阅读说明：本技术 基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法 (Blade element nondestructive measurement method based on laser-induced breakdown spectroscopy ) 是由 方丽 赵南京 马明俊 孟德硕 殷高方 刘建国 刘文清 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明提出的一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法,利用叶片中元素含量的自然分布不均匀性建立定标关系,包括：获取烘干至恒重的待定标的叶片,制成干叶标本；通过激光诱导击穿光谱技术获取干叶标本上待测元素的光谱强度值分布,并根据光谱强度值大小将干叶标本划分为N个标定区域,每一个标定区域对应一个光谱强度值；测量干叶标本上每一个标定区域的待测元素浓度,根据测量结果绘制横坐标为待测元素浓度,纵坐标为光谱强度值的定标曲线；获取烘干至恒重的待测叶片,通过激光诱导击穿光谱技术获取待测叶片的光谱强度值,并对照定标曲线获得待测叶片的待测元素浓度。本发明适用于激光诱导击穿光谱同时无损测定叶片样品中多种元素。(The invention provides a laser-induced breakdown spectroscopy-based blade element nondestructive measurement method, which establishes a calibration relation by utilizing natural distribution nonuniformity of element content in a blade, and comprises the following steps: obtaining leaves to be calibrated which are dried to constant weight, and preparing dry leaf samples; obtaining the spectral intensity value distribution of elements to be measured on the dry leaf specimen by a laser-induced breakdown spectroscopy technology, dividing the dry leaf specimen into N calibration areas according to the spectral intensity value, wherein each calibration area corresponds to one spectral intensity value; measuring the concentration of elements to be measured in each calibration area on the dry leaf specimen, and drawing a calibration curve with the abscissa as the concentration of the elements to be measured and the ordinate as the spectral intensity value according to the measurement result; obtaining the blade to be measured which is dried to constant weight, obtaining the spectral intensity value of the blade to be measured through a laser-induced breakdown spectroscopy technology, and obtaining the concentration of the element to be measured of the blade to be measured by contrasting a calibration curve. The method is suitable for simultaneously and nondestructively measuring various elements in the blade sample by laser-induced breakdown spectroscopy.)

基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法

技术领域

本发明涉及激光诱导击穿光谱分析技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy，LIBS)是一种快速分析物质元素的技术，利用一束短脉冲激光经透镜聚焦后对探测物质表面进行烧蚀而产生一个微型等离子体，分析从这些等离子体辐射出的光谱信号及其强度以确定存在的元素及其浓度。这种分析技术具有许多突出的优势：无需制样、无损、实时快速、可现场原位、多元素同时探测以及探测物形态多样等，应用前景广泛。但是该技术在叶片重金属实际测量时，受样品基质影响，通常难以找到基质相似的标准样品，定标困难。且叶片重金属分布不均匀，为了消除影响，需要将样品研磨后分析，基于研磨后的样品进行定标，因此测量时也需要研磨样品以保证一致，大大降低了测量速度。为了消除或减小基质效应，目前采取的定标方法主要有内标法、标准加入法、自由定标法。这些方法的应用都促进了LIBS分析技术的发展，但都仅限在实验室分析研究阶段，有的方法过程复杂，不利于现场在线监测。

发明内容

基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法。

本发明提出的一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法，包括以下步骤：

S1、获取烘干至恒重的待定标的叶片，制成干叶标本；

S2、通过激光诱导击穿光谱技术获取干叶标本上待测元素的光谱强度值分布，并根据光谱强度值大小将干叶标本划分为N个标定区域，每一个标定区域对应一个光谱强度值；

S3、测量干叶标本上每一个标定区域的待测元素浓度，根据测量结果绘制横坐标为待测元素浓度，纵坐标为光谱强度值的定标曲线；

S4、获取烘干至恒重的待测叶片，通过激光诱导击穿光谱技术获取待测叶片的光谱强度值，并对照定标曲线获得待测叶片的待测元素浓度。

优选的，步骤S3中：对干叶标本上每一个标定区域的光谱强度值进行归一化处理，并根据归一化处理后的光谱强度值绘制定标曲线。

优选的，步骤S3中，对光谱强度值进行归一化处理的模型为：

I为光谱强度值，I′为归一化处理后的光谱强度值，f(E·T)为以激光能量E和等离子体温度T为自变量的映射函数。

优选的，步骤S4具体包括以下步骤：

S41、选择与待测叶片相对应的定标曲线；

S42、选择作为参考标准的合金样品，通过激光诱导击穿光谱技术获得在干叶标本测量环境中的合金样品的光谱强度值；

S43、通过激光诱导击穿光谱技术在相同的测量环境中测量待测叶片的的光谱强度值和合金样品的光谱强度值；

S44、对待测叶片实际测得的光谱强度值进行归一化处理，并结合合金样品在不同环境中的测量结果对待测叶片的光谱强度值进行矫正，获得待测叶片的光谱强度值校正值；

S45、根据光谱强度值校正值与定标曲线的对比结果获得待测叶片的待测元素含量。

优选的，步骤S44中，光谱强度值校正值的计算模型为：

其中，I″为光谱强度值校正值，I′为归一化处理后的光谱强度值，I_标准为干叶标本测量环境中测得的合金样品的光谱强度值，I_参考为待测叶片的测量环境中测得的合金样品的光谱强度值I_参考。

优选的，步骤S41中，选择与待测叶片同类型的干叶标本测得的定标曲线。

优选的，步骤S41中，选择与待测叶片相对应的定标曲线的方法为：

罗列影响击穿光谱谱线斜率的特征参数，通过样本训练，获得以特征参数为输入，以击穿光谱谱线斜率为输出的神经网络模型；通过神经网络模型获得待测叶片的谱线斜率，并根据谱线斜率选择定标曲线。

优选的，神经网络模型具体采用遗传-误差反向传播神经网络进行训练。

优选的，特征参数包括叶片的基体元素含量，基体元素含量包括：C、H、O、N、P、S、Si、K、Mn中的一个或者多个。

本发明提出的一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法，通过预先设置定标曲线，方便了后续直接根据待测叶片的测量光谱强度值标定待测元素浓度，无需对待测叶片进行研磨压片等处理，实现了叶片元素LIBS无损测量的现场应用，适用于激光诱导击穿光谱同时无损测定叶片样品中多种元素，并克服不同基质对定量分析的影响，适合现场快速检测。

附图说明

图1为实施例1提出的一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法流程图；

图2为实施例2提出的另一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法流程图。

具体实施方式

实施例1

参照图1，本发明提出的一种基于激光诱导击穿光谱的叶片元素无损测量方法，包括以下步骤。

S1、获取烘干至恒重的待定标的叶片，制成干叶标本。

具体实施时，叶片采集后夹在网格标本夹中以60℃烘干至恒重，制成干叶标本并密封保存，以便在水份蒸发的同时保持叶片样品平整。具体的，网格标本夹材质为聚四氟乙烯，可耐高温且不影响叶片元素测量。网格标本夹的筛网为15目以上，保证烘干后叶片不变形，且夹上叶片后，中间有0.5cm的空隙，避免夹得过紧导致叶片表面有网格压痕。

S2、通过激光诱导击穿光谱技术获取干叶标本上待测元素的光谱强度值分布，并根据光谱强度值大小将干叶标本划分为N个标定区域，每一个标定区域对应一个光谱强度值。

具体的，由于LIBS(激光诱导击穿光谱技术)扫描测量时，一个脉冲获得一个待测元素强度值，所以每个标定区域对应的光谱强度值为该标定区域内获得的多个光谱强度值的均值。S3、测量干叶标本上每一个标定区域的待测元素浓度，根据测量结果绘制横坐标为待测元素浓度，纵坐标为光谱强度值的定标曲线。

具体的，本步骤中，将干叶标本根据标定区域裁剪后进行消解，以获得待测元素浓度。本实施方式中，根据N个标定区域的光谱强度值和待测元素浓度组成N个坐标点，用于绘制定标曲线。可见，N取值越大，光谱强度值分段越多，划分出的标定区域越多，最终获得的定标曲线越精确。本实施方式中，N大于或者等于5。

S4、获取烘干至恒重的待测叶片，通过激光诱导击穿光谱技术获取待测叶片的光谱强度值，并对照定标曲线获得待测叶片的待测元素浓度。

实施例2

相对于实施例1，本实施例的步骤S3中：对干叶标本上每一个标定区域的光谱强度值进行归一化处理，并根据归一化处理后的光谱强度值绘制定标曲线。

如此，通过对光谱强度值的归一化处理，实现了对谱线的归一化校正，有利于消除系统参数及环境条件变化的影响。具体实施时，可以结合激光能量的波动、等离子体温度等作为外部参考，将光谱作归一化处理以提高光谱测量精度及光谱间可比性

具体的，对光谱强度值进行归一化处理的模型为：

I为光谱强度值，I′为归一化处理后的光谱强度值，f(E·T)为以激光能量E和等离子体温度T为自变量的映射函数。具体的，激光能量E可在测量时通过能量计获得；等离子体温度T，可根据得到的LIBS谱线，利用玻尔兹曼平面法计算得到。本实施例的步骤S4具体包括以下步骤：

S41、选择与待测叶片相对应的定标曲线。

具体实施时，优先选择与待测叶片同类型的干叶标本测得的定标曲线。具体的，可将同一叶片沿中轴线剪开，一半作为干叶标本用于计算定标曲线，一半作为待测叶片。如此，方便了根据定标曲线对同类型叶片的测量，还可通过待测叶片的测量结果对定标曲线进行验证。

也可以根据以下方式对定标曲线进行筛选。

首先罗列影响击穿光谱谱线斜率的特征参数，通过样本训练，获得以特征参数为输入，以击穿光谱谱线斜率为输出的神经网络模型；通过神经网络模型获得待测叶片的谱线斜率，并根据谱线斜率选择定标曲线。

本实施例中提供的根据特征参数筛选定标曲线的方法，满足了不同待测叶片的定标需求，同时也有利于消除同类叶片因为基质效应等因素的影响。

具体的，本实施例中，神经网络模型具体采用遗传-误差反向传播神经网络进行训练。特征参数包括叶片的基体元素含量，基体元素含量包括：C、H、O、N、P、S、Si、K、Mn中的一个或者多个。

S42、选择作为参考标准的合金样品，通过激光诱导击穿光谱技术获得在干叶标本测量环境中的合金样品的光谱强度值。具体的，合金样本选择性质稳定、易于保存的类型。

S43、通过激光诱导击穿光谱技术在相同的测量环境中测量待测叶片的的光谱强度值和合金样品的光谱强度值。

S44、对待测叶片实际测得的光谱强度值进行归一化处理，并结合合金样品在不同环境中的测量结果对待测叶片的光谱强度值进行矫正，获得待测叶片的光谱强度值校正值。

具体的，光谱强度值校正值的计算模型为：

其中，I″为光谱强度值校正值，I′为归一化处理后的光谱强度值，I_标准为干叶标本测量环境中测得的合金样品的光谱强度值，I_参考为待测叶片的测量环境中测得的合金样品的光谱强度值I_参考。本实施方式中，通过归一化处理以及合金样本的矫正，消除了能量波动、系统参数、等离子体温度、测量环境等对光谱强度值的影响。

S45、根据光谱强度值校正值与定标曲线的对比结果获得待测叶片的待测元素含量。

以上所述，仅为本发明涉及的较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。