一种等离子体高度调整装置及方法与流程

本发明属于原子发射光谱仪领域，尤其涉及一种等离子体高度调整装置及方法。

背景技术：

侧视观测模式：等离子体炬管的中心轴与检测系统的光轴成直角的观测模式；

端视观测模式：等离子体炬管的中心轴与检测系统的光轴重合或平行的观测模式；

等离子体气体：用于形成和维持等离子体的主要气氛，如ar等；

等离子体炬管：用于形成和维持等离子体的器件，如微波等离子体炬(mpt)，电感耦合等离子体炬(icp)，表面波器件(surfatron)等。

在等离子体原子发射光谱仪中，待测样品通常以气态形式被载气引入等离子体中，并在等离子体中先后经过蒸发、去溶、原子化、电离、激发、发射等过程。由于元素特性的差异，对不同元素而言，其在等离子体中发生上述过程的难易程度不同，因此，在采用侧视观测模式对元素特征谱线强度进行检测时，等离子体存在最佳观测区域。

针对上述需求，现有的解决方案包括三种方式：

1)采用端视观测模式对等离子体进行检测，即光学系统的光轴与等离子体炬的轴线重合或平行，由于待测样品或待测元素的激发过程也是沿等离子体炬的轴线，因此消除了观测区域对检测的影响；

2)采用侧视观测模式，同时通过机械结构调节等离子体炬管的相对位置；

3)采用侧视观测模式，同时通过机械结构调节光学检测系统的探头的相对位置。

现有技术的缺点：

方案1)：使用端视方式时，由于某些元素的特征发射谱线在经过等离子体尾焰容易发生自吸等现象从而影响定量分析，且等离子体尾焰温度过高容易对光学检测系统性能造成影响，因此通常需要采用去尾焰的方式，如冷锥和吹风式去尾焰等，结构较为复杂；其次，端视观测模式下元素的线性范围相比侧视观测模式要小；

方案2)与方案3)：

需要调节等离子体炬管或者光学检测系统的探头(光纤探头或者光筒等)位置，从而使得探测器能够捕获到元素在等离子体中的最佳观测位置，实现后续的定性和定量分析；

现有光谱仪的升降操作系统一般采用机械式，即采用人工或自动化设施将整个微波等离子体炬或者光学探测器的探头(光纤或者光筒等)上下移动，它的缺陷有下面几点：a、需要提供额外的机械安装和移动空间，不利于结构的小型化；b、机械式移动会带来磨损等影响实验准确性和重现性等因素；c、机械式移动也会造成安全隐患；d、机械式移动会降低光谱仪的检测效率；e、机械设计复杂，其所需要的活动空间给微波辐射带来了隐患。

技术实现要素：

为了解决现有技术存在的上述技术问题，本发明提出了一种等离子体高度调整装置及方法。

本发明所采用的技术方案是：

一种等离子体高度调整装置，包括mpt模块、光纤探头、光学系统、摄像头、检测终端、控制板和排气模块，所述mpt模块为等离子体炬管；所述排气模块用于对所述等离子体炬管的腔室进行排气；所述光纤探头用于获取等离子体产生的光信号；所述光学系统与所述光纤探头连接，用于根据所述光纤探头传来的光信号生成光谱图；所述摄像头用于拍摄等离子体图像；所述检测终端用于通过所述控制板来控制所述排气模块的排气速度，根据所述光学系统生成的光谱图计算得到该光谱图的信背比以及对所述摄像头拍摄的等离子体图像进行识别，以获得等离子体高度。

较佳的，所述光纤探头和所述摄像头均采用侧视观测模式。

较佳的，所述光纤探头和所述摄像头位于同一水平位置。

较佳的，所述排气模块包括通道、排气阀和排气风扇，所述排气阀和所述排气风扇均设置在所述通道内，所述控制板通过控制所述排气风扇的转速来控制排气速度的快慢，所述排气阀用于使所述腔室内的排气速度在所述排气风扇的转速改变时渐变并趋于稳定状态。

较佳的，所述检测终端为pc端、智能手机、平板和嵌入式系统中的任一种。

一种等离子体高度调整方法，采用上述的一种等离子体高度调整装置，其包括以下步骤：

步骤a，检测终端向控制板发出控制指令，控制板控制排气模块的排气速度逐级改变，从而改变腔室内的等离子体气体浓度，以调整等离子体高度；

步骤b，在不同等离子体气体浓度时，光纤探头获取光信号，将光信号传入光学系统后生成光谱图，将光谱图载入检测终端经过计算获得此光谱图的信背比，同时，摄像头拍摄腔室内的等离子体图像，检测终端采用图像识别算法对等离子体图像进行识别，以获得等离子体高度；

步骤c，检测终端判断最佳测量范围，即最大信背比，并记录此时的信背比、排气模块的排气速度和等离子体高度；

步骤d，重复步骤a-c获得不同元素在最佳测量范围时的信背比、排气模块的排气速度和等离子体高度；

步骤e，逐级调节排气模块的排气速度，并且同时检测终端根据识别摄像头拍摄的等离子体图像来获得等离子体高度或根据经光纤探头和光学系统获得的光谱图计算得到光谱图的信背比，直至达到该元素在最佳测量范围时的等离子体高度或最大信背比为止。

与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：

本发明通过排气模块来调节腔室内的排气速度，以调节腔室内气体(比如氩气)的浓度，从而调节等离子体高度，使得该装置具有安全可靠、高精度和高自动化的优点；

本发明提供的等离子体高度调整装置结构简单紧凑，炬管与光学系统相对位置固定，无需额外的机械运动部件，可避免机械损耗，实现高精度、高效率，提高了安全系数，减少了微波辐射；

本发明采用封闭式的腔室，减少了了环境中空气被卷入等离子体中产生干扰；

本发明的光学系统、摄像头和排气模块由检测终端统一控制，以实现高度自动化。

当然，实施本发明的任一产品并不一定需要满足上述的所有优点。

附图说明

图1为本发明的一种等离子体高度调整装置的结构示意图；

图2为本发明的调整等离子体高度至最佳观测区间的过程示意图，其中图2(a)为等离子体的标准分析区(q区域)不在最佳观测区间的示意图；图2(b)为等离子体的标准分析区(q区域)位于最佳观测区间的示意图；

图3为本发明的一种等离子体高度调整装置的主流程图；

图4为本发明的一种等离子体高度调整装置的等离子体气体浓度调节流程图；

图5为本发明的一种等离子体高度调整装置的采集分光信背比流程图；

图6为本发明的信背比计算原理图；

图7为本发明的一种等离子体高度调整装置的运行流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的各实施方式进行详细的阐述。

如图1所示，一种等离子体高度调整装置，包括mpt模块(虚线框部分)、光纤探头、光学系统、摄像头、检测终端、控制板和排气模块，所述mpt模块为等离子体炬管；所述排气模块用于对所述等离子体炬管的腔室进行排气；所述光纤探头用于获取等离子体产生的光信号；所述光学系统与所述光纤探头连接，用于根据所述光纤探头传来的光信号生成光谱图；所述摄像头用于拍摄等离子体图像；所述检测终端用于通过所述控制板来控制所述排气模块的排气速度，根据所述光学系统生成的光谱图计算得到该光谱图的信背比以及对所述摄像头拍摄的等离子体图像进行识别，以获得等离子体高度。该设计中，等离子体炬管的腔室内的进气速度稳定不变，通过检测终端传输信号给控制板，控制板再传输信号给排气模块，排气模块调节腔室内的气压来改变腔室内不同的等离子体气体浓度，从而间接控制等离子体高度，待等离子体高度稳定后就可以进行检测。

如图2所示，图中参考线s1和s2之间为等离子体的最佳观测区间，q区域为等离子体的标准分析区，即摄像头实际取像点区域，其反映的是等离子体高度。图2(a)中，等离子体的标准分析区不在最佳观测区间；图2(b)中，等离子体的标准分析区位于最佳观测区间。

本发明的工作原理在于：通过排气模块来改变腔室内的排气速度，从而改变等离子体炬腔室内的等离子体气体浓度，而等离子体气体浓度的变化又会直接影响等离子体高度；当维持气(比如氩气)浓度趋于稳定时，等离子体高度也会稳定下来。

作为本发明的一个实施例，光纤探头和摄像头均采用侧视观测模式，以避免现有技术中端视观测模式存在的缺陷，并且由于其是通过排气模块控制腔室内的气压，从而间接控制等离子体高度，使其位于最佳观测区间，从而也避免了现有技术中的侧视观测模式存在的缺陷。

作为本发明的一个实施例，光纤探头和摄像头位于同一水平位置，因此能够从摄像头捕获的等离子体图像中判断当前光学探头的观测信息，随着等离子体高度的改变，当采集信号达到信背比强度最大值时，光纤信号采集点与摄像头的实际取像点位于等离子体的最佳观测区间。

作为本发明的一个实施例，排气模块包括通道、排气阀和排气风扇，排气阀和排气风扇均设置在通道内，控制板通过控制排气风扇的转速来控制排气速度的快慢，排气阀用于使腔室内的排气速度在排气风扇的转速改变时渐变并趋于稳定。该设计中，排气风扇可以设置多个挡位值，不同的挡位值对应不同的排气模块的排气速度。排气阀可以是均布大小一致的通孔的挡板，挡板与通道密封，目的是使排气风扇的转速改变时排气速度渐变并趋于稳定状态。

作为本发明的一个实施例，检测终端可以是pc端、智能手机、平板和嵌入式系统中的任一种。

参考图3至图7，本发明的一种等离子体高度调整装置的工作过程如下：

步骤a，检测终端向控制板发出控制指令，控制板控制排气模块的排气速度逐级改变，从而改变腔室内的等离子体气体浓度，以调整等离子体高度；

步骤b，在不同等离子体气体浓度时，光纤探头获取光信号，将光信号传入光学系统后生成光谱图，将光谱图载入检测终端经过计算获得此光谱图的信背比，同时，摄像头拍摄腔室内的等离子体图像，检测终端采用图像识别算法对等离子体图像进行识别，以获得等离子体高度；

步骤c，检测终端判断最佳测量范围，即最大信背比，并记录此时的信背比、排气模块的排气速度和等离子体高度；

步骤d，重复步骤a-c获得不同元素在最佳测量范围时的信背比、排气模块的排气速度和等离子体高度；

步骤e，逐级调节排气模块的排气速度，并且同时检测终端根据识别摄像头拍摄的等离子体图像来获得等离子体高度或根据经光纤探头和光学系统获得的光谱图计算得到光谱图的信背比，直至达到该元素在最佳测量范围时的等离子体高度或最大信背比为止。

对上述工作过程进行展开说明：

图3为主流程图：mpt点火开始后，逐渐升高等离子体腔体内等离子体气体的浓度，分别采集不同等离子体气体浓度下的分光信息并计算和记录信背比，再由程序判断出信背比最大的一组数据。

图4为主流程中等离子体腔体的等离子体气体浓度调节的具体流程：通过pc端发射调节信号，经控制板后输入排气模块，实现排气模块的排气速度逐级提高。

图5为主流程图中采集分光信背比具体流程：首先通过光纤探头获取光信号，将光信号出入光学系统后可生成光谱图，将光谱图载入pc端计算获得此光谱图的信背比，并记录下此数值对比的排气风扇的挡位值。

信背比的计算：如图6所示，l1为空白样品的图像，l2为实际样品的图像，i为实际样品的信号峰位λ0处的强度，b0为空白样品的信号峰位处的强度，信背比的定义为：

但实际实验中把每个样品的每个设定值都测试两次(空白样品测试与实际样品测试)是极其繁琐的。由实验可得信号强度的左峰b1(选取方法：在峰位左侧且远离峰位处选择一块任意区域取其平均强度值，左峰对应的波长为λ1)和右峰b2(选取方法：在峰位右侧且远离峰位处选择一块任意区域取其平均强度值，右峰对应的波长为λ2)，采用三种方法能够得到信背比的估值，简化测试。

方法一：使用左峰b1作为背景信号强度

方法二：使用右峰b2作为背景信号强度

方法三：差值方程求解值作为背景信号强度

测得同一种元素在不同等离子体气体浓度下的信背比，选取其中的最大值，将该最大值时的排气模块的排气速度和此时的信背比作为数据库。

根据图3至图7的实施，生成不同元素在最佳测量范围时的信背比(sbr)、排气模块的排气速度和等离子体高度h的数据库。

在已生成不同元素在最佳测量范围时的信背比、排气模块的排气速度和等离子体高度h的数据库的情况下，通过逐级调节排气模块的排气速度，改变腔室内等离子气体浓度，调整等离子体高度，观察当采集信号达到信背比强度最大值时，光纤探头信号采集点的观测中心也会位于该种元素对于等离子体的最佳观测范围。

另一实现方法，由于温度等其他条件的影响，直接调整排气模块的排气速度至记录值不一定能够得到高度为h的等离子体高度，因此装置运行流程如图7所示，调节排气模块的排气速度至最低档，通过摄像头获取等离子体图像后显示在pc端，经pc端图像识别算法计算此时等离子体高度h1，将等离子体高度h1与数据库中记录值h作比较，若误差绝对值大于0.05mm，传递信号值给控制板，将排气模块的排气速度的档位提高一级，继续进行上述步骤直至计算结果与数据库中记录值误差绝对值小于0.05mm。

本发明的等离子体高度调整装置能够代替传统的使用机械式移动来获取最佳观测区间的方法，通过控制腔室内的排气速度来改变等离子体高度，不同元素的等离子体的标准分析区均位于等离子的最佳观测区间，以提高所检测的光谱的准确性和提高mpt光谱仪的安全性和可靠性，同时通过摄像头可进行实时监控与自动化调试，提高了装置的检测效率。本发明同样也适用于icp、surfatron等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。