一种激光检测固体材料成分的装置及方法制造方法及图纸

一种激光检测固体材料成分的装置及方法，属于光谱分析检测设备及方法技术领域，用于现场快速检测固体材料的成分。其技术方案是：它的前置光路单元连接在激光器的前端，前置光路单元的前方与抽拉式样品仓相对，前置光路单元封装在右封装套筒内，抽拉式样品仓封装在左封装套筒内，激光器、右封装套筒、左封装套筒、抽拉式样品仓依次通过法兰相连接，光纤的两端分别与前置光路单元和光谱仪相连接，真空泵与左封装套筒侧壁上的气体管路相连接。本发明专利技术相比于其他检测手段，解决了耗时长、精度低等问题，实现了炉渣、废钢等固体材料成分的现场快速检测和分析，尤其可实现C、P、S元素成分的准确测定，对于提高产品质量、提高生产效率起到了显著作用。

Device and method for detecting composition of solid material by laser

The utility model relates to a device and a method for detecting solid material components by laser, belonging to the technical field of spectral analysis, detection equipment and methods, and are used for rapidly detecting components of solid materials on the spot. The technical scheme is that the front optical module which is connected to the laser in front, front light path in the front of the unit and pull type sample bin relative optical elements in the right front package package sleeve, pull type sample bin encapsulated in the package left sleeve, sleeve, left and right laser package, package sleeve pull type sample bin connected phase through the flange, the fiber ends are respectively connected with the front optical unit and a spectrometer, gas pipeline vacuum pump package and left side wall of the sleeve barrel is connected. The present invention compared with other detection methods, to solve the problem of long time and low accuracy, to realize on-site rapid detection and analysis of slag, scrap and other solid material components, especially C, can realize the accurate determination of P and S elements, to improve the product quality and production efficiency has played a significant role.

【技术实现步骤摘要】
一种激光检测固体材料成分的装置及方法
本专利技术涉及一种激光诱导击穿光谱快速检测固体材料成分的装置及方法，属于光谱分析检测设备及方法

技术介绍
激光诱导击穿光谱技术（laser-Inducedbreakdownspectroscopy，LIBS）是发出高能量的脉冲激光与样品作用产生等离子体，通过采集和探测离子体信号，获得相应的光谱信息，进而进行相应的数据处理和分析，即可得到测量样品中各元素的成分。由于LIBS技术是基于原子发射光谱学的物质成分和浓度分析技术，具有无需制样、分析时间短、实时性强、无损、快检、非接触测量、对待测样品形态规格无要求、全谱段测量等优点，被广泛应用于钢铁冶金、生物医药、环境监测等领域。尤其在钢铁冶金领域，炼钢过程钢中的化学成分直接影响了成品钢材的质量和性能，为实现炼钢系统的自动化控制，提高炼钢控制水平和钢水质量，需要对钢铁成分快速检测分析，因此小型化快速简便测试系统的开发和应用得到广泛关注，其高效简便的测试手段和设备开发成为行业前沿热点。目前，在炉渣等固体材料成分检测方面主要有直读光谱法、X射线荧光光谱法、CS化学分析法、电感耦合等离子体发射光谱法（ICP-OES）、气相色谱分析法、质谱法（ICP-MS）等技术，这些技术虽然能够检测炉渣、废钢等固体材料组分，但是其过程需经历制样、研磨等过程，整个实验流程较长，成本较高，并且需要专门的技术人员进行操作。利用LIBS技术无需对试样进行加工，分析速度快，操作简单，能够做到全元素全谱检测，但是，目前利用LIBS技术测炉渣、废钢等固体材料成分主要应用于实验室阶段，尚未在工业设备化方面有突破性研究，如多重光路集成安装问题、检测环境及实验条件一致性问题等许多技术问题亟于解决。在冶金行业钢铁成分检测方面，LIBS设备应用已有很多研究，但是目前对于C、P、S三种元素检测来看，目前国内外成型LIBS设备基本不能完成这三大元素成分的准确检测（其中小型化设备激光功率不够，光路紧凑未配置真空、充气环境）。但对于钢铁行业而言，C、P、S三大元素对于钢种鉴别、品质判定等都有至关重要作用，因此研制利用LIBS设备对全元素检测，特别是针对C、P、S三大主要元素成分进行准确检测具有十分现实的重要意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是一种激光检测固体材料成分的装置和方法，这种检测装置和方法能够解决目前LIBS技术难以进行工业化现场应用及推广的难题，实现了炉渣、废钢等固体材料成分的现场快速检测，尤其可实现C、P、S三大难测元素的准确测定。解决上述技术问题的技术方案是：一种激光检测固体材料成分的装置，它包括激光器、前置光路单元、右封装套筒、左封装套筒、抽拉式样品仓、真空泵、真空计、光纤和光谱仪，前置光路单元连接在激光器的前端，前置光路单元的前方与抽拉式样品仓相对，前置光路单元封装在右封装套筒内，抽拉式样品仓封装在左封装套筒内，右封装套筒的一端与激光器通过法兰相连接，右封装套筒的另一端与左封装套筒的一端通过法兰相连接，左封装套筒的另一端与抽拉式样品仓由法兰相连接，前置光路单元与光纤的一端相连接，光纤的另一端穿过右封装套筒上的光纤导出孔与光谱仪相连接，真空泵与左封装套筒侧壁上的气体管路相连接，真空计安装在气体管路上。上述激光检测固体材料成分的装置，所述前置光路单元包括光通道、二向色镜支架、定焦部件、入射透镜和光纤支架，光通道为套筒结构，光通道套筒的后端有法兰与激光器相连接，二向色镜支架安装在光通道侧壁上，定焦部件为套筒，定焦部件的套筒连接在光通道套筒的前端，入射透镜安装在定焦部件的套筒前端，入射透镜前端安装有光纤支架。上述激光检测固体材料成分的装置，所述光通道与定焦部件连接处、定焦部件与入射透镜连接处、入射透镜与光纤支架连接处均为凸台与凹槽的连接结构，并有内六角螺栓固定。上述激光检测固体材料成分的装置，所述光通道与激光器连接法兰上有光通道法兰密封槽，光通道侧壁上开有等离子信号输出孔，光通道侧壁上还开有与光通道长度方向呈45°角度的二向色镜安装孔及二向色镜支架定位装置，二向色镜支架侧方开有球形定位槽。上述激光检测固体材料成分的装置，所述二向色镜支架上有球形定位槽，二向色镜支架定位装置包括顶珠、顶珠弹簧和顶珠弹簧底座，顶珠、顶珠弹簧和顶珠弹簧底座置于光通道侧孔内，顶珠与球形定位槽相配合起到定位限位作用。上述激光检测固体材料成分的装置，所述光纤支架包括支架圆盘、光纤通道、光纤接头和光纤扣，支架圆盘上开有与轴线呈一定角度的光纤通道孔，光纤通道为端部带螺纹的中空圆柱体，与光纤通道孔过盈配合，光纤接头与光纤通过螺纹相接置于光纤通道内，光纤扣为一带有一定锥度的中空圆柱体，内部设有螺纹，与光纤通道前段螺纹配合连接。上述激光检测固体材料成分的装置，所述抽拉式样品仓包括样品台、位置调节装置及基底法兰，样品台为三段式中空圆柱结构，样品台前段作为置样台，为半剖式结构，前端面铣平开孔，中间部分为中空圆柱杆状结构，尾端为带有一平端面的中空圆柱结构，内部设有螺纹。上述激光检测固体材料成分的装置，所述位置调节装置包括可移动顶杆、调节手柄、顶杆弹簧及顶杆弹簧底座，可移动顶杆、顶杆弹簧与顶杆弹簧底座依次连接置于样品台内部，可移动顶杆端部设有螺纹孔，调节手柄与螺纹孔配合安装，顶杆弹簧底座尾端设有螺纹，用于与样品台尾部螺纹孔配合固定位置调节装置，通过后拉调节手柄可实现快速换样。上述激光检测固体材料成分的装置，所述基底法兰上开有样品台调节槽、基底法兰密封槽、定位销孔和锁紧槽，样品台调节槽上部开有固定螺纹孔，样品台调节槽与样品台尾部端面接触固定。上述激光检测固体材料成分的装置，所述左封装套筒上开有石英观察窗、三通气体管路，左封装套筒与抽拉式样品仓的连接法兰上安装的快速夹紧机构，左封装套筒与抽拉式样品仓的连接法兰上设有两个定位销、固定销孔及法兰锁紧槽，右封装套筒上开有两个光纤导出孔，右封装套筒及与激光器的连接法兰上设有保护气体通道，两个光纤导出孔分别有共轴光路和不共轴光路的光纤导出。上述激光检测固体材料成分的装置，所述快速夹紧机构包括滑销、固定滑块、压缩弹簧、弹簧底座及旋紧手柄，快速夹紧机构通过固定销轴连接安装于左封装套筒的法兰锁紧槽中，滑销上开有U型槽和连接孔，固定滑块通过U型槽固定在滑销上，连接孔与固定销轴相连接，滑销轴上设有螺纹，与旋紧手柄中的螺纹孔配合。一种使用上述装置检测固体材料成分方法，它采用以下步骤进行：a.选择合适的光路系统：选择共轴光路，可节约实验空间，选择不共轴光路，检测精度更高；b.选取合适焦距的入射透镜24和合适长度的定焦部件23完成前置光路单元2的安装；c.光纤组合安装完毕后将光纤8从右封装套筒3上的光纤导出孔31导出；d.将待测样品安装于抽拉式样品仓5内，利用快速夹紧机构45将基底法兰53与左封装套筒4法兰固定；e.开启激光器1，先设定较低的脉冲能量和频率，通过石英观察窗41观察激光焦点位置，对样品台51进行微调，使激光焦点汇聚在样品表面；f.完成样品位置的调整后开启光谱仪9，根据实验要求调整激光器1参数：脉冲能量、频率，进行系列已知含量样品的光谱测定，然后测定未知样品光谱；g.通过测试得到的光谱对被检测元素的成分进行分析。本专利技术的有益效果是：本专利技术采用激光器、前置光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：它包括激光器（1）、前置光路单元（2）、右封装套筒（3）、左封装套筒（4）、抽拉式样品仓（5）、真空泵（6）、真空计（7）、光纤（8）和光谱仪（9），前置光路单元（2）连接在激光器（1）的前端，前置光路单元（2）的前方与抽拉式样品仓（5）相对，前置光路单元（2）封装在右封装套筒（3）内，抽拉式样品仓（5）封装在左封装套筒（4）内，右封装套筒（3）的一端与激光器（1）通过法兰相连接，右封装套筒（3）的另一端与左封装套筒（4）的一端通过法兰相连接，左封装套筒（4）的另一端与抽拉式样品仓（5）由法兰相连接，前置光路单元（2）与光纤（8）的一端相连接，光纤（8）的另一端穿过右封装套筒（3）上的光纤导出孔（31）与光谱仪（9）相连接，真空泵（6）与左封装套筒（4）侧壁上的气体管路相连接，真空计（7）安装在气体管路上。

【技术特征摘要】
1.一种激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：它包括激光器（1）、前置光路单元（2）、右封装套筒（3）、左封装套筒（4）、抽拉式样品仓（5）、真空泵（6）、真空计（7）、光纤（8）和光谱仪（9），前置光路单元（2）连接在激光器（1）的前端，前置光路单元（2）的前方与抽拉式样品仓（5）相对，前置光路单元（2）封装在右封装套筒（3）内，抽拉式样品仓（5）封装在左封装套筒（4）内，右封装套筒（3）的一端与激光器（1）通过法兰相连接，右封装套筒（3）的另一端与左封装套筒（4）的一端通过法兰相连接，左封装套筒（4）的另一端与抽拉式样品仓（5）由法兰相连接，前置光路单元（2）与光纤（8）的一端相连接，光纤（8）的另一端穿过右封装套筒（3）上的光纤导出孔（31）与光谱仪（9）相连接，真空泵（6）与左封装套筒（4）侧壁上的气体管路相连接，真空计（7）安装在气体管路上。2.根据权利要求1所述的激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：所述前置光路单元（1）包括光通道（21）、二向色镜支架（22）、定焦部件（23）、入射透镜（24）和光纤支架（25），光通道（21）为套筒结构，光通道（21）套筒的后端有法兰与激光器（1）相连接，二向色镜支架（22）安装在光通道（21）侧壁上，定焦部件（23）为套筒，定焦部件（23）的套筒连接在光通道（21）套筒的前端，入射透镜（24）安装在定焦部件（23）的套筒前端，入射透镜（24）前端安装有光纤支架（25）。3.根据权利要求2所述的激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：所述光通道（21）与定焦部件（23）连接处、定焦部件（23）与入射透镜（24）连接处、入射透镜（24）与光纤支架（25）连接处均为凸台与凹槽的连接结构，并有内六角螺栓固定。4.根据权利要求3所述的激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：所述光通道（21）与激光器（1）连接法兰上有光通道法兰密封槽（211），光通道（21）侧壁上开有等离子信号输出孔（212），光通道（21）侧壁上还开有与光通道（21）长度方向呈45°角度的二向色镜安装孔（213）及二向色镜支架定位装置（214），二向色镜支架（215）侧方开有球形定位槽（2151）。5.根据权利要求4所述的激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：所述二向色镜支架定位装置（214）包括顶珠（2141）、顶珠弹簧（2142）和顶珠弹簧底座（2143），顶珠（2141）、顶珠弹簧（2142）和顶珠弹簧底座（2143）置于光通道侧孔（216）内。6.根据权利要求5所述的激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：所述光纤支架（25）包括支架圆盘（253）、光纤通道（254）、光纤接头（255）和光纤扣（256），支架圆盘（253）上开有与轴线呈一定角度的光纤通道孔（2531），光纤通道（254）为端部带螺纹的中空圆柱体，与光纤通道孔（2531）过盈配合，光纤接头（255）与光纤（8）通过螺纹相接置于光纤通道（254）内，光纤扣（256）为一带有一定锥度的中空圆柱体，内部设有螺纹，与光纤通道（254）前段螺纹配合连接。7.根据权利要求6所述的激光检测固体材料成分的装置，其特征在于：所述抽...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘艳丽，胡志刚，石玉龙，董伊康，
申请(专利权)人：河钢股份有限公司，
类型：发明
国别省市：河北,13