激光诱导击穿光谱仪器测控系统研制

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1、提要激光诱导击穿光谱(LIBS)仪器作为一种重要的元素分析仪器，其广阔的应用领域，准确、快速的检测手段将促进整个测试分析领域检测水平的提高。本文针对LIBS测控系统进行深入研究。结合插件式设计框架完成测控系统硬件平台及软件平台设计，提高了测控系统对不同类型部件的兼容性；研制了LIBS仪器专属的小型化延时器，在满足LIBS仪器延时需求的基础上，缩小延时器体积和重量，为仪器便携式发展奠定基础；优化测控过程中延时时间和激光能量耦合效率等参数，提出一种基于单光束分束的LIBS技术，延长了等离子体信号的生存周期，提高了信号强度，为仪器降

2、低检出限提供基础，并针对测控过程优化实验，提出一种自动化的多层迭代式实验方法，提高参数优化的效率；集成测控系统，并进行金属样品定性分析的实际应用，此外，该测控系统成功集成于台式LIBS样机、便携式LIBS样机以及激光诱导击穿-拉曼光谱联用样机中。摘要摘要论文题目：激光诱导击穿光谱仪器测控系统研制专业名称：精密仪器及机械指导教师：田地教授作者：丁宇激光诱导击穿光谱技术作为一种原子发射光谱技术，由于其检测速度快、无需样品前处理、能够原位实时检测等诸多优势在各应用领域受到人们越来越多的重视。该技术采用高能脉冲激光作为激发源，经扩束、

3、准直及聚焦等光学组件后作用在样品表面，被聚焦光斑所覆盖的样品区域由于较高的功率密度(大于21GW/cm)，在局部产生等离子体，并辐射出特定波长的光谱信号，通过对元素特征谱线的分析，实现样品元素成分的鉴别和量化。国外LIBS仪器发展比较成熟，但这些成型仪器往往是针对特定的应用需求，当应用需求发生变化需要更换其他参数的部件或扩展辅助部件时，现有仪器不能很好的兼容，导致仪器无法实现分析测试目的。现阶段国产LIBS仪器的研制处于开始阶段，其中测控系统作为LIBS仪器的重要组成，负责协调各个组成部件的有序工作，是仪器研制的关键环节。本文

4、的主要研究内容如下：(1)插件式测控系统的设计与实现测控系统负责激光诱导击穿光谱仪各部件的协调控制，是仪器完成测量目的的基础。国外现有的商业化LIBS仪器由固定型号的部件组合而成进行分析测试，但是当其中某一部件满足不了特定分析需求时，仪器不支持单一部件的更换，测控系统不能控制新接入的部件，这导致了整体仪器对新部件的兼容性较差。针对这类问题，本文研制了一种通用的测控系统：基于测控系统的应用需求选取嵌入式主控设备，并为接口各异的仪器部件研制接口适配器，确保各部件能够顺利接入仪器系统；在独立开发各部件控制模块的基础上，提取部件特征参

5、数，基于插件式应用框架技术将各部件控制模块封装成独立插件，进行软件平台的集成。整个测控系统在面向不同类型、型号的部件时，只需更换对应插件即可实现控制目的，不影响仪器整体运行，提高了LIBS仪器对不同部件的兼容性以及可扩展性，满足了LIBS仪器在不同领域的应用需求。(2)LIBS仪器专属小型化延时器的研制为加快我国LIBS仪器的发展，核心部件的研制也成为迫切的需求。延时器负责激光器与光谱仪这两个部件之间同步工作，是仪器的核心部件之一，也是测I吉林大学博士学位论文控系统的重要组成。现阶段LIBS实验常用的延时DG535/645体积

6、较大，不适合于仪器集成。本文研制了以FPGA为控制核心的LIBS仪器专属小型延时器，以计数器结合温补晶振的方式实现延时精度为10ns的数字延时，以斜波电路实现延时精度为0.1ns的模拟延时，并协调两部分延时逻辑消除由触发信号与时钟信号引起的10ns范围的随机抖动。使用FPGA系统中的FLASH闪存，记录延时器的校正数值，修正由斜波电路的线性度、器件差异和不同延时时长范围内充电电容的漏电流等因素造成的偏差，做到一机一参，保证延时器能够批量地应用到的激光诱导击穿光谱系统。实验结果表明，延时器输出信号上升沿小于5ns，下降沿小于30

7、ns，固有延时约38.06ns，均方差值(RMS)为328ps，延时精度小于1ns，满足了LIBS仪器分析测试的延时需求，并减小了延时器的体积、重量及成本，适合用于便携式LIBS仪器的集成。(3)测控系统集成与测试在软硬件平台基础上，依照集成原则对测控系统进行集成。对集成后的测控系统分别从兼容性、功能性以及稳定性三个方面进行测试，测试结果显示，该测控系统已兼容五类部件的15种型号，并且可以通过更换插件的方式不断扩展可兼容的部件；测控系统在部件连接、部件控制、数据获取、谱图控制以及数据存储等功能方面测试正常，可以有效的获取样品的

8、光谱数据；在约1700次测试中，测控系统运行稳定未出现软硬件故障，并能有效控制各部件运行。(4)测控过程优化研究优化测控过程，提高LIBS仪器获取的信号质量，一直是LIBS领域的研究热点，也是制约LIBS仪器发展的关键因素。激光诱导击穿的过程很复杂，能够直接影响物质的电离特性