[發明專利]一種基于激光誘導擊穿光譜的多參數便攜式水質檢測系統

有效

• 申請號: 201510530916.2
• 申請日: 2015-08-26
• 公開（公告）號: CN105044051B
• 公開（公告）日: 2017-10-24
• 發明（設計）人: 許進;許平
• 申請（專利權）人: 武漢駿輝科技發展有限公司
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63;G01D21/02
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙)42222
• 代理人: 薛玲

技術領域

本發明屬于激光診斷和測量技術領域，具體涉及一種對水質的PH值、溫度、氧化性及重金屬進行快速分析的基于激光誘導擊穿光譜的多參數便攜式水質檢測系統。

背景技術

水是人類在生活、生產中必不可少的物質，而飲用水的優質又與人類生命健康密切相關。隨著經濟的快速發展，一方面是水的大量使用，另一方面是很多未經處理的生活污水和工業廢水引起的水質污染。水中的重金屬對人的健康影響頗深，對其快速、準確地檢測能有效提高飲用水的安全。

激光誘導擊穿光譜技術（Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS）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LIBS 技術應用范圍非常廣泛；使用 LIBS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；LIBS技術可通過定標對物質中痕量進行定量分析，且檢測限和精度完全滿足應用需求。

與傳統對水質檢測的技術相比，LIBS有其不可比擬的優勢，但是由于激光器、光譜儀體積的因素，導致檢測儀不便于攜帶，制約了水質檢測的方便性。另一方面，由于激光直接照射到靶樣品后，激光誘導等離子體處于一種自由膨脹狀態，等離子體柱形貌不規則。會造成等離子體的自吸效應，影響元素含量檢測的精度。因為自吸效應是由于激光等離子體中心部位發射的光子向外傳播時，被邊緣低溫區同種元素的低能態原子所吸收造成的，而且吸收主要發生在光譜線中心頻率附近，使得譜線峰值強度降低。隨著分析元素含量增大，譜線中心頻率附近會出現“凹陷”，這種嚴重自吸現象稱為自蝕（self-reversal），共振線（靈敏譜線）尤為顯著。另外，納秒脈沖激光能使材料組分的化學鍵嚴重斷裂，僅能探測到材料組分的原子或離子的 ＬＩＢＳ光譜。而飛秒激光脈寬小，光強較高，作用在材料表面的熱效應范圍小，使材料快 速電離，從而保持材料的分子結構，除探測到原子或離子的ＬＩＢＳ光譜外，還可看到材料組分的分子結構光譜。飛秒燒蝕使等離子體的壽命大大縮短，由于飛秒燒蝕是冷燒蝕過程，減少了燒蝕的體積，從而提高了ＬＩＢＳ的譜線強度和信號光譜與背景光譜的比值。

發明內容

針對上述問題及技術，本發明提供了一種基于激光誘導擊穿光譜的多參數便攜式水質檢測系統，以解決現有技術存在的水質檢測設備體積大、精度低、檢測參量單一等問題。

本發明所采用的技術方案是：一種基于激光誘導擊穿光譜的多參數便攜式水質檢測系統，其特征在于：包括激光器、光路整形裝置、用于盛放樣品水質的三維可調樣品臺、光纖光譜儀、數字脈沖延時器、嵌入式控制主板、用于檢測水質PH值得PH探頭、用于檢測水質氧化性的ORP探頭、用于檢測水質溫度的溫度探頭、用于檢測水的硬化度與礦化度的電導電極探頭、電源；所述的三維可調樣品臺、光纖光譜儀、數字脈沖延時器、用于檢測水質PH值的PH探頭、用于檢測水質氧化性的ORP探頭、用于檢測水質溫度的溫度探頭、用于檢測水的硬化度與礦化度的電導電極探頭、電源均分別與所述的嵌入式控制主板連接；所述的數字脈沖延時器與所述的激光器連接，用于控制激光器觸發和光譜信號采集間的同步延遲時間；所述的激光器發射的激光經過所述的光路整形裝置后，射到樣品水質，使其產生等離子體，被等離子體激發的原子所發射的光譜由所述的光纖光譜儀獲取，進而識別樣品中元素的組成成分及含量；樣品水質的PH值、氧化性、溫度以及硬化度與礦化度的的測量均由所述的嵌入式控制主板分別通過pH探頭、ORP探頭、溫度探頭、電導電極探頭測得。

作為優選，所述的激光器為脈寬150fs、波長800nm，單脈沖能量3uJ，重復頻率250kHz的飛秒脈沖激光器。

作為優選，所述的光路整形裝置包括第一反射平面鏡片、第二反射平面鏡片、第三反射平面鏡片、第一石英透鏡、球形反射鏡、第二石英透鏡、探頭；所述的激光器輸出的激光脈沖依次經過第一反射平面鏡片、第二反射平面鏡片、第三反射平面鏡片后，由焦距為30mm的第一石英透鏡聚焦到三維可調樣品臺，然后經直徑50mm的球形反射鏡反射，并由焦距為50mm的第二石英透鏡聚焦到光纖耦合器的探頭上，再通過光纖傳輸到所述的光纖光譜儀中，所述的光纖光譜儀處理得到的數據通過串口發送到所述的嵌入式控制主板。

作為優選，所述的三維可調樣品臺包括步進電機、平臺。