均值^大?。籬、 當(dāng)實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"^)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)發(fā)出光的波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值明顯大于實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"W)的平均值^時(shí)，計(jì)算機(jī)(11)采用爬山 法控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)對(duì)應(yīng)的光纖探頭(7)配置的電控旋轉(zhuǎn)裝 置(16)動(dòng)作，使該電控旋轉(zhuǎn)裝置(16)帶動(dòng)光纖探頭(7)進(jìn)行微步距掃描，直至在實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)D")中獲得與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)發(fā)出光的波長(zhǎng) 對(duì)應(yīng)的最大數(shù)據(jù)值，則控制與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)對(duì)應(yīng)的光纖探頭(7) 配置的電控旋轉(zhuǎn)裝置(16)停動(dòng)，完成測(cè)量裝置中與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)對(duì)應(yīng)的光纖探頭(7)對(duì)準(zhǔn)調(diào)整；其中，如實(shí)時(shí)掃描數(shù)據(jù)"W)中與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)發(fā)出光的波 長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)值為光譜儀(2)輸出量程的最大值時(shí)，則說明光斑(30)亮度 太強(qiáng)導(dǎo)致光譜儀(2)輸入飽和，則由計(jì)算機(jī)(11)控制電控恒流源(19)降 低被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)的發(fā)光強(qiáng)度，重復(fù)進(jìn)行步驟g、 h，直至完成測(cè)量 裝置中與被打開頻段校準(zhǔn)光源(21)對(duì)應(yīng)的光纖探頭(7)對(duì)準(zhǔn)調(diào)整；i、重復(fù)進(jìn)行步驟e至h，直至完成測(cè)量裝置中所有光纖探頭(7)的對(duì)準(zhǔn) 調(diào)整。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光感生光譜測(cè)量技術(shù)，具體是一種具有自調(diào)整校準(zhǔn)功能的激光感生光譜測(cè)量裝置及控制方法。解決了現(xiàn)有激光感生光譜測(cè)量裝置實(shí)現(xiàn)激光聚焦點(diǎn)調(diào)整和光纖探頭對(duì)準(zhǔn)難度大等問題，測(cè)量裝置含待測(cè)物品放置平臺(tái)、光譜采集分析組件、計(jì)算機(jī)、輔助光源組件、電控單元、對(duì)焦調(diào)整組件、光纖探頭角度調(diào)整組件；對(duì)焦調(diào)整組件含光學(xué)放大透鏡組、CCD圖像傳感器、電動(dòng)升降機(jī)構(gòu)；光纖探頭角度調(diào)整組件由各光纖探頭分別配設(shè)的電控旋轉(zhuǎn)裝置構(gòu)成；輔助光源組件含電控恒流源、選擇透反透鏡、頻段校準(zhǔn)光源。控制方法含對(duì)焦調(diào)整步驟和光纖探頭角度調(diào)整步驟；測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用效果好，控制方法簡(jiǎn)單、合理，高精度實(shí)現(xiàn)激光聚焦點(diǎn)調(diào)整和光纖探頭對(duì)準(zhǔn)。
文檔編號(hào)G01N21/63GK101666745SQ20091007557
公開日2010年3月10日 申請(qǐng)日期2009年9月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月30日
發(fā)明者尹王保, 雷 張, 張生俊, 李平柱, 王學(xué)欽, 王紅兵, 羅振紅, 賈鎖堂, 閻高偉 申請(qǐng)人:太原市海通自動(dòng)化技術(shù)有限公司;山西大學(xué)