【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光学仪器技术和光谱检测，具体涉及一种具有空间约束和磁场约束的手持式libs系统及元素分析方法。
技术介绍
1、激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,简称libs)是一种通过聚焦脉冲激光于样品表面形成等离子体，进而对等离子体的发射光谱进行分析，以确定样品元素组成及含量的先进分析技术。相对于传统分析方法，libs采用脉冲激光作为激发源，具有众多优势，因此在环境污染检测、空间探索、材料分析、文物鉴定等多个领域得到广泛应用。此外，libs技术特别适用于工业现场生产过程中对各种物态样本的原位、在线检测。
2、目前，虽然基于libs技术的台式仪器性能卓越，但由于其体积较大、不易搬运、需要外部供电等缺点，难以充分发挥libs技术的原位在线分析能力。现有的手持式libs分析仪由于内部空间限制，仅能采用低能激光作为激发光源(几十到几百微焦)和简单光路，且光谱仪分辨率不足，也无法使用iccd对等离子体进行时间分辨，分析性能不足。另一方面，由于激光-靶材和激光-等离子体相互作用的复杂性，光谱采集时等离子体的时间瞬态和空间梯度不均匀性，以及等离子体容易受到样品表面的物理和化学性质及其所处环境的影响，导致libs信号重复性差，从而降低了定性定量分析的准确性，严重制约了libs技术的商业化和工业应用。
3、因此，亟需提供一种具有空间约束和磁场约束的手持式libs，以解决上述问题。
技术实现思路
1、本专利技术所为了解决
2、为了解决技术问题，本专利技术的技术方案是：
3、一种具有空间约束和磁场约束的手持式libs系统，包括外壳，设置于外壳内部的激光发生器、光谱仪、微型计算机、电源系统和功率计，外壳外部的等离子体增强探头、触控显示屏、散热通道、触发器、外部供电接口、可伸缩底座；
4、所述外壳前端固定有可拆卸式的等离子体增强探头，等离子体增强探头内部开有半球形束缚腔，半球形束缚腔两侧具有磁场发生装置；半球形束缚腔上设有采集面；采集面位于外壳前端的枪口处；
5、外壳后端固定有触控显示屏，触控显示屏前端开有散热通道，触控显示屏下方为外部供电接口；
6、外壳下方为持握手柄，持握手柄下方为可伸缩底座，持握手柄上前方为触发器；
7、外壳内部后方为微型计算机，微型计算机下方为电源系统，上前方为激光发生器，中前方为光谱仪，激光发生器器通过光通路与半球形束缚腔相连，两者之间为功率计，光谱仪和光通路通过光纤耦合。
8、所述的等离子体增强探头通过螺纹固定于外壳内；半球形束缚腔开有孔洞，孔洞与光通路耦合；
9、所述的半球形束缚腔，以采集面为直径面，二者构成的半球形为非封闭形状，半球形束缚腔的直径具有多种尺寸；
10、所述的磁场发生装置与半球形束缚腔相切，且垂直于采集面，其尺寸由半球形束缚腔的直径决定。
11、所述的光通路包括：分束镜、二向色镜、第一汇聚透镜、第二汇聚透镜；激光发生器到半球形束缚腔的直线光路上依次设有分束镜、二向色镜、第二汇聚透镜；功率计位于分束镜的分支光路上；第二汇聚透镜位于二向色镜反射光路上，并且通过光纤连接光谱仪。
12、所述的分束镜具有多种分光比率，二向色镜呈45°放置，第二汇聚透镜焦距依据与采集面距离而定。
13、电源系统与外部供电接口、开关、激光发生器、光谱仪、微型计算机、功率计和触控显示屏通过电能传输通道相连；电源系统包括可充电电池、变压模块，并与开关相连。
14、所述激光发生器为单脉冲激光发生器或者多脉冲激光发生器。
15、所述光谱仪为单通道设置或多通道并排放置，对应光纤的数量为单根或多根。
16、所述微型计算机通过信号线与触发器、激光发生器、触控显示屏、功率计和光谱仪相连；
17、所述微型计算机预设有光谱处理程序和优化后神经网络模型，将采集后的光谱数据转化为样品元素含量，通过触控显示屏显示。
18、所述光谱处理程序的方法，包括：将当前采集数据进行归一化处理，异常值剔除，根据激光功率对光谱补偿；随后，对光谱进行特征峰提取，减少输入变量个数。
19、所述微型计算机预设有优化后神经网络模型，所述优化后的神经网络模型构建方法，包括：
20、将历史数据集分为训练集和验证集；
21、首先，对bp神经网络的初始化，确定网络的输入和输出结构，并初始化连接权值和阈值；随后，将这些初始权值和阈值转化为改进后的woa的位置向量，并初始化算法的其他基本参数，包括种群规模n、最大迭代次数tmax、初始最小权重w1、初始最大权重w2和收敛因子a；
22、同时，将改进后的woa的适应度函数f(x)定义为模型预测输出值与实测值之间的均方误差；通过计算个体的适应度值，找到最优适应度值的位置，并记录下位置向量，将其作为当前最优个体位置xbest(t)；
23、接着，根据a的值采取了不同的位置更新策略，当|a|≥1时按照特定公式更新下一代的位置，当|a|<1时采用另一公式进行更新；
24、最后，在满足最大迭代次数或达到误差精度要求后，终止寻优算法，并将当前的最优参数赋值给bp神经网络，从而实现了对神经网络初始权值和阈值的优化。
25、本专利技术还提供一种具有空间约束和磁场约束的手持式libs系统的元素分析方法，包括以下步骤：
26、s1、在按下开关打开设备，将采集面与样品表面贴合，通过触发器采集光谱信号；
27、采集面与样品表面贴合保障激光聚焦到样品表面，获取良好的光信号；通过触发器)发送采集指令到微型计算机，微型计算机控制多个部分工作，首先激光发生器发射激光，激光能量信息被功率计获取并传输给微型计算机，激光产生等离子体的光被光谱仪所捕获，随后光谱信息被传输到微型计算机，微型计算机处理数据获取样品成分信息，最后将信息传输到触控显示屏上显示；
28、s2、获取光信号，光信号由样品受激发产生由光谱仪分辨得到，同时获取该次光信号的激光能量，激光能量由功率计获取；
29、s3、对光信号进行数据处理得到元素成分信息，并显示到触控显示屏。
30、进一步的，步骤s3包括以下子步骤：
31、步骤s31、将采集到的光谱信息进行归一化，得到归一化后的光谱信号；
32、步骤s32、将归一化后的所述光谱信号进行异常值剔除，通过k均值算法将离群值删除；
33、步骤s33、将异常值剔除后的光谱信号按照当前激光能量进行光谱补偿；
34、步骤s34、按照预设的阈值提取光谱特征峰，将预设波长处的特征峰进行保留，重新排列为特征峰矩阵；
35、步骤s35、将特征峰矩阵按照预设的主成分分析系数矩阵进行降维，减少冗余信息，获取降维矩阵；
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1.具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，包括外壳(14)，设置于外壳(14)内部的激光发生器(8)、光谱仪(12)、微型计算机(7)、电源系统(13)和功率计(9)，外壳(14)外部的等离子体增强探头(2)、触控显示屏(3)、散热通道(6)、触发器(5)、外部供电接口(4)、可伸缩底座(15)；
2.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，所述的等离子体增强探头(2)通过螺纹(20)固定于外壳(14)内；半球形束缚腔(11)开有孔洞(19)，孔洞(19)与光通路(17)耦合；
3.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，所述的光通路(17)包括：分束镜(21)、二向色镜(22)、第一汇聚透镜(23)、第二汇聚透镜(24)；激光发生器(8)到半球形束缚腔(11)的直线光路上依次设有分束镜(21)、二向色镜(22)、第二汇聚透镜(24)；功率计(9)位于分束镜(21)的分支光路上；第二汇聚透镜(24)位于二向色镜(22)反射光路上，并且通过光纤(18)连接光谱仪(12)
4.根据权利要求3所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，所述的分束镜(21)具有多种分光比率，二向色镜(22)呈45°放置，第二汇聚透镜(24)焦距依据与采集面(25)距离而定。
5.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，电源系统(13)与外部供电接口(4)、开关(1)、激光发生器(8)、光谱仪(12)、微型计算机(7)、功率计(9)和触控显示屏(3)通过电能传输通道相连；电源系统(13)包括可充电电池、变压模块，并与开关(1)相连。
6.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，所述激光发生器(8)为单脉冲激光发生器或者多脉冲激光发生器。
7.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，所述光谱仪(12)为单通道设置或多通道并排放置，对应光纤(8)的数量为单根或多根。
8.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统，其特征在于，所述微型计算机(7)通过信号线与触发器(5)、激光发生器(8)、触控显示屏(3)、功率计(9)和光谱仪(12)相连；
9.权利要求1到8任一项所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统的元素分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.根据权利要求9所述的具有空间约束和磁场约束的手持式LIBS系统的元素分析方法，其特征在于，步骤S3包括以下子步骤：
...【技术特征摘要】
1.具有空间约束和磁场约束的手持式libs系统，其特征在于，包括外壳(14)，设置于外壳(14)内部的激光发生器(8)、光谱仪(12)、微型计算机(7)、电源系统(13)和功率计(9)，外壳(14)外部的等离子体增强探头(2)、触控显示屏(3)、散热通道(6)、触发器(5)、外部供电接口(4)、可伸缩底座(15)；
2.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式libs系统，其特征在于，所述的等离子体增强探头(2)通过螺纹(20)固定于外壳(14)内；半球形束缚腔(11)开有孔洞(19)，孔洞(19)与光通路(17)耦合；
3.根据权利要求1所述的具有空间约束和磁场约束的手持式libs系统，其特征在于，所述的光通路(17)包括：分束镜(21)、二向色镜(22)、第一汇聚透镜(23)、第二汇聚透镜(24)；激光发生器(8)到半球形束缚腔(11)的直线光路上依次设有分束镜(21)、二向色镜(22)、第二汇聚透镜(24)；功率计(9)位于分束镜(21)的分支光路上；第二汇聚透镜(24)位于二向色镜(22)反射光路上，并且通过光纤(18)连接光谱仪(12)。
4.根据权利要求3所述的具有空间约束和磁场约束的手持式libs系统，其特征在于，所述的分束镜(21)具有多种分光比率，二向色镜(22)呈45°放置，第二...
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