本實用新型涉及光學(xué)儀器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于LIBS技術(shù)的遠程測量裝置。

背景技術(shù)：

激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS)，是一種新型原子光譜分析技術(shù)，它利用聚集強脈沖激光將待測樣品直接激發(fā)成等離子體，通過分析等離子體中光譜信號來實現(xiàn)樣品的元素分析。該技術(shù)操作簡單，測量速度快，測量范圍廣，具有多相測定能力，能夠完成復(fù)雜物質(zhì)所含元素的定性和定量分析。由于具有上述優(yōu)點，LIBS廣泛的應(yīng)用在冶金分析、環(huán)境監(jiān)測、地質(zhì)勘探、在線監(jiān)控、國防等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)意義上，LIBS技術(shù)應(yīng)用過程中，可直接對待測樣品進行近距離的測試與分析，但在某些特定的領(lǐng)域及環(huán)境下，如化工領(lǐng)域的高溫高壓環(huán)境、含有放射性物質(zhì)測試環(huán)境及空間探測等，測試人員無法直接或近距離使用儀器及裝置進行作業(yè)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型旨在提供一種基于LIBS技術(shù)的遠程測量裝置，能進行戶外在線原位探測，在某些特定的環(huán)境下，如化工領(lǐng)域的高溫高壓環(huán)境、含有放射性物質(zhì)測試環(huán)境及空間探測等，測試人員無法直接或近距離使用儀器及裝置進行作業(yè)時，能夠保證測試人員安全測量。

為達到上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下：

一種基于LIBS技術(shù)的遠程測量裝置，包括探頭模塊、收集模塊、外觸發(fā)檢測模塊、制冷模塊、除塵模塊和計算機；

所述探頭模塊包括激光器和激光擴束系統(tǒng)，所述激光擴束系統(tǒng)包括依次同軸設(shè)置的凹透鏡、凸透鏡和聚焦透鏡；所述激光器的激光頭正對凹透鏡，所述凹透鏡位于激光頭和凸透鏡之間；

所述收集模塊包括凹面反射鏡和光纖探頭，光纖探頭位于凹面反射鏡的焦點處；

所述外觸發(fā)檢測模塊包括光電管、延時器和光譜儀；所述光電管與延時器電連接、延時器與光譜儀電連接，延時器接收光電管信號并延時觸發(fā)光譜儀工作；所述光纖探頭通過光纖連接光譜儀；

所述激光器、延時器和光譜儀分別與計算機電連接。

優(yōu)選的，所述凹面反射鏡與激光器處于同一豎直平面。

優(yōu)選的，所述光電管安裝在激光器側(cè)邊處。

優(yōu)選的，所述延時器通過串行總線與計算機連接。

優(yōu)選的，所述光電管與激光器呈30°夾角。

所述激光器的激光頭對準(zhǔn)激光擴束系統(tǒng)的激光入口，其軸線與凹透鏡、凸透鏡和聚焦透鏡三者的軸線重合。激光器發(fā)射出脈沖激光，脈沖激光先經(jīng)過擴束作用，完成擴束的脈沖激光到達聚焦鏡(焦距為5m)，脈沖激光通過聚焦鏡后，在聚焦鏡前方5m處聚焦于待測樣品的表面，聚焦激光與待測樣品物質(zhì)相互作用，并激發(fā)待測樣品產(chǎn)生等離子體，等離子體信號產(chǎn)生后將于樣品表面呈空間擴散。

所述激光擴束系統(tǒng)由一個凹透鏡、一個凸透鏡和一個聚焦透鏡組成。激光器打出的激光到達擴束系統(tǒng)前端的凹透鏡，初始入射激光經(jīng)凹透鏡作用，呈發(fā)散狀繼續(xù)傳播；經(jīng)一定的距離后，到達凹透鏡后方的擴束系統(tǒng)輸出凸透鏡，此處凸透鏡將接收發(fā)散狀的激光光束并改變激光路徑，使激光光束經(jīng)凸透鏡后呈平形狀傳播。光束繼續(xù)傳播到達聚焦透鏡，經(jīng)聚焦透鏡的聚焦作用，激光光束將在聚焦鏡后方5m處形成一個功率密度較高的光斑，進而有效與待測樣品作用，形成信號較強的等離子體，經(jīng)由收集系統(tǒng)對等離子體信號進行收集分析，并最終達到分析待測樣品組成成分的目的。

所述收集模塊為牛頓式反射望遠鏡系統(tǒng)，包括凹面反射鏡和光纖探頭。

所述凹面反射鏡的工作流程是：一定距離外的待測樣品通過與激光作用產(chǎn)生等離子體，等離子體信號將呈不規(guī)則狀態(tài)空間發(fā)散，由于待測樣品與凹面反射鏡存在一定距離，當(dāng)?shù)入x子體信號到達凹面反射鏡位置時近似呈平行狀態(tài)入射；等離子體信號入射后到達收集系統(tǒng)中的凹面反射鏡處，信號經(jīng)由凹面反射鏡反射并聚焦，焦點處放置光纖探頭，信號經(jīng)過探頭的耦合并經(jīng)由光纖傳送進入光譜儀。

所述光纖探頭置于信號經(jīng)由凹面反射鏡反射并聚焦的焦點處，將信號耦合并經(jīng)由光纖傳送進入光譜儀。

所述光電管以一定的角度安置于激光器側(cè)邊處，光電管與激光器呈30°夾角，使得光電管更好地接收散射光。當(dāng)脈沖激光由激光器發(fā)出后，激光器將不可避免的向激光束周圍發(fā)射出散射光，此時散射光到達預(yù)先安裝的光電管處，將觸發(fā)光電管工作，光電管接收散射光并將散射光的信號轉(zhuǎn)化為電信號進而將信號傳送給脈沖延時器。

所述延時器接收來自光電管的信號以觸發(fā)光譜儀工作，延時時間可以通過串口來設(shè)置。

所述光譜儀的工作模式設(shè)定為外觸發(fā)方式，接收光纖傳遞來的譜線信號，將信號按波長順序排列形成光譜，并對結(jié)果進行檢測和記錄。

本實用新型具有以下優(yōu)點：

1、本實用新型獨特的光路設(shè)計，使得裝置體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、質(zhì)量輕，整個裝置可集成到一個手提箱里面，車載到戶外進行檢測。

2、本實用新型采用的激光擴束系統(tǒng)可以改變激光路徑，使激光光束經(jīng)凸透鏡后呈平行狀傳播，能夠有效地減小激光初始的發(fā)散角，提高脈沖激光光束的準(zhǔn)直效果。

3、本實用新型可以用于化工、鋼鐵領(lǐng)域的高溫高塵環(huán)境，測試人員無法直接或近距離使用儀器及裝置進行作業(yè)的危險場合，保證測試人員的安全。

4、本實用新型具有批量樣品測試能力，可進行大批量多樣品測試。

5、本實用新型具有多相分析能力，固體、液體、氣體、懸浮顆粒均可檢測。

6、本實用新型測試范圍廣，可以測定元素周期表上的所有元素。

7、本實用新型具有樣品來源判斷能力，通過與數(shù)據(jù)庫對比，可對樣品來源進行分類判斷。

8、本實用新型測試速度快，幾十秒就可以完成樣品元素的定性和定量分析；本實用新型操作簡單，不需要對樣品進行預(yù)處理。

附圖說明

圖1為本實用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為激光擴束示意圖；

圖3牛頓反射收集系統(tǒng)示意圖；

圖4為外觸發(fā)系統(tǒng)示意圖；

圖5為本實用新型對白水晶樣品的分析光譜圖；

圖6為本實用新型對陶瓷樣品的分析光譜圖；

圖7為本實用新型的方法流程圖；

圖中：1-激光器、2-凹透鏡、3-凸透鏡、4-聚焦透鏡、5-凹面反射鏡、6-光纖探頭、7-光電管、8-延時器、9-光譜儀、10-計算機。

具體實施方式

為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。

如圖1所示，一種基于LIBS技術(shù)的遠程測量裝置，包括探頭模塊、收集模塊、外觸發(fā)檢測模塊和計算機10；所述探頭模塊包括激光器1和激光擴束系統(tǒng)，所述激光擴束系統(tǒng)包括依次同軸設(shè)置的凹透鏡2、凸透鏡3和聚焦透鏡4；所述激光器1的激光頭正對凹透鏡2，所述凹透鏡2位于激光頭1和凸透鏡3之間；所述收集模塊包括凹面反射鏡5和光纖探頭6，光纖探頭6位于凹面反射鏡5的焦點處；所述外觸發(fā)檢測模塊包括光電管7、延時器8和光譜儀9；所述光電管7與延時器8電連接、延時器8與光譜儀9電連接，延時器8接收光電管7信號并延時觸發(fā)光譜儀9工作；所述光纖探頭6通過光纖連接光譜儀9；所述激光器1、延時器8和光譜儀9分別與計算機電連接。所述凹面反射鏡5與激光器1處于同一豎直平面。所述光電管7安裝在激光器1側(cè)邊處。所述延時器8通過串行總線與計算機10連接。所述光電管7與激光器1呈30°夾角。

如圖2所示，激光器1發(fā)射出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過由凹透鏡2、凸透鏡3和聚焦透鏡4所組成的激光擴束系統(tǒng)，激光被凹透鏡2發(fā)散，到達凸透鏡3，凸透鏡3能夠有效地調(diào)節(jié)激光光束的發(fā)散角，使得具有一定發(fā)散角的激光光束近似變?yōu)槠叫泄馐蕴岣吖馐臏?zhǔn)直效果，進而使得激光光束通過聚焦透鏡4后，能夠形成一個功率密度較高的光斑，在聚焦透鏡4前方5m處放置待測樣品，聚焦激光與待測樣品物質(zhì)相互作用，并激發(fā)待測樣品產(chǎn)生等離子體，等離子體信號產(chǎn)生后將于樣品表面呈空間擴散。與激光器1處于同一豎直平面放置由凹面反射鏡5和光纖探頭6所組成的牛頓反射收集系統(tǒng)，

如圖3所示，由于待測樣品與牛頓反射收集系統(tǒng)存在一定距離，當(dāng)?shù)入x子體信號到達收集系統(tǒng)位置時近似呈平行狀態(tài)入射進入牛頓反射系統(tǒng)，其信號路徑近似如圖中實線與虛線所示；等離子體信號入射后到達收集系統(tǒng)中的凹面反射鏡5處，信號經(jīng)由凹面反射鏡5反射并聚焦，焦點處放置光纖探頭6，信號經(jīng)過探頭的耦合并經(jīng)由光纖傳送進入光譜儀9。

如圖4所示，光電管7被以一定的角度安置于激光器1側(cè)邊處，當(dāng)脈沖激光發(fā)出后，激光器1將不可避免的向激光束周圍發(fā)射出散射光，此時散射光到達預(yù)先安裝的光電管7處，將觸發(fā)光電管7工作，光電管7接收散射光并將散射光的信號轉(zhuǎn)化為電信號進而將信號傳送至脈沖延時器8處，最終信號經(jīng)延時器8觸發(fā)光譜儀9工作。最終，在計算機10上呈現(xiàn)遠距離外待測樣品的光譜譜圖，通過譜線及強度與元素及含量的對應(yīng)關(guān)系，可進一步得出待測樣品的成分組成及具體的元素含量信息等。

使用本實用新型的遠程測量方法，包括以下步驟：

步驟01：發(fā)射激光；采用計算機控制激光器發(fā)射激光光束；

步驟02：擴束聚焦；將所述激光光束進行擴束聚焦處理，所述激光光束通過激光擴束系統(tǒng)進行擴束聚焦，所述激光擴束系統(tǒng)包括凹透鏡、凸透鏡和聚焦透鏡；

步驟03：激發(fā)信號；將擴束聚焦后的激光光束與待測樣品相互作用，激發(fā)待測樣品產(chǎn)生等離子體信號；

步驟04：收集信號；采用牛頓反射收集系統(tǒng)對所述等離子體信號進行收集匯聚；

步驟05：信號耦合；將等離子體信號耦合為譜線信號，所述等離子體信號通過光纖探頭的耦合并經(jīng)由光纖傳送進入光譜儀；

步驟06：檢測分析；將譜線信號按波長順序排列形成光譜，并對結(jié)果進行檢測和記錄。

分別選取白水晶與陶瓷樣品為測試對象，對本實用新型的定性能力進行測試。圖5為使用所搭建的基于高溫環(huán)境下的遠程LIBS探頭測量裝置對白水晶樣品進行定性分析得到的光譜圖，圖6為基于高溫環(huán)境下的遠程LIBS探頭測量裝置對陶瓷樣品進行定性分析得到的光譜圖。

樣品的測試分析結(jié)果，不僅可以驗證所搭建的LIBS遠程測量系統(tǒng)定性分析能力，還能夠為將來LIBS遠程測量的應(yīng)用提供一定的基礎(chǔ)。

當(dāng)然，本實用新型還可有其它多種實施例，在不背離本實用新型精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)本實用新型作出各種相應(yīng)的改變和變形，但這些相應(yīng)的改變和變形都應(yīng)屬于本實用新型所附的權(quán)利要求的保護范圍。