阅读说明：本技术 基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器 (Glass surface attachment detector based on laser induced breakdown spectroscopy ) 是由 李阔湖 赵志敏 宋晓燕 孙现亭 王雪晴 代克杰 吴天放 于 2019-09-10 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器；该检测器含有激光器﹑中央控制器﹑光谱仪﹑激光耦合器﹑N个相同的激光聚焦器和光采集器﹑水平设置的安装板,激光器﹑中央控制器﹑光谱仪﹑激光耦合器均设置在安装板上,安装板的上表面均匀开有N对激光聚焦及采集通孔,每对激光聚焦及采集通孔中安装有激光聚焦器和光采集器；中央控制器的激光发射控制信号输出口与激光器的控制信号输入口连接,激光器发出的激光通过激光耦合器进入N个激光聚焦器,N个光采集器的输出光纤接口与光谱仪连接,光谱仪的检测信号输出口与中央控制器的检测信号输入口连接；本发明检测快速﹑自动化程度高,且对玻璃板的破坏小﹑检测结果可靠。(The present invention relates to a kind of glass surface attachment detector based on laser induced breakdown spectroscopy；The detector, which contains centre in sharp light device ﹑, controls the sharp N number of identical laser focalizer of photo-coupler ﹑ of device ﹑ light spectrum instrument ﹑ processed and the horizontally disposed mounting plate of light collector ﹑, swash the device ﹑ light spectrum instrument ﹑ laser couplers processed of centre control in light device ﹑ to be respectively provided on a mounting board, the upper surface of mounting plate is uniformly provided with N and through-hole is focused and acquired to laser, and each pair of laser, which is focused and acquired in through-hole, is equipped with laser focalizer and light collector；The Laser emission control signal output of central controller and the control signal input of laser connect, the laser that laser issues enters N number of laser focalizer by laser couplers, the output optical fibre interface of N number of light collector is connect with spectrometer, and the detection signal output of spectrometer and the detection signal input of central controller connect；The present invention detects Kuai Su ﹑ high degree of automation, and reliable to the destruction little ﹑ testing result of glass plate.)

基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器

（一）、技术领域：

本发明涉及一种玻璃表面附着物检测器，特别涉及一种基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器。

（二）、背景技术：

目前，玻璃板在制造、搬运和加工过程中，容易附着上一些杂质，比如用浮法制玻璃时，玻璃表面会附着上锡元素。玻璃表面附着的杂质会影响后续诸如电镀等加工工艺，因此要对玻璃表面进行检测，确定是否附着杂质和附着何种杂质。但目前缺乏可在线/现场检测玻璃表面附着物成分的技术。

激光诱导击穿光谱（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，简称LIBS）是一种原子发射光谱技术，它利用高强度脉冲激光烧蚀样品产生等离子体，通过光谱仪采集分析等离子体发射光谱，得到样品中元素的种类及含量。LIBS技术具有快速检测﹑较少或不需样品制备﹑较低的样品损耗﹑在线原位检测等优点。

（三）、

发明内容

：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器，该基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器检测快速﹑自动化程度高，且对玻璃板的破坏小﹑检测结果可靠。

本发明的技术方案：

一种基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器，含有激光器﹑中央控制器﹑光谱仪﹑激光耦合器﹑N个相同的激光聚焦器﹑N个相同的光采集器和水平设置的安装板，激光器﹑中央控制器﹑光谱仪﹑激光耦合器均设置在安装板的上表面上，安装板的上表面周边开有安装通孔，安装板的上表面中部均匀开有N对相同的激光聚焦及采集通孔；每对激光聚焦及采集通孔含有一个激光聚焦器通孔和一个光采集器通孔，该激光聚焦器通孔和该光采集器通孔相邻设置，该激光聚焦器通孔中安装有一个激光聚焦器，该光采集器通孔中安装有一个光采集器，激光聚焦器的激光射出口垂直向下设置，光采集器的光接收口倾斜向下设置，激光聚焦器的激光射出***出的激光会聚在光采集器的光接收口的物镜的焦点处或焦点附近，且激光聚焦器的主光轴穿过光采集器的光接收口的物镜的焦点；中央控制器的激光发射控制信号输出口与激光器的控制信号输入口连接，激光器发出的初始激光进入激光耦合器中，激光耦合器的N个输出光纤接口通过光纤分别与N个激光聚焦器的输入光纤接口连接，N个光采集器的输出光纤接口通过一条N合1光纤与光谱仪的输入光纤接口连接，光谱仪的检测信号输出口与中央控制器的检测信号输入口连接，激光器的触发信号输出端与光谱仪的外触发信号输入端连接，为光谱仪提供触发信号。

激光耦合器内部含有N个部分反射镜和N个第一凸透镜，激光器发出的初始激光射在第１个部分反射镜的反射面上，且该初始激光与第１个部分反射镜的反射面的夹角为45°，第２～N个部分反射镜依次设置在第１个部分反射镜的反射光路中，且第２～N个部分反射镜的反射面与第１个部分反射镜的反射面平行，第２～N个部分反射镜的反射面均反射第１个部分反射镜的反射光，第１个第一凸透镜设在第１个部分反射镜的后方且位于初始激光的光路中，第２～N个第一凸透镜分别设在第２～N个部分反射镜的反射光路中，激光耦合器的N个输出光纤接口的光接收面中心分别位于N个第一凸透镜的后方焦点处，且N个第一凸透镜的主光轴分别垂直穿过激光耦合器的N个输出光纤接口的光接收面中心，N小于等于5。

激光耦合器内部还含有光阑，光阑设在第１个部分反射镜的前方，光阑的中心轴线与激光器发出的初始激光的中心轴线重合，激光器发出的初始激光通过光阑后射在第１个部分反射镜的反射面上。

光阑可以对初始激光束进行整形，使初始激光束的横截面为圆形。

当激光射入部分反射镜时，一部分激光被部分反射镜反射，另一部分激光直接从部分反射镜透射过去；激光器发出的初始激光一部分通过第１个部分反射镜反射出去，另一部分从第１个部分反射镜透射过去后再经第１个第一凸透镜会聚在第１个输出光纤接口的光接收面中心，第１个部分反射镜反射出去的激光依次穿过第２～N个部分反射镜并经第２～N个部分反射镜反射，第２～N个部分反射镜反射出去的激光分别经第２～N个第一凸透镜会聚在第２～N个输出光纤接口的光接收面中心。

每个激光聚焦器内部含有一前一后设置的第二凸透镜和第三凸透镜，第二凸透镜位于激光聚焦器的输入光纤接口正后方，第二凸透镜和第三凸透镜的主光轴重合在一条中心线上，该中心线垂直穿过激光聚焦器的输入光纤接口的光射出面中心，激光聚焦器的输入光纤接口的光射出面中心与第二凸透镜的光心之间的距离等于第二凸透镜的焦距，第三凸透镜位于激光聚焦器的激光射出口处。

每个光采集器内部含有一前一后设置的第四凸透镜和第五凸透镜，第四凸透镜位于光采集器的光接收口处，光采集器的输出光纤接口位于第五凸透镜的正后方，第四凸透镜和第五凸透镜的主光轴重合在一条中心线上，该中心线垂直穿过光采集器的输出光纤接口的光接收面中心，光采集器的输出光纤接口的光接收面中心与第五凸透镜的光心之间的距离等于第五凸透镜的焦距。

激光器﹑光谱仪和激光耦合器均设置在安装板上表面上的控制盒中。

激光器的型号为：DPS-1064-mini；光谱仪的型号为：Avaspec-Mini2048-UVI10；中央控制器为计算机。

N对激光聚焦及采集通孔在安装板的上表面上排成一行，或按矩阵形式排列，或按圆环形式排列。

安装板为矩形板，安装板上表面的四个角处各开有一个安装通孔。

激光聚焦器的外形为圆柱形，激光聚焦器通孔为垂直设置的圆形通孔，激光聚焦器的上部侧面设有横向凸出沿，横向凸出沿卡在安装板的上表面上；光采集器的外形也为圆柱形，光采集器通孔为倾斜设置的圆形通孔，光采集器的上部侧面设有斜向凸出沿，斜向凸出沿卡在安装板的上表面上。

激光聚焦器的激光射出***出的激光会聚在光采集器的光接收口的物镜的焦点处或焦点下方附近（比如：会聚在焦点下方0mm～3mm处）。

以检测玻璃板的锡面为例，该玻璃表面附着物检测器的工作过程为：中央控制器发出激光发射控制信号，控制激光器发出脉冲激光，脉冲激光经激光耦合器耦合进N条光纤中，同时激光器发出触发信号控制光谱仪在设置的时间采集光信号，N条光纤中的激光分别传导到N个激光聚焦器中，再由N个激光聚焦器聚焦到玻璃板的被检测面的N个点处，并在N个点处激发出等离子体，N个点处的等离子体发出的光分别经N个光采集器采集后耦合进一条N合1光纤中，然后传输至光谱仪进行光信号解析，解析得到的光谱信息经由光谱仪内部的探测器模块转换为电信号后传输至中央控制器，由中央控制器根据光谱信息判定锡元素是否存在，如果有锡元素的谱线，则玻璃板的被检测面是锡面，反之玻璃板的另外一面为锡面。

实际生产中使用该玻璃表面附着物检测器时，可通过安装板上的安装通孔将玻璃表面附着物检测器安装在生产线上，使玻璃表面附着物检测器位于玻璃板的上方，这样即可方便地对玻璃板进行检测。

本发明的有益效果：

1﹑本发明采用LIBS技术检测玻璃板表面的附着物（如：锡元素），可安装在玻璃板的生产线上在线检测，检测快速﹑自动化程度高。

2、本发明采用激光耦合器将激光器发出的初始激光分成N束，再经光纤传到N个激光聚焦器中，经N个激光聚焦器聚焦到玻璃板上的N个点处，然后再采用N个光采集器采集N个点处的等离子体发出的光进行检测；由于采用了激光分束多点采集，既可采集到较高的总光谱强度，提高检测限，同时又使每个激发点有较低的激光强度，尽量减弱了激光烧蚀对玻璃的破坏作用，减少了对玻璃板的影响。

3﹑本发明采用多点检测方法，防止了单点检测时玻璃板表面附着物（如：锡元素）不均匀造成的误差，检测结果可靠。

（四）、附图说明：

图1为基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器的结构示意图；

图2为图1中的A-A剖视结构示意图；

图3为基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器的电路及光路结构示意图；

图4为激光耦合器的内部结构及光路示意图；

图5为激光聚焦器的内部结构及光路示意图；

图6为光采集器的内部结构及光路示意图；

图7为基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器工作时的光路结构示意图；

图8为微调节光纤接口的结构示意图；

图9为图8中的B-B剖视结构示意图；

图10为图9中安装上光纤插头的插针时的结构示意图；

图11为卡环的结构示意图之一；

图12为图11中的C-C剖视结构示意图；

图13为卡环的结构示意图之二；

图14为图13中的D-D剖视结构示意图；

图15为透镜通过卡环安装在镜筒内的结构示意图之一；

图16为透镜通过卡环安装在镜筒内的结构示意图之二。

（五）、

具体实施方式

：

参见图1～图16，图中，基于激光诱导击穿光谱的玻璃表面附着物检测器含有激光器﹑中央控制器﹑光谱仪﹑激光耦合器﹑3个相同的激光聚焦器5﹑3个相同的光采集器6和水平设置的安装板1，激光器﹑中央控制器﹑光谱仪﹑激光耦合器均设置在安装板1的上表面上，安装板1的上表面周边开有安装通孔3，安装板1的上表面中部均匀开有3对相同的激光聚焦及采集通孔；每对激光聚焦及采集通孔含有一个激光聚焦器通孔24和一个光采集器通孔25，该激光聚焦器通孔24和该光采集器通孔25相邻设置，该激光聚焦器通孔24中安装有一个激光聚焦器5，该光采集器通孔25中安装有一个光采集器6，激光聚焦器5的激光射出口垂直向下设置，光采集器6的光接收口倾斜向下设置，激光聚焦器5的激光射出***出的激光会聚在光采集器6的光接收口的物镜的焦点处，且激光聚焦器5的主光轴穿过光采集器6的光接收口的物镜的焦点，光采集器6的光接收口的物镜的焦点所处的位置即为检测点；中央控制器的激光发射控制信号输出口与激光器的控制信号输入口连接，激光器发出的初始激光进入激光耦合器中，激光耦合器的3个输出光纤接口（17﹑18﹑19）通过光纤7分别与3个激光聚焦器5的输入光纤接口20连接，3个光采集器6的输出光纤接口28通过一条3合1光纤8与光谱仪的输入光纤接口连接，光谱仪的检测信号输出口与中央控制器的检测信号输入口连接，激光器的触发信号输出端与光谱仪的外触发信号输入端连接，为光谱仪提供触发信号。

激光耦合器内部含有3个部分反射镜（11﹑12﹑13）和3个第一凸透镜（14﹑15﹑16），激光器发出的初始激光射在第１个部分反射镜11的反射面上，且该初始激光与第１个部分反射镜11的反射面的夹角为45°，第２﹑3个部分反射镜（12﹑13）依次设置在第１个部分反射镜11的反射光路中，且第２﹑3个部分反射镜（12﹑13）的反射面与第１个部分反射镜11的反射面平行，第２﹑3个部分反射镜（12﹑13）的反射面均反射第１个部分反射镜11的反射光，第１个第一凸透镜14设在第１个部分反射镜11的后方且位于初始激光的光路中，第２﹑3个第一凸透镜（15﹑16）分别设在第２﹑3个部分反射镜（12﹑13）的反射光路中，激光耦合器的3个输出光纤接口（17﹑18﹑19）的光接收面中心分别位于3个第一凸透镜（14﹑15﹑16）的后方焦点处，且3个第一凸透镜（14﹑15﹑16）的主光轴分别垂直穿过激光耦合器的3个输出光纤接口（17﹑18﹑19）的光接收面中心。

激光耦合器内部还含有光阑47，光阑47设在第１个部分反射镜11的前方，光阑47的中心轴线与激光器发出的初始激光的中心轴线重合，激光器发出的初始激光通过光阑47后射在第１个部分反射镜11的反射面上。

光阑47可以对初始激光束进行整形，使初始激光束的横截面为圆形。

激光器发出的初始激光一部分通过第１个部分反射镜11反射出去，另一部分从第１个部分反射镜11透射过去后再经第１个第一凸透镜14会聚在第１个输出光纤接口17的光接收面中心，第１个部分反射镜11反射出去的激光依次穿过第２﹑3个部分反射镜（12﹑13）并经第２﹑3个部分反射镜（12﹑13）反射，第２﹑3个部分反射镜（12﹑13）反射出去的激光分别经第２﹑3个第一凸透镜（15﹑16）会聚在第２﹑3个输出光纤接口（18﹑19）的光接收面中心。

每个激光聚焦器5内部含有一前一后设置的第二凸透镜21和第三凸透镜22，第二凸透镜21位于激光聚焦器5的输入光纤接口20正后方，第二凸透镜21和第三凸透镜22的主光轴重合在一条中心线上，该中心线垂直穿过激光聚焦器5的输入光纤接口20的光射出面中心，激光聚焦器5的输入光纤接口20的光射出面中心与第二凸透镜21的光心之间的距离等于第二凸透镜21的焦距，第三凸透镜22位于激光聚焦器5的激光射出口处。

每个光采集器6内部含有一前一后设置的第四凸透镜26和第五凸透镜27，第四凸透镜26位于光采集器6的光接收口处，光采集器6的输出光纤接口28位于第五凸透镜27的正后方，第四凸透镜26和第五凸透镜27的主光轴重合在一条中心线上，该中心线垂直穿过光采集器6的输出光纤接口28的光接收面中心，光采集器6的输出光纤接口28的光接收面中心与第五凸透镜27的光心之间的距离等于第五凸透镜27的焦距。

激光器﹑光谱仪和激光耦合器均设置在安装板1上表面上的控制盒2中。

激光器的型号为：DPS-1064-mini；光谱仪的型号为：Avaspec-Mini2048-UVI10；中央控制器为计算机，实际应用中，可将计算机设在控制盒2外面，计算机与激光器和光谱仪之间的连接电缆穿过控制盒2。

3对激光聚焦及采集通孔在安装板1的上表面上排成一行。

安装板1为矩形板，安装板1上表面的四个角处各开有一个安装通孔3。

激光聚焦器5的外形为圆柱形，激光聚焦器通孔24为垂直设置的圆形通孔，激光聚焦器5的上部侧面设有横向凸出沿9，横向凸出沿9卡在安装板1的上表面上；光采集器6的外形也为圆柱形，光采集器通孔25为倾斜设置的圆形通孔，光采集器6的上部侧面设有斜向凸出沿10，斜向凸出沿10卡在安装板1的上表面上。

实际应用时，为了使激光聚焦器5﹑光采集器6和激光耦合器的光路更加精确，可通过5轴可调光学元件安装座将激光聚焦器5和光采集器6分别安装在激光聚焦器通孔24和一个光采集器通孔25中，激光聚焦器5﹑光采集器6和激光耦合器中的光纤接口（17、18、19、20、28）均采用微调节光纤接口，激光聚焦器5﹑光采集器6和激光耦合器中的透镜均通过卡环安装在镜筒中。

5轴可调光学元件安装座的型号为：K5X1，生产厂家：美国THORLABS（翻译为：索雷博）公司 。

微调节光纤接***有圆筒形的壳体30，壳体30内部固定设有垂直于壳体30轴线的隔挡板36，隔挡板36将壳体30内部分成左、右两个腔室45、46，左、右两个腔室45、46通过隔挡板36中部的连通通孔35连通，连通通孔35与壳体30同轴，左腔室45比右腔室46大，左腔室45中设有一个光纤固定座31，光纤固定座31为圆柱体和圆锥体的组合体，光纤固定座31的左边为圆柱体，右边为圆锥体，圆柱体和圆锥体同轴，圆锥体的大头朝右，光纤固定座31的右端面与隔挡板36接触，光纤固定座31右端面的外径小于壳体30的内径，在光纤固定座31的左端面上设有一个台阶通孔32，台阶通孔32与圆柱体同轴，台阶通孔32的内径小于连通通孔35的内径，台阶通孔32内的台阶靠近光纤固定座31的右端；壳体30侧面的一个圆周上均匀设有三个螺纹通孔，该圆周与壳体30同轴，三个螺纹通孔中分别安装三个调节螺钉33，三个调节螺钉33的端部均与光纤固定座31上的圆锥体的侧面接触，壳体30的左端设有端盖29，端盖29通过紧固螺钉38与壳体30连接，光纤固定座31的左端从端盖29中部的通孔34中伸出，光纤固定座31左端的外侧面上设有外螺纹，用于在光纤固定座31的左端安装光纤插头固定套或防尘盖（不安装光纤时用），右腔室46的内侧面上设有内螺纹，用于和光学器件连接。

使用该微调节光纤接口时，将光纤插头的插针37从光纤固定座31的左端***台阶通孔32中，然后将光纤插头固定套安装在光纤固定座31的左端，使光纤插头固定即可，光纤插头的插针37的外径与台阶通孔32的内径相同，光纤插头的插针37端面（光纤端面与插针端面位于同一平面）被挡在台阶通孔32的台阶处。从壳体30右边的光学器件中过来的会聚激光经过连通通孔35和台阶通孔32后射入光纤插头的插针37端面上，即光纤端面上，从而使光进入光纤中；或者可使从光纤中传输过来的光经过台阶通孔32和连通通孔35后传输向壳体30右边的光学器件；三个调节螺钉33可调节光纤固定座31的位置，使会聚激光正好射在光纤插头的插针37端面的中心处，即光纤端面中心处，使光路更加精确。

输出光纤接口（17、18、19、28）的光接收面中心和输入光纤接口（20）的光射出面中心均为其上连接的光纤插头的插针37端面的中心，即光纤端面中心。

卡环含有两种形式：一种是圆环形卡环39，该圆环形卡环39的外侧面上设有外螺纹；另一种卡环是在圆环形卡环39的基础上经过变形后形成，称为翻边卡环41，具体结构为：使圆环形卡环39的侧面向一端延伸形成一圈翻边，翻边的内侧面和外侧面上分别设有内螺纹和外螺纹，翻边外侧面上的外螺纹与圆环形卡环39外侧面上的外螺纹连为一体。圆环形卡环39和翻边卡环41的端面上均设有扳手孔40、42，扳手孔40、42用来帮助将卡环安装在镜筒44中。

透镜43通过卡环安装在镜筒44中时可采取两种方式：一种方式是将两个圆环形卡环39通过螺纹安装在镜筒44中，并使透镜43夹在两个圆环形卡环39中间；另一种方式是将翻边卡环41通过螺纹安装在镜筒44中，透镜43放在翻边卡环41中，再将圆环形卡环39通过螺纹安装在翻边卡环41中，使透镜43夹在圆环形卡环39和翻边卡环41中间。

以检测玻璃板的锡面为例，该玻璃表面附着物检测器的工作过程为：中央控制器发出激光发射控制信号，控制激光器发出脉冲激光，脉冲激光经激光耦合器耦合进3条光纤7中，同时激光器发出触发信号控制光谱仪在设置的时间采集光信号，3条光纤7中的激光分别传导到3个激光聚焦器5中，再由3个激光聚焦器5聚焦到玻璃板23的被检测面的3个点处，并在3个点处激发出等离子体，3个点处的等离子体发出的光分别经3个光采集器6采集后耦合进一条3合1光纤8中，然后传输至光谱仪进行光信号解析，解析得到的光谱信息经由光谱仪内部的探测器模块转换为电信号后传输至中央控制器，由中央控制器根据光谱信息判定锡元素是否存在，如果有锡的谱线，则玻璃板23的被检测面是锡面，反之玻璃板23的另外一面为锡面。

实际生产中使用该玻璃表面附着物检测器时，可通过安装板1上的安装通孔3将玻璃表面附着物检测器安装在生产线上，使玻璃表面附着物检测器位于玻璃板23的上方，这样即可方便地对玻璃板23进行检测。