[發明專利]激光光譜誘導成分檢測系統

有效

• 申請號: 201110360773.7
• 申請日: 2011-11-15
• 公開（公告）號: CN102841075A
• 公開（公告）日: 2012-12-26
• 發明（設計）人: 趙天卓;余錦;樊仲維;劉洋;張雪;黃科;麻云鳳;聶樹真;李晗
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電研究院;北京國科世紀激光技術有限公司
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63;G01J3/28
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技術領域

本發明涉及一種新型激光光譜誘導檢測系統，特別是涉及一種采用激光匯聚在鋼水表面，通過針對所激發等離子體光譜進行分析，得到鋼水成分的在線檢測系統，屬于激光檢測技術領域。

背景技術

激光誘導等離子體光譜(Laser?Induced?Plasma?Spectroscopy，LIPS)技術，是一種利用脈沖激光燒蝕物質產生等離子體，通過等離子體發射光譜來定性或定量研究物質成份的分析技術。它具有適用范圍廣、分析速度快、測量破壞性小、可遠程非接觸測量以及可實現實時、原位檢測等優點。

LIPS是基于激光和材料相互作用產生的發射光譜的一種定量分析技術，該方法在測量過程中只需幾微克即可，故可實現非破壞測量；無需樣品預處理即可實現對任何物理狀態物質的元素分析，使LIPS技術應用范圍非常廣泛；LIPS技術是光學應用技術，可測量分析遠達幾十米處的樣品，其遠程分析能力對危險、高溫環境或敵對環境中有非常大的吸引力；使用LIPS技術進行成份分析，整個過程只需十秒左右，實時性和快速性非常良好；LIPS技術可通過定標對物質中痕量元素進行定量分析，且檢測限和精密度完全滿足應用需求。憑借LIPS技術本身所固有的優勢，使其在近十年來倍受關注，通過不斷的研究和完善，現已廣泛應用于眾多領域。

將基于LIPS技術的分析設備用于鋼鐵冶煉，實現材料冶煉過程中的成份在線測量，解決冶煉過程只能事前計算分析、事后檢測，無法在事中進行控制的問題。目前鋼鐵工業采用的離線分析方法不僅耗時，而且將導致接近3％的鋼產量最終降級甚至廢棄。我國作為鋼鐵生產大國，2010年全國粗鋼產量為62665萬噸，鋼鐵行業平均噸鋼綜合能耗為615千克標準煤，按國家統計局每度電折0.404千克標準煤計算，我國鋼鐵行業每年浪費能源折合電度高達429.27億度。在線檢測和閉環控制顯然是減少這種浪費的關鍵技術手段之一，可大大降低成本，節約資源。

根據LIPS分析特性可知，激光激發的光譜存在時間非常短暫，為了能夠瞬間采集到整個波段信號，必須使光譜儀具有全譜瞬態測量的特性。高分辨率的掃描型光柵光譜儀以及具有極高分辨率的時間掃描型光譜儀(傅里葉型光譜儀)并不合適。雖然平像場光柵光譜儀能夠一定程度上滿足靜態測量的需求，但是對于同時滿足高分辨率、寬波段，通常需要多個通道集合共同完成全譜段的測試。由于激光誘導等離子光譜測試系統精度較高，采用不同的分光系統與探測器，現有的常規光譜測試的一致性較難實現。而中階梯光柵光譜儀有體積小、分辨率、全譜瞬態直讀的特點，在LIPS系統應用中具有明顯優勢。它能夠同時實現該系統對分光系統的各項指標要求，并且系統穩定性較高、檢出限較低，靈敏度較高，能夠實現高分辨率、全譜段精確測量。中階梯光柵光譜儀具有體積小、分辨率、全譜瞬態直讀的特點，在LIPS系統應用中具有明顯優勢。中階梯光柵光譜儀分光系統示意圖如圖3所示，入射光經棱鏡進行橫向色散，在經中階梯光柵進行主方向色散，從而在像面上呈現二維重疊光譜，采用面陣探測器進行接收。

針對金屬冶煉過程中的鋼水成分在線檢測，目前國內外尚無相關的產品，也沒有相關的專利保護內容。而本發明針對金屬冶煉過程中的鋼水成分在線檢測實際需求，提出了高實用性的技術方案，解決了金屬冶煉過程中的鋼水成分在線檢測的誘導激光導引、原子蒸汽吸收光譜干擾等問題，具有很好的實用意義。

發明內容

本發明目的在于提供一種針對金屬冶煉過程中的激光誘導光譜檢測系統，用來針對鋼水成分進行實時的在線分析。

本發明的目的是這樣實現的：

本發明涉及的激光光譜誘導在線鋼水成分檢測系統，如圖1和圖2所示，包括：凹面反射鏡1、凸面反射鏡2、窗口鏡3、套管4、鋼爐5、計算機6、檢測點距離動態監測系統7、反饋調節控制裝置8、激光光源9、光束折轉系統10、中階梯光柵光譜儀13、積分延遲探測系統14、激光光束質量調節系統11。還可以將凹面反射鏡1和凸面反射鏡2構成的光學聚焦結構替換成透鏡組12。

在所述的技術方案中，所述的凹面反射鏡1和凸面反射鏡2用來將誘導激勵的激光束匯聚到被檢測的鋼水表面上；

在所述的技術方案中，所述的窗口鏡3用來密封鋼爐；

在所述的技術方案中，所述的套管4用來將鋼爐中的激光束進行密封，并深入鋼水表面；

在所述的技術方案中，所述的鋼爐5是冶煉的鋼爐，內部包含大量鋼水；

在所述的技術方案中，所述的計算機6是金屬冶煉過程中激光誘導光譜檢測系統的控制和顯示分析中心；