光纤传能激光探针技术的定量分析研究

论文摘要

激光探针技术,也称激光诱导击穿光谱,因具有原位、实时、全元素分析等优势,已初步应用于环境保护、太空探索和生物医药等领域。然而,传统激光探针装置复杂、便携性差,无法满足复杂的工业现场检测要求。因此,装置简单、便携性好、能适应复杂检测环境的光纤传能激光探针技术近年来逐渐成为研究热点。然而,由于受光纤损伤阈值的限制,导致光纤传能激光探针的光谱强度相对较弱,加上自吸收效应的影响,其定量分析精度不高。因此,本文提出了多变量数据分析和空间分辨采集两种方法,有效地降低了自吸收效应,改善了光纤传能激光探针光谱定量分析的准确度和灵敏度。取得的成果和创新点如下:（1）针对单变量分析方法仅采用单条谱线信息、导致光纤传能激光探针光谱定量分析精度较低的问题,提出在光纤传能激光探针光谱中应用多光谱的多变量分析方法。本文对比研究了四种多变量分析方法（PLS、SPLS、SVM和LS-SVM）,其中SPLS在PLS模型的基础上内置了变量选择,能剔除光谱中的无关变量,改善定量分析的精度。在此基础上,针对SPLS和PLS模型无法拟合光谱中非线性关系的问题,进一步采用非线性模型SVM和LS-SVM对光谱进行拟合。其中LS-SVM训练过程简单,而SVM预测精度更高,因此,最终选用SVM模型对攀钢生铁样品中Mn、Cr、Ni和Ti元素进行检测分析,得到RMSEP分别为0.0982、0.0185、0.0179和0.0178 wt.%,ARE分别为17.17%、17.05%、24.53%和26.57%。（2）首次将空间分辨法用于光纤传能激光探针光谱中。通过观察铝合金样品中等离子体光谱在空间上分布的差异,发现光纤传能激光探针等离子体中心发光强度弱、边缘发光强度强的特性,并通过选择合适的光谱采集位置,优化了采集光谱的质量,有效克服了自吸收效应对光谱定量分析精度的影响。最终,铝合金样品中元素Fe,Mg和Zn的RMSECV分别从0.388,0.348,0.097 wt.%降至0.217,0.172,0.024 wt.%;元素的检出限分别为502.07,325.83,304.05 ug/g。综上所述,本文研究的多变量数据分析方法和空间分辨采集方法,能有效克服光谱强度弱、自吸收效应强等问题对光纤传能激光探针技术定量分析性能的影响,大幅提高了光纤传能激光探针的探测性能,为FO-LIBS的实际应用提供了全新的技术方法。

论文目录

摘要

ABSTRACT

1 绪论

1.1 引言

1.2 激光探针技术简介

1.3 光纤传能激光探针技术简介

1.4 课题的来源、目的及意义

1.5 本文的研究内容

2 光纤传能激光探针技术的实验装置与评价指标

2.1 引言

2.2 实验仪器

2.3 实验装置

2.4 激光诱导等离子体的特征

2.5 定量分析方法与评价指标

2.6 本章小结

3 光纤传能激光探针技术的多变量分析方法研究

3.1 引言

3.2 实验装置与样品

3.3 实验参数优化

3.4 多变量定量分析方法与结果

3.5 本章小结

4 光纤传能激光探针技术的空间分辨研究

4.1 引言

4.2 实验装置与样品

4.3 等离子体定性分析

4.4 空间分辨的定量分析

4.5 空间分辨法的原理解释

4.6 本章小结

5 总结和展望

5.1 总结

5.2 展望

致谢

参考文献

附录 :攻读硕士学位期间发表论文及专利目录

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 鲁婉婕

导师: 曾晓雁,郭连波

关键词: 激光诱导击穿光谱,光纤传能,空间分辨,自吸收效应,光谱数据分析

来源: 华中科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅰ辑,信息科技

专业: 物理学,化学,无线电电子学

单位: 华中科技大学

基金: 海外及港澳学者合作研究基金——“金属焊接与增材制造过程中成形质量在线监测技术基础研究”

分类号: O657.3;TN24

DOI: 10.27157/d.cnki.ghzku.2019.000756

总页数: 78

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