本實用新型涉及光學儀器技術領域，尤其涉及一種遠程LIBS探頭測量裝置。

背景技術：

激光誘導擊穿光譜技術(Laser Induced Breakdown Spectroscopy，簡稱LIBS)，是一種新型原子光譜分析技術，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樣品的元素分析。該技術操作簡單，測量速度快，測量范圍廣，具有多相測定能力，能夠完成復雜物質所含元素的定性和定量分析。由于具有上述優(yōu)點，LIBS廣泛的應用在冶金分析、環(huán)境監(jiān)測、地質勘探、在線監(jiān)控、國防等領域。

傳統(tǒng)意義上，LIBS技術應用過程中，可直接對待測樣品進行近距離的測試與分析，但在某些特定的領域及環(huán)境下，如化工領域的高溫高壓環(huán)境、含有放射性物質測試環(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)。

技術實現要素：

本實用新型旨在提供一種遠程LIBS探頭測量裝置，能進行戶外在線原位探測，在某些特定的環(huán)境下，如化工領域的高溫高壓環(huán)境、含有放射性物質測試環(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方案如下：

一種遠程LIBS探頭測量裝置，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；

所述制冷模塊包括溫度傳感器和制冷設備，溫度傳感器、制冷設備分別與計算機電連接，計算機接收溫度傳感器信號并控制制冷設備工作；所述制冷設備包括循環(huán)通道和水冷機，所述循環(huán)通道環(huán)繞探頭模塊、收集模塊和外觸發(fā)檢測模塊；

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，還包括除塵模塊，所述除塵模塊包括保護氣體噴口，所述保護氣體噴口設有電磁閥，電磁閥與計算機電連接。

進一步的，所述保護氣體噴口為兩個，兩個保護氣體噴口分別安裝在聚焦透鏡和凹面反射鏡的側邊。

優(yōu)選的，所述溫度傳感器安裝在探頭模塊的側邊處。

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相互作用，并激發(fā)待測樣品產生等離子體，等離子體信號產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，初始入射激光經凹透鏡作用，呈發(fā)散狀繼續(xù)傳播；經一定的距離后，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，使激光光束經凸透鏡后呈平形狀傳播。光束繼續(xù)傳播到達聚焦透鏡，經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，當等離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，信號經由凹面反射鏡反射并聚焦，焦點處放置光纖探頭，信號經過探頭的耦合并經由光纖傳送進入光譜儀。

所述光纖探頭置于信號經由凹面反射鏡反射并聚焦的焦點處，將信號耦合并經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置。

所述光譜儀的工作模式設定為外觸發(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，并對結果進行檢測和記錄。

所述的除塵模塊中的保護氣體噴口可以在裝置工作時，發(fā)出保護氣體在光學鏡片周圍形成氣簾，防止鏡片粘上灰塵。

所述的制冷模塊中的溫度傳感器可檢測環(huán)境溫度的變化，使制冷模塊對裝置進行適時地冷卻。

本實用新型具有以下優(yōu)點：

1、本實用新型獨特的光路設計，使得裝置體積小、結構緊湊、質量輕，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、本實用新型的除塵模塊可在光學鏡片周圍發(fā)出保護氣體形成氣簾，防止鏡片粘上灰塵，提高光學傳輸效率，滿足高塵環(huán)境下使用。

3、本實用新型的制冷模塊中的溫度傳感器可以檢測環(huán)境溫度的變化，使制冷模塊適時地釋放出冷流體對裝置進行循環(huán)冷卻，既使裝置可以在高溫環(huán)境下使用，又可起到節(jié)能的作用。

4、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直效果。

5、本實用新型可以用于化工、鋼鐵領域的高溫高塵環(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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、本實用新型具有樣品來源判斷能力，通過與數據庫對比，可對樣品來源進行分類判斷。

10、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處理。

附圖說明

圖1為本實用新型的結構框圖；

圖2為本實用新型結構示意圖；

圖3為激光擴束示意圖；

圖4牛頓反射收集系統(tǒng)示意圖；

圖5為外觸發(fā)系統(tǒng)示意圖；

圖6為本實用新型對白水晶樣品的分析光譜圖；

圖7為本實用新型對陶瓷樣品的分析光譜圖；

圖8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、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖，對本實用新型進行進一步詳細說明。

如圖1-2所示，一種遠程LIBS探頭測量裝置，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；所述制冷模塊包括溫度傳感器和制冷設備，溫度傳感器、制冷設備分別與計算機10電連接，計算機10接收溫度傳感器信號并控制制冷設備工作；還包括除塵模塊，所述除塵模塊包括保護氣體噴口，所述保護氣體噴口設有電磁閥，電磁閥與計算機10電連接；所述激光器1、延時器8和光譜儀9分別與計算機電連接。所述保護氣體噴口為兩個，兩個保護氣體噴口分別安裝在聚焦透鏡4和凹面反射鏡5的側邊。所述制冷設備包括循環(huán)通道和水冷機，所述循環(huán)通道環(huán)繞探頭模塊、收集模塊和外觸發(fā)檢測模塊。所述溫度傳感器安裝在探頭模塊的側邊處。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3所示，激光器1發(fā)射出脈沖激光，脈沖激光經過由凹透鏡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臏手毙Ч?，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相互作用，并激發(fā)待測樣品產生等離子體，等離子體信號產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4所示，由于待測樣品與牛頓反射收集系統(tǒng)存在一定距離，當等離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，信號經過探頭的耦合并經由光纖傳送進入光譜儀9。

如圖5所示，光電管7被以一定的角度安置于激光器1側邊處，當脈沖激光發(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，最終信號經延時器8觸發(fā)光譜儀9工作。最終，在計算機10上呈現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關系，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6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7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遠程測量的應用提供一定的基礎。

當然，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的情況下，熟悉本領域的技術人員可根據本實用新型作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本實用新型所附的權利要求的保護范圍。