移動(dòng)式-便攜式激光探針成分分析儀的研究與開(kāi)發(fā).pdf

1、鋼鐵中的微量元素對(duì)鋼鐵的性能有著非常重要的影響，傳統(tǒng)的元素檢測(cè)方法往往需要取樣制樣，過(guò)程繁瑣，實(shí)時(shí)性差，且系統(tǒng)復(fù)雜，有的需要恒溫、真空和保護(hù)氣等，無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)代工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速檢測(cè)的需要。激光探針，又稱(chēng)激光誘導(dǎo)擊穿光譜，是一種利用原子發(fā)射光譜來(lái)檢測(cè)物質(zhì)成分的新型的元素分析方法，因其具有無(wú)需樣品制備、檢測(cè)過(guò)程快、能同時(shí)探測(cè)多種元素等諸多優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞，是最具有發(fā)展前景的快速檢測(cè)技術(shù)之一。然而，傳統(tǒng)的激光探針系統(tǒng)存在著體積龐大、容易受外界干擾

2、、分析精度不高等缺陷，還不能完全滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)和現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要。鑒于此，本文提出了移動(dòng)式/便攜式激光探針系統(tǒng)解決方案，分別采用基于光纖傳能、光纖激光器和二極管泵浦激光器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，對(duì)鋼鐵中微量元素的快速檢測(cè)進(jìn)行了系列研究，在此基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出了工程化樣機(jī)，并于企業(yè)進(jìn)行快速檢測(cè)的試用。主要研究工作及創(chuàng)新點(diǎn)如下：
　　為了滿(mǎn)足工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要，提出采用特種光纖傳輸激光的方法設(shè)計(jì)并搭建了移動(dòng)式激光探針系統(tǒng)，并與傳統(tǒng)臺(tái)式激光探針?lè)謩e從

3、燒蝕坑形貌、等離子體形貌及演化規(guī)律，等離子體溫度和電子數(shù)密度等方面開(kāi)展了對(duì)比研究。發(fā)現(xiàn)采用光纖傳能的移動(dòng)式激光探針系統(tǒng)產(chǎn)生的薄而均勻的、較低溫度和較低電子密度的等離子體，能在一定程度上降低自吸收效應(yīng)，提高分析的精度和準(zhǔn)確度。在此基礎(chǔ)上，對(duì)鋼鐵樣品中的微量元素 Mn、Cr、V和 Ti進(jìn)行了快速分析，建立了定標(biāo)模型。該模型的定標(biāo)曲線(xiàn)決定系數(shù) R2因子均在0.99以上，達(dá)到了與傳統(tǒng)臺(tái)式激光探針相當(dāng)甚至略佳的性能，采用留一交叉驗(yàn)證法得到的均方根

4、誤差分別為0.0501、0.0245、0.0205和0.0054 wt.％。采用該定標(biāo)模型對(duì)6個(gè)碳鋼標(biāo)準(zhǔn)樣品中 Mn、Cr、V和 Ti元素濃度預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差值在2.53~13%之間。
　　為了滿(mǎn)足惡劣環(huán)境下快速檢測(cè)的需要，提出采用光纖激光器和小波變換去背景算法相結(jié)合的設(shè)計(jì)方案，成功搭建了便攜式激光探針系統(tǒng)平臺(tái)，并克服了光纖激光器高重復(fù)頻率造成的連續(xù)背景的干擾。在對(duì)鋼鐵樣品中微量元素的定性和定量分析中發(fā)現(xiàn)，采用小波變換算法對(duì)光譜

5、數(shù)據(jù)進(jìn)行去除背景預(yù)處理后，分析性能得到了明顯改善，定標(biāo)曲線(xiàn)決定系數(shù) R2因子得到明顯提高，均達(dá)到0.99以上，平均相對(duì)誤差得到明顯降低，分析準(zhǔn)確度得到了改善。
　　為了適應(yīng)野外環(huán)境或需要測(cè)試儀更加小巧便攜的工作場(chǎng)合，采用微型的二極管泵浦固體激光器和小型 C-T結(jié)構(gòu)光譜儀設(shè)計(jì)并搭建了便攜式激光探針系統(tǒng)，并對(duì)鋼鐵中的Mn、Cr、V、Ti和 Ni等微量元素進(jìn)行了定性和定量分析。其中定性分析的探測(cè)極限達(dá)到ppm量級(jí)；定量分析的定標(biāo)曲線(xiàn)決定

6、系數(shù)R2因子均達(dá)到0.99以上，對(duì)鋼鐵樣品中的Mn、V、Ti和 Cr元素濃度預(yù)測(cè)的平均相對(duì)誤差分別達(dá)到13.72%，12.24%，11.67%和8.54%。
　　通過(guò)對(duì)比分析上述三種移動(dòng)式/便攜式激光探針系統(tǒng)，選取了基于光纖傳能的移動(dòng)式激光探針系統(tǒng)集成封裝成工程化樣機(jī)，實(shí)際應(yīng)用到內(nèi)蒙古某鋼鐵集團(tuán)的鋼鐵材料快速檢測(cè)中?，F(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果表明，該移動(dòng)式樣機(jī)達(dá)到了企業(yè)應(yīng)用的需求，能夠應(yīng)用于鋼鐵產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的快速檢測(cè)。
　　綜上所述，本