一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法及控制系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法及控制系统，涉及激光清洗技术领域，其中激光清洗控制系统为实现激光清洗控制方法而研发，激光清洗控制系统包括主机箱、激光清洗系统以及LIBS在线监测系统，主机箱用于承载激光清洗系统和LIBS在线监测系统，LIBS在线监测系统用于激光清洗系统清洗过程的等离子体信号的收集监测。本发明专利技术为一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法及控制系统，使得清洗目标表面的污垢清洗效果和清洗效率极大提高，实现了激光过程的在线监测，使得激光清洗过程更加自动化，有利于增加对清洗目标基体的保护，进而延长基体的使用寿命。进而延长基体的使用寿命。进而延长基体的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法及控制系统


[0001]本专利技术属于激光清洗
，特别是涉及一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法及控制系统。

技术介绍

[0002]工业生产的设备、管线、厂房、建筑物、原材料、产品或半成品等，在与大气、环境、生产原料、介质、产品、机械油等接触的过程中，会受到物理、化学或生物作用，在其表面残留、沉积和生成各种对生产运行、产品质量或人身健康有害的污垢，这些污垢存在影响生产的正常运行、影响材料性能与设备寿命、增加生产能耗和成本、降低产品质量、引发各种事故等方面的危害。传统的清洗方法包括化学清洗、干冰清洗、机械打磨、超声波清洗、喷砂清洗等，但化学清洗严重污染环境、干冰清洗费用昂贵、机械打磨二次损伤严重、喷砂清洗存在噪声污染。激光清洗是一种利用高能激光束照射工件表面，使表面的污物、锈蚀或涂层发生瞬间蒸发、崩裂或升华，从而实现工件表面洁净如新的工艺技术。激光清洗具有无研磨、非接触、无热效应和适用于各种加工环境及工业材料等特点，操作过程无需使用任何化学药剂或清洗液，清洗下来的废料为固体粉末，体积小，易回收，是当今工业级表面处理中最可靠、最有效、最环保的解决办法，也是未来工业清洗发展的趋势和首选。
[0003]由于激光清洗过程物理、化学反应复杂，附着物脱离基体表面的机制较多，包括热应力振动破坏效应、等离子体冲击破坏效应、裂纹扩展断裂机制等，不同基材、激光光源、附着物以及附着物厚度等都会对清洗效果造成差异，因此，清洗效果的智能在线判断对实现高质量、高可靠性的激光清洗至关重要。激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)，又称激光诱导等离子体光谱(Laser
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induced Plasma Spectroscopy，LIPS)，是一种利用激光脉冲快速测定样品化学成分的现代分析技术，有效结合了激光剥蚀和原子发射光谱技术。其工作原理是利用高能量脉冲激光聚焦到样品上，使样品在瞬间气化成高温、高密度的激光等离子体，等离子体中包括原子、离子和分子，它们会发射其特征波长的光谱，谱线的波长和强度分别反映了样品中的元素组成和含量，具有无需样品预处理、分析速度快、可实现多种元素实时检测的特点。
[0004]然而，在现有的激光清洗过程中，不能很好的实现激光清洗过程及质量的在线监测，使得激光清洗过程无法实现在线控制，进而无法实现清洗过程以及清洗效果的把控，在激光清洗过程中容易清洗过度导致清洗基体的磨损，或导致清洗不彻底，大大降低了激光清洗的效果和清洗效率。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术存在的不足，提供了一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法及控制系统，通过激光清洗技术与LIBS技术的联用，集成了激光清洗高效、绿色，与LIBS技术快速在线检测的优点，克服了现有便捷式激光清洗设备不能对清洗过程进行判断、不能对清洗质量进行评估的问题，实现了激光清洗过程的快速在线监测。
[0006]为解决上述技术问题，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0007]一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法，包括以下步骤：
[0008]S1：激光清洗：设置激光清洗头和激光器，激光器发射激光束，手持激光清洗头对清洗目标表面进行激光清洗；
[0009]S11：手持激光清洗头对准清洗目标，使激光清洗头前端与清洗目标保持1
‑
2cm的安全距离，防止清洗头与清洗目标发生接触或碰撞；
[0010]S12：计算机控制数字延时脉冲发生器向激光器提供触发信号，使激光器开启，激光器发射用于清洗目标表面激光清洗的激光束；
[0011]S13：所述激光器发射的激光束依次通过多关节导光臂中的多个激光反射镜，传输到多关节导光臂的末端，入射到激光清洗头中的长焦深衍射光学元件(Diffractive Optical Element，DOE)，通过激光清洗头中的长焦深DOE，形成良好的长焦深汇聚光束对清洗目标表面进行激光清洗；
[0012]S131：所述导光臂可实现激光光路的三维柔性传输，自由灵活；
[0013]S132：所述导光臂可根据清洗需求选择关节数、铰接臂长度；可配指示光；可进行光路防尘设计，以保证在工业长期应用中光路的洁净等；
[0014]S14：在激光清洗过程中，根据激光清洗的需要，沿着清洗目标表面移动激光清洗头，使激光清洗头移动至需要清洗位置，实现清洗目标表面的全面激光清洗；
[0015]S2：激光清洗质量在线监测：通过LIBS在线监测系统对激光清洗过程中产生的等离子体进行收集检测，并进行激光清洗的控制；
[0016]S21：计算机控制数字延时脉冲发生器向激光器提供触发信号的同时，所述计算机控制数字延时脉冲发生器向光谱仪提供同步触发信号，使光谱仪开启；
[0017]S22：在激光清洗过程中，安装有光纤探头的套筒旁轴采集产生的等离子体信号，通过光纤探头对等离子体进行采集检测，并通过光纤将检测到的等离子体信号传输至微型光纤光谱仪中，利用与微型光纤光谱仪连接的LIBS控制系统对所述等离子体信号进行转换形成在线光谱图；
[0018]S23：当光谱图在允许的误差范围内检测到预设的特征峰或在设定的波长范围内检测到某一个或某几个特征峰的预设或异常变化，清洗机会发出警报声提示停止清洗，提醒操作人员检查清洗过程；
[0019]S3：废弃物收集：激光清洗过程中产生的废弃物质从激光清洗头的吸气孔，吸气孔借助激光同轴的小孔喷嘴将具有一定负压的气体吹到清洗区，利用负压使清洗产物进入废弃物存储腔。
[0020]作为优选，所述步骤S1中，所述激光器采用脉冲光纤激光器，作为激光清洗光源，激光清洗参数独立可调，所述清洗参数包括激光功率、脉冲宽度、重复频率、扫描间距和填充方式。
[0021]作为优选，所述步骤S13中，所述激光清洗头采用红光辅助寻焦，利用红光指示找到长焦深DOE的焦深位置。
[0022]作为优选，所述步骤S22中，LIBS控制系统对光谱采集的相关参数进行调节，所述相关参数包括积分时间、平滑次数和延迟时间；
[0023]光谱响应范围、光谱分辨率、光谱控制软件及分析软件的功能根据需求配置。
[0024]一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制系统，包括主机箱、激光清洗系统以及LIBS在线监测系统；
[0025]所述主机箱包括电力系统、冷却系统和数字延时脉冲发生器；
[0026]所述冷却系统包括设置在主机箱的壳体外部的散热风扇，用于主机箱内部的通风散热；所述主机箱的壳体外部设置有两个USB接口，其中一个所述USB接口用于连接计算机和清洗机，另一所述USB接口用于连接计算机和光谱仪；
[0027]所述激光清洗系统包括激光器、用于激光束导向的多关节导光臂、安装在多关节导光臂末端的激光清洗头以及用于控制激光器的激光清洗控制系统；
[0028]所述LIBS在线监测系统包括安装于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法，其特征在于：包括以下步骤：S1：激光清洗：设置激光清洗头和激光器，激光器发射激光束，手持激光清洗头对清洗目标表面进行激光清洗；S11：手持激光清洗头对准清洗目标，使激光清洗头前端与清洗目标保持1
‑
2cm的安全距离，防止清洗头与清洗目标发生接触或碰撞；S12：计算机控制数字延时脉冲发生器向激光器提供触发信号，使激光器开启，激光器发射用于清洗目标表面激光清洗的激光束；S13：所述激光器发射的激光束依次通过多关节导光臂中的多个激光反射镜，传输到多关节导光臂的末端，入射到激光清洗头中的长焦深DOE，通过激光清洗头中的长焦深DOE，形成良好的长焦深汇聚光束对清洗目标表面进行激光清洗；S131：所述导光臂可实现激光光路的三维柔性传输，自由灵活；S132：所述导光臂可根据清洗需求选择关节数、铰接臂长度；可配指示光；可进行光路防尘设计，以保证在工业长期应用中光路的洁净；S14：在激光清洗过程中，根据激光清洗的需要，沿着清洗目标表面移动激光清洗头，使激光清洗头移动至需要清洗位置，实现清洗目标表面的全面激光清洗；S2：激光清洗质量在线监测：通过LIBS在线监测系统对激光清洗过程中产生的等离子体进行收集检测，并通过LIBS光谱图信号进行激光清洗过程及质量的在线监测与反馈控制；S21：计算机控制数字延时脉冲发生器向激光器提供触发信号的同时，所述计算机控制数字延时脉冲发生器向光谱仪提供同步触发信号，使光谱仪开启；S22：在激光清洗过程中，安装有光纤探头的套筒旁轴采集产生的等离子体信号，通过光纤探头对等离子体进行采集检测，并通过光纤将检测到的等离子体信号传输至微型光纤光谱仪中，利用与微型光纤光谱仪连接的LIBS控制系统对所述等离子体信号进行转换形成在线光谱图；S23：当光谱图在允许的误差范围内检测到预设的特征峰或在设定的波长范围内检测到某一个或某几个特征峰的预设或异常变化，清洗机会发出警报声提示停止清洗，提醒操作人员检查清洗过程；S3：废弃物收集：激光清洗过程中产生的废弃物质从激光清洗头的吸气孔，吸气孔借助激光同轴的小孔喷嘴将具有一定负压的气体吹到清洗区，利用负压使清洗产物进入废弃物存储腔。2.根据权利要求1所述的一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述激光器采用脉冲光纤激光器，作为激光清洗光源，激光清洗参数独立可调，所述清洗参数包括激光功率、脉冲宽度、重复频率、扫描间距和填充方式。3.根据权利要求1所述的一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法，其特征在于，所述步骤S13中，所述激光清洗头采用红光辅助寻焦，利用红光指示找到长焦深DOE的焦深位置。4.根据权利要求1所述的一种基于LIBS技术在线监测的激光清洗控制方法，其特征在于，所述步骤S22中，LIBS控制系统对光谱采集的相关参数进行调节，所述相关参数包括积分时间、平滑次数和延迟时间；
光谱响应范围、光谱分辨率、光谱控制软件及分析软件的功能根据需求配置。5.一种...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨文锋，钱自然，张然，李绍龙，杨帆，曹宇，魏永超，刘国春，林德惠，
申请(专利权)人：中国民用航空飞行学院，
类型：发明
国别省市：