莱森光学iSpec-LIBS-IND工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统可根据用户需求和具体使用场景定制。例如：采用多个通道高分辨率光谱仪进行同步采集；采用一体化集成机箱，防尘防震防腐蚀，横跨传送带吊装设计、实时显示设备状态和测量结果；适应不同天气环境温度变化。

激光器经由系统软件控制发射激光，LIBS探头借助于智能焦距跟随模块，聚焦到样品的表面并产生LIBS信号。光谱仪经由特殊设计的时序控制电路和软件实现同步触发采集，获得LIBS光谱信息并对数据进行处理，实现针对元素含量的定量测量。

激光诱导击穿光谱（LIBS，Laser Induced Breakdown Spectroscopy）是在高强度的激光作用下，在被测材料表面有几微克的物质被激发喷射出来，这个过程通常被称为激光剥离，同时材料表面还会产生寿命很短但亮度很高的等离子体，其瞬间温度可达10,000℃。在这个热等离子体中，喷射出来的物质离解成激发态的原子和离子。在激光脉冲结束后，由于等离子体以超音速向外扩展所以迅速地冷却下来。在这段时间内，处于激发态的原子和离子从高能态跃迁到低能态，并发射出具有特定波长的光辐射。用高灵敏度的光谱仪对这些光辐射进行探测和光谱分析分析，就可以得到被测材料的元素构成信息。

LIBS光谱的本质是等离子体光谱，根据等离子体诊断的基本理论，我们利用物理学和化学实验所积累的物质发光光谱数据，进行理论分析，就能确定等离子体的电子和离子温度、数密度、粒子成分等信息。

(1) 峰值波长：线光谱是粒子物种的指纹，如果在等离子体中存在其指纹辐射，就可以判定物种存在，为了提高精确度，通常需要多条指纹谱线共用。

(2) 峰值强度：根据Saha方程，谱线强度为浓度的函数，在局部热平衡（Local Thermal Equilibrium, LTE）的情况下，原子浓度与谱线强度成线性关系。

(3) 谱线展宽：谱线线型由自然展宽、多普勒展宽、斯达克展宽、压力展宽、共振展宽、范德瓦尔斯展宽、仪器展宽等组成。光谱仪器的展宽，是所有展宽的主要因素（超高分辨谱仪除外）。

激光诱导击穿光谱（LIBS）技术的原理

如上图所示，激光诱导击穿光谱（LIBS）分析仪主要由激光器、激光聚焦光学系统、光谱收集光学系统、高分辨率光谱仪等组成。此外，通常还包括特殊设计的时序控制系统、样品室、以及数据分析软件。

正如前文所述，LIBS具有等离子光谱的特征。科学研究发现，LIBS光谱的产生是负电子、自由电子、离子（团）、原子（团）、分子（团）等先后激发和相互作用的复杂过程。

LIBS光谱的动力学过程

采用超高时间分辨率的光谱仪，对LIBS信号进行分析发现，在不同时刻采集到的LIBS光谱存在较大差异，这是因为在等离子体光谱的发射过程中存在较强的韧致辐射（主要是带电粒子与原子核的碰撞）。韧致辐射主要是库仑相互作用，不是电子跃迁产生的特征谱线。

铜在不同时刻的LIBS谱线

为了准确采集信噪比的LIBS光谱，就需要控制光谱仪在特定的延迟时间去采集光谱，通常这一时间精度在10µs以内。也就是说，光谱仪的触发延迟精度必须控制在10µs以内，甚至1µs左右更好。

LIBS谱线在不同延迟时刻的差异

此外，光谱仪的曝光时间也是一个关键指标：在LIBS信号较强的时候，更小的曝光时间可以防止出现饱和。在LIBS信号较弱的时候，更长的曝光时间有助于提高信噪比。

LIBS光谱是由于激光器轰击材料表面产生的，要想获得稳定的等离子体光谱信号，就需要精确调节激光器的能量，以及准确高效的聚焦和收集光学系统：以尽可能稳定的激光能量轰击材料表面，同时要提高光谱仪的收集效率，以获得信噪比高的LIBS光谱信息。这就需要：能量稳定的激光器、精密高效的光学系统、精准的时序控制系统、时间精度和信噪比的光谱仪、特殊的数据处理算法。这些关键的技术要求，对于实现元素的定性和定量分析都具有重要意义。

本设备应用于高炉炼铁前的烧结矿环节，在线实时检测烧结矿的相关成分，获取烧结矿的重要参数（品位和碱度）适时调整配比以控制产量。

铁矿粉粒度太小，透气性很差，且容易导致炼铁高炉崩料，因此通常制成烧结矿后再投入高炉炼铁。烧结矿粒度较大，且为多孔结构，强度也比较大，可以保证高炉的顺利运行。烧结是将各种粉状含铁原料，配入适量的燃料和熔剂，加入适量的水，经混合和造球后在烧结设备上使物料发生一系列物理化学变化，将矿粉颗粒黏结成块的过程。

高炉炼铁烧结流程图                                                                     烧结矿实物图

烧结矿两个重要的参数是品位和碱度，品位是Fe含量，碱度是CaO与SiO2比值。品位变动1%，高炉燃料比会变动1%~1.5%，产量变动2%~2.5%，碱度低于1.85，每降低0.1，将增加燃料比和降低产量各3.0%~3.5%，碱度过高（>2.3）则产量也可能会降低。通过检测Fe、Si、Ca三种元素，即可计算得到品位和碱度（Mg和Al两种元素可选）。

烧结前混合料（二次混合）位置现场图

莱森光学工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统主要包含三部分：光路探头（在线LIBS系统光谱采集）；管理控制；分析算法。莱森光学主要负责在线LIBS系统光谱采集部分和管理控制部分，下面说明一下在线LIBS系统光谱采集部分的系统架构。

激光器经由系统软件控制发射激光，经过特殊设计的LIBS探头，借助于智能焦距跟随模块，聚焦到烧结矿样品的表面并产生LIBS信号。与此同时，光谱仪经由特殊设计的时序控制电路和软件实现同步触发采集，获得LIBS光谱信息并对数据进行预处理，然后借助于分析算法获得最终计算结果，从而实现针对Fe、CaO、SiO2含量的定量测量。

LIBS系统整体设计说明                                                  在线LIBS系统光路探头方案示意图

工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统跨带安装示意图

(1) 可控制各硬件模块协同工作，可设置光谱仪参数（积分时间、平滑像素、触发延迟等）、激光器参数（单脉冲能量、发射频率、单次/连续模式、启停状态等）、延时器参数（延时时间）、焦距跟随参数（调节范围、调节频率等）；

(2) 可实时显示LIBS光谱曲线、保存和导出光谱数据、上传最终分析结果（Fe、CaO、SiO2含量）；

(3) 可对光谱数据进行预处理和有效性筛选（不处理、平均处理、异常剔除等，并可设置剔除规则），再上发给分析算法计算；

(4) 可接收分析算法返回的计算结果，实时显示到显示屏上，并通过内部协议传送到控制中心PLC主机。

软件截图

莱森光学工作人员工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统安装现场

工业在线LIBS激光诱导击穿光谱系统测试现场