[发明专利]一种高效的多路激光探针分析系统与方法

说明书

技术领域

本发明涉及光谱分析和在线成分检测领域，具体涉及一种多路激光探针分析系统与方法，该发明特别适用于矿山、大型工业过程的多点同时在线检测，可以显著降低成本，提高检测效率，具有广泛的应用前景和市场。

背景技术

近些年，一种新型的物质成分探测技术——激光探针技术，也称激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)技术引起了科研人员的极大兴趣。与传统的化学分析方法相比，激光探针技术不仅具有多元素同时检测，检测速度快，可用于实时在线检测，样品损伤小及预处理简单等优点，而且可以对气体、液体、固体和气溶胶几乎所有状态的样品进行检测。正因如此，目前激光探针技术被广泛运用于材料分析、生物医疗、环境监测、食品安全、农林业和深空探测等领域，并且其应用范围还在不断扩大。此外，激光探针检测方法特别适用于一些特殊和恶劣的场合，比如高温，强辐射，剧毒和易爆等环境。

在一些重要和特殊的领域里，激光探针技术展现出巨大的优势和良好的应用前景。例如采矿工业，以铁矿石的开采和加工过程为例，首先需要从矿井开采出具有较高品位的铁矿石，该过程中需要对粗铁矿中的铁元素含量进行实时在线监测来指导矿井的开采方向，进而节省人力和物力，提高开采的效率，并在一定程度上降低环境污染。然后通过采矿车将挖掘的粗铁矿运出矿井，对矿石进行破碎和筛选，以获得合适而均匀的粒度，该过程也需要对破碎和筛选后的矿石中铁元素含量进行测定。最后，还需对贫铁矿进行细磨和精选，采用研磨机器对矿石进行细磨需要反复多次，经过精选后需要对成分进行再次准确测量。从上述过程可以看出，铁矿石从粗铁矿到精铁矿的多道加工工序都需要对矿石中铁元素含量进行快速准确检测。采用常规的化学分析方法和光谱分析方法，不仅取样过程复杂耗时，检测速度慢，无法实现多元素同时检测，且只能对工业过程进行离线检测，而无法达到实时在线监测的要求。对采矿工业而言，节能和高效的生产是优先考虑的方向，如果无法在这两个方面取得突破，将不利于采矿工业长足发展。目前，激光探针技术已经可以初步满足采矿工业的成分在线检测要求，但是目前单台激光探针分析设备只能实现单点检测，经实地调研发现，铁矿石的开采和加工过程约包含20～30个点需要对矿石中的铁元素进行测定。因此，要实现多点、多对象的同时在线检测，需要购置20～30台激光探针检测设备分别对各个对象进行检测，这样便会成倍增加成本，导致企业利润大幅降低。此外，工矿现场环境恶劣，信号干扰强，对检测设备提出了更高的要求。

发明内容

本发明的目的是为大型工业过程提供一种低成本、高效的多点同时在线检测的激光探针检测系统和方法，解决多点在线检测成本高，检测速度慢和抗干扰差的问题，提高激光探针技术的检测效率和精度。

本发明提供的一种多路激光探针检测系统，该系统包括脉冲激光器、光栅光谱仪、ICCD探测器、数字延迟脉冲发生器和计算机，其特征在于，该系统还包括分光耦合装置A、光信号合路装置和多台探测装置B；

所述脉冲激光器通过传导光纤与分光耦合装置A的输入端相连，分光耦合装置A的输出端通过多路传导光纤将脉冲激光信号分别传输到各探测装置B中，分光耦合装置A用于将脉冲激光器发出的脉冲信号按时序或者能量分路耦合到多芯光纤，以实现一束激光对多个待测点的激发；

各探测装置B均包括扫描振镜系统D、第二会聚透镜和光纤耦合器；所述的扫描振镜系统D用于对激光束进行聚焦对检测点进行面扫描，使各检测点表面形成等离子体；第二会聚透镜用于从激光束侧向采集所述等离子体发射的光信号，采集到的光信号被光纤耦合器耦合后通过传导光纤传输至光信号合路装置C；

光信号合路装置C用于将多路光信号合并为一路光信号，合路后的等离子体光信号按照传输的时序分别被传导光纤传送至光栅光谱仪，光栅光谱仪按照时序对等离子体光信号分光后传输至ICCD探测器；

ICCD探测器依次对分光后的信号进行检测，经过光电转换后，各个检测点光谱信息由计算机输出；

所述的数字延迟脉冲发生器连接脉冲激光器的Q-switch信号输出端和ICCD探测器的触发信号输入端，用于控制激光脉冲信号与ICCD探测的延迟时间；

所述计算机用于控制脉冲激光器发出脉冲激光信号与ICCD开始采集信号的时间间隔，并接收来自ICCD探测器的光谱数据，其内置的光谱分析软件是多窗口界面，每个窗口对应显示一处探测点的等离子体光谱信号，用于对光谱数据进行分析和处理。