CN109856071A - 一种光谱在线诊断方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光谱在线诊断方法及装置，旨在解决现有激发光谱在线测量***在高温状态下应用效果不佳的问题。该方法包括以下步骤：1)建立共轭反射面，将试样和探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；2)对试样进行加热，实现高温/高升温率条件；3)探测光入射至试样表面发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件，对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。本发明具有实时在线、测试精度高、抗污染、结构简单等特点。

Description

一种光谱在线诊断方法及装置

技术领域

本发明属于光学技术及应用领域，涉及一种光谱在线诊断方法及装置。

背景技术

材料光谱反射、散射特性分析是研究获取材料成分及其微观结构信息的主要手段。材料微观结构等的变化是其物理、化学性质改变的基础，研究材料损伤或改性过程中的光谱反射、散射特性变化，对损伤机理研究、制备工艺改进等具有重要意义。通常做法是进行离线光谱测试分析，如拉曼光谱、红外光谱、荧光光谱等，离线分析无法检测变温状态下的材料成分与微观结构。

现有光谱反射特性在线分析主要通过光纤光谱仪配合反射式光纤探头实现，即利用单色器对标准光源进行分光，不同波长单色光入射到试样，经试样反射后被反射式光纤探头接收，进入光谱仪进行信号检测处理等。受光纤芯径、数值孔径、试样与光纤探头之间距离等的限制，测量信号强度低、信噪比小，需通过提高光谱仪灵敏度、增大动态范围、增加光纤芯径等方式解决上述问题。此外，若待测试样发生烧蚀，可能会对光纤探头造成污染，进一步降低测量精度。现有激发光谱在线测量***，如激光共聚焦拉曼光谱仪，光学***距离待测试样近，即便部分装置中引入旋转半椭球反射面，其近焦点(物)位于反射面与远焦点(测试***)之间，这些均限制了其在高温状态下的应用。

发明内容

为了解决现有激发光谱在线测量***在高温状态下应用效果不佳的问题，本发明提出一种新的光谱在线诊断方法及装置。

本发明的基本原理是：利用非旋转半椭球反射面(不限于半椭球)共轭汇聚特性，即从一个焦点发出的光经内壁反射后汇聚到另一个焦点上，焦点远离反射面且与椭球截面等距；结合光纤光谱仪或激光拉曼光谱仪等实现材料光谱反射率或激光拉曼光谱等的在线测量，具有实时在线、测试精度高、抗污染、结构简单等特点。

本发明的技术解决方案为：

一种光谱在线诊断方法，包括以下步骤：

1)建立共轭反射面，将试样和探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；

2)对试样进行加热，实现高温/高升温率条件；

3)探测光入射至试样表面发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件，对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。

进一步的，步骤2)中，根据需要，将整个***置于真空中或充入不同气体，实现不同的气氛环境。

相应的，一种实现上述光谱在线诊断方法的装置，包括非旋转椭球共轭反射器件、探测组件、加热机构和探测光源；所述加热机构用于对试样加热，实现高温/高升温率条件；所述非旋转椭球共轭成像器件用于提供共轭反射面；试样和所述探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；所述探测光源位于共轭反射面的外部，在所述共轭反射面上开设有对应于探测光源的光窗，探测光透射该光窗至试样表面，发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件进行测量；其中，所述探测组件包括积分球和光谱信号探测器；所述焦点B即对应于积分球入口；光谱信号探测器用于对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。

进一步的，所述加热机构可以有多种形式，例如：

a、加热机构采用激光加热的方式，加热激光的光源位于共轭反射面的外部；在所述共轭反射面上还开设有对应于该光源的光窗；在光谱信号探测器前设置有滤光片，用于过滤加热激光，以消除对探测信号的影响；所述探测组件还包括激光信号探测器，用于激光反射率的同步在线测量。

这里需要说明的是：加热激光相对于探测光而言很强，若不过滤，光谱探测器信号会在加热波长出现饱和；然而，为保证光谱信号波长的完整性，需要单独对加热激光反射率进行同步在线测量。

b、加热机构为设置于试样背面的加热器(具体可以采用电炉、电阻式、感应加热等方式)。

进一步的，光谱信号探测器可采用分光光度计、单色仪或傅里叶变换红外光谱仪。

进一步的，探测光可以是单色光或拉曼激发光。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明利用非旋转半椭球(不限于半椭球)的共轭汇聚原理，实现光信号的空间转移，焦点远离反射面且与椭球截面等距，实现了高温/高温升率条件下的实时在线测量，同时提高了信噪比。

2、本发明利用非旋转半椭球(不限于半椭球)的共轭汇聚原理，探测组件等远离热源，无需做防护处理，结构简单。

3、本发明对于高温/高升温率的获取方式除激光正面加热外，可采用背面加热方式：如电炉、电阻式、感应加热等方式。

4、本发明测量温度范围宽，测试环境可调(如常态、真空、气流条件等)。

5、本发明原理可拓展应用至分光光度计、荧光光谱仪、拉曼光谱仪等仪器设备中。

附图说明

图1为本发明实施例一的原理示意图。

图2为本发明实施例二的原理示意图。

附图标号说明：

其中，1-试样，2-探测光，3-反射光或拉曼散射光，4-加热激光，5-共轭反射面，6-积分球，7-焦点A，8-焦点B，9-积分球挡片，10-滤光片，11-光谱信号探测器，12-加热器，13-激光信号探测器，14、15-光窗。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行说明，应当理解，此处所描述的过程仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例一

参见图1，将被测试的试样1与接收光信号的积分球6分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处。加热激光4经光窗15透射，对试样1进行加热，使试样达到高温/高升温率状态；同时，可将整个***置于真空中或充入不同气体，实现不同的气氛环境。在升温过程中，利用经过单色器分光后的单色光、或采用拉曼激发光作为探测光2，经光窗14入射至试样。探测光被试样表面反射或拉曼散射，反射光或拉曼散射光3经过共轭反射面5汇聚后入射至焦点B。在焦点B处，利用积分球6收集光束，积分球挡片起到阻止一次反射光或散射光直接进入探测器的作用。积分球两个探测口分别对光谱信号、激光信号进行探测；其中，光谱信号探测器11前需加装滤光片10用于滤除加热激光，消除加热激光对探测信号的影响；激光信号探测器13对激光信号直接测量。

光谱信号探测可使用如分光光度计、单色仪、傅里叶变换红外光谱仪等的信号检测***对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线；激光信号探测器用于激光反射率的同步在线测量。这样，即可实现物质表面反射光谱或散射光谱以及激光反射信号在空间上的转移(焦点A→焦点B)，实现高温/高温升率条件下材料光谱在线诊断。

实施例二

参见图2，实施例二与实施例一的原理和***结构基本相同，区别主要在于：不采用激光加热，而改为对试样背面加热的方式，即在试样背面设置加热器12，具体加热原理可以是电炉、电阻式、感应加热等方式。相应的，无需设置光窗15，也无需在光谱信号探测器前加装滤光片10。

Claims (7)

1.一种光谱在线诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)建立共轭反射面，将试样和探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；

2)对试样进行加热，实现高温/高升温率条件；

3)探测光入射至试样表面发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件，对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。

2.根据权利要求1所述的光谱在线诊断方法，其特征在于：步骤2)中，根据需要，将整个***置于真空中或充入不同气体，实现不同的气氛环境。

3.一种光谱在线诊断装置，其特征在于：包括非旋转椭球共轭反射器件、探测组件、加热机构和探测光源；

所述加热机构用于对试样加热，实现高温/高升温率条件；

所述非旋转椭球共轭成像器件用于提供共轭反射面；

试样和所述探测组件分别放置于共轭反射面的焦点A和焦点B处；

所述探测光源位于共轭反射面的外部，在所述共轭反射面上开设有对应于探测光源的光窗，探测光透射该光窗至试样表面，发生反射或拉曼散射，反射或拉曼散射光经所述共轭反射面反射汇聚后入射至焦点B，进入探测组件进行测量；其中，所述探测组件包括积分球和光谱信号探测器；所述焦点B即对应于积分球入口；光谱信号探测器用于对光谱信号进行接收检测，并计算给出变温过程中试样表面的反射或散射光谱曲线。

4.根据权利要求3所述的光谱在线诊断装置，其特征在于：所述加热机构采用激光加热的方式，加热激光的光源位于共轭反射面的外部；在所述共轭反射面上还开设有对应于该光源的光窗；在光谱信号探测器前设置有滤光片，用于过滤加热激光，以消除对探测信号的影响；所述探测组件还包括激光信号探测器，用于激光反射率的同步在线测量。

5.根据权利要求3所述的光谱在线诊断装置，其特征在于：所述加热机构为设置于试样背面的加热器。

6.根据权利要求3所述的光谱在线诊断装置，其特征在于：所述光谱信号探测器采用分光光度计、单色仪或傅里叶变换红外光谱仪。

7.根据权利要求3所述的光谱在线诊断装置，其特征在于：所述探测光是单色光或拉曼激发光。