專利名稱：激光光譜誘導(dǎo)成分檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型激光光譜誘導(dǎo)檢測系統(tǒng)，特別是涉及一種采用激光匯聚在鋼水表面，通過針對(duì)所激發(fā)等離子體光譜進(jìn)行分析，得到鋼水成分的在線檢測系統(tǒng)，屬于激光檢測技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
激光誘導(dǎo)等離子體光譜(LaserInduced Plasma Spectroscopy, LIPS)技術(shù),是一種利用脈沖激光燒蝕物質(zhì)產(chǎn)生等離子體，通過等離子體發(fā)射光譜來定性或定量研究物質(zhì)成份的分析技術(shù)。它具有適用范圍廣、分析速度快、測量破壞性小、可遠(yuǎn)程非接觸測量以及可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、原位檢測等優(yōu)點(diǎn)。LIPS是基于激光和材料相互作用產(chǎn)生的發(fā)射光譜的一種定量分析技術(shù),該方法在測量過程中只需幾微克即可，故可實(shí)現(xiàn)非破壞測量；無需樣品預(yù)處理即可實(shí)現(xiàn)對(duì)任何物理狀態(tài)物質(zhì)的元素分析，使LIPS技術(shù)應(yīng)用范圍非常廣泛；LIPS技術(shù)是光學(xué)應(yīng)用技術(shù)，可測量分析遠(yuǎn)達(dá)幾十米處的樣品，其遠(yuǎn)程分析能力對(duì)危險(xiǎn)、高溫環(huán)境或敵對(duì)環(huán)境中有非常大的吸引力；使用LIPS技術(shù)進(jìn)行成份分析，整個(gè)過程只需十秒左右，實(shí)時(shí)性和快速性非常良好；LIPS技術(shù)可通過定標(biāo)對(duì)物質(zhì)中痕量元素進(jìn)行定量分析，且檢測限和精密度完全滿足應(yīng)用需求。憑借LIPS技術(shù)本身所固有的優(yōu)勢，使其在近十年來倍受關(guān)注，通過不斷的研究和完善，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。將基于LIPS技術(shù)的分析設(shè)備用于鋼鐵冶煉，實(shí)現(xiàn)材料冶煉過程中的成份在線測量，解決冶煉過程只能事前計(jì)算分析、事后檢測，無法在事中進(jìn)行控制的問題。目前鋼鐵工業(yè)采用的離線分析方法不僅耗時(shí)，而且將導(dǎo)致接近3%的鋼產(chǎn)量最終降級(jí)甚至廢棄。我國作為鋼鐵生產(chǎn)大國，2010年全國粗鋼產(chǎn)量為62665萬噸，鋼鐵行業(yè)平均噸鋼綜合能耗為615千克標(biāo)準(zhǔn)煤，按國家統(tǒng)計(jì)局每度電折O. 404千克標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì)算，我國鋼鐵行業(yè)每年浪費(fèi)能源折合電度高達(dá)429. 27億度。在線檢測和閉環(huán)控制顯然是減少這種浪費(fèi)的關(guān)鍵技術(shù)手段之一,可大大降低成本,節(jié)約資源。根據(jù)LIPS分析特性可知，激光激發(fā)的光譜存在時(shí)間非常短暫，為了能夠瞬間采集到整個(gè)波段信號(hào)，必須使光譜儀具有全譜瞬態(tài)測量的特性。高分辨率的掃描型光柵光譜儀以及具有極高分辨率的時(shí)間掃描型光譜儀(傅里葉型光譜儀)并不合適。雖然平像場光柵光譜儀能夠一定程度上滿足靜態(tài)測量的需求，但是對(duì)于同時(shí)滿足高分辨率、寬波段，通常需要多個(gè)通道集合共同完成全譜段的測試。由于激光誘導(dǎo)等離子光譜測試系統(tǒng)精度較高，采用不同的分光系統(tǒng)與探測器，現(xiàn)有的常規(guī)光譜測試的一致性較難實(shí)現(xiàn)。而中階梯光柵光譜儀有體積小、分辨率、全譜瞬態(tài)直讀的特點(diǎn)，在LIPS系統(tǒng)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。它能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)對(duì)分光系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)要求，并且系統(tǒng)穩(wěn)定性較高、檢出限較低，靈敏度較高，能夠?qū)崿F(xiàn)高分辨率、全譜段精確測量。中階梯光柵光譜儀具有體積小、分辨率、全譜瞬態(tài)直讀的特點(diǎn)，在LIPS系統(tǒng)應(yīng)用中具有明顯優(yōu)勢。中階梯光柵光譜儀分光系統(tǒng)示意圖如圖3所示，入射光經(jīng)棱鏡進(jìn)行橫向色散，在經(jīng)中階梯光柵進(jìn)行主方向色散，從而在像面上呈現(xiàn)二維重疊光譜，采用面陣探測器進(jìn)行接收。針對(duì)金屬冶煉過程中的鋼水成分在線檢測，目前國內(nèi)外尚無相關(guān)的產(chǎn)品，也沒有相關(guān)的專利保護(hù)內(nèi)容。而本發(fā)明針對(duì)金屬冶煉過程中的鋼水成分在線檢測實(shí)際需求，提出了高實(shí)用性的技術(shù)方案，解決了金屬冶煉過程中的鋼水成分在線檢測的誘導(dǎo)激光導(dǎo)引、原子蒸汽吸收光譜干擾等問題，具有很好的實(shí)用意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于提供一種針對(duì)金屬冶煉過程中的激光誘導(dǎo)光譜檢測系統(tǒng)，用來針對(duì)鋼水成分進(jìn)行實(shí)時(shí)的在線分析。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明涉及的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，如圖I和圖2所示，包括凹 面反射鏡I、凸面反射鏡2、窗口鏡3、套管4、鋼爐5、計(jì)算機(jī)6、檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)7、反饋調(diào)節(jié)控制裝置8、激光光源9、光束折轉(zhuǎn)系統(tǒng)10、中階梯光柵光譜儀13、積分延遲探測系統(tǒng)14、激光光束質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)11。還可以將凹面反射鏡I和凸面反射鏡2構(gòu)成的光學(xué)聚焦結(jié)構(gòu)替換成透鏡組12。在所述的技術(shù)方案中，所述的凹面反射鏡I和凸面反射鏡2用來將誘導(dǎo)激勵(lì)的激光束匯聚到被檢測的鋼水表面上；在所述的技術(shù)方案中，所述的窗口鏡3用來密封鋼爐；在所述的技術(shù)方案中，所述的套管4用來將鋼爐中的激光束進(jìn)行密封，并深入鋼水表面；在所述的技術(shù)方案中，所述的鋼爐5是冶煉的鋼爐，內(nèi)部包含大量鋼水；在所述的技術(shù)方案中，所述的計(jì)算機(jī)6是金屬冶煉過程中激光誘導(dǎo)光譜檢測系統(tǒng)的控制和顯示分析中心；在所述的技術(shù)方案中，所述的檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)7，采用單頻或雙頻激光干涉儀、激光測距儀等遠(yuǎn)程測距設(shè)備，實(shí)時(shí)精確監(jiān)測鋼水液面到聚光鏡的距離；在所述的技術(shù)方案中，所述的反饋調(diào)節(jié)控制裝置8，包括一個(gè)電動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，用來補(bǔ)償調(diào)整凹面反射鏡I和凸面反射鏡2的間距，保證誘導(dǎo)光束精確聚焦到檢測點(diǎn)；在所述的技術(shù)方案中，所述的激光光源9，用來產(chǎn)生誘導(dǎo)等離子體的激光光束，可以是YAG工作物質(zhì)的激光源，也可以是二氧化碳激光源；在所述的技術(shù)方案中，所述的光束折轉(zhuǎn)系統(tǒng)10，由一個(gè)或多至10個(gè)的反射鏡構(gòu)成，折轉(zhuǎn)控制激光光束；在所述的技術(shù)方案中，所述的激光光束質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)11，可以由透鏡組，也可以由液晶光閥或微反射鏡陣列構(gòu)成，用來將激光束整形成所需的形狀，實(shí)現(xiàn)高效率的激光誘導(dǎo)；在所述的技術(shù)方案中，所述的透鏡組12，由一個(gè)或多至10個(gè)的透鏡構(gòu)成，用來替代凹面反射鏡I和凸面反射鏡2 ；在所述的技術(shù)方案中，所述的中階梯光柵光譜儀13，用來將采集到的光信號(hào)進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的捕捉；在所述的技術(shù)方案中，所述的積分延遲探測系統(tǒng)14，用來處理采集到的光信號(hào)，得到定量的光譜數(shù)據(jù)信息；本發(fā)明與已有技術(shù)相比具有如下的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明可以實(shí)時(shí)的檢測高溫液態(tài)鋼水的組成成分，簡化鋼水檢測過程；可以提高檢測速度，保證鋼水成分，降低廢棄鋼比例。因此本發(fā)明在節(jié)能減排、降低冶煉成本上有重要的意義。中階梯光柵光譜儀，通過光線追跡或幾何成像原理推導(dǎo)出波長與像面坐標(biāo)的關(guān)系，由此確定各波長的理想成像位置，這與常規(guī)的光譜儀處理系統(tǒng)相比較，存在大光譜范圍、高精度分光等明顯優(yōu)點(diǎn)，這也是本專利的創(chuàng)新點(diǎn)之一。


圖I是激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之一。 圖2是激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)之二。圖3是中階梯光柵光譜儀色散系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施例方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖和實(shí)施例將對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。實(shí)施例I參考圖1，制作一個(gè)激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的凹面反射鏡I為一個(gè)直徑200mm的凹球面聚焦反射鏡；凸面反射鏡2為一個(gè)金屬制成的高反射鏡；窗口鏡3為石英玻璃制成的平面透過片，兩側(cè)鍍有針對(duì)檢測和激勵(lì)激光波長的增透膜；套管4為陶瓷制作的防護(hù)管道，直徑40mm ;鋼爐5為用來冶煉的500KG真空高爐，由國內(nèi)某真空高爐廠商生產(chǎn)；計(jì)算機(jī)6為LENOVO公司的臺(tái)式個(gè)人電腦；檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)7為尼康LASER 550G型號(hào)單頻激光測距儀，反饋調(diào)節(jié)控制裝置8包括一個(gè)放大反饋電路，一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路。通過激光測距儀采集到的信號(hào)通過放大反饋電路放大處理，然后通過數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)6上，由計(jì)算機(jī)6進(jìn)行距離的顯示和處理。數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路還將采集到的信號(hào)傳遞給反饋調(diào)節(jié)控制裝置8，通過控制凸面反射鏡2到凹面反射鏡I的距離，調(diào)節(jié)激勵(lì)激光的聚焦點(diǎn)。激光光源9為YAG工作物質(zhì)的全固態(tài)激光器，單脈沖能量800mJ，脈沖寬度10ns。光束折轉(zhuǎn)系統(tǒng)10由4片反射鏡構(gòu)成，將激光光源9產(chǎn)生的激光傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)中。中階梯光柵光譜儀13為進(jìn)行光譜探測的檢測結(jié)構(gòu)。積分延遲探測系統(tǒng)14采用積分延遲電路來實(shí)現(xiàn)，用來進(jìn)行所采集到的圖像信號(hào)的延遲處理。實(shí)施例2參考圖2，制作一個(gè)激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)的凹面反射鏡I和凸面反射鏡2構(gòu)成的光學(xué)聚焦結(jié)構(gòu)替換為了透鏡組12。透鏡組12由4片消除像差的透鏡組成，包括I片凹面鏡和3片凸面鏡；窗口鏡3為石英玻璃制成的平面透過片，兩側(cè)鍍有針對(duì)檢測和激勵(lì)激光波長的增透膜；套管4為陶瓷制作的防護(hù)管道，直徑50mm ;鋼爐5為用來冶煉的200KG電爐；計(jì)算機(jī)6為LENOVO公司的便攜式電腦；檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)7為雙頻激光測距儀，反饋調(diào)節(jié)控制裝置8包括一個(gè)放大反饋電路，一個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路。通過激光測距儀采集到的信號(hào)通過放大反饋電路放大處理，然后通過數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路傳輸?shù)接?jì)算機(jī)6上，由計(jì)算機(jī)6進(jìn)行距離的顯示和處理。數(shù)據(jù)信號(hào)處理電路還將采集到的信號(hào)P傳遞給反饋調(diào)節(jié)控制裝置8，通過控制凸面反射鏡2到凹面反射鏡I的距離，調(diào)節(jié)激勵(lì)激光的聚焦點(diǎn)。激光光源9為YAGT作物質(zhì)的全固態(tài)激光器，單脈沖能量60mJ，脈沖寬度20ps。光束折轉(zhuǎn)系統(tǒng)10由4片反射鏡構(gòu)成，將激光光源9產(chǎn)生的激光傳輸?shù)綑z測系統(tǒng)中。中階梯光柵光譜儀13為進(jìn)行光譜探測的檢測結(jié) 構(gòu)。積分延遲探測系統(tǒng)14采用積分延遲電路來實(shí)現(xiàn)，用來進(jìn)行所采集到的圖像信號(hào)的延遲處理。
權(quán)利要求
1.一種激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，包括凹面反射鏡、凸面反射鏡、窗口鏡、套管、鋼爐、計(jì)算機(jī)、檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、反饋調(diào)節(jié)控制裝置、激光光源、光束折轉(zhuǎn)系統(tǒng)、中階梯光柵光譜儀、積分延遲探測系統(tǒng)、激光光束質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，還可以將凹面反射鏡和凸面反射鏡構(gòu)成的光學(xué)聚焦結(jié)構(gòu)替換成透鏡組。
2.按權(quán)利要求I所述的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的凹面反射鏡和凸面反射鏡用來將誘導(dǎo)激勵(lì)的激光束匯聚到被檢測的鋼水表面上；所述的窗口鏡用來密封鋼爐；所述的套管用來將鋼爐中的激光束進(jìn)行密封，并深入鋼水表面；所述的鋼爐是冶煉的鋼爐，內(nèi)部包含大量鋼水；所述的計(jì)算機(jī)是金屬冶煉過程中激光誘導(dǎo)光譜檢測系統(tǒng)的控制和顯示分析中心；所述的檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用單頻或雙頻激光干涉儀、激光測距儀等遠(yuǎn)程測距設(shè)備，實(shí)時(shí)精確監(jiān)測鋼水液面到聚光鏡的距離；所述的反饋調(diào)節(jié)控制裝置，包括一個(gè)電動(dòng)控制結(jié)構(gòu)，用來補(bǔ)償調(diào)整凹面反射鏡I和凸面反射鏡2的間距，保證誘導(dǎo)光束精確聚焦到檢測點(diǎn)；所述的激光光源，用來產(chǎn)生誘導(dǎo)等離子體的激光光束，可以是YAG工作物質(zhì)的激光光源，也可以是二氧化碳激光光源；所述的光束折轉(zhuǎn)系統(tǒng)，由I個(gè)或多至10個(gè)的反射鏡構(gòu)成，折轉(zhuǎn)控制激光光束；所述的激光光束質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，可以由透鏡組，也可以由液晶光閥或微反射鏡陣列構(gòu)成，用來將激光束整形成所需的形狀，實(shí)現(xiàn)高效率的激光誘導(dǎo)；所述的透鏡組，由I個(gè)或多至10個(gè)的透鏡構(gòu)成，用來替代凹面反射鏡和凸面反射鏡；所述的中階梯光柵光譜儀，用來將采集到的光信號(hào)進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)光譜數(shù)據(jù)的捕捉；所述的積分延遲探測系統(tǒng)，用來處理采集到的光信號(hào)，得到定量的光譜數(shù)據(jù)信息?！?2.按權(quán)利要求I所述的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，采用單頻或雙頻激光干涉儀、激光測距儀等激光測距儀器，實(shí)時(shí)精確監(jiān)測鋼水液面到聚光鏡的距離，并通過反饋調(diào)節(jié)控制裝置來控制調(diào)節(jié)凹面反射鏡和凸面反射鏡的間距，或者透鏡組的焦距，來動(dòng)態(tài)保證誘導(dǎo)激光光斑在被檢測鋼水表面的尺寸一致。
3.按權(quán)利要求I所述的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，還能夠通過光譜信號(hào)的信噪比來反饋控制激光光源的輸出激光器強(qiáng)度，保證激勵(lì)的等離子強(qiáng)度的穩(wěn)定性，來保證檢測到激光信號(hào)的精度。
4.按權(quán)利要求I所述的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的光譜儀采用了中階梯光柵光譜儀，中階梯光柵光譜儀將入射光經(jīng)棱鏡進(jìn)行橫向色散，在經(jīng)中階梯光柵進(jìn)行主方向色散，從而在像面上呈現(xiàn)二維重疊光譜，采用面陣探測器進(jìn)行接收。
5.按權(quán)利要求I所述的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的窗口鏡用來密封鋼爐，采用石英玻璃或其他透明材料制成的平板，并在表面根據(jù)鋼爐冶煉的材料的熱輻射譜特征，比如鐵，鍍有相應(yīng)光譜頻率的高反射膜，來實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜信號(hào)的降噪處理。
6.按權(quán)利要求I所述的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的套管采用陶瓷等耐高溫材料制成，用來將鋼爐中的激光束與其余空間隔離，降低鋼水輻射光譜的影響。
7.按權(quán)利要求5所述的窗口鏡，其特征在于，可以在窗口鏡表面鍍薄膜，實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊波長的光進(jìn)行定量的吸收，這種吸收用來實(shí)現(xiàn)對(duì)透過光譜的穩(wěn)定性和強(qiáng)弱對(duì)比的控制，實(shí)現(xiàn)提高信噪比。
8.按權(quán)利要求5所述的窗口鏡，其特征在于，可以在窗口鏡材料中摻雜特殊的成分，t匕 如針對(duì)鐵離子輻射光譜吸收的物質(zhì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊波長的光進(jìn)行定量的吸收；這種吸收用來 實(shí)現(xiàn)對(duì)誘導(dǎo)激發(fā)光譜的穩(wěn)定性和強(qiáng)弱對(duì)比的控制，實(shí)現(xiàn)降噪。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種新型激光光譜誘導(dǎo)檢測系統(tǒng)，特別是涉及一種采用激光匯聚在鋼水表面，通過針對(duì)所激發(fā)等離子體光譜進(jìn)行分析，得到鋼水成分的在線檢測系統(tǒng)，屬于激光檢測技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明涉及的激光光譜誘導(dǎo)在線鋼水成分檢測系統(tǒng)包括凹面反射鏡、凸面反射鏡、窗口鏡、套管、鋼爐、計(jì)算機(jī)、檢測點(diǎn)距離動(dòng)態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、反饋調(diào)節(jié)控制裝置、激光光源、光束折轉(zhuǎn)系統(tǒng)、中階梯光柵光譜儀、積分延遲探測系統(tǒng)、激光光束質(zhì)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)等組成部分，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)鋼水包含的錳、鎂、硫、碳等20余種成分的精確檢測。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)鋼水成分的實(shí)時(shí)檢測，降低冶煉成本，節(jié)約資源。
文檔編號(hào)G01N21/63GK102841075SQ20111036077
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2011年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月15日
發(fā)明者趙天卓, 余錦, 樊仲維, 劉洋, 張雪, 黃科, 麻云鳳, 聶樹真, 李晗 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院光電研究院, 北京國科世紀(jì)激光技術(shù)有限公司