1、板帶內(nèi)在質(zhì)量在線測控前沿技術(shù)織構(gòu)、性能檢測織構(gòu)、性能檢測-X射線衍射射線衍射軋鋼測控的發(fā)展方向軋鋼測控的發(fā)展方向內(nèi)在缺陷檢測內(nèi)在缺陷檢測-激光超聲激光超聲鋅層厚度的檢測鋅層厚度的檢測-激光誘導(dǎo)擊穿光譜激光誘導(dǎo)擊穿光譜性能預(yù)報到測控的構(gòu)想性能預(yù)報到測控的構(gòu)想內(nèi)容提要內(nèi)容提要內(nèi)在質(zhì)量檢測技術(shù)舉例內(nèi)在質(zhì)量檢測技術(shù)舉例引言引言板帶產(chǎn)品的質(zhì)量表觀板帶產(chǎn)品的質(zhì)量表觀引言引言熱軋的質(zhì)量檢測熱軋的質(zhì)量檢測引言引言冷軋的質(zhì)量檢測冷軋的質(zhì)量檢測厚度測控厚度測控前饋前饋AGC控制、反饋控制、反饋AGC控制控制張力和流量張力和流量AGC控制控制流量流量AGC的手段的手段寬度測控寬度測控熱連軋熱連軋AWC功能功能逆寬軋

2、制等寬軋制減寬軋制凸度和板形測控凸度和板形測控熱連軋熱連軋ASC功能功能凸度和板形測量凸度和板形測量表面質(zhì)量檢測表面質(zhì)量檢測帶鋼帶鋼軋制方向軋制方向攝像機攝像機激光線光源激光線光源激光線條激光線條熱熱酸洗酸洗冷軋冷軋鍍鋅鍍鋅精整精整重卷重卷全工序的表面質(zhì)量檢測全工序的表面質(zhì)量檢測軋鋼測控的發(fā)展方向軋鋼測控的發(fā)展方向軋制生產(chǎn)檢測手段的發(fā)展軋制生產(chǎn)檢測手段的發(fā)展外觀尺寸形狀測控外觀尺寸形狀測控、X射線、激光技術(shù)射線、激光技術(shù)（厚度、寬度、凸度、板形）（厚度、寬度、凸度、板形）表面質(zhì)量測控表面質(zhì)量測控CCD檢測技術(shù)檢測技術(shù)內(nèi)部質(zhì)量和組織性能測控內(nèi)部質(zhì)量和組織性能測控X射線與激光超聲等射線與激光超聲等

3、織構(gòu)、性能檢測織構(gòu)、性能檢測-X射線衍射射線衍射軋鋼測控的發(fā)展方向軋鋼測控的發(fā)展方向內(nèi)在缺陷檢測內(nèi)在缺陷檢測-激光超聲激光超聲鋅層厚度檢測鋅層厚度檢測-激光誘導(dǎo)擊穿光譜激光誘導(dǎo)擊穿光譜性能預(yù)報到測控的構(gòu)想性能預(yù)報到測控的構(gòu)想內(nèi)容提要內(nèi)容提要內(nèi)在質(zhì)量檢測技術(shù)舉例內(nèi)在質(zhì)量檢測技術(shù)舉例內(nèi)在質(zhì)量測控內(nèi)在質(zhì)量測控傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量和力學性能檢測：主要依賴各種靜傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料質(zhì)量和力學性能檢測：主要依賴各種靜態(tài)、離線、破壞式方法。態(tài)、離線、破壞式方法。 在線檢測和質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)：在線、全程、實時、無在線檢測和質(zhì)量監(jiān)控技術(shù)：在線、全程、實時、無損地檢測板帶組織性能。損地檢測板帶組織性能。在條件成熟情況下可將檢測信

4、息及時反饋至相應(yīng)生產(chǎn)工序，在條件成熟情況下可將檢測信息及時反饋至相應(yīng)生產(chǎn)工序，便于調(diào)整工藝參數(shù)改進生產(chǎn)流程便于調(diào)整工藝參數(shù)改進生產(chǎn)流程 。傳統(tǒng)的力學性能檢測傳統(tǒng)的力學性能檢測內(nèi)在質(zhì)量測控內(nèi)在質(zhì)量測控 1） X射線衍射技術(shù)在線檢測織構(gòu)和組織性能射線衍射技術(shù)在線檢測織構(gòu)和組織性能織構(gòu)與性能織構(gòu)與性能R值的取向性值的取向性生產(chǎn)過程織構(gòu)演化生產(chǎn)過程織構(gòu)演化織構(gòu)的演化織構(gòu)的演化X射線衍射在線測量織構(gòu)和性能射線衍射在線測量織構(gòu)和性能 1895年倫琴發(fā)現(xiàn)用高速電子沖擊固體時，有一種新射線從固體上發(fā)出年倫琴發(fā)現(xiàn)用高速電子沖擊固體時，有一種新射線從固體上發(fā)出來來X Ray。射線射線X射線射線紫外光紫外光 可見光

5、可見光 紅外光紅外光微波微波無線電波無線電波/nm 0.01 10 400 760 5105 8105MHz 波長頻率短高長低陰級陰級陽級陽級+-X射線衍射原理射線衍射原理 X X射線衍射法射線衍射法 當當X射線照射晶態(tài)結(jié)構(gòu)時，將受到晶體點陣排列的不同原子所衍射。射線照射晶態(tài)結(jié)構(gòu)時，將受到晶體點陣排列的不同原子所衍射。X射線照射射線照射兩個晶面距為兩個晶面距為d的晶面時，受到晶面的反射，兩束反射的晶面時，受到晶面的反射，兩束反射X光程差光程差2dsin使入射波長的整數(shù)倍時使入射波長的整數(shù)倍時，兩束光的相位一致，發(fā)生相長干涉，這種干涉現(xiàn)象稱為衍射，晶體對，兩束光的相位一致，發(fā)生相長干涉，這種干涉

6、現(xiàn)象稱為衍射，晶體對X射線的這種折射線的這種折射規(guī)則稱為布拉格規(guī)則：射規(guī)則稱為布拉格規(guī)則：式中，式中，為為X射線的波長；射線的波長；n為整數(shù)，即衍射級數(shù)；為整數(shù)，即衍射級數(shù)；d為晶屆間距；為晶屆間距；為半衍射角，也為半衍射角，也稱布拉格角。稱布拉格角。 X射線衍射原理射線衍射原理 X X射線衍射法射線衍射法 利用高速電子撞擊原子，使內(nèi)層電子的能級發(fā)生躍遷，再由高能級利用高速電子撞擊原子，使內(nèi)層電子的能級發(fā)生躍遷，再由高能級(激發(fā)態(tài)激發(fā)態(tài))回到回到低能級低能級(基態(tài)基態(tài))，并發(fā)射出，并發(fā)射出X特征譜線。利用特征譜線。利用X特征譜線對晶體物質(zhì)進行照射，從而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，特征譜線對晶體物質(zhì)進行照射，

7、從而產(chǎn)生衍射現(xiàn)象，據(jù)此建立的分析方法，稱為據(jù)此建立的分析方法，稱為X射線衍射法。射線衍射法。 X射線面探測器衍射系統(tǒng)射線面探測器衍射系統(tǒng)X射線發(fā)生器射線發(fā)生器X射線光學系統(tǒng)射線光學系統(tǒng)測角儀和樣本臺測角儀和樣本臺樣品定位監(jiān)視器樣品定位監(jiān)視器面探測器面探測器X射線面探測器衍射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖射線面探測器衍射系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖 取向硅鋼織構(gòu)取向硅鋼織構(gòu)退火鋁板退火鋁板200極圖極圖IF鋼板鋼板200極圖極圖r值在線檢測值在線檢測無間隙原子鋼和取向硅鋼塑性應(yīng)變比無間隙原子鋼和取向硅鋼塑性應(yīng)變比r值在線檢測值在線檢測基本步驟基本步驟首先測量板材織構(gòu)首先測量板材織構(gòu) 其次計算取向分布函數(shù)其次計算取向分布函

8、數(shù) 然后根據(jù)多晶體塑性形變模型換算然后根據(jù)多晶體塑性形變模型換算r值值深沖壓鋼板織構(gòu)深沖壓鋼板織構(gòu)織構(gòu)取向線分布織構(gòu)取向線分布Taylor模型模型Sachs模型模型r值值r值測量結(jié)果值測量結(jié)果IF鋼塑性應(yīng)變比鋼塑性應(yīng)變比r值測量結(jié)果值測量結(jié)果中試線開發(fā)示范中試線開發(fā)示范 X射線衍射技術(shù)在線實施難點射線衍射技術(shù)在線實施難點 環(huán)境保護問題環(huán)境保護問題 設(shè)備干擾問題設(shè)備干擾問題 連續(xù)動態(tài)檢測處理問題連續(xù)動態(tài)檢測處理問題 在線模型實時計算問題在線模型實時計算問題 檢測內(nèi)容檢測內(nèi)容 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) r值值 目標精度目標精度 在線檢測織構(gòu)及塑性應(yīng)變比在線檢測織構(gòu)及塑性應(yīng)變比r值的偏差小于值的偏差小于10

9、%內(nèi)在質(zhì)量測控內(nèi)在質(zhì)量測控2）激光超聲在線檢測裂紋、夾雜等內(nèi)部缺陷）激光超聲在線檢測裂紋、夾雜等內(nèi)部缺陷激光激光英文英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER) -受激發(fā)射光擴大受激發(fā)射光擴大若一外來光子作用原子，且能量恰好滿若一外來光子作用原子，且能量恰好滿 ，原子就有可，原子就有可能從激發(fā)態(tài)能從激發(fā)態(tài)E2躍遷至低能態(tài)躍遷至低能態(tài)E1，同時放出一個與外來光子具有完全，同時放出一個與外來光子具有完全相同狀態(tài)的光子，稱為受激輻射。相同狀態(tài)的光子，稱為受激輻射。如此反復(fù)后就會產(chǎn)生大量相同性質(zhì)的光子，放大后形成激光。

10、如此反復(fù)后就會產(chǎn)生大量相同性質(zhì)的光子，放大后形成激光。射線射線 X射線射線 紫外光紫外光 可見光可見光 紅外光紅外光微波微波無線電波無線電波/nm 0.01 10 400 760 5105 8105MHz 波長頻率短高長低l 人耳能聽見對方說話，是因為聲波在空氣中傳播人耳能聽見對方說話，是因為聲波在空氣中傳播l 人耳能聽到的聲波頻率范圍為人耳能聽到的聲波頻率范圍為20Hz20KHz。低于。低于20Hz的聲波叫次聲波，高于的聲波叫次聲波，高于20KHz的聲波稱為超聲波，人耳是無法分辨的的聲波稱為超聲波，人耳是無法分辨的l 特點：方向性好，穿透能力強，易獲得集中的聲能特點：方向性好，穿透能力強，易

11、獲得集中的聲能l 應(yīng)用：可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學、軍事、工應(yīng)用：可用于測距，測速，清洗，焊接，碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多應(yīng)用業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多應(yīng)用超聲波超聲波潛水艇潛水艇雷達雷達加濕器加濕器三維彩超三維彩超l 和普通的聲音一樣，超聲波能向一定方向傳播，而且可以穿透物體，如果碰到障礙，就會產(chǎn)和普通的聲音一樣，超聲波能向一定方向傳播，而且可以穿透物體，如果碰到障礙，就會產(chǎn)生回聲，不相同的障礙物就會產(chǎn)生不相同的回聲。人們通過儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕生回聲，不相同的障礙物就會產(chǎn)生不相同的回聲。人們通過儀器將這種回聲收集并顯示在屏幕上，可以用來了

12、解物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，可以用來了解物體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)l 連貫地、動態(tài)地觀察臟器的運動和功能連貫地、動態(tài)地觀察臟器的運動和功能l 追蹤病變、顯示立體變化，而不受成像分層的限制追蹤病變、顯示立體變化，而不受成像分層的限制超聲波超聲波B超超超聲檢測的缺點超聲檢測的缺點要求被檢查表面有一定的光潔度；要求被檢查表面有一定的光潔度；需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合；需有耦合劑充填滿探頭和被檢查表面之間的空隙，以保證充分的聲耦合；難以實現(xiàn)薄樣品的檢測。難以實現(xiàn)薄樣品的檢測。 有沒有一種檢測方式能夠?qū)崿F(xiàn)避免上述缺點，實有沒有一種檢測方式能夠?qū)崿F(xiàn)避免上述缺點，實現(xiàn)完全非接觸檢測？現(xiàn)完全非

13、接觸檢測？ 激光超聲檢測激光超聲檢測激光超聲激光超聲 利用激光脈沖照射樣品表面，激發(fā)出超聲波，并利用光學方法對超聲波進利用激光脈沖照射樣品表面，激發(fā)出超聲波，并利用光學方法對超聲波進行檢測，從而實現(xiàn)對樣品進行無損檢測的一種方法。行檢測，從而實現(xiàn)對樣品進行無損檢測的一種方法。超聲波超聲波表面運動表面運動頻率穩(wěn)定的激光頻率穩(wěn)定的激光相位調(diào)制相位調(diào)制幅值調(diào)制幅值調(diào)制光學干涉儀光學干涉儀將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉儀測量臂中的反射鏡，其原理如圖所示。將樣品表面直接作為邁克爾遜干涉儀測量臂中的反射鏡，其原理如圖所示。激光器發(fā)射的脈沖激光被分束鏡分成兩路，一路經(jīng)透鏡聚焦后入射到樣品表激光器發(fā)射的脈沖激光

14、被分束鏡分成兩路，一路經(jīng)透鏡聚焦后入射到樣品表面，反射光再經(jīng)分束鏡后進入探測器面，反射光再經(jīng)分束鏡后進入探測器;另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進入探測器，另一路經(jīng)反射鏡和分束鏡后也進入探測器，二者發(fā)生干涉。二者發(fā)生干涉。激光超聲的檢測激光超聲的檢測干涉光強與激光超聲引起的振動成正比干涉光強與激光超聲引起的振動成正比 激光超聲的測量裝置激光超聲的測量裝置 激光超聲測量裝置一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。激光超聲測量裝置一般由發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成。 發(fā)射系統(tǒng)主要由一臺高能脈沖激光器構(gòu)成，用來在被檢測物體上產(chǎn)生高熱量，從而發(fā)射系統(tǒng)主要由一臺高能脈沖激光器構(gòu)成，用來在被檢測物體上產(chǎn)生高熱量，從而產(chǎn)生超聲波

15、。由于超聲波是物體受熱激發(fā)的，并在物體表面和內(nèi)部進行傳播，所以超產(chǎn)生超聲波。由于超聲波是物體受熱激發(fā)的，并在物體表面和內(nèi)部進行傳播，所以超聲波攜帶有物體的厚度、缺陷、應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)等信息。聲波攜帶有物體的厚度、缺陷、應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)等信息。接收系統(tǒng)一般由檢測激光器、激光干涉儀、光電探測器組成接收系統(tǒng)一般由檢測激光器、激光干涉儀、光電探測器組成 當檢測激光照射到樣品表面時，超聲振動會對它的反射光進行調(diào)制，使超聲當檢測激光照射到樣品表面時，超聲振動會對它的反射光進行調(diào)制，使超聲振動信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?。干涉儀能夠測量細微的光程或光頻率變化，它把光信號振動信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑畔?。干涉儀能夠測量細微的光程或光頻率變化

16、，它把光信號攜帶的超聲振動信息解調(diào)出來。攜帶的超聲振動信息解調(diào)出來。 激光超聲的測量裝置激光超聲的測量裝置 l 完全非接觸完全非接觸,光與樣品之間無需耦合劑光與樣品之間無需耦合劑；l 能同時激發(fā)出縱波、橫波和表面波，在薄板中能夠激發(fā)能同時激發(fā)出縱波、橫波和表面波，在薄板中能夠激發(fā)LAMB波；波；l 可以在金屬、絕緣體、陶瓷、有機材料等非壓電體中直接激發(fā)超聲可以在金屬、絕緣體、陶瓷、有機材料等非壓電體中直接激發(fā)超聲，無需借助于壓電換能器；，無需借助于壓電換能器；l 屬于寬帶檢測技術(shù)，并能用光波波長為測量標準而精確測量超聲位屬于寬帶檢測技術(shù)，并能用光波波長為測量標準而精確測量超聲位移；移；l激光聲

17、源十分靈活，聲源的形狀、大小取決于光學元件、系統(tǒng)和調(diào)節(jié)激光聲源十分靈活，聲源的形狀、大小取決于光學元件、系統(tǒng)和調(diào)節(jié) ；l易于與光纖技術(shù)相結(jié)合，能夠很方便集成化；易于與光纖技術(shù)相結(jié)合，能夠很方便集成化；l 受表面狀況影響小，測量準確度和分辨力都很高。受表面狀況影響小，測量準確度和分辨力都很高。 激光超聲測量裝置特點激光超聲測量裝置特點 激光超聲應(yīng)用激光超聲應(yīng)用缺陷檢測缺陷檢測 l通過對檢測激光所攜帶的的超聲波信息進行分析，得到不同狀態(tài)下的檢測波峰通過對檢測激光所攜帶的的超聲波信息進行分析，得到不同狀態(tài)下的檢測波峰值及相位信息，經(jīng)過進一步的處理便可以得出不同狀態(tài)下的被檢測物體的內(nèi)部值及相位信息，經(jīng)

18、過進一步的處理便可以得出不同狀態(tài)下的被檢測物體的內(nèi)部缺陷等信息。缺陷等信息。l具體方法：缺陷共振法、反射系數(shù)法具體方法：缺陷共振法、反射系數(shù)法激光激發(fā)激光激發(fā)激光檢測激光檢測無損狀態(tài)無損狀態(tài)內(nèi)有夾層內(nèi)有夾層內(nèi)部空洞內(nèi)部空洞激光超聲應(yīng)用激光超聲應(yīng)用殘余應(yīng)力檢測殘余應(yīng)力檢測 殘余應(yīng)力對構(gòu)件的疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著很大的影響殘余應(yīng)力對構(gòu)件的疲勞強度、抗應(yīng)力腐蝕能力、尺寸穩(wěn)定性和使用壽命有著很大的影響殘余應(yīng)力常規(guī)測量殘余應(yīng)力常規(guī)測量 鉆孔法、切槽法等機械測試法鉆孔法、切槽法等機械測試法破壞大，滯后大破壞大，滯后大 X射線衍射法射線衍射法表面要求高表面要求高 磁性法磁性法可靠

19、性和精度差，標定困難，僅限鐵磁材料可靠性和精度差，標定困難，僅限鐵磁材料殘余應(yīng)力基本原理殘余應(yīng)力基本原理聲彈性波理論和實驗研究結(jié)果表明，超聲波在各向同性彈性體內(nèi)的橫波和縱聲彈性波理論和實驗研究結(jié)果表明，超聲波在各向同性彈性體內(nèi)的橫波和縱波的傳播速度與應(yīng)力大小有關(guān)。波的傳播速度與應(yīng)力大小有關(guān)。 激光超聲應(yīng)用激光超聲應(yīng)用彈性模量檢測彈性模量檢測材料的彈性常數(shù)是表征其力學性質(zhì)的基本參數(shù)材料的彈性常數(shù)是表征其力學性質(zhì)的基本參數(shù)機械測試方法：材料彈性常數(shù)較困難且破壞性機械測試方法：材料彈性常數(shù)較困難且破壞性激光超聲檢測彈性模量激光超聲檢測彈性模量 固體物理理論推導(dǎo)出的依據(jù)表征聲波的相速度與材料彈性常數(shù)、

20、密度之間關(guān)系的克固體物理理論推導(dǎo)出的依據(jù)表征聲波的相速度與材料彈性常數(shù)、密度之間關(guān)系的克里斯托費爾里斯托費爾(Christoffel)方程式方程式媒介密度媒介密度縱波速度縱波速度橫波速度橫波速度l 快速超聲掃描成像快速超聲掃描成像 由于超聲波的產(chǎn)生與接收均不需要耦合劑，而且激光的掃描速度也比機械式由于超聲波的產(chǎn)生與接收均不需要耦合劑，而且激光的掃描速度也比機械式快。因此，利用激光超聲系統(tǒng)很容易實現(xiàn)快速超聲掃描成像?？?。因此，利用激光超聲系統(tǒng)很容易實現(xiàn)快速超聲掃描成像。 如，英國的、如，英國的、Q.Shan等利用波長為等利用波長為1.06m的的Q開關(guān)開關(guān)Nd:YAG激光器作為激激光器作為激光光源

21、（功率光光源（功率2MW、脈寬、脈寬20ns）在樣品表面產(chǎn)生超聲波，用共焦的法布里）在樣品表面產(chǎn)生超聲波，用共焦的法布里-珀羅標準珀羅標準具接收，對鋁板中的人工缺陷進行了檢測，得到了令人滿意的缺陷圖象。具接收，對鋁板中的人工缺陷進行了檢測，得到了令人滿意的缺陷圖象。激光超聲應(yīng)用激光超聲應(yīng)用在線檢測板帶內(nèi)部缺陷和力學性能在線檢測板帶內(nèi)部缺陷和力學性能在線檢測熱軋和冷軋板帶的關(guān)鍵在線檢測熱軋和冷軋板帶的關(guān)鍵缺陷檢測：內(nèi)部裂紋、夾渣、皮下氣泡和結(jié)疤等。缺陷檢測：內(nèi)部裂紋、夾渣、皮下氣泡和結(jié)疤等。 性能檢測：彈性常數(shù)、殘余應(yīng)力等。性能檢測：彈性常數(shù)、殘余應(yīng)力等。 重點研究：高溫、振動復(fù)雜環(huán)境下特征提取

22、、連續(xù)實時檢測多點數(shù)據(jù)融合、設(shè)備重點研究：高溫、振動復(fù)雜環(huán)境下特征提取、連續(xù)實時檢測多點數(shù)據(jù)融合、設(shè)備防護等。防護等。目標精度：在線檢測板帶內(nèi)部缺陷的精度達到目標精度：在線檢測板帶內(nèi)部缺陷的精度達到100m級級內(nèi)在質(zhì)量測控內(nèi)在質(zhì)量測控3）激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在線測量鋅層厚度）激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)在線測量鋅層厚度接受接受接受接受發(fā)射發(fā)射激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)-LIBSl激光誘導(dǎo)擊穿光譜激光誘導(dǎo)擊穿光譜 Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBSl 基本原理基本原理 激光束經(jīng)透鏡聚焦到被測樣品上激光束經(jīng)透鏡聚焦到被測樣品上 當脈沖激光的能

23、量密度大于擊穿門檻能量時，就會在局部產(chǎn)生等離子體當脈沖激光的能量密度大于擊穿門檻能量時，就會在局部產(chǎn)生等離子體光譜儀直接接收樣品表面等離子體產(chǎn)生的發(fā)射譜線信號，可根據(jù)發(fā)射光譜強度進行定量分析光譜儀直接接收樣品表面等離子體產(chǎn)生的發(fā)射譜線信號，可根據(jù)發(fā)射光譜強度進行定量分析l檢測不同的固體、液體、氣體中化學元素組成的儀器檢測不同的固體、液體、氣體中化學元素組成的儀器等離子體等離子體激光器激光器光導(dǎo)纖維光導(dǎo)纖維樣樣品品光譜儀光譜儀410415420425430435440 波長波長(nm)(nm)發(fā)射強度發(fā)射強度樣品表面樣品表面等離子體等離子體LIBS的硬件組成的硬件組成激光器激光器光譜儀光譜儀光導(dǎo)

24、纖維光導(dǎo)纖維樣品室樣品室電源電源LIBS的軟件：譜線分析的軟件：譜線分析l 譜線位置譜線位置:鑒別元素鑒別元素l 譜線強度譜線強度:元素含量元素含量LIBS的特點的特點l無須樣品制備，分析簡便、快速無須樣品制備，分析簡便、快速l可進行原位微區(qū)分析可進行原位微區(qū)分析l利用光導(dǎo)纖維實現(xiàn)高溫利用光導(dǎo)纖維實現(xiàn)高溫/惡劣環(huán)境下的遠程多元素同步分析惡劣環(huán)境下的遠程多元素同步分析l對樣品尺寸、形狀及物理性質(zhì)要求不嚴格對樣品尺寸、形狀及物理性質(zhì)要求不嚴格固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)導(dǎo)體、非導(dǎo)體材料、難熔材料導(dǎo)體、非導(dǎo)體材料、難熔材料不規(guī)則樣品不規(guī)則樣品LIBS應(yīng)用應(yīng)用 美國為火星表面探測專門研制開發(fā)了便攜

25、式美國為火星表面探測專門研制開發(fā)了便攜式LIBS系統(tǒng)，近幾次火星探測任務(wù)中用系統(tǒng)，近幾次火星探測任務(wù)中用LIBS代代替了替了X射線熒光測試系統(tǒng)。這是因為火星表射線熒光測試系統(tǒng)。這是因為火星表面的塵埃阻礙了面的塵埃阻礙了X射線熒光系統(tǒng)的工作，而射線熒光系統(tǒng)的工作，而LIBS則不受這方面因素的影響。則不受這方面因素的影響。 美國在美國在“911事件事件”后曾一度陷炭疽熱病的后曾一度陷炭疽熱病的恐慌中。利用便攜式恐慌中。利用便攜式LIBS系統(tǒng)可以實時檢測傳系統(tǒng)可以實時檢測傳染病毒元素的存在。染病毒元素的存在。LIBS應(yīng)用應(yīng)用 通過對印章成分的定性和半定通過對印章成分的定性和半定量分析，可鑒定古代的油

26、畫和壁量分析，可鑒定古代的油畫和壁畫、插畫的真?zhèn)萎?、插畫的真?zhèn)?人工做出的古玩表面的銹跡與因年代人工做出的古玩表面的銹跡與因年代久遠而產(chǎn)生銹跡的化合價是不同的久遠而產(chǎn)生銹跡的化合價是不同的;贗贗品的配料、成分等與正品也不一樣品的配料、成分等與正品也不一樣,LIBS通過對其中成分檢測來辨別真通過對其中成分檢測來辨別真?zhèn)?。偽。LIBS應(yīng)用應(yīng)用轉(zhuǎn)爐爐前轉(zhuǎn)爐爐前l(fā)轉(zhuǎn)爐爐前在線分析常用的轉(zhuǎn)爐爐前在線分析常用的X熒光光譜儀，分析流程如下：熒光光譜儀，分析流程如下：樣樣品品制制備備耗耗時時l 鋼液取樣，樣品凝固，升降臺送樣，樣品預(yù)處理后用鋼液取樣，樣品凝固，升降臺送樣，樣品預(yù)處理后用X熒光光譜儀熒光光譜儀對

27、爐前樣品進行分對爐前樣品進行分析。析。l X熒光光譜儀熒光光譜儀自身分析時間雖短（自身分析時間雖短（12min），但樣品制備時遠遠大于儀器分析時間，），但樣品制備時遠遠大于儀器分析時間，通常手工制樣最快也需要通常手工制樣最快也需要5-8min。LIBS應(yīng)用應(yīng)用轉(zhuǎn)爐爐前轉(zhuǎn)爐爐前應(yīng)用優(yōu)點：應(yīng)用優(yōu)點：l 不需要制備樣品；不需要制備樣品；l分析速度快（分析速度快（1min或更少）；或更少）；l 取樣距離遠；取樣距離遠；l靈敏度高；靈敏度高；l與光纖技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)鋼水實時與光纖技術(shù)的結(jié)合，可以實現(xiàn)鋼水實時在線分析和動態(tài)控制冶金生產(chǎn)工藝；在線分析和動態(tài)控制冶金生產(chǎn)工藝；l及時調(diào)整熔體成分成為可能，降

28、低及時調(diào)整熔體成分成為可能，降低了冶煉成本，提高生產(chǎn)效率。了冶煉成本，提高生產(chǎn)效率。1 激光器激光器 2 聚焦鏡聚焦鏡 3 計算機計算機 4 反射鏡反射鏡 5 聚焦聚焦鏡鏡 6 感應(yīng)爐感應(yīng)爐 7 坩鍋坩鍋應(yīng)用示意圖應(yīng)用示意圖LIBS應(yīng)用應(yīng)用爐氣成分檢測爐氣成分檢測 LIBS分析原理：分析原理： 激光與氣體或氣溶膠相互作用產(chǎn)生激光與氣體或氣溶膠相互作用產(chǎn)生介電擊穿形成等離子體，系統(tǒng)一般介電擊穿形成等離子體，系統(tǒng)一般配置一個過濾片，氣體通過時，超配置一個過濾片，氣體通過時，超細微粒沉積在過濾片上，然后用激細微粒沉積在過濾片上，然后用激光脈沖直接照射微粒產(chǎn)生等離子體光脈沖直接照射微粒產(chǎn)生等離子體，進

29、行氣體成分分析。，進行氣體成分分析。氣體庫氣體庫激光激光發(fā)生器爐氣窗口平臺物艙爐頂l鋼鐵冶煉中排放的氣體，可以反映鋼鐵冶煉中排放的氣體，可以反映傳熱傳質(zhì)過程、傳熱傳質(zhì)過程、爐內(nèi)的物理化學反應(yīng)進爐內(nèi)的物理化學反應(yīng)進行的程度和狀態(tài)。行的程度和狀態(tài)。鍍鋅層厚度檢測鍍鋅層厚度檢測 傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法X射線熒光測量法：射線熒光測量法：因為不同元素所產(chǎn)生的熒光強度不同因為不同元素所產(chǎn)生的熒光強度不同, 就能測出就能測出鍍鋅層的厚度鍍鋅層的厚度 射線鍍層測厚法：射線鍍層測厚法：射線穿透物體的衰減規(guī)律射線穿透物體的衰減規(guī)律-透過物體射線透過物體射線的強度是物體單位面積質(zhì)量的函數(shù)，因此利用的強度是物體單位面積質(zhì)量

30、的函數(shù)，因此利用射線的吸收性，可測量物射線的吸收性，可測量物體的厚度體的厚度 l由于激光可以以一種可控的方式來清除表面膜層，因此，膜層結(jié)構(gòu)的深度輪廓也由于激光可以以一種可控的方式來清除表面膜層，因此，膜層結(jié)構(gòu)的深度輪廓也可以用可以用LIBS來分析。來分析。l在激光不斷在激光不斷“深入深入”到膜層內(nèi)部的過程中，測量的光譜將反映膜層的元素信到膜層內(nèi)部的過程中，測量的光譜將反映膜層的元素信息。息。鍍鋅層厚度檢測鍍鋅層厚度檢測 傳統(tǒng)方法傳統(tǒng)方法存在的問題：存在的問題：X射線和射線和射線法是無接觸無損測量，但裝置復(fù)雜昂貴，測射線法是無接觸無損測量，但裝置復(fù)雜昂貴，測量范圍較小。因有放射源，使用者必須遵守射線防護規(guī)范。量范圍較小。因有放射源，使用者必須遵守射線防護規(guī)范。鍍鋅層厚度檢測鍍鋅層厚度檢測 LIBS光譜儀光譜儀激光器激光器激光器控制激光器控制光纖光纖能量控制器能量控制器成像透鏡成像透鏡分色鏡分色鏡聚焦透鏡聚焦透鏡等離子體等離子體鍍鋅層鍍鋅層帶鋼帶鋼鋅層測厚原理示意圖鋅層測厚原理示意圖l 不同的鋅層厚度，激光等離子體中鐵元素含量與鋅元素含量的比例分布不同不同的