(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211421041.9 (22)申请日 2022.11.15 (71)申请人 中国科学院沈阳自动化研究所 地址 110016 辽宁省沈阳市沈河区南塔街 114号 (72)发明人 孙兰香　辛勇　李洋　王金池　 郑黎明　丛智博　 (74)专利代理 机构 沈阳科苑专利商标代理有限 公司 210 02 专利代理师 何丽英 (51)Int.Cl. G01N 21/71(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01N 15/00(2006.01) G01N 15/06(2006.01) (54)发明名称 高低起伏运动物料激光诱导击穿光谱在线 检测装置及方法 (57)摘要 本发明涉及激光光谱在 线检测技术领域， 特 别涉及一种高低起伏运动物料激光诱导击穿光 谱在线检测装置及方法。 该装置包括主机柜、 数 据处理及控制系统、 激光激发和光谱信号收集系 统、 压力及温湿度控制模块、 测距系统及自动调 焦模块， 压力及温湿度控制模块用于控制及检测 主机柜内的压力及温湿度信息， 且提供压缩空 气； 激光激发和光谱信号收集系统用于发射激光 至物料表面及收集等离子体信号且输出到光谱 仪中； 测距系统用于检测物料表面高度变化信 息， 数据处理及控制 系统根据物料表 面高度变化 信息控制自动调焦模块， 进而调整激光聚焦和光 谱收集的焦距。 本发明集成度高， 将在线检测的 输送带上物料组分含量实时传送到中控室， 提升 生产效率， 降低能源消耗。 权利要求书2页 说明书8页 附图3页 CN 115468948 A 2022.12.13 CN 115468948 A 1.一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特征在于， 包括主机 柜 （8） 及设置于主机柜 （8） 内的数据处理及控制系统、 激光激发和光谱信号 收集系统、 压力 及温湿度控制模块 （4） 、 测距系统及自动调焦模块 （11） ， 其中主机柜 （8） 设置于输送带 （1） 的 上方， 且主机柜 （8） 的底部沿输送带 （1） 的输送方向依次设有测距窗口探杆 （2） 和激光窗口 探杆 （13） ； 压力及温湿度控制模块 （4） 用于控制及检测主机柜 （8） 内的压力及温湿度信息， 同时向 测距窗口探杆 （2） 和激光窗口探杆 （13） 提供压缩空气； 激光激发和光谱信号收集系统用于发射激光至输送带 （1） 上的物料表面并且产生等离 子体， 同时收集 等离子体信号且输出到光谱仪中； 测距系统通过测距窗口探杆 （2） 检测输送带 （1） 上的物料表面高度变化信息且将物料 表面高度变化信息传输到数据处理及控制系统， 数据处理及控制系统根据接收到的物料表 面高度变化信息控制自动调焦 模块 （11） ， 自动调焦 模块 （11） 根据数据处理及控制系统的控 制指令调整激光聚焦和光谱收集的焦距； 数据处理及控制系统用于控制各系统 的动作， 同时将收集到的光谱信 息转换为所测元 素的浓度信息 。 2.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特 征在于， 所述激光激发和光谱信号收集系统包括激光光源及 整形系统 （6） 、 光纤聚焦收集模 块 （9） 及激光和光谱信号耦合模块 （10） ； 激光光源及整形系统 （6） 用于发射激光并且 对激光光束进行整形； 激光和光谱信号耦合模块 （10） 用于反射激光至物料表面， 同时将等离子体信号透射至 光纤聚焦收集模块 （9） 上； 光纤聚焦收集模块 （9） 用于收集 等离子体信号且输出到光谱仪中。 3.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特 征在于， 所述自动调焦模块 （11） 包括直线电机模组 （17） 和调焦透镜 （18） ， 其中直线电机模 组 （17） 沿竖直方向输出动力， 调焦透镜 （18） 设置于直线电机模组 （17） 的输出端， 调焦透镜 （18） 位于所述激光窗口探杆 （13） 的上方， 调焦透镜 （18） 通过直线电机模组 （17） 的驱动进行 升降， 从而调整激光聚焦和光谱收集的焦距。 4.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特 征在于， 所述测距系统包括激光测距仪 （3） ， 激光测距仪 （3） 设置于所述测距窗口探杆 （2） 的 上端， 用于检测物料表面高度信息 。 5.根据权利要求4所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特 征在于， 所述测距窗口探杆 （2） 为锥形结构， 且上端设有测距窗口探杆进气口 （21） ， 测距窗 口探杆进气口 （21） 与所述压力及温湿度控制模块 （4） 连接； 所述测距窗口探杆 （2） 的底部 设 有方形出气口 （2 2） 。 6.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特 征在于， 所述激光窗口探杆 （13） 的上部为夹层结构， 夹层结构的外壁设有进风口 （19） ， 进风 口 （19） 与设置于所述主机柜 （8） 外侧的鼓风模块 （12） 连接； 所述激光窗口探杆 （13） 的下部 为锥形结构， 锥形 结构的底部设有探测口 （20） 。 7.根据权利要求1所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115468948 A 2征在于， 所述数据处理及控制系统包括PLC控制模块 （5） 及与PLC控制模块 （5） 连接的信号及 数据处理模块 （7） ， 其中信号及数据处理模块 （7） 与所述激光激发和光谱信号收集系统及所 述测距系统连接； PLC控制模块 （5） 与自动调焦模块 （1 1） 连接。 8.根据权利要求7所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 其特 征在于， 所述信号及数据处理模块 （7） 包括工控机 （16） 及与工控机 （16） 连接的光谱仪、 时序 控制器 （15） ， 其中光谱仪与所述激光激发和光谱信号 收集系统连接， 时序控制器 （15） 与所 述激光激发和光谱信号收集系统、 光谱仪及测距系统连接 。 9.一种高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测方法， 其特征在于， 包括如权 利要求1‑8任一项所述的高低起伏运动物料的激光诱导击穿光谱在线检测装置， 所述检测 方法包括以下步骤： 步骤1： 由输送带 （1） 传输物料； 步骤2： 通过压力及温湿度控制模块 （4） 调整主机柜 （8） 内的压力、 温度及湿度在工作范 围内， 且为测距窗口探杆 （2） 和激光窗口探杆 （13） 提供压缩空气； 步骤3： 根据输送带 （1） 的速度V以及测距窗口和激光窗口之间的距离L， 设置激光光源 系统的参数， 参数包括激光能量大小和频率， 同时设置 激光出光和光谱收集之间的延时； 步骤4： 通过激光测距仪 （3） 开始测量物料表面高度变化信息， 且将物料表面高度变化 信息反馈给PLC控制模块 （5） ， PLC控制模块 （5） 根据物料表 面高度变化信息控制自动调焦 模 块 （11） 进行调焦； 步骤5： 信号及数据处理模块 （7） 控制激光光源及整形系统 （6） 发出激光， 激光经激光和 光谱信号耦合模块 （10） 反射到调焦透镜 （18） ， 再经调焦透镜 （18） 聚焦到输送带 （1） 上的物 料表面且产生 等离子体； 步骤6： 等离子体通过调焦透镜 （18） 准直后， 通过激光和光谱信号耦合模块 （10） 透射到 光纤聚焦收集模块 （9） ， 然后通过光纤将信号 光传输到信号及数据处 理模块 （7） ； 步骤7： 工控机 （16） 将光谱信号 转换成所测元 素的浓度值。 10.根据权利要求9所述的检测方法， 其特征在于， 通过鼓风模块 （12） 向所述激光窗口 探杆 （13） 上部的夹层结构内提供吹扫气流。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115468948 A 3