Method and Experimental Research on Quantifying Multielement Alloys Based on Laser-Induced Breakdown Spectroscopy

冶金生产过程中物料、产品及中间产品化学组成和含量的检测是冶炼终点预报和质量控制的重要环节。常规的检测技术有X射线荧光光谱法、火花光电发射光谱分析、原子吸收光谱分析等等。这些检测技术都需要对样品进行严格的加工处理过程，耗用较长的分析时间，造成生产信息反馈不及时，产品质量控制滞后，以及大量能源浪费。激光诱导击穿光谱是一种新兴的光谱分析技术，在原位、在线、快速、远程分析方面展现出突出的应用价值，吸引着广大研究人员的热切关注。论文以冶金产品多元合金成分的在线分析为应用背景，以提高激光诱导击穿光谱的定量分析性能并促进其在冶金在线分析上的应用为目标，开展了激光诱导击穿光谱的理论和应用研究。论文研究内容包括：面向冶金在线分析的激光诱导击穿光谱实验系统的设计及系统关键参数的优化、光谱连续背景干扰的在线自动校正方法、基于定标方法的合金多组分定量分析、以及自由定标定量分析方法的改进。具体的研究内容和创新性成果概括如下：（1） 设计了面向冶金在线分析的激光诱导击穿光谱实验系统，并在此系统上对系统部分关键参数进行了优化。所设计的实验系统能够较好地模拟金属和合金成分的在线分析过程，对进一步开发基于激光诱导击穿光谱的液态熔体金属在线检测设备提供了基础。在系统参数优化方面，首先，提出了“加权综合信背比”作为优化指标，能够兼顾多谱线分析性能；其次，研究了激光脉冲能量、检测延时、透镜距样品表面距离三个系统关键参数对光谱信号的影响规律；最后，利用二次回归正交设计构建了多参数模型，并通过模型对系统关键参数进行了优化。实验表明：加权综合信背比指标避免了只考虑一种元素分析性能而造成其它元素分析性能极度恶化的现象；采用二次回归正交设计方法不仅大大减少了试验次数，而且解决了多因素共同优化的问题。（2） 提出了一个连续背景光谱干扰在线动态校正的方法——极小点筛选法。首先寻找光谱上的所有极小值点，然后通过一个合适的阈值扣除部分极小值点，再利用余下的极小值点进行多项式最小二乘拟合，拟合后的函数用于估计光谱中的连续背景干扰。极小点筛选法不需要人参与，对不同复杂程度和时变光谱都能够实现一次性全谱自动校正。此外，该方法还可用于某些系统参数的自动优化，并可以推广应用于其它原子发射光谱分析技术上。（3） 运用一元定标曲线法、非线性多元函数定标法、BP神经网络定标法等多种基于定标的定量分析方法，定量分析基体差异较大的多元合金钢材料，比较了这些方法的分析性能，并总结了不同方法的适用条件，以及如何更好地运用这些方法，获得多项有意义的研究结果。（4） 研究了能够完全避免基体效应的自由定标方法，并提出了一个基于内参考线的自吸校正方法，简称为IRSAC方法。IRSAC方法通过选择内部参考线评估每条谱线的自吸程度，再通过评估的自吸程度校正谱线的强度，然后利用校正后的谱线强度绘制新的Boltzmann图，并以循环的方式逐步校正。IRSAC方法结合自由定标方法能够更准确地计算等离子体温度和各组成元素的浓度，提高了自由定标方法定量分析性能。与传统的自吸校正方法相比，IRSAC方法还具有计算过程更简单，在线应用实施更容易的特点

一种高温液体成分在线检测装置及方法

本发明涉及一种高温液体成分在线检测装置及方法。包括集成于外壳内部的信号激发及收集单元、数据处理及控制单元、探枪。探枪一端浸入高温液体中，信号激发及收集单元激光在探枪内部高温液体表面激发产生等离子体信号，通过收集和处理等离子体信号来计算和传输被测样品组成元素的检测结果。本发明能够有效克服被测高温液体表面等离子体溅射、烧损和蒸发物质，降低高温液体表面抖动影响，增强等离子体信号的稳定性。本发明集成度高，布置灵活，方便在现场实现多点布置，将关心的元素浓度信息通过有线或无线的方式集中传送到监控室进行分析。能够很好的与工艺过程相配合，提高产品质量、降低生产成本及降低能源消耗

Quantitative analysis of multi-elements in steel samples by laser-induced breakdown spectroscopy

Through a Nd:YAG pulse laser of 1064nm wavelength, a multichannel grating spectrometer, and seven CCD detectors, the plasma emission spectrum of the 200 - 980nm wavelength rang were simultaneously observed. First, we studied the influences of some factors like laser energy and measurement time delays on emission intensity of plasma. By experiments, we found that the unusual phenomenon that the emission intensity of plasma is possibly stronger when laser energy is smaller for steel samples. However, this stronger intensity obtained under smaller laser energy is not suitable to quantitative analysis because of poorer repetition. Second, we determined the optimal experimental parameters and quantitatively analyzed the concentrations of the element Mn, Ni, Cr, V, Ti and Cu in some steel samples under the optimal experimental parameters. The calibration curves of these elements were built, and good linearity was obtained. The average relative errors of the quantitative results of these elements are between 13.31% and 4.54%. Consequently, LIBS can be used for quantitative analysis for steel samples; however, the accuracy of the quantitative results still needs to be improved

一种稳定液柱生成及防护装置

本发明属于液体成分检测技术领域，特别涉及一种稳定液柱生成及防护装置。包括稳定液柱生成系统、防溅射系统及清洗与液体收集系统，其中稳定液柱生成系统用于将待检测液体样品生成稳定液柱；防溅射系统沿检测路径设置于稳定液柱生成系统的一侧；防溅射系统利用高速气流改变溅射液滴运动方向，完成液滴溅射防护；清洗与液体收集系统设置于稳定液柱生成系统的一侧，用于清洗装置被溅射液滴的污染处及收集液体样品和清洗水，同时进行排放。本发明能生成稳定的检测液柱，并能对液滴溅射现象进行有效防护，对检测过程产生的污染聚集现象进行清洗，可长时间实现免维护运行

Quantitative analysis of multi-element alloys with laser-induced breakdown spectroscopy

将Nd:YAG激光脉冲会聚于合金表面以产生激光诱导等离子体,等离子体辐射发射光经过多通道光栅光谱仪并由CCD检测。分析发射光谱的特征谱线,建立定标模型实现了铝合金中代表元素Fe, Cu, Si的定量分析。测量相对误差基本可在10%以内,检出限可达10-4量级。证明LIBS技术可在短时间内实现合金样品中多元素的定量分析

Optimization Modeling for Experimental Parameters of Laser-Induced Breakdown Spectroscopy by Quadratic Regression Orthogonal Design

激光诱导击穿光谱(LIBS)为多元素同时分析提供了一种简单、快速的分析工具。对LIBS多元素同时分析时实验参数优化,提出了一个"综合信背比(ISBR)"的优化目标函数。基于二次回归正交设计(QROD)构建了激光脉冲能量、检测延时、样品距透镜距离、积分时间这些因素对目标函数影响的多因素模型。结果表明,目标函数可以顾及多条谱线性能,为多元素同时分析提供参数优化的依据。利用QROD方法建立多因素模型,可以获得比单因素逐个优化更优的实验条件,并大大减少了实验次数

Portable rapid element composition analyzer

本发明属于检测设备范畴，涉及元素光谱分析方法，特别涉及便携式快速元素成分分析仪。本发明包括通过光纤和电缆连接起来的电缆前端采集部分和后端分析部分，前端采集部分包括脉冲激光器和采集器，脉冲激光器的激光头对准采集器中的激光激发透镜组；后端分析部分包括激光电源、时序控制板、光谱仪和计算机，时序控制板与光谱仪和激光电源相连，计算机与光谱仪和时序控制板相连。本发明适用于冶金工业，地址勘探，环保检测等工业现场或野外现场的使用，可以快速对未知样品进行定性定量分析；能够在几秒钟之内对未知样品进行定性分析，同时对所需元素进行定量分析；便于携带，操作简单，特别适用于对分析时间有需求的工业或勘探现场

Method for detecting content of component of unknown object on line

本发明涉及一种未知物组成元素含量在线检测方法，包括以下步骤：基于激光诱导击穿光谱技术，将微量被测物击穿并产生等离子体，对等离子体发射光收集、分光和光电转换，进而得到被测组分的光谱数据；分析获得的等离子体的发射光谱数据，对光谱数据进行处理，采用自标定算法，直接利用未知物本身光谱推算被测组分即被测元素的浓度。本发明采用激光诱导击穿光谱技术在线检测物质组分，不需要复杂制样过程，测量过程简单快速，同时适合固态、液态、气态等形式物质的在线分析，适用面广泛，能够适应变化的在线测量环境，提高了在线检测的准确性

一种实时检测激光清洗状态和质量的激光清洗系统及方法

本发明涉及激光清洗技术，具体涉及一种实时检测激光清洗状态和质量的激光清洗系统及方法，本发明包括，清洗用激光器、激光清洗头、光谱收集系统、控制模块和PC机；PC机，通过线缆分别与光谱收集系统和控制模块相连接，用于接收光谱收集系统发送的光谱信息及向控制模块发送控制命令；控制模块，分别与清洗用激光器、激光清洗头、光谱收集系统相连接，用于向光谱收集系统发送采集触发信号及同时向清洗用激光器、激光清洗头发送控制命令；本发明可以安装在机械手中，对大体积样品进行移动式清洗及测量，使清洗过程及质量更精细化，同时可以通过清洗质量信息对清洗过程实现闭环操作，实现全自动清洗。可以有效的提高清洗质量程度与完成度