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工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统

3044am永利集团iSpec-LIBS-IND工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统可根据用户需求和具体使用场景定制。例如:采用多个通道高分辨率光谱仪进行同步采集;采用一体化集成机箱,防尘防震防腐蚀,横跨传送带吊装设计、实时显示设备状态和测量结果;适应不同天气环境温度变化。 激光器经由系统软件控制发射激光,LIBS探头借助于智能焦距跟随模块,聚焦到样品的表面并产生L...

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3044am永利集团iSpec-LIBS-IND工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统可根据用户需求和具体使用场景定制。例如:采用多个通道高分辨率光谱仪进行同步采集;采用一体化集成机箱,防尘防震防腐蚀,横跨传送带吊装设计、实时显示设备状态和测量结果;适应不同天气环境温度变化。

激光器经由系统软件控制发射激光,LIBS探头借助于智能焦距跟随模块,聚焦到样品的表面并产生LIBS信号。光谱仪经由特殊设计的时序控制电路和软件实现同步触发采集,获得LIBS光谱信息并对数据进行处理,实现针对元素含量的定量测量。




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工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统


原理说明_画板 5.png

激光诱导击穿光谱(LIBS,Laser Induced Breakdown Spectroscopy)是在高强度的激光作用下,在被测材料表面有几微克的物质被激发喷射出来,这个过程通常被称为激光剥离,同时材料表面还会产生寿命很短但亮度很高的等离子体,其瞬间温度可达10,000℃。在这个热等离子体中,喷射出来的物质离解成激发态的原子和离子。在激光脉冲结束后,由于等离子体以超音速向外扩展所以迅速地冷却下来。在这段时间内,处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态,并发射出具有特定波长的光辐射。用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析,就可以得到被测材料的元素构成信息。

LIBS光谱的本质是等离子体光谱,根据等离子体诊断的基本理论,我们利用物理学和化学实验所积累的物质发光光谱数据,进行理论分析,就能确定等离子体的电子和离子温度、数密度、粒子成分等信息。

(1) 峰值波长:线光谱是粒子物种的指纹,如果在等离子体中存在其指纹辐射,就可以判定物种存在,为了提高精确度,通常需要多条指纹谱线共用。

(2) 峰值强度:根据Saha方程,谱线强度为浓度的函数,在局部热平衡(Local Thermal Equilibrium, LTE)的情况下,原子浓度与谱线强度成线性关系。

(3) 谱线展宽:谱线线型由自然展宽、多普勒展宽、斯达克展宽、压力展宽、共振展宽、范德瓦尔斯展宽、仪器展宽等组成。光谱仪器的展宽,是所有展宽的主要因素(超高分辨谱仪除外)。

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激光诱导击穿光谱LIBS技术的原理

如上图所示,激光诱导击穿光谱(LIBS)分析仪主要由激光器、激光聚焦光学系统、光谱收集光学系统、高分辨率光谱仪等组成。此外,通常还包括特殊设计的时序控制系统、样品室、以及数据分析软件。

正如前文所述,LIBS具有等离子光谱的特征。科学研究发现,LIBS光谱的产生是负电子、自由电子、离子(团)、原子(团)、分子(团)等先后激发和相互作用的复杂过程。

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LIBS光谱的动力学过程

采用超高时间分辨率的光谱仪,对LIBS信号进行分析发现,在不同时刻采集到的LIBS光谱存在较大差异,这是因为在等离子体光谱的发射过程中存在较强的韧致辐射(主要是带电粒子与原子核的碰撞)。韧致辐射主要是库仑相互作用,不是电子跃迁产生的特征谱线。

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铜在不同时刻的LIBS谱线

为了准确采集信噪比最佳的LIBS光谱,就需要控制光谱仪在特定的延迟时间去采集光谱,通常这一时间精度在10µs以内。也就是说,光谱仪的触发延迟精度必须控制在10µs以内,甚至1µs左右更好。

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LIBS谱线在不同延迟时刻的差异

此外,光谱仪的曝光时间也是一个关键指标:在LIBS信号较强的时候,更小的曝光时间可以防止出现饱和。在LIBS信号较弱的时候,更长的曝光时间有助于提高信噪比。

LIBS光谱是由于激光器轰击材料表面产生的,要想获得稳定的等离子体光谱信号,就需要精确调节激光器的能量,以及准确高效的聚焦和收集光学系统:以尽可能稳定的激光能量轰击材料表面,同时要提高光谱仪的收集效率,以获得信噪比高的LIBS光谱信息。这就需要:能量稳定的激光器、精密高效的光学系统、精准的时序控制系统、时间精度和信噪比极好的光谱仪、特殊的数据处理算法。这些关键的技术要求,对于实现元素的定性和定量分析都具有重要意义。

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本设备应用于高炉炼铁前的烧结矿环节,在线实时检测烧结矿的相关成分,获取烧结矿的重要参数(品位和碱度)适时调整配比以控制产量。

铁矿粉粒度太小,透气性很差,且容易导致炼铁高炉崩料,因此通常制成烧结矿后再投入高炉炼铁。烧结矿粒度较大,且为多孔结构,强度也比较大,可以保证高炉的顺利运行。烧结是将各种粉状含铁原料,配入适量的燃料和熔剂,加入适量的水,经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化,将矿粉颗粒黏结成块的过程。

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高炉炼铁烧结流程图                                                                     烧结矿实物图

烧结矿两个重要的参数是品位和碱度,品位是Fe含量,碱度是CaO与SiO2比值。品位变动1%,高炉燃料比会变动1%~1.5%,产量变动2%~2.5%,碱度低于1.85,每降低0.1,将增加燃料比和降低产量各3.0%~3.5%,碱度过高(>2.3)则产量也可能会降低。通过检测Fe、Si、Ca三种元素,即可计算得到品位和碱度(Mg和Al两种元素可选)。

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烧结前混合料(二次混合)位置现场图

3044am永利集团工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统主要包含三部分:光路探头(在线LIBS系统光谱采集);管理控制;分析算法。3044am永利集团主要负责在线LIBS系统光谱采集部分和管理控制部分,下面说明一下在线LIBS系统光谱采集部分的系统架构。

激光器经由系统软件控制发射激光,经过特殊设计的LIBS探头,借助于智能焦距跟随模块,聚焦到烧结矿样品的表面并产生LIBS信号。与此同时,光谱仪经由特殊设计的时序控制电路和软件实现同步触发采集,获得LIBS光谱信息并对数据进行预处理,然后借助于分析算法获得最终计算结果,从而实现针对Fe、CaO、SiO2含量的定量测量。

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LIBS系统整体设计说明                                                  在线LIBS系统光路探头方案示意图


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工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统跨带安装示意图

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(1) 可控制各硬件模块协同工作,可设置光谱仪参数(积分时间、平滑像素、触发延迟等)、激光器参数(单脉冲能量、发射频率、单次/连续模式、启停状态等)、延时器参数(延时时间)、焦距跟随参数(调节范围、调节频率等);

(2) 可实时显示LIBS光谱曲线、保存和导出光谱数据、上传最终分析结果(Fe、CaO、SiO2含量);

(3) 可对光谱数据进行预处理和有效性筛选(不处理、平均处理、异常剔除等,并可设置剔除规则),再上发给分析算法计算;

(4) 可接收分析算法返回的计算结果,实时显示到显示屏上,并通过内部协议传送到控制中心PLC主机。


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软件截图

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3044am永利集团工作人员工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统安装现场

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工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统测试现场

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