一種無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，包括接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)，接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)固定在機(jī)械輔助系統(tǒng)上，接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)的上方設(shè)有脈沖激光器，接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)中端沿激光入射方向依次設(shè)有介質(zhì)膜反射鏡、反射式德望遠(yuǎn)鏡、組合錐筒，接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)的頂端設(shè)有進(jìn)氣閥門、底端設(shè)為陶瓷筒、下端側(cè)壁設(shè)有出氣口、內(nèi)腔上部與中部之間設(shè)有調(diào)風(fēng)環(huán)，介質(zhì)膜反射鏡的反射光路上設(shè)有反射式信號光采集光路并通過光纖與光譜儀連接，光譜儀和脈沖激光器分別與時序控制系統(tǒng)連接，光譜儀、時序控制系統(tǒng)和機(jī)械輔助系統(tǒng)分別與計算機(jī)連接。光路系統(tǒng)為全反射形式，可以提高發(fā)射光譜強(qiáng)度、消除系統(tǒng)色差對成分分析的影響，適用于熔融金屬的在線監(jiān)測。
【專利說明】
一種無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種高溫液態(tài)金屬成分檢測技術(shù)，尤其涉及一種無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)技術(shù)利用高能脈沖激光聚焦燒蝕樣品產(chǎn)生等離子體，通過對所獲得的等離子體發(fā)射光譜信號進(jìn)行分析得到樣品的成分和含量信息，已廣泛應(yīng)用于冶金生產(chǎn)、污水檢測、考古、太空等眾多領(lǐng)域。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中，LIBS系統(tǒng)中信號光收集一般采用單透鏡或者透鏡組耦合進(jìn)入光纖，由于單透鏡聚焦具有明顯的色差，透鏡組消除色差也只能在比較窄的波段范圍內(nèi)有效，故采用透鏡或者透鏡組收集到的信號光強(qiáng)度都不再是原本的分布，這將給后續(xù)的成分分析引入誤差;在液體表面有浮渣或者其他干擾的環(huán)境下，遠(yuǎn)程測量系統(tǒng)也不再適用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0006]本發(fā)明的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，包括接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)固定在機(jī)械輔助系統(tǒng)上，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)的上方設(shè)有脈沖激光器，所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光通過所述導(dǎo)光系統(tǒng)的頂端的入口窗進(jìn)入導(dǎo)光系統(tǒng)，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)沿激光入射方向自上而下設(shè)有介質(zhì)膜反射鏡、反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，所述介質(zhì)膜反射鏡的反射光路上設(shè)有反射式信號光采集光路并通過光纖與光譜儀連接，所述光譜儀和脈沖激光器分別與時序控制系統(tǒng)連接，所述光譜儀、時序控制系統(tǒng)和機(jī)械輔助系統(tǒng)分別與計算機(jī)連接。
[0007]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明實施例提供的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，光路系統(tǒng)為全反射形式，并可以浸入到熔融金屬內(nèi)，對熔融金屬進(jìn)行直接測量，形成較為封閉、穩(wěn)定的檢測空間，提高發(fā)射光譜強(qiáng)度;光學(xué)元件都為反射鏡，消除了系統(tǒng)色差對成分分析的影響。本發(fā)明注重對光學(xué)元件的清潔、冷卻和保護(hù)，適用探測波段范圍廣，無色差。適用于熔融金屬的在線監(jiān)測，特別是表面有浮渣或者其他遮擋物的復(fù)雜環(huán)境。
【附圖說明】
[0008]圖1為本發(fā)明實施例提供的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)的原理框圖。
[0009]圖2為本發(fā)明實施一例提供的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0010]圖3為本發(fā)明實施例一提供的光斑追跡圖。
[0011]圖4為本發(fā)明實施例二提供的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖中:
[0013]1、計算機(jī)，2、時序控制系統(tǒng)，3、脈沖激光器，4、光譜儀，5、機(jī)械輔助系統(tǒng)，6、光纖，
7、第一凸面反射鏡，8、第一凹面反射鏡，9、組合錐筒，1、出氣口，11、陶瓷筒，12、進(jìn)氣閥門，13、介質(zhì)膜反射鏡，14、第二凹面反射鏡，15、調(diào)風(fēng)環(huán)，16、第二凸面反射鏡，17、熔融金屬，18、非球面反射鏡。
【具體實施方式】
[0014]下面將對本發(fā)明實施例一作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0015]本發(fā)明的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，其較佳的【具體實施方式】是:
[0016]包括接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)固定在機(jī)械輔助系統(tǒng)上，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)的上方設(shè)有脈沖激光器，所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光通過所述導(dǎo)光系統(tǒng)的頂端的入口窗進(jìn)入導(dǎo)光系統(tǒng)，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)沿激光入射方向自上而下設(shè)有介質(zhì)膜反射鏡、反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，所述介質(zhì)膜反射鏡的反射光路上設(shè)有反射式信號光采集光路并通過光纖與光譜儀連接，所述光譜儀和脈沖激光器分別與時序控制系統(tǒng)連接，所述光譜儀、時序控制系統(tǒng)和機(jī)械輔助系統(tǒng)分別與計算機(jī)連接。
[0017]所述導(dǎo)光系統(tǒng)中的激光聚焦光路和信號光采集光路都為反射式光路。
[0018]所述信號光米集光路結(jié)構(gòu)包括施瓦茲齊德望遠(yuǎn)鏡、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡和/或非球面反射鏡。
[0019]所述時序控制系統(tǒng)包括脈沖觸發(fā)器。
[0020]所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)的底端浸入待測熔融金屬。
[0021]本發(fā)明的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，光路系統(tǒng)為全反射形式，并可以浸入到熔融金屬內(nèi)，對熔融金屬進(jìn)行直接測量，形成較為封閉、穩(wěn)定的檢測空間，提高發(fā)射光譜強(qiáng)度;光學(xué)元件都為反射鏡，消除了系統(tǒng)色差對成分分析的影響。本發(fā)明注重對光學(xué)元件的清潔、冷卻和保護(hù)，適用探測波段范圍廣，無色差。適用于熔融金屬的在線監(jiān)測，特別是表面有浮渣或者其他遮擋物的復(fù)雜環(huán)境。
[0022]本發(fā)明中，激光器作為光源發(fā)出脈沖激光;計算機(jī)用于設(shè)定時序控制、光譜分析和調(diào)節(jié)導(dǎo)光系統(tǒng)焦點位置;時序控制系統(tǒng)通過脈沖輸出控制激光器、光譜探測系統(tǒng);光譜探測系統(tǒng)用于獲得激光誘導(dǎo)等離子體光譜信號；導(dǎo)光系統(tǒng)用于激光聚焦和等離子體信號光采集，并且具有保護(hù)光學(xué)元件的結(jié)構(gòu);氣體循環(huán)系統(tǒng)對光學(xué)元件進(jìn)行清潔和冷卻;機(jī)械輔助系統(tǒng)由計算機(jī)進(jìn)行控制，實現(xiàn)導(dǎo)光系統(tǒng)焦點位置的調(diào)節(jié)。
[0023]本發(fā)明工作時，氣體循環(huán)系統(tǒng)從成分檢測開始到結(jié)束都保持工作，對內(nèi)部的光學(xué)元件進(jìn)行清潔和冷卻，同時擴(kuò)大光譜采集范圍；工作時，先將導(dǎo)光系統(tǒng)前端浸入熔融金屬，再根據(jù)信號光譜強(qiáng)度對焦點位置進(jìn)行精確調(diào)節(jié);所有的光學(xué)元件都使用反射鏡，消除系統(tǒng)色差。
[0024]本發(fā)明工作時具體步驟為:
[0025]開始測量時，進(jìn)氣閥門開啟；
[0026]計算機(jī)控制機(jī)械輔助系統(tǒng)將導(dǎo)光系統(tǒng)前端浸入液面；
[0027]時序控制系統(tǒng)發(fā)出脈沖觸發(fā)激光器，發(fā)出的脈沖激光經(jīng)過導(dǎo)光系統(tǒng)聚焦到熔融金屬表面，產(chǎn)生的等離子體信號經(jīng)導(dǎo)光系統(tǒng)采集并由光纖傳輸?shù)焦庾V探測系統(tǒng)；
[0028]計算機(jī)記錄光譜探測系統(tǒng)得到的光譜強(qiáng)度，驅(qū)動機(jī)械輔助系統(tǒng)，精確調(diào)節(jié)焦點位置，直到采集到的信號光譜強(qiáng)度最大，即完成焦點位置自動調(diào)節(jié)；
[0029]重復(fù)步驟2，得到足夠可以做成分分析的光譜數(shù)據(jù)后，由計算機(jī)完成成分分析；
[0030]測量完成，計算機(jī)控制機(jī)械輔助系統(tǒng)將導(dǎo)光系統(tǒng)置于準(zhǔn)備位置，進(jìn)氣閥門關(guān)閉。[0031 ] 具體實施例:
[0032]如圖1、圖2所示。本系統(tǒng)中計算機(jī)I用于進(jìn)行時序控制、光譜分析和焦點位置調(diào)節(jié)；光譜探測系統(tǒng)采用光譜儀4;光源為脈沖激光器3;時序控制系統(tǒng)2包括脈沖觸發(fā)器，用于控制和觸發(fā)激光器3、光譜儀4;導(dǎo)光系統(tǒng)中激光聚焦和信號光采集采用施瓦茲齊德望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括第二凹面反射鏡14、第二凸面反射鏡16 ;信號光導(dǎo)出亦米用施瓦茲齊德望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，包括第一凹面反射鏡8、第一凸面反射鏡7;介質(zhì)膜反射鏡13用于反射信號光同時透過激光;信號光耦合進(jìn)入光纖6后，再輸送到光譜儀4。進(jìn)氣閥門12和出氣口 10配合調(diào)風(fēng)環(huán)15組成氣體循環(huán)系統(tǒng)，對內(nèi)部光學(xué)元件進(jìn)行清潔冷卻并有擴(kuò)大光譜測量范圍的作用。組合錐筒9對熱流和粉塵的上升有阻擋作用，同時減少雜散光。陶瓷筒11為系統(tǒng)浸入部分，耐高溫耐腐蝕，熱震性好。機(jī)械輔助系統(tǒng)5可以采用重載精密電控平臺，受計算機(jī)控制進(jìn)行運動，整個導(dǎo)光系統(tǒng)固定在電控平臺上。
[0033]本實施例具體工作流程為:
[0034]進(jìn)氣閥門12開啟，等待測量開始；
[0035]熔融金屬17表面破渣后，機(jī)械輔助系統(tǒng)5移動導(dǎo)光系統(tǒng)，將陶瓷筒11前端面浸入熔融金屬；
[0036]時序控制系統(tǒng)2發(fā)出脈沖觸發(fā)激光器3，發(fā)出的脈沖激光進(jìn)入導(dǎo)光系統(tǒng)，透過介質(zhì)膜反射鏡13，經(jīng)第二凸面反射鏡16反射，由凹面反射鏡12聚焦到液面;產(chǎn)生的等離子體信號沿原光路返回，被介質(zhì)膜反射鏡13和第一凸面反射鏡7反射后，由第一凹面反射鏡8聚焦耦合進(jìn)入光纖6，再輸送到光譜儀4，獲得LIBS光譜信號；
[0037]由計算機(jī)I記錄步驟3中獲得的光譜信號強(qiáng)度，然后驅(qū)動電控平移臺5，調(diào)節(jié)導(dǎo)光系統(tǒng)的焦點位置，即對液面位置進(jìn)行一維搜索，直到采集到的光譜信號強(qiáng)度最大，導(dǎo)光系統(tǒng)焦點處在液面最佳位置；
[0038]重復(fù)步驟3，獲得足夠的光譜數(shù)據(jù)，由計算機(jī)I做成分分析即可得到成分信息；
[0039]測量完成，計算機(jī)驅(qū)動電控平移臺5，將導(dǎo)光系統(tǒng)提升到準(zhǔn)備位置；
[0040]進(jìn)氣閥12關(guān)閉，等待下一次測量。
[0041 ]系統(tǒng)光斑追跡如圖3所示。取激發(fā)的等離子體直徑2mm，輻射波長180nm、300nm、400nm、500nm，等離子體到凹面鏡14的距離lm，對導(dǎo)光系統(tǒng)的各反射鏡參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最后得到耦合進(jìn)入光纖的光斑半徑約390um，光線數(shù)值孔徑0.3?？梢圆捎眯緩?00um，數(shù)值孔徑
0.22的光纖進(jìn)行傳輸。
[0042]實施例二即以非球面反射鏡代替第一施瓦茲齊德望遠(yuǎn)鏡做信號光采集。
[0043]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【主權(quán)項】
1.一種無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)固定在機(jī)械輔助系統(tǒng)上，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)的上方設(shè)有脈沖激光器，所述脈沖激光器發(fā)出的脈沖激光通過所述導(dǎo)光系統(tǒng)的頂端的入口窗進(jìn)入導(dǎo)光系統(tǒng)，所述接觸式導(dǎo)光系統(tǒng)沿激光入射方向自上而下設(shè)有介質(zhì)膜反射鏡、反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，所述介質(zhì)膜反射鏡的反射光路上設(shè)有反射式信號光采集光路并通過光纖與光譜儀連接，所述光譜儀和脈沖激光器分別與時序控制系統(tǒng)連接，所述光譜儀、時序控制系統(tǒng)和機(jī)械輔助系統(tǒng)分別與計算機(jī)連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述導(dǎo)光系統(tǒng)中的激光聚焦光路和信號光采集光路都為反射式光路。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的無色差浸入式熔融金屬成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述信號光米集光路結(jié)構(gòu)包括施瓦茲齊德望遠(yuǎn)鏡、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡和/或非球面反射鏡。
【文檔編號】G01N21/71GK106066323SQ201610411906
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610411906.1, CN 106066323 A, CN 106066323A, CN 201610411906, CN-A-106066323, CN106066323 A, CN106066323A, CN201610411906, CN201610411906.1
【發(fā)明人】曾強(qiáng), 潘從元, 費騰, 王秋平, 王聲波
【申請人】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)