(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 202210695907.9 (22)申请日 2022.06.20 (71)申请人 西北师范大学 地址 730070 甘肃省兰州市安宁区安宁东 路967号 (72)发明人 孙对兄　蒋赟　林灿炯　李双豆　 钱恒礼　苏茂根　梁西银　董晨钟　 (74)专利代理 机构 兰州智和专利代理事务所 (普通合伙) 62201 专利代理师 周立新 (51)Int.Cl. G01N 21/73(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G01S 17/08(2006.01) G02B 7/182(2021.01) (54)发明名称 激光诱导击穿光谱远程探测方法 (57)摘要 本发明公开了一种激光诱导击穿光谱远程 探测方法， 取用包括激光测距仪及沿激光束传播 方向依次设置的激光器、 扩束透镜组、 第一激光 反射镜、 二向色镜、 主镜和多副镜变焦结构 的多 副镜自聚焦远程探测装置， 先通过激光测距仪测 距， 计算机确定选择哪一块副镜工作及导轨移动 的距离与方向， 导轨旋转带动选择的副镜转动并 与主镜同轴， 导轨再带动该副镜直线移动， 激光 器发出脉冲激光， 经光学系统反射到待测物品表 面激发出等离子体， 冷却膨胀过程中， 向外发射 信号光， 主镜汇聚后聚焦系统聚集进入光谱仪， 分析其物质成分和含量。 该探测方法中使用的自 聚焦探测装置变焦精度更高， 可运用于一些不方 便直接近距离接触的极端环境的待测物品的组 成成分的分析测量。 权利要求书2页 说明书7页 附图3页 CN 115165850 A 2022.10.11 CN 115165850 A 1.一种激光诱导击穿光谱远程探测方法， 其特征在于， 该探测方法具体按以下步骤进 行： 1） 取自聚焦探测装置， 该自聚焦探测装置包括激光测距仪 （8） 以及沿激光束传播方向 依次设置的激光器 （2） 、 扩束透镜组 （3） 、 第一激光反射镜 （4） 、 二向色镜 （9） 、 主镜 （5） 和多副 镜变焦结构 （6） ； 第一激光反射镜 （4） 和二向色镜 （9） 上下平行设置， 第一激光反射镜 （4） 和 二向色镜 （9） 与水平 面之间的夹角均为45 °， 二向色镜 （9） 背离主镜 （5） 的一侧设有聚焦系统 （10） ， 聚焦系统 （10） 与光谱仪 （11） 相连； 激光器 （2） 、 多副镜变焦结构 （6） 、 激光测距仪 （8） 和 光谱仪 （1 1） 均与计算机 （1） 相连； 主镜 （5） 采用中心有圆孔的凹球面反射镜， 主镜 （5） 的凹球面朝向多副镜变焦结构 （6） ； 多副镜变焦结构 （6） 包括平行设置 的导轨 （14） 和光栅尺 （15） ， 光栅尺 （15） 上安装有可 沿光栅尺 （15） 长度方向往复移动的光栅尺滑块 （18） ， 光栅尺滑块 （18） 通过第一连接支杆 （16） 与导轨 （14） 相连； 沿导轨 （14） 的轴线方向、 导轨 （14） 上依次安装有多个可绕导轨 （14） 轴线往复转动的旋转臂 （22） ， 旋转臂 （22） 采用电磁离合器， 旋转臂 （22） 上固接有限位杆 （17） 和旋转臂支杆 （21） ， 旋转臂支杆 （21） 上安装有副镜 （12） ， 副镜 （12） 均为凸球面透镜， 所 有副镜 （12） 的凸面均朝向主镜 （5） ， 且 所有副镜 （12） 的曲率半径均不相同； 导轨 （14） 两端分 别安装有第一电机 （19） 和第二电机 （23） ， 第一电机 （19） 和第二电机 （23） 上均安装有控制模 块， 所有的控制模块均与计算机 （1） 信号连接； 第一电机 （19） 和与第一电机 （19） 相邻的旋转 臂 （22） 之间的导轨 （14） 上固接有第二连接支杆 （20） ， 第二连接支杆 （20） 位于导轨 （14） 下 方， 第二连接支杆 （20） 下端安装有倾斜方向与第一激光反射镜 （4） 的倾斜方向相反 的第二 激光反射镜 （13） ， 第二激光反射镜 （13） 与水平面之间的夹角为 45°； 所有的旋转臂 （22） 均通过控制电路与计算机 （1） 相连接； 光栅尺 （15） 上安装有数量与 旋转臂 （2 2） 数量相同的限位 开关； 第一电机 （19） 采用直线电机； 扩束透镜组 （3） 包括并排设置的第一双凹透镜 （25） 和平凸透镜 （26） ， 平凸透镜 （26） 的 凸面背离第一双凹透 镜 （25） 设置； 第一双凹透 镜 （25） 与激光器 （2） 相邻； 聚焦系统 （10） 包括并排依次设置 的第二双凹透镜 （27） 、 第一双凸透镜 （28） 、 第二双凸 透镜 （29） 和负弯月透镜 （30） ， 负弯月透镜 （30） 的凹面朝向第二双凸透镜 （29） ； 负弯月透镜 （30） 与光谱仪 （1 1） 相邻； 在预先设计的位置放置待测物品 （7） ， 然后开启计算机 （1） 和激光测距仪 （8） ； 此时， 所 有的旋转臂 （2 2） 均不通电； 2） 通过计算机 （1） 给激光测距仪 （8） 发送工作指令， 激光测距仪 （8） 发出激光束A， 该激 光束A射向多副镜变焦结构 （6） ， 经多副镜变焦结构 （6） 中第二激光反射镜 （13） 反射， 射向待 测物品 （7） ； 待测物品 （7） 表面反射回来一束信号光A， 信号光A射向第二激光反射镜 （13） ， 经 第二激光反射镜 （13） 反射 向激光测距仪 （8） ， 激光测距仪 （8） 接收到返回的信号光A后通过 计算， 得出主镜 （5） 到待测物品 （7） 的距离， 并把计算结果发送给计算机 （1） ， 计算机 （1） 计算 出相应的工作参数， 该工作参数为确定选择哪一块副镜 （12） 进 行工作以及导轨 （14） 移动的 距离与方向； 3） 计算机 （1） 发出指令启动第二电机 （23） ， 第二电机 （23） 驱动导轨 （14） 旋转， 导轨 （14） 带动所有旋转臂 （22） 中的主动转子旋转， 同时， 计算机 （1） 根据工作参数， 通过控制电路给 选定的旋转臂 （22） 通电， 该通电的旋转臂 （22） 中的主动转子和从动转子结合， 主动转子带权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115165850 A 2动从动转子旋转， 从动转子带动其上的限位杆 （17） 和旋转臂支杆 （21） 绕水平轴 转动， 当限 位杆 （17） 和旋转臂支杆 （21） 转动180 °后， 该限位杆 （17） 与光栅尺 （15） 上的一个限位开关相 触碰， 限位开关发出信号， 计算机 （1） 发出指令， 关闭第二电机 （23） ， 该选定的旋转臂 （22） 还 是处于通电状态， 此时， 固接于该旋转臂 （22） 上的副镜 （12） 与主镜 （5） 同轴， 该副镜 （12） 成 为工作副镜 （24） ； 然后， 计算机 （1） 发出指令， 启动第一电机 （19） ， 第一电机 （19） 驱动导轨 （14） 带动工作副镜 （24） 沿导轨 （14） 轴线 方向向计算机 （1） 确定的方向位移， 位移过程中， 光 栅尺 （15） 持续测量工作副镜 （24） 的位置， 在工作副镜 （24） 满足移动距离后， 计算机 （1） 通过 读取光栅尺 （15） 的数据， 判断细变焦是否完成， 若判断细变焦已经完成， 计算机 （1） 关闭第 一电机 （19） ， 工作副镜 （24） 位移结束； 4） 计算机 （1） 开启激光器 （2） ， 激光器 （2） 射出脉冲激光束， 脉冲激光束依次经过第一双 凹透镜 （25） 和平凸透镜 （26） ， 将激光光斑放大； 放大的激光光斑依次经过第一激光反射镜 （4） 和二向色镜 （9） ， 通过主镜 （5） 的中心圆孔射到工作副镜 （24） 上， 被工作副镜 （24） 的凸面 发散反射到主镜 （5） 的凹面上， 经主镜 （5） 的凹面反射， 汇聚到达待测物品 （7） ； 汇聚后的激 光能量密度达到待测物品 （7） 的材料阈值的情况下， 在待测物品 （7） 表面激发出等离子体， 等离子体在冷却膨胀的过程中， 向外发射信号 光B； 5） 信号光B被主镜 （5） 凹面汇聚到工作副镜 （24） ， 被工作副镜 （24） 反射后经过主镜 （5） 的中心圆孔射向二向色镜 （9） ， 信号光B中的一部分透过二向色镜 （9） 后， 依次经过第二双凹 透镜 （27） 、 第一双凸透镜 （28） 、 第二双凸透镜 （29） 和负弯月透镜 （30） ， 进入光谱仪 （11） ， 光 谱仪 （11） 结合计算机 （1） 对接收的一部分信号光B进行分析， 计算机 （1） 通过LIBS定量分析 算法测出待测物品 （7） 的物质成分及其含量。 2.如权利要求1所述的激光诱导击穿光谱远程探测方法， 其特征在于， 完成测量后， 计 算机 （1） 启动第一电机 （19） 驱动导轨 （14） 反向移动， 使旋转臂 （22） 回到直线移动前的原始 位置， 然后， 计算机 （1） 启动第二电机 （23） 驱动导轨 （14） 反向转动， 使选定的旋转臂反向旋 转180°， 工作副镜 （24） 回复到初始位置， 之后， 计算机 （1） 发出电信号， 控制电路给选定的旋 转臂 （22） 断电， 该旋转臂 （2 2） 回到分离状态。 3.如权利要求2所述的激光诱导击穿光谱远程探测方法， 其特征在于， 信号光B中透过 二向色镜 （9） 的一部分光 为波长20 0nm～800n