一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的多參數(shù)便攜式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)的制作方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的多參數(shù)便攜式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)
[0001]
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明屬于激光診斷和測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種對(duì)水質(zhì)的PH值、溫度、氧化性及重金屬進(jìn)行快速分析的基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的多參數(shù)便攜式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]水是人類(lèi)在生活、生產(chǎn)中必不可少的物質(zhì)，而飲用水的優(yōu)質(zhì)又與人類(lèi)生命健康密切相關(guān)。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，一方面是水的大量使用，另一方面是很多未經(jīng)處理的生活污水和工業(yè)廢水引起的水質(zhì)污染。水中的重金屬對(duì)人的健康影響頗深，對(duì)其快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)能有效提尚飲用水的安全。
[0005]激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LaserInduced Breakdown Spectroscopy, LIBS)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(cè)量過(guò)程中只需幾微克即可，故可實(shí)現(xiàn)非破壞測(cè)量；無(wú)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LIBS技術(shù)應(yīng)用范圍非常廣泛；使用LIBS技術(shù)進(jìn)行成份分析，整個(gè)過(guò)程只需十秒左右，實(shí)時(shí)性和快速性非常良好；LIBS技術(shù)可通過(guò)定標(biāo)對(duì)物質(zhì)中痕量進(jìn)行定量分析，且檢測(cè)限和精度完全滿足應(yīng)用需求。
[0006]與傳統(tǒng)對(duì)水質(zhì)檢測(cè)的技術(shù)相比，LIBS有其不可比擬的優(yōu)勢(shì)，但是由于激光器、光譜儀體積的因素，導(dǎo)致檢測(cè)儀不便于攜帶，制約了水質(zhì)檢測(cè)的方便性。另一方面，由于激光直接照射到靶樣品后，激光誘導(dǎo)等離子體處于一種自由膨脹狀態(tài)，等離子體柱形貌不規(guī)則。會(huì)造成等離子體的自吸效應(yīng)，影響元素含量檢測(cè)的精度。因?yàn)樽晕?yīng)是由于激光等離子體中心部位發(fā)射的光子向外傳播時(shí)，被邊緣低溫區(qū)同種元素的低能態(tài)原子所吸收造成的，而且吸收主要發(fā)生在光譜線中心頻率附近，使得譜線峰值強(qiáng)度降低。隨著分析元素含量增大，譜線中心頻率附近會(huì)出現(xiàn)“凹陷”，這種嚴(yán)重自吸現(xiàn)象稱(chēng)為自蝕(self-reversal)，共振線(靈敏譜線)尤為顯著。另外，納秒脈沖激光能使材料組分的化學(xué)鍵嚴(yán)重?cái)嗔?，僅能探測(cè)到材料組分的原子或離子的L I B S光譜。而飛秒激光脈寬小，光強(qiáng)較高，作用在材料表面的熱效應(yīng)范圍小，使材料快速電離，從而保持材料的分子結(jié)構(gòu)，除探測(cè)到原子或離子的L I B S光譜外，還可看到材料組分的分子結(jié)構(gòu)光譜。飛秒燒蝕使等離子體的壽命大大縮短，由于飛秒燒蝕是冷燒蝕過(guò)程，減少了燒蝕的體積，從而提高了 L I B S的譜線強(qiáng)度和信號(hào)光譜與背景光譜的比值。
[0007]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]針對(duì)上述問(wèn)題及技術(shù)，本發(fā)明提供了一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的多參數(shù)便攜式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)存在的水質(zhì)檢測(cè)設(shè)備體積大、精度低、檢測(cè)參量單一等問(wèn)題。
[0009]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的多參數(shù)便攜式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，其特征在于:包括激光器、光路整形裝置、用于盛放樣品水質(zhì)的三維可調(diào)樣品臺(tái)、光纖光譜儀、數(shù)字脈沖延時(shí)器、嵌入式控制主板、用于檢測(cè)水質(zhì)PH值得PH探頭、用于檢測(cè)水質(zhì)氧化性的ORP探頭、用于檢測(cè)水質(zhì)溫度的溫度探頭、用于檢測(cè)水的硬化度與礦化度的電導(dǎo)電極探頭、電源；所述的三維可調(diào)樣品臺(tái)、光纖光譜儀、數(shù)字脈沖延時(shí)器、用于檢測(cè)水質(zhì)PH值的PH探頭、用于檢測(cè)水質(zhì)氧化性的ORP探頭、用于檢測(cè)水質(zhì)溫度的溫度探頭、用于檢測(cè)水的硬化度與礦化度的電導(dǎo)電極探頭、電源均分別與所述的嵌入式控制主板連接；所述的數(shù)字脈沖延時(shí)器與所述的激光器連接，用于控制激光器觸發(fā)和光譜信號(hào)采集間的同步延遲時(shí)間；所述的激光器發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)所述的光路整形裝置后，射到樣品水質(zhì)，使其產(chǎn)生等離子體，被等離子體激發(fā)的原子所發(fā)射的光譜由所述的光纖光譜儀獲取，進(jìn)而識(shí)別樣品中元素的組成成分及含量；樣品水質(zhì)的PH值、氧化性、溫度以及硬化度與礦化度的的測(cè)量均由所述的嵌入式控制主板分別通過(guò)PH探頭、ORP探頭、溫度探頭、電導(dǎo)電極探頭測(cè)得。
[0010]作為優(yōu)選，所述的激光器為脈寬150fs、波長(zhǎng)800nm，單脈沖能量3uJ，重復(fù)頻率250kHz的飛秒脈沖激光器。
[0011]作為優(yōu)選，所述的光路整形裝置包括第一反射平面鏡片、第二反射平面鏡片、第三反射平面鏡片、第一石英透鏡、球形反射鏡、第二石英透鏡、探頭；所述的激光器輸出的激光脈沖依次經(jīng)過(guò)第一反射平面鏡片、第二反射平面鏡片、第三反射平面鏡片后，由焦距為30mm的第一石英透鏡聚焦到三維可調(diào)樣品臺(tái)，然后經(jīng)直徑50mm的球形反射鏡反射，并由焦距為50mm的第二石英透鏡聚焦到光纖耦合器的探頭上，再通過(guò)光纖傳輸?shù)剿龅墓饫w光譜儀中，所述的光纖光譜儀處理得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到所述的嵌入式控制主板。
[0012]作為優(yōu)選，所述的三維可調(diào)樣品臺(tái)包括步進(jìn)電機(jī)、平臺(tái)。
[0013]作為優(yōu)選，所述的光纖光譜儀為快觸發(fā)型四通道光纖光譜儀，該光譜儀四個(gè)通道分別使用兩塊2400L/mm，一塊600L/mm，以及一塊1200L/mm的全息光柵，分別覆蓋230-345nm，340_440nm，425_953nm，和 934_1082nm 光譜波段，其光譜分辨率分別為 0.08nm，
0.08nm,0.4nm 和 0.llnm。
[0014]作為優(yōu)選，所述的檢測(cè)系統(tǒng)還包括存儲(chǔ)設(shè)備、GPRS模塊和觸摸顯示屏，所述的存儲(chǔ)設(shè)備、GPRS模塊和觸摸顯示屏均分別與所述的嵌入式控制主板連接。
[0015]作為優(yōu)選，所述的嵌入式控制主板采用搭載Linux操作系統(tǒng)的主芯片為S3C2440的控制板，用于對(duì)三維可調(diào)樣品臺(tái)、數(shù)字脈沖延時(shí)器的控制以及對(duì)光纖光譜儀發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示和存儲(chǔ)。
[0016]作為優(yōu)選，所述的球形反射鏡的反射面位于球體內(nèi)部。
[0017]作為優(yōu)選，所述的pH探頭、ORP探頭、溫度探頭、電導(dǎo)電極探頭等間距放于水質(zhì)檢測(cè)槽中，水質(zhì)檢測(cè)槽放置在所述的三維可調(diào)樣品臺(tái)上。
[0018]作為優(yōu)選，所述的水質(zhì)檢測(cè)槽底部設(shè)置有排水管。
[0019]國(guó)外相關(guān)產(chǎn)品價(jià)格高，還有兼容性差的問(wèn)題。而本發(fā)明具有模塊化設(shè)計(jì)、成本低、體積小、響應(yīng)時(shí)間短的特點(diǎn)，能夠大規(guī)模普及，因此可以很好的填補(bǔ)這個(gè)市場(chǎng)空白。
[0020]
【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1:本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)原理圖；
圖2:本發(fā)明實(shí)施例為檢測(cè)水質(zhì)PH值、氧化性、溫度、硬化度與礦化度的裝置示意圖；
圖3:本發(fā)明實(shí)施例的光路整形裝置結(jié)構(gòu)圖；
圖4:本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)工作流程圖。
[0022]
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了便于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解和實(shí)施本發(fā)明，下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)描述，應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的實(shí)施示例僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]請(qǐng)見(jiàn)圖1、圖2和圖3，本發(fā)明提供的一種基于激光誘導(dǎo)擊穿光譜的多參數(shù)便攜式水質(zhì)檢測(cè)系統(tǒng)，包括激光器1、光路整形裝置、用于盛放樣品水質(zhì)的三維可調(diào)樣品臺(tái)6、光纖光譜儀11、數(shù)字脈沖延時(shí)器、嵌入式控制主板12、用于檢測(cè)水質(zhì)PH值得PH探頭13、用于檢測(cè)水質(zhì)氧化性的ORP探頭14、用于檢測(cè)水質(zhì)溫度的溫度探頭15、用于檢測(cè)水的硬化度與礦化度的電導(dǎo)電極探頭16、電源、存儲(chǔ)設(shè)備、GPRS模塊和觸摸顯示屏；三維可調(diào)樣品臺(tái)6、光纖光譜儀11、數(shù)字脈沖延時(shí)器、用于檢測(cè)水質(zhì)PH值的PH探頭13、用于檢測(cè)水質(zhì)氧化性的ORP探頭14、用于檢測(cè)水質(zhì)溫度的溫度探頭15、用于檢測(cè)水的硬化度與礦化度的電導(dǎo)電極探頭16、電源、存儲(chǔ)設(shè)備、GPRS模塊和觸摸顯示屏均分別與嵌入式控制主板12連接；數(shù)字脈沖延時(shí)器與激光器I連接。
[0025]本實(shí)施例采用的激光器I為Sapphire再生放大激光器RegA 9000，Coherent，是脈寬150fs、波長(zhǎng)800nm，單脈沖能量3uJ，重復(fù)頻率250kHz的飛秒脈沖激光器。
[0026]本實(shí)施例采用的是DG645數(shù)字脈沖延時(shí)器，用于控制激光器I觸發(fā)和光譜信號(hào)采集間的同步延遲時(shí)間。
[0027]本實(shí)施例的光纖光譜儀11采用AVANTES公司的AvaSpeC2048FT快觸發(fā)型四通道光纖光譜儀，該光譜儀四個(gè)通道分別使用兩塊2400L/mm，一塊600L/mm，以及一塊1200L/mm的全息光柵，分別覆蓋230-345nm，340_440nm，425_953nm，和934_1082nm光譜波段，其光譜分辨率分別為0.08nm，0.08nm，0.4nm和0.llnm。其具有熱電內(nèi)制冷功能，100 mm的焦距和
0.22的數(shù)值孔徑組合可以使光譜儀在不增大自身體積的情況下達(dá)到分辨率與靈敏度的最佳平衡。
[0028]本實(shí)施例的光路整形裝置包括第一反射平面鏡片2、第二反射平面鏡片3、第三反射平面鏡片4、第一石英透鏡5、球形反射鏡7、第二石英透鏡8、探頭9 ;激光器I輸出的激光脈沖依次經(jīng)過(guò)第一反射平面鏡片2、第二反射平面鏡片3、第三反射平面鏡片4后，由焦距為30mm的第一石英透鏡5聚焦到三維可調(diào)樣品臺(tái)6，然后經(jīng)直徑50mm的球形反射鏡7反射，并由焦距為50mm的第二石英透鏡8聚焦到光纖耦合器的探頭9上，再通過(guò)光纖10傳輸?shù)焦饫w光譜儀11中，光纖光譜儀11處理得到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送到嵌入式控制主板12。三維可調(diào)樣品臺(tái)6包括步進(jìn)電機(jī)、平臺(tái)。第一反射平面鏡片2、第二反射平面鏡片3、第三反射平面鏡片4均以特定的角度固定在光路整形裝置中，確保脈沖激光能通過(guò)光路反射照射到三維可調(diào)樣品臺(tái)6上的靶面上；球形反射鏡7的反射面位于球體內(nèi)部；三維可調(diào)樣品臺(tái)6由嵌入式控制主板12控制，以保證脈沖激光照射到待測(cè)水質(zhì)的點(diǎn)位于球形反射鏡的中心。
[0029]本實(shí)施例的嵌入式控制主板12采用三星公司