萊森光學(xué)iSpec-LIBS-IND工業(yè)在線LIBS激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)可根據(jù)用戶需求和具體使用場(chǎng)景定制。例如：采用多個(gè)通道高分辨率光譜儀進(jìn)行同步采集；采用一體化集成機(jī)箱，防塵防震防腐蝕，橫跨傳送帶吊裝設(shè)計(jì)、實(shí)時(shí)顯示設(shè)備狀態(tài)和測(cè)量結(jié)果；適應(yīng)不同天氣環(huán)境溫度變化。

激光器經(jīng)由系統(tǒng)軟件控制發(fā)射激光，LIBS探頭借助于智能焦距跟隨模塊，聚焦到樣品的表面并產(chǎn)生LIBS信號(hào)。光譜儀經(jīng)由特殊設(shè)計(jì)的時(shí)序控制電路和軟件實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)采集，獲得LIBS光譜信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)針對(duì)元素含量的定量測(cè)量。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS，Laser Induced Breakdown Spectroscopy）是在高強(qiáng)度的激光作用下，在被測(cè)材料表面有幾微克的物質(zhì)被激發(fā)噴射出來，這個(gè)過程通常被稱為激光剝離，同時(shí)材料表面還會(huì)產(chǎn)生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達(dá)10,000℃。在這個(gè)熱等離子體中，噴射出來的物質(zhì)離解成激發(fā)態(tài)的原子和離子。在激光脈沖結(jié)束后，由于等離子體以超音速向外擴(kuò)展所以迅速地冷卻下來。在這段時(shí)間內(nèi)，處于激發(fā)態(tài)的原子和離子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并發(fā)射出具有特定波長的光輻射。用高靈敏度的光譜儀對(duì)這些光輻射進(jìn)行探測(cè)和光譜分析分析，就可以得到被測(cè)材料的元素構(gòu)成信息。

LIBS光譜的本質(zhì)是等離子體光譜，根據(jù)等離子體診斷的基本理論，我們利用物理學(xué)和化學(xué)實(shí)驗(yàn)所積累的物質(zhì)發(fā)光光譜數(shù)據(jù)，進(jìn)行理論分析，就能確定等離子體的電子和離子溫度、數(shù)密度、粒子成分等信息。

(1) 峰值波長：線光譜是粒子物種的指紋，如果在等離子體中存在其指紋輻射，就可以判定物種存在，為了提高精確度，通常需要多條指紋譜線共用。

(2) 峰值強(qiáng)度：根據(jù)Saha方程，譜線強(qiáng)度為濃度的函數(shù)，在局部熱平衡（Local Thermal Equilibrium, LTE）的情況下，原子濃度與譜線強(qiáng)度成線性關(guān)系。

(3) 譜線展寬：譜線線型由自然展寬、多普勒展寬、斯達(dá)克展寬、壓力展寬、共振展寬、范德瓦爾斯展寬、儀器展寬等組成。光譜儀器的展寬，是所有展寬的主要因素（超高分辨譜儀除外）。

激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）技術(shù)的原理

如上圖所示，激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）分析儀主要由激光器、激光聚焦光學(xué)系統(tǒng)、光譜收集光學(xué)系統(tǒng)、高分辨率光譜儀等組成。此外，通常還包括特殊設(shè)計(jì)的時(shí)序控制系統(tǒng)、樣品室、以及數(shù)據(jù)分析軟件。

正如前文所述，LIBS具有等離子光譜的特征?？茖W(xué)研究發(fā)現(xiàn)，LIBS光譜的產(chǎn)生是負(fù)電子、自由電子、離子（團(tuán)）、原子（團(tuán)）、分子（團(tuán)）等先后激發(fā)和相互作用的復(fù)雜過程。

LIBS光譜的動(dòng)力學(xué)過程

采用超高時(shí)間分辨率的光譜儀，對(duì)LIBS信號(hào)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在不同時(shí)刻采集到的LIBS光譜存在較大差異，這是因?yàn)樵诘入x子體光譜的發(fā)射過程中存在較強(qiáng)的韌致輻射（主要是帶電粒子與原子核的碰撞）。韌致輻射主要是庫侖相互作用，不是電子躍遷產(chǎn)生的特征譜線。

銅在不同時(shí)刻的LIBS譜線

為了準(zhǔn)確采集信噪比的LIBS光譜，就需要控制光譜儀在特定的延遲時(shí)間去采集光譜，通常這一時(shí)間精度在10µs以內(nèi)。也就是說，光譜儀的觸發(fā)延遲精度必須控制在10µs以內(nèi)，甚至1µs左右更好。

LIBS譜線在不同延遲時(shí)刻的差異

此外，光譜儀的曝光時(shí)間也是一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)：在LIBS信號(hào)較強(qiáng)的時(shí)候，更小的曝光時(shí)間可以防止出現(xiàn)飽和。在LIBS信號(hào)較弱的時(shí)候，更長的曝光時(shí)間有助于提高信噪比。

LIBS光譜是由于激光器轟擊材料表面產(chǎn)生的，要想獲得穩(wěn)定的等離子體光譜信號(hào)，就需要精確調(diào)節(jié)激光器的能量，以及準(zhǔn)確高效的聚焦和收集光學(xué)系統(tǒng)：以盡可能穩(wěn)定的激光能量轟擊材料表面，同時(shí)要提高光譜儀的收集效率，以獲得信噪比高的LIBS光譜信息。這就需要：能量穩(wěn)定的激光器、精密高效的光學(xué)系統(tǒng)、精準(zhǔn)的時(shí)序控制系統(tǒng)、時(shí)間精度和信噪比的光譜儀、特殊的數(shù)據(jù)處理算法。這些關(guān)鍵的技術(shù)要求，對(duì)于實(shí)現(xiàn)元素的定性和定量分析都具有重要意義。

本設(shè)備應(yīng)用于高爐煉鐵前的燒結(jié)礦環(huán)節(jié)，在線實(shí)時(shí)檢測(cè)燒結(jié)礦的相關(guān)成分，獲取燒結(jié)礦的重要參數(shù)（品位和堿度）適時(shí)調(diào)整配比以控制產(chǎn)量。

鐵礦粉粒度太小，透氣性很差，且容易導(dǎo)致煉鐵高爐崩料，因此通常制成燒結(jié)礦后再投入高爐煉鐵。燒結(jié)礦粒度較大，且為多孔結(jié)構(gòu)，強(qiáng)度也比較大，可以保證高爐的順利運(yùn)行。燒結(jié)是將各種粉狀含鐵原料，配入適量的燃料和熔劑，加入適量的水，經(jīng)混合和造球后在燒結(jié)設(shè)備上使物料發(fā)生一系列物理化學(xué)變化，將礦粉顆粒黏結(jié)成塊的過程。

高爐煉鐵燒結(jié)流程圖                                                                     燒結(jié)礦實(shí)物圖

燒結(jié)礦兩個(gè)重要的參數(shù)是品位和堿度，品位是Fe含量，堿度是CaO與SiO2比值。品位變動(dòng)1%，高爐燃料比會(huì)變動(dòng)1%~1.5%，產(chǎn)量變動(dòng)2%~2.5%，堿度低于1.85，每降低0.1，將增加燃料比和降低產(chǎn)量各3.0%~3.5%，堿度過高（>2.3）則產(chǎn)量也可能會(huì)降低。通過檢測(cè)Fe、Si、Ca三種元素，即可計(jì)算得到品位和堿度（Mg和Al兩種元素可選）。

燒結(jié)前混合料（二次混合）位置現(xiàn)場(chǎng)圖

萊森光學(xué)工業(yè)在線LIBS激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)主要包含三部分：光路探頭（在線LIBS系統(tǒng)光譜采集）；管理控制；分析算法。萊森光學(xué)主要負(fù)責(zé)在線LIBS系統(tǒng)光譜采集部分和管理控制部分，下面說明一下在線LIBS系統(tǒng)光譜采集部分的系統(tǒng)架構(gòu)。

激光器經(jīng)由系統(tǒng)軟件控制發(fā)射激光，經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)的LIBS探頭，借助于智能焦距跟隨模塊，聚焦到燒結(jié)礦樣品的表面并產(chǎn)生LIBS信號(hào)。與此同時(shí)，光譜儀經(jīng)由特殊設(shè)計(jì)的時(shí)序控制電路和軟件實(shí)現(xiàn)同步觸發(fā)采集，獲得LIBS光譜信息并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，然后借助于分析算法獲得最終計(jì)算結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)針對(duì)Fe、CaO、SiO2含量的定量測(cè)量。

LIBS系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)說明                                                  在線LIBS系統(tǒng)光路探頭方案示意圖

工業(yè)在線LIBS激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)跨帶安裝示意圖

(1) 可控制各硬件模塊協(xié)同工作，可設(shè)置光譜儀參數(shù)（積分時(shí)間、平滑像素、觸發(fā)延遲等）、激光器參數(shù)（單脈沖能量、發(fā)射頻率、單次/連續(xù)模式、啟停狀態(tài)等）、延時(shí)器參數(shù)（延時(shí)時(shí)間）、焦距跟隨參數(shù)（調(diào)節(jié)范圍、調(diào)節(jié)頻率等）；

(2) 可實(shí)時(shí)顯示LIBS光譜曲線、保存和導(dǎo)出光譜數(shù)據(jù)、上傳最終分析結(jié)果（Fe、CaO、SiO2含量）；

(3) 可對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和有效性篩選（不處理、平均處理、異常剔除等，并可設(shè)置剔除規(guī)則），再上發(fā)給分析算法計(jì)算；

(4) 可接收分析算法返回的計(jì)算結(jié)果，實(shí)時(shí)顯示到顯示屏上，并通過內(nèi)部協(xié)議傳送到控制中心PLC主機(jī)。

軟件截圖

萊森光學(xué)工作人員工業(yè)在線LIBS激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)安裝現(xiàn)場(chǎng)

工業(yè)在線LIBS激光誘導(dǎo)擊穿光譜系統(tǒng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)