LIBS浸入式探头设计及误差分析

摘要

激光诱导等离子体击穿光谱(laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)技术是一种离线、高效的成份定量分析技术，它是利用激光作用到物质后，物质表面发射出等离子体，伴随着等离子体产生会有光谱的发射，通过所发射的光谱即可分析出物质的成分。因为其技术具有不需要预先制备检验样品，对固、液、气相物质都能直接进行分析等优点，现在已经被广泛运用于各个方面。由于该技术属于光电技术的应用所以可以对样品接近零破坏测量，测量距离可以很远，并且测量速度非常快精度很好，在冶金行业受到大家的青睐。
　　冶炼现场环境恶劣、温度高、灰尘多，熔体表面被熔渣覆盖等因素影响了LIBS技术的应用，因此设计并研究可以用于高温熔体在线监测的浸入式探测系统已非常必要。根据这一需求，本文设计并研究了一套能够自动聚焦、自动控温的浸入式探测系统，直接浸入熔体内部测量。该系统中的探头结构能有效的隔绝外部高温、烟尘等不利因素对LIPS测量系统的影响;采用探头内部通入单冷气体、多层控温腔闭环控温和隔热层等措施控制探头内部保持稳定的常温要求;采用精密丝杆传动机构与激光测距系统组成快速焦距调整系统;采用精密丝杆机构与光谱仪组成精密焦距调整系统;解决了LIBS技术用于高温炉体内熔融金属成份在线检测的一系列关键技术。
　　1.本文先对课题的研究背景进行了阐述，以及对冶金行业发展现状进行介绍，之后对LIBS原理及工业应用情况进行了简介，给出了国内外目前已用于实践的熔融金属检测装置并指出了其存在的问题和改进想法;
　　2.对于探头的光路路径进行常温静态误差分析，利用矢量的旋转平移变换建立了激光诱导击穿光谱透镜组安装面的位置误差分析模型，对各个透镜的空间位置的变化造成的误差进行了理论分析并比较了各项误差对光路所造成的影响大小，推导出了其误差计算公式。最后利用分析得到的结果给实际加工和装调提供了理论依据。
　　3.浸入式探测系统结构设计，设计了具有阻止热辐射和热传导功能的探头腔体，设计了多控温腔的单冷气体冷却回路结构，设计了由精密丝杆、激光测距仪和光谱仪构成的粗、精焦距调整机构，设计了LIPS光路系统外部整体调整结构。这些结构构成的浸入式探测系统保证了LIPS技术对高温熔融金属成份在线检测需求。
　　4.之后是对探头镜筒部位在200℃下的稳态应力和应变分析，研究镜筒在给定温度下的应力集中问题和变形情况，同时根据仿真得到的位移形变数据，利用第二章给出的误差计算公式计算了由于温度升高带来的最大可能焦点偏移误差，给探头的安装和加工提供了理论分析和指导;

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 激光诱导击穿光谱探头发展现状

1．3 论文主要内容

第2章 LIBS浸入式探头光学路径分析

2．1 二向色镜误差分析

2．2 采集透镜误差分析

2．3 总体误差分析

2．4 装调误差分析

2．5 误差分析结论及应用

第3章 LIBS浸入式探头结构设计

3．1 LIBS系统

3．2 LIBS浸入式探头工业应用

3．3 浸入式探头光学系统

3．3．1 脉冲激光器

3．3．2 激光聚焦和光谱接收光学系统

3．3．3 光学系统

3．3．4 ZEMA×光学追迹

3．4 设计指标

3．5 浸入式探头结构设计

3．7．1 二向色镜

3．7．2 聚焦透镜

3．7．3 采集透镜

3．7．4 镜筒整体装置

3．7．5 保护管

3．7．6 陶瓷管

3．7．7 整体结构

3．6 测量措施

3．7 材料选择

3．7．1 结构材料

3．7．2 隔热材料

3．10 自动聚焦机构设计

3．10．1 螺杆的设计

3．10．2 螺母的设计

3．10．3 步进电机计算

3．11 L型板结构设计

3．11．1 模型的参数及材料属性

3．11．2 模型导入和网格划分

3．11．3 施加载荷求解

3．11．4 结果分析

3．12 本章小结

第4章 基于ANSYS Workbench镜简稳态热应力分析

4．1 ANSYS有限元法

4．2 SANSYS镜简稳态热应力分析

4．2．1 热应力

4．2．2 模型建立

4．2．3 镜简稳态热应力求解

4．3 镜简稳态热应力结果分析

4．4 本章小结

第5章 总结和展望

5．1 本文总结

5．2 展望

参考文献

致谢

研究生阶段发表的学术论文