萊森光學iSpec-LIBS-IND工業在線LIBS激光誘導擊穿光譜系統可根據用戶需求和具體使用場景定制。例如：采用多個通道高分辨率光譜儀進行同步采集；采用一體化集成機箱，防塵防震防腐蝕，橫跨傳送帶吊裝設計、實時顯示設備狀態和測量結果；適應不同天氣環境溫度變化。

激光器經由系統軟件控制發射激光，LIBS探頭借助于智能焦距跟隨模塊，聚焦到樣品的表面并產生LIBS信號。光譜儀經由特殊設計的時序控制電路和軟件實現同步觸發采集，獲得LIBS光譜信息并對數據進行處理，實現針對元素含量的定量測量。

激光誘導擊穿光譜（LIBS，Laser Induced Breakdown Spectroscopy）是在高強度的激光作用下，在被測材料表面有幾微克的物質被激發噴射出來，這個過程通常被稱為激光剝離，同時材料表面還會產生壽命很短但亮度很高的等離子體，其瞬間溫度可達10,000℃。在這個熱等離子體中，噴射出來的物質離解成激發態的原子和離子。在激光脈沖結束后，由于等離子體以超音速向外擴展所以迅速地冷卻下來。在這段時間內，處于激發態的原子和離子從高能態躍遷到低能態，并發射出具有特定波長的光輻射。用高靈敏度的光譜儀對這些光輻射進行探測和光譜分析分析，就可以得到被測材料的元素構成信息。

LIBS光譜的本質是等離子體光譜，根據等離子體診斷的基本理論，我們利用物理學和化學實驗所積累的物質發光光譜數據，進行理論分析，就能確定等離子體的電子和離子溫度、數密度、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) 峰值強度：根據Saha方程，譜線強度為濃度的函數，在局部熱平衡（Local Thermal Equilibrium, LTE）的情況下，原子濃度與譜線強度成線性關系。

(3) 譜線展寬：譜線線型由自然展寬、多普勒展寬、斯達克展寬、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）。

激光誘導擊穿光譜（LIBS）技術的原理

如上圖所示，激光誘導擊穿光譜（LIBS）分析儀主要由激光器、激光聚焦光學系統、光譜收集光學系統、高分辨率光譜儀等組成。此外，通常還包括特殊設計的時序控制系統、樣品室、以及數據分析軟件。

正如前文所述，LIBS具有等離子光譜的特征。科學研究發現，LIBS光譜的產生是負電子、自由電子、離子（團）、原子（團）、分子（團）等先后激發和相互作用的復雜過程。

LIBS光譜的動力學過程

采用超高時間分辨率的光譜儀，對LIBS信號進行分析發現，在不同時刻采集到的LIBS光譜存在較大差異，這是因為在等離子體光譜的發射過程中存在較強的韌致輻射（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，不是電子躍遷產生的特征譜線。

銅在不同時刻的LIBS譜線

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

LIBS譜線在不同延遲時刻的差異

此外，光譜儀的曝光時間也是一個關鍵指標：在LIBS信號較強的時候，更小的曝光時間可以防止出現飽和。在LIBS信號較弱的時候，更長的曝光時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生的，要想獲得穩定的等離子體光譜信號，就需要精確調節激光器的能量，以及準確高效的聚焦和收集光學系統：以盡可能穩定的激光能量轟擊材料表面，同時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：能量穩定的激光器、精密高效的光學系統、精準的時序控制系統、時間精度和信噪比的光譜儀、特殊的數據處理算法。這些關鍵的技術要求，對于實現元素的定性和定量分析都具有重要意義。

本設備應用于高爐煉鐵前的燒結礦環節，在線實時檢測燒結礦的相關成分，獲取燒結礦的重要參數（品位和堿度）適時調整配比以控制產量。

鐵礦粉粒度太小，透氣性很差，且容易導致煉鐵高爐崩料，因此通常制成燒結礦后再投入高爐煉鐵。燒結礦粒度較大，且為多孔結構，強度也比較大，可以保證高爐的順利運行。燒結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，經混合和造球后在燒結設備上使物料發生一系列物理化學變化，將礦粉顆粒黏結成塊的過程。

高爐煉鐵燒結流程圖                                                                     燒結礦實物圖

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

燒結前混合料（二次混合）位置現場圖

萊森光學工業在線LIBS激光誘導擊穿光譜系統主要包含三部分：光路探頭（在線LIBS系統光譜采集）；管理控制；分析算法。萊森光學主要負責在線LIBS系統光譜采集部分和管理控制部分，下面說明一下在線LIBS系統光譜采集部分的系統架構。

激光器經由系統軟件控制發射激光，經過特殊設計的LIBS探頭，借助于智能焦距跟隨模塊，聚焦到燒結礦樣品的表面并產生LIBS信號。與此同時，光譜儀經由特殊設計的時序控制電路和軟件實現同步觸發采集，獲得LIBS光譜信息并對數據進行預處理，然后借助于分析算法獲得最終計算結果，從而實現針對Fe、CaO、SiO2含量的定量測量。

LIBS系統整體設計說明                                                  在線LIBS系統光路探頭方案示意圖

工業在線LIBS激光誘導擊穿光譜系統跨帶安裝示意圖

(1) 可控制各硬件模塊協同工作，可設置光譜儀參數（積分時間、平滑像素、觸發延遲等）、激光器參數（單脈沖能量、發射頻率、單次/連續模式、啟停狀態等）、延時器參數（延時時間）、焦距跟隨參數（調節范圍、調節頻率等）；

(2) 可實時顯示LIBS光譜曲線、保存和導出光譜數據、上傳最終分析結果（Fe、CaO、SiO2含量）；

(3) 可對光譜數據進行預處理和有效性篩選（不處理、平均處理、異常剔除等，并可設置剔除規則），再上發給分析算法計算；

(4) 可接收分析算法返回的計算結果，實時顯示到顯示屏上，并通過內部協議傳送到控制中心PLC主機。

軟件截圖

萊森光學工作人員工業在線LIBS激光誘導擊穿光譜系統安裝現場

工業在線LIBS激光誘導擊穿光譜系統測試現場