[發明專利]自動聚焦式激光誘導擊穿光譜檢測系統及其檢測方法

有效

• 申請號: 201510415570.1
• 申請日: 2015-07-16
• 公開（公告）號: CN105067568B
• 公開（公告）日: 2017-10-20
• 發明（設計）人: 王靜鴿;李新忠;李賀賀;李秋澤;甄志強;李立本
• 申請（專利權）人: 河南科技大學
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 洛陽公信知識產權事務所(普通合伙)41120
• 代理人: 羅民健

技術領域

本發明涉及激光誘導擊穿光譜檢測領域，具體為一種具有自動聚焦功能的激光誘導擊穿光譜檢測系統及其檢測方法。

背景技術

激光誘導擊穿光譜(LIBS)技術是近些年迅速發展起來的一種物質成分分析方法，已經被廣泛應用于工業過程控制、環境污染檢測、空間探測、農產品檢測等領域。LIBS技術利用脈沖激光激發待測樣品，當聚焦光斑處的能量密度超過靶材樣品的電離閾值時，樣品材料經過蒸發、氣化和原子化后電離，形成高溫、高密度的等離子體。等離子體的輻射光包含了樣品組分元素對應的光譜信息，對等離子體進行探測就可以實現被測樣品成分的定性或定量分析。與傳統的光譜分析方法相比，LIBS具有簡便、快速，對樣品尺寸、形狀及物理性質要求不嚴格，無須煩瑣的樣品預處理過程等優點，并且結合光纖技術LIBS技術可在惡劣環境下實現遠程多組分、原位、在線、實時、痕量檢測。

盡管LIBS具有很多優點，但是在實際應用過程中它也表現出了一些缺點和困難有待進一步克服，如檢測精度低、信號重復性和穩定性差等，從而限制了LIBS技術的應用化和商品化。如何進一步提高LIBS技術的分析性能已經成為目前該領域研究的主要方向。LIBS的檢測性能與激發樣品產生的等離子體特性有密切關系，由于LIBS技術以脈沖激光作為激發光源，脈沖激光在樣品表面的聚焦狀況會直接影響等離子體的輻射特性，國內外很多研究學者開展了大量的研究工作研究樣品表面到聚焦透鏡的距離對等離子體參數的具體影響，研究結果表明透鏡位置小范圍的變化都會引起光譜信號很大的波動，不同聚焦狀況下產生的等離子體特性也有很大的變化。實際應用中，一般很難保證待測樣品表面都是平整的，即透鏡到樣品表面的距離不能保證是一個常數，因此，在進行多點測量時就容易造成光譜信號較大的波動，進而造成樣品成分的定量分析精度較低。

本發明目的是提供一種具有自動聚焦功能的激光誘導擊穿光譜檢測系統，實現激發光源在樣品表面的自動聚焦，以解決LIBS技術中由于樣品表面高低不平引起的信號穩定性和重復性差的問題。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案為：自動聚焦式激光誘導擊穿光譜檢測系統，包括兩個對焦光源、激光器、光學檢測探頭、信號采集與處理模塊、自動聚焦模塊、檢測探頭位置調節模塊；

所述的檢測探頭位置調節模塊與光學檢測探頭連接，調節改變光學檢測探頭的位置與角度；

所述的光學檢測探頭上設有呈夾角設置的自動聚焦透鏡和入射激光聚焦透鏡，以及采集等離子體光譜信號的收集透鏡，兩個對焦光源分別設置在自動聚焦透鏡和入射激光聚焦透鏡的上方，且兩個對焦光源的光軸分別與自動聚焦透鏡和入射激光聚焦透鏡的光軸重合，入射激光聚焦透鏡設置在檢測樣品正上方；

所述的激光器通過二向色鏡將激光通過入射激光聚焦透鏡照射在檢測樣品上。

所述的信號采信與處理模塊包括對收集透鏡收集的等離子信號進行采集的光纖和與光纖相連接的光譜儀，光譜儀通過電荷耦合器件與PC機連接；

所述的自動聚焦模塊包括成像鏡頭、CCD探測器和圖像采集卡，CCD探測器通過成像鏡頭采集自動聚焦透鏡和入射激光聚焦透鏡照射在檢測樣品上的光斑位置信息，CCD探測器將光斑位置信息通過圖像采集卡傳輸給PC機，PC機控制檢測探頭位置調節模塊，調節兩個光斑的位置重合，完成自動調焦。

所述的檢測探頭位置調節模塊包括運動控制器、電機驅動器和步進電機，PC機的驅動信號傳輸給運動控制器，運動控制器通過電機驅動器控制步進電機運動，步進電機與光學檢測探頭的外壁連接。

本發明所述的激光器為1064nm的Nd：YAG脈沖激光器，對焦光源是532nm的半導體激光器。

自動聚焦式激光誘導擊穿光譜檢測系統的檢測方法，包括以下步驟，

步驟一、在PC機中存儲未離焦的自動聚焦透鏡和入射激光聚焦透鏡在檢測樣品上相重疊的光斑圖像信號；

步驟二、開啟兩個對焦光源，CCD探測器通過成像鏡頭將照射在檢測樣品表面的兩個激光光斑圖像信息轉換為視頻信號，視頻信號再經過圖像采集卡轉換為數字信號傳輸給PC機，通過PC機對光斑圖像信號進行檢測分析；

步驟三、若光斑圖像信號與未離焦的光斑圖像信號是一致，直接執行步驟五，反之，執行步驟四；

步驟四、PC機根據光斑的位置辯別離焦方向，根據分析計算出離焦量的大小，根據光斑信息與離焦方向和距離之間的數據關系，檢測探頭位置調節模塊使光學檢測探頭向聚焦平面移動直到調焦完成，實現自動對焦；