基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置及方法

本发明涉及激光检测，尤其涉及基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置及方法。

背景技术：

1、目前，激光诱导击穿光谱(laser-induced breakdown spectroscopy,libs)技术作为一种新的、快速的、便利的物质成分分析技术，在越来越多的工业领域中被证明具有巨大的应用潜力。由于该技术是通过采集样品受激光激发产生的等离子体光谱，对采集光谱进行分析来判别物质成分和含量，因此易受环境等外界因素的干扰。当直接将从样品上测得的特征谱线的光谱强度作为分析变量时，建立的谱线强度-元素含量浓度定标曲线模型的分析准确度有时并不理想，因此实际应用时需要对采集的光谱强度进行校正，优化libs分析精度。

2、激光激发烧蚀等离子体的形成伴随着冲击波的产生。冲击波沿着物体的表面和内部传播，引起变形，进而发散出可记录的声波信号。激发的声波信号受待测样品的物理化学特性的影响而变化，libs激发等离子体的声学信号强度被认为可作为待测样品的补充特征信息，可用于分类和识别。然而，由样品内部特征导致的回声波和反射波与被检测样品周围环境的相互作用，以及采集装置对声波信号的检测灵敏度好坏等会稀释采集声波信号中包含的与待测样品相关的特征信息，导致声波采集结果不够准确。现有方法一种是采用消音材料制成的特制消声室来避免环境噪音干扰，一种是通过高精度仪器和复杂的声学处理算法滤除噪声，但这两种方法都极大增加了检测复杂度和成本。

3、因此，开发一种便捷的、检测精度高、使用成本低的libs检测方案十分必要。

技术实现思路

1、本发明提供基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置及方法，以解决现有的libs检测方案成本高、检测过程及数据处理过程复杂、检测精度不理想的问题。

2、本发明通过下述技术方案实现：

3、本发明的第一方面，提供了基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，包括：

4、激光源，用于产生脉冲激光；

5、光路传导组件，用于将所述脉冲激光引导至待测样品的表面，以及将经所述待测样品反射的激光引导至光谱仪；

6、所述光谱仪，用于接收所述待测样品反射的激光，得到光谱信号；

7、石英晶振，用于接收所述待测样品由于脉冲激光冲击而激发的等离子体冲击波，得到声波信号；

8、所述光谱信号和所述声波信号用于生成检测信号，以基于所述检测信号对所述待测样品进行检测。

9、本发明的libs检测方案采用石英晶振作为声波采集装置，利用石英晶振的共振频率与其所受外力成比例的特性，可将声波导致的微小压力变化直接转化为频率信号，相比传统的麦克风采集，石英晶振采集的声波信号仅包含其在共振频率的较小范围内的窄带信号，从采集的源头上避免了环境噪声的干扰，因此无需在特别消音处理的环境中进行，且该直接采集的声波信号本身具有较高精度，因此后续无需过多的信号处理步骤，即可应用于对采集光谱的修正，实现便捷、高精度的libs检查。此外，本发明方案仅需在传统libs检测装置的基础上增加石英晶振的声波采集电路，装置的使用成本降低。

10、在一些实施方式中，还包括上位机，所述上位机用于基于所述光谱信号和所述声波信号生成检测信号。

11、在一些实施方式中，所述基于所述光谱信号和所述声波信号生成检测信号的方法包括：

12、基于所述光谱信号生成光谱强度；

13、基于所述声波信号校正所述光谱强度，得到检测信号。

14、在一些实施方式中，所述装置还包括前置放大器和锁相放大器；

15、所述前置放大器连接在所述石英晶振的信号输出端，用于对所述声波信号进行前置放大处理，得到放大信号；

16、所述锁相放大器连接在所述前置放大器的信号输出端，用于对所述放大信号进行锁相处理，以基于所述光谱信号和经锁相处理后的所述声波信号生成检测信号。

17、在一些实施方式中，所述激光源为单脉冲激光器或双脉冲激光器。

18、在一些实施方式中，所述石英晶振为音叉型石英晶振。

19、在一些实施方式中，还包括为所述装置供电的电源模块。

20、本发明的第二方面，提供了基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测方法，包括：

21、获取由待测样品产生的反射激光的光谱信号和声波信号，所述光谱信号和声波信号通过本发明第一方面任意一项所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置采集得到；

22、从所述声波信号中提取声波特征，从所述光谱信号中提取光谱特征；

23、拼接所述声波特征和所述光谱特征，得到融合特征；

24、通过训练好的svm分类模型处理所述融合特征，得到样品分类结果。

25、本发明的第三方面，提供了一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现本发明第二方面所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测方法。

26、本发明的第四方面，提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现本发明第二方面所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测方法。

27、本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

28、通过石英晶振采集得到高精度的声波信号，从采集源头避免噪声干扰，为libs光谱提供准确的校正信号。

29、石英晶振价格低廉，在传统的激光诱导击穿光谱检测装置引入主要基于石英晶振的声波采集装置，降低了使用成本，且由于从采集源头避免噪声干扰问题，无需对检测场地进行特殊消声处理，节约了消音室的成本并使得检测更加便捷。

30、通过前置放大器和锁相放大器的初步处理，获得高质量的声波采集信号，减轻了后端数据处理的负担，可以更高效的进行检测。

31、由于声波采集质量高，无需对采集信号进行复杂的降噪处理。

技术特征：

1.基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，还包括上位机，所述上位机用于基于所述光谱信号和所述声波信号生成检测信号。

3.根据权利要求2所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述基于所述光谱信号和所述声波信号生成检测信号的方法包括：

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述装置还包括前置放大器和锁相放大器；

5.根据权利要求1-3任意一项所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述激光源为单脉冲激光器或双脉冲激光器。

6.根据权利要求1-3任意一项所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，所述石英晶振为音叉型石英晶振。

7.根据权利要求1-3任意一项所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置，其特征在于，还包括为所述装置供电的电源模块。

8.基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测方法，其特征在于，包括：

9.一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求8所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求8所述的基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测方法。

技术总结本发明公开了基于声波信号辅助的激光诱导击穿光谱检测装置及方法，涉及激光检测技术领域。本发明采用石英晶振作为声波采集装置，通过石英晶振采集的声波信号仅包含其在共振频率的较小范围内的窄带信号，从采集的源头上避免了环境噪声的干扰，该直接采集的声波信号本身具有较高精度，且降低了检测装置的使用成本。技术研发人员：李彪,陈光辉,郑培超,王金梅,杨志,孙志诚受保护的技术使用者：重庆邮电大学技术研发日：技术公布日：2024/11/18