利用LIBS光谱的快速材料分析制造技术

文中描述了一种LIBS测量系统，该LIBS测量系统提供了位于大致V形的斜槽或套管中的孔口、孔或开口，所述孔口、孔或开口允许从所述斜槽的底部接近待分析的材料。激光束穿过所述孔对准，光电探测器组件收集穿过所述孔而返回的光（信号）。在收到启动信号之后，位于所述斜槽的输出端处的分流器设备使某些颗粒从所述斜槽分流。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用LIBS光谱的快速材料分析临时申请的优先权声明本申请要求于2014年6月23日提交、申请号为62/015,756的美国临时专利的优先权，该临时专利的全部内容通过完全引用并入本文。
本专利技术涉及激光诱导击穿光谱（laser-inducedbreakdownspectroscopy,LIBS）的领域，更具体地涉及一种用于对运输系统上移动的材料执行LIBS分析的方法及系统。
技术介绍
对于各种应用，需要用于确定样品的物质组成的方法。一种已知的方法是激光诱导击穿光谱（LIBS），LIBS包括将一个激光束聚焦至样品的一个表面，利用足够高的功率密度将样品材料的小部分转换成等离子体状态。等离子体羽的光发射由光收集组件来收集，所收集的光发射的谱分布（即，根据波长的强度）在波长灵敏检测器（比如，分光仪）中分析，该波长灵敏检测器以电子形式生成信息，描述所述谱分布。由于样品材料的原子及分子成分具有特有的光发射光谱，所述分光仪生成的信息揭示样品的激光束聚焦或指向的部分的成分。原则上，所述样品可能是固体、液体或气体。在气态样品的情况下，样品的“表面”的概念不存在，激光束仅聚焦在气态样品中。已知的LIBS测量设备的缺陷包括结构庞大以及现场应用的受限适应性。在某些应用中，LIBS测量系统能够根据元素浓度表示各种样品。在其它应用中，材料的类型，比如，特定的合金合成物，可以利用或不利用精确的元素浓度的测定来识别。LIBS技术相对于XFR（x射线荧光）的首要优点在于其能够测定比如Li、B、Be、C、Al、Na以及Mg的光元素的元素浓度。在库马尔（Kumar）的美国专利6,795,179中，描述了一种金属颗粒分拣系统，包括传送机，其用于随机地传送在一随机方位的成形的零碎金属件；图像检测器，其用于电子地记录预定义观察区域的图像，所述零碎工件通过传统的平直传送机系统在该预定义观察区域中传送；位置检测器，其用于检测传送带的移动；激光系统，其配置为在选定的时间间隔内提供包括一连串的多个激光脉冲的激光束；以及至少一个激光扫描组件，其包括可定位束分流器和聚焦元件，可定位束分流器用于引导激光束至传送机上的选定目标区域中的任何位置处的选定工件，聚焦元件安装在束分流器的激光脉冲的源头的下游处以聚焦光束并且提供沿一个平面的均匀的激光功率密度。所述系统进一步包括光收集器，其用于收集受激光脉冲照射的工件所产生的等离子体的光；光分布及光谱分析仪系统，其用于隔离和测量所收集的光的至少一个选定带；分离器，其基于鉴别器信号转移工件至不同的箱子；以及控制逻辑，其用于继续获取传送机的选定观察区域的图像，处理图像以识别并且当零碎工件经过观察区域时放置零碎工件，监控激光系统以确定下一激光脉冲何时可用，在传送机上选取照射的脉冲的下一可用光束可能引导至已识别工件的下游位置，按照要求操作扫描组件以引导脉冲至选定的目标区域，分析从等离子体收集的光谱数据，至少部分地基于光谱数据分析生成鉴别器信号，根据鉴别器信号选择性地激活分离器以分拣已分析的工件。虽然明显地有效，这个系统是设备及投资密集的，需要多个扫描组件以生成等离子体样品，并且还需要用于继续获取以及处理传送机的选定观察区域的图像的控制逻辑以及其它组件。在Graft等人的美国专利6,753,957中，公开了一种用于矿物分拣及检测的方法，该方法包括遥感，并且更具体地，用于移动带上传送的材料中的元素的矿物或微量浓度的实时检测及内容评价。Graft等人的专利技术采用了激光诱导击穿光谱（LIBS）系统，特定元素或矿物的发射谱线特征的强度比使得在移动带上同样能够检测。因为相关矿物具有不同的化学成分，即，特征谱线界定的主要或微量元素、相对强度使得所有阶段能够在与LIBS及移动带系统一致的短时间内一贯地识别及评估。
技术实现思路
本文提供了一种利用LIBS系统对沿传送机或斜槽行进的材料进行快速的材料分析的方法及系统，由此提供了快速的光谱测量，对于预期的工商应用具有相当高的精确度。在一个范例实施例中，执行金属分拣时不需要像其它现有技术的系统一样进行激光扫描。替代地，待抽样的每个金属件隔离在运送材料的振动斜槽中，由此避免了扫描激光的需求。激光束发射或投射穿过斜槽的底部（通过槽或孔），金属或样品材料工件的表面通过重力约束在狭槽的底部，缓解了在垂直距离移动LIBS激光聚焦的需要。借助外形，狭槽设计用于进一步约束工件在边对边方向，迫使每个工件在狭槽的孔上移动。捕捉的数据通过利用特定的谱线以在材料类型之间分辨来分析。然后，根据成分，通过空气喷嘴或分流器系统分拣材料。在本专利技术的各种范例实施例中，提供了一种沿固定或静止材料的斜槽移动的材料颗粒或工件的激光光谱的方法，该方法经济、精确并且较现有技术的系统更加快速。如此的实施例与传统的实施方式形成对比，传统的实施方式从传送带之上射击激光至工件或颗粒。在一个范例实施例中，本文提供的LIBS测量系统包括提供大体V形斜槽中的开孔或开口，该开孔或开口允许从斜槽的底部接近待分析的材料。激光束瞄准所述孔，返回光（信号）穿过所述孔通过光检测器来收集。前述范例相对于传统抽样方法的优势包括但不限于：1）每个工件通过斜槽的V形（或凹形）与斜槽中的孔对准；2）每个工件相对于激光及光焦点的位置通过斜槽及重力来固定，当在斜槽上滑动并且由此触碰斜槽时，每个工件具有一个已知的位置，没有自动对焦，仅需要适度的景深；3）由于工件的孔和表面的x、y及z位置已知，不需要运动技术，改善了可靠性，由此改善了所述系统的工业可行性。激光的类型及其操作方法对于商业的LIBS分拣市场是新奇的。从传送带之上测量的常见实施方式具有显著的问题：1）如果激光光谱系统固定在空间中，带上的物品是非完全抽样的，激光系统仅在一点处抽样，例如，中心线，带上的振动和运动典型地使物品按大小移动，因此，在任何固定点，仅抽样了颗粒/工件尺寸的子样；2）从上面抽样需要光学系统的自动对焦或较大的景深，前者引入了复杂度，可能降低抽样速度，后者引入了更聚焦的光学系统的附加不确定性；3）尝试追踪每个工件（例如，FraunhoferILT(Aachen,Germany)的LIBS系统，用于分拣金属碎片）的从带上面的实施方式使用了3D摄像机以及移动镜头以使激光系统瞄准移动工件。这个复杂度是巨大的，并且影响系统的工业可靠性和可行性。从具体实施例的以下描述，联系附图，可以最好地理解与本专利技术的结构及其操作方法有关的各种实施例的新奇特征以及本专利技术的附加优点。附图说明图1A-1B图示地展示了根据本文教导的LIBS测量系统的一个范例实施例以及流动斜槽的侧视图；图2展示了根据本文教导的LIBS测量系统的一个范例实施例；图3展示了用于从已分析材料的一个表面形成的等离子体收集光的系统100和200的激光及检测系统的一个范例实施例；以及图4展示了根据本文教导的可以用于系统100和200其中之一的穿透镜子组件的另一范例实施例。具体实施方式以下为根据本专利技术的方法及装置的各种相关概念及实施例的更加详细的描述。应该领会的是，以上介绍以及以下更加详细地讨论的主题的各个方面可能以许多方式的任何一种来实施，主题不限于任何特定的实施方式。具体的实施方式及应用的范例主要提供用于说明目的。在本专利技术的一个范例实施例中，提供了一种大量抽样及激光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种大量抽样及激光瞄准系统，用于提供大量材料流的材料识别，该系统包括：流动斜槽，其具有送料端和输出端，所述输出端适于从所述送料端成一个角度延伸，以使得所述流动斜槽为倾斜的，且所述大量材料流沿所述流动斜槽重力性地流动，所述流动斜槽具有大致凹形构造，该大致凹形构造包括孔，所述孔设置于所述流动斜槽的最大凹面的一点处，该点位于所述送料端的远端处；LIBS激光系统，其设置于所述孔的附近并且配置为引导脉冲激光束穿过所述孔并进入流经所述流动斜槽的材料，所述孔具有一尺寸，该尺寸足以允许激光束穿过，以到达所述流动材料的单个颗粒，并允许来自单个颗粒的辐射穿过所述孔而传输回来；以及辐射检测设备，其设置于所述孔的附近并且适于收集从材料的单个颗粒发射的辐射，其中，所述辐射检测设备通信地接合至所述LIBS激光系统，所述LIBS激光系统包括分光仪和控制器，所述分光仪配置为识别在斜槽中流动的单个颗粒的成分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.06.23 US 62/015,7561.一种大量抽样及激光瞄准系统，用于提供大量材料流的材料识别，该系统包括：流动斜槽，其具有送料端和输出端，所述输出端适于从所述送料端成一个角度延伸，以使得所述流动斜槽为倾斜的，且所述大量材料流沿所述流动斜槽重力性地流动，所述流动斜槽具有大致凹形构造，该大致凹形构造包括孔，所述孔设置于所述流动斜槽的最大凹面的一点处，该点位于所述送料端的远端处；LIBS激光系统，其设置于所述孔的附近并且配置为引导脉冲激光束穿过所述孔并进入流经所述流动斜槽的材料，所述孔具有一尺寸，该尺寸足以允许激光束穿过，以到达所述流动材料的单个颗粒，并允许来自单个颗粒的辐射穿过所述孔而传输回来；以及辐射检测设备，其设置于所述孔的附近并且适于收集从材料的单个颗粒发射的辐射，其中，所述辐射检测设备通信地接合至所述LIBS激光系统，所述LIBS激光系统包括分光仪和控制器，所述分光仪配置为识别在斜槽中流动的单个颗粒的成分。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括至少一个颗粒分流设备，该至少一个颗粒分流设备设置于所述斜槽的输出端的附近并且适于将单个颗粒分流至收集系统，其中，所述至少一个颗粒分流设备通信地接合至所述控制器并且适于在收到控制器的信号之后启动。3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少一个颗粒分流器包括分流设备，当在材料的一个或多个单个颗粒处启动时，所述分流设备适于发射一股加压空气，以便将所述单个颗粒分流至所述收集系统。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述辐射检测设备包括穿透镜子组件，所述穿透镜子组件配置为允许激光束从镜子组件的后侧穿过镜子的孔，所述镜子组件的前侧配置为将返回光大致反射出激光束路径，反射至辐射检测光学器件上。5.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述收集系统包括第一收集箱，所述第一收集箱用于接收被分流的颗粒。6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，所述收集系统包括第二收集箱，所述第二收集箱用于从斜槽的输出端接收在自然路径上移动的颗粒。7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括清洁组件，所述清洁组件配置为保持所述LIBS和所述辐射检测系统的光学器件的大体无尘。8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括透明或半透明元件，所述透明或半透明元件设置于所述孔的上方。9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述LIBS激光束的重复率是材料沿流动斜槽流动的速度的函数，材料沿流动斜槽的流动的速度是斜槽的角度的函数。10.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述至少一个分流设备包括物理分流器，所述物理分流器选自下组：壁、可移动桨或杆，以及位于流动斜槽的基底处的可控制活门。11.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述凹形流动斜槽具有大致V形构造。12.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流动斜槽的凹形选自下组：带有垂直侧面的U形、带有扁平底侧的U形、带有成角度向外的侧面以及扁平底部的U形、带有成角度向外以及弯曲底部的U形。13.根据权利要求12所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括振动机制，所述振动机制可操作地接合至所述流动斜槽，以促进材料流的向下流动。14.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述流动斜槽包括坡道，...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·G·巴克利，达瑞克·L·尼库姆，
申请(专利权)人：TSI公司，
类型：发明
国别省市：美国,US