本发明涉及激光诱导击穿光谱技术，具体为一种自动对焦装置及采用该装置的块状物LIBS在线检测装置。一种自动对焦装置，包括透镜组、中心开孔的荧光反射镜、面阵CCD以及计算机；所述透镜组包括位于同一主光轴上的第一、第二透镜及第三透镜；其中第二透镜为凹透镜且位于第一、第三透镜之间；第一、第三透镜为凸透镜且位置固定；第二透镜设在一个驱动装置上并可沿主光轴在第一、第三透镜之间移动；所述荧光反射镜位于第一透镜不与第二透镜相邻的一侧；所述面阵CCD位于荧光反射镜的反射光路上。本发明无须测距装置，可根据传送带物料高度自动对焦。克服了采用普通变焦镜头可分析波段有限、不能分析紫外光谱，结构复杂、易受粉尘污染的缺点。
1.一种块状物LIBS在线检测装置，包括激光器（10）、光谱仪（11）、激光反射镜（9）、光纤（12）以及第四透镜（4）；其特征在于，还包括自动对焦装置；所述自动对焦装置包括透镜组、中心开孔的荧光反射镜（5）、面阵CCD（6）以及计算机（7）；所述透镜组包括位于同一主光轴上的第一、第二透镜（1、2）及第三透镜（3）；其中第二透镜（2）为凹透镜且位于第一、第三透镜（1、3）之间；第一、第三透镜（1、3）为凸透镜且位置固定；第二透镜（2）设在一个驱动装置（8）上并可沿主光轴在第一、第三透镜（1、3）之间移动；所述荧光反射镜（5）位于第一透镜（1）不与第二透镜（2）相邻的一侧；所述面阵CCD（6）位于荧光反射镜（5）的反射光路上；面阵CCD（6）的信号输出端与计算机（7）的信号输入端相连接；计算机（7）的信号输出端与驱动装置（8）的信号输入端相连接；所述驱动装置（8）包括步进电机（81）、安装在步进电机（81）输出端的丝杆（82）以及安装在丝杆（82）上的螺母（83）；螺母（83）上安装有与丝杆（82）相垂直的镜架（84）；镜架（84）上开有安装孔且安装有第二透镜（2）；还包括一对与丝杆（82）走向平行的滑杆（85）；所述镜架（84）滑动套在滑杆（85）上；计算机（7）的信号输出端与步进电机（81）的信号输入端相连接；
所述透镜组的主光轴呈竖直状态布置且第三透镜（3）位于最下方；所述激光反射镜（9）位于激光器（10）的出射光路上；所述荧光反射镜（5）以及透镜组顺次位于激光反射镜（9）的反射光路上；所述第四透镜（4）位于面阵CCD（6）之后；所述面阵CCD（6）通过一个微型电机驱动而转动以使荧光反射镜（5）的反射光入射至第四透镜（4）；所述光纤（12）的一端作为接收端接收第四透镜（4）汇聚的荧光；光纤（12）的另一端与光谱仪（11）的输入端相连接；激光器（10）的同步输出端与光谱仪（11）的控制端相连接；计算机（7）的信号输出端与激光器（10）的电压控制端口以及微型电机的控制端相连接；
待测物料经透镜组所成的像经荧光反射镜（5）反射后被面阵CCD（6）采集，计算机（7）在相应软件的支持下控制驱动装置（8）上下移动，同时对面阵CCD（6）采集到的光强信号进行分析，当面阵CCD（6）上各像素点光强度的标准差最小时，认为完成对焦，此时计算机（7）控制激光器（10）发射脉冲激光，同时控制微型电机带动面阵CCD（6）转动一定角度，激光器（10）发射的激光经由激光反射镜（9）、荧光反射镜（5）的中心孔以及透镜组汇聚到待测物料，待测物料受到激光激发产生等离子体荧光；等离子体荧光经过透镜组汇聚以及荧光反射镜（5）反射后被光纤（12）所接收并输送至光谱仪（11），光谱仪（11）对接收到的荧光信号进行分析并得到此刻待测物料的成分信息。
2.如权利要求1所述的块状物LIBS在线检测装置，其特征在于，所述第一、第三透镜（1、
3）焦距分别为100mm和500mm；第二透镜（2）焦距为-50mm；第一、第三透镜（1、3）间距为
3.如权利要求2所述的块状物LIBS在线检测装置，其特征在于，所述激光器（10）发射的脉冲激光波长为1064nm、光束半径为3mm；当第二透镜（2）到第三透镜（3）的距离从95mm到
100mm变化时，透镜组焦点位置到第三透镜（3）的距离变化范围为从207mm到498mm。
4.如权利要求1所述的块状物LIBS在线检测装置，其特征在于，还包括一个外壳（13）；
所述透镜组、驱动装置（8）、荧光反射镜（5）、第四透镜（4）、面阵CCD（6）及其微型电机、激光反射镜（9）均设在外壳（13）内；外壳（13）的底部设有出光口，第三透镜（3）固定在出光口处；
驱动装置（8）安装在外壳（13）的内侧壁上；第一透镜（1）、荧光反射镜（5）、激光反射镜（9）、微型电机均通过支架设在外壳（13）内部；外壳（13）的中部侧壁设有开口，光纤（12）的接收端安装在该开口处；外壳（13）的侧壁上部开有激光入口，所述激光器（10）的出射激光由该激光入口进入外壳（13）内。
5.如权利要求4所述的块状物LIBS在线检测装置，其特征在于，外壳（13）底部在靠近出光口的位置处安装有吹扫装置（14）。
6.如权利要求4所述的块状物LIBS在线检测装置，其特征在于，靠近外壳（13）顶部的侧壁上开有进气口（15），靠近外壳（13）底部的侧壁上开有出气口（16）；激光入口安装密封玻璃，出光口、光纤对应的开口处以及各线路进入外壳的位置处均采用密封连接。
自动对焦装置及采用该装置的块状物LIBS在线检测装置
技术领域
[0001] 本发明涉及激光诱导击穿光谱技术，具体为一种自动对焦装置及采用该装置的块状物LIBS在线检测装置。
背景技术
[0002] 激光诱导击穿光谱技术（LIBS）是一种基于激光发射光谱的物质成分检测技术。用高能量的脉冲激光经透镜聚焦到样品表面，使样品表面附近的原子被激发电离形成等离子体，通过测量等离子体自发辐射谱线的波长及强度即可获知样品中元素组成和含量。相比于传统检测方法，LIBS技术具有测量速度快、无需样品预处理、可多元素同时分析、无辐射等优势，非常适合对物质成分的实时、在线检测。在电力、煤矿、冶金、水泥、农作物检测等工农业生产过程控制中有着广阔的应用潜力。
[0003] 用LIBS技术进行分析需将激光聚焦到样品表面，因此需要保证样品表面到聚焦透镜的距离恒定，而对于传送带上的块状物，由于其大小不等、分布不均、空隙率大，表面高低不平，在线分析较为困难。申请人曾公开一种在线检测技术，利用带驱动马达的变焦镜头，根据物料高度自动调节镜头焦距，实现对传送带上物料的自动对焦，该装置通过变焦技术，实现了LIBS技术对传送带块状物料的在线检测，但该系统所能分析的光谱范围受限。普通变焦镜头镜片材质为玻璃，而玻璃对紫外波段的光辐射透射率很低，尤其对波长为300nm以下的波段透射率极低。而LIBS系统要通过此镜头会聚等离子体光谱，因此采用变焦镜头不能对紫外波段的光谱进行分析。如采用石英透镜，对紫外线会有较高的透射率，但变焦镜头镜片数量多，结构复杂，若重新用石英打磨透镜，则程序繁琐，工艺复杂，后期改装成本高。
[0004] 因此，利用石英透镜提供一种透镜数量少，结构简单的自动变焦装置用于LIBS在线分析系统实为必要。
发明内容
[0005] 本发明为解决目前LIBS系统进行物料成分分析时，存在光谱分析范围受限以及变焦镜头结构复杂难以调节的技术问题，提供一种自动对焦装置及采用该装置的块状物LIBS在线检测装置。
[0006] 本发明所述的自动对焦装置是采用以下技术方案实现的：一种自动对焦装置，包括透镜组、中心开孔的荧光反射镜、面阵CCD以及计算机；所述透镜组包括位于同一主光轴上的第一、第二透镜及第三透镜；其中第二透镜为凹透镜且位于第一、第三透镜之间；第一、第三透镜为凸透镜且位置固定；第二透镜设在一个驱动装置上并可沿主光轴在第一、第三透镜之间移动；所述荧光反射镜位于第一透镜不与第二透镜相邻的一侧；所述面阵CCD位于荧光反射镜的反射光路上；面阵CCD的信号输出端与计算机的信号输入端相连接；计算机的信号输出端与驱动装置的信号输入端相连接。
[0007] 采用本发明所述的自动对焦装置，可以方便快捷的完成自动对焦操作。进行对焦时，待测物料经透镜组所成的“像”被荧光反射镜反射至面阵CCD，面阵CCD将采集到的光强信号转换成相应的电信号之后输入至计算机，计算机采用设定的判定规则对信号进行判断。所述对焦判定规则如下：根据透镜成像规律，当物料刚好位于透镜组焦点时，从物料位置发出的光线经透镜组会聚后近似为平行光，此时面阵CCD上各像素点处的光强度近似相同，亦即CCD上各像素点光强度的标准差最小。所以上下移动第二透镜，使透镜组的焦距变化，同时由计算机处理CCD上各像素点的光强数据，当光强标准差最小时，即刚好完成对焦。
[0008] 进一步的，所述驱动装置包括步进电机、安装在步进电机输出端的丝杆以及安装在丝杆上的螺母；螺母上安装有与丝杆相垂直的镜架；镜架上开有安装孔且安装有第二透镜；还包括一对与丝杆走向平行的滑杆；所述镜架滑动套在滑杆上；计算机的信号输出端与步进电机的信号输入端相连接。
[0009] 第二透镜安装在镜架上，丝杆一端与步进电机相连，另一端套于螺母内，螺母与镜架固定在一起。当步进电机转动时，带动丝杆转动，驱动螺母与镜架作为滑块沿滑杆上下移动，移动距离可由步进电机的转动角度精确控制，从而精确的完成第二透镜的移动。
[0010] 本发明所述的块状物LIBS在线检测装置是采用如下技术方案实现的：一种块状物LIBS在线检测装置，包括激光器、光谱仪、激光反射镜、光纤以及第四透镜；还包括自动对焦装置；所述透镜组的主光轴呈竖直状态布置且第三透镜位于最下方；所述激光反射镜位于激光器的出射光路上；所述荧光反射镜以及透镜组顺次位于激光反射镜的反射光路上；所述第四透镜位于面阵CCD之后；所述面阵CCD通过一个微型电机驱动而转动以使荧光反射镜的反射光入射至第四透镜；所述光纤的一端作为接收端接收第四透镜汇聚的荧光；光纤的另一端与光谱仪的输入端相连接；激光器的同步输出端与光谱仪的控制端相连接；计算机的信号输出端与激光器的电压控制端口以及微型电机的控制端相连接。
[0011] 待测物料经透镜组所成的像经荧光反射镜反射后被面阵CCD采集，计算机在相应软件的支持下控制驱动装置上下移动，同时对面阵CCD采集到的光强信号进行分析，当面阵CCD上各像素点光强度的标准差最小时，认为完成对焦，此时计算机控制激光器发射脉冲激光，同时型电机带动面阵CCD转动一定角度，激光器发射的激光经由激光反射镜、荧光反射镜的中心孔以及透镜组汇聚到待测物料，待测物料受到激光激发产生等离子体荧光；等离子体荧光经过透镜组汇聚以及荧光反射镜反射后被光纤所接收并输送至光谱仪，光谱仪对接收到的荧光信号进行分析并得到此刻待测物料的成分信息。
[0012] 由步进电机驱动第二透镜（凹透镜）沿滑杆上下滑动，使透镜组的等效焦距在一定范围内变化，透镜组下方物料所发出的光线经透镜组会聚后由荧光反射镜反射至面阵CCD，由计算机对面阵CCD探测到的光强进行检测，判定是否对焦。当第二透镜的位置移动到透镜组焦点刚好位于下方物料高度处时，计算机发出控制信号至步进电机驱动器，使第二透镜停止移动，另外发出控制信号使面阵CCD向上翻转离开光路（通过相应的微型电机）；同时触发激光器，发出脉冲激光经激光反射镜反射通过透镜组，由透镜组会聚后聚焦于样品表面，使样品被激发生产等离子体；等离子体冷却时发出光谱信号，该光谱信号经透镜组会聚，由荧光反射镜反射，经聚焦第四透镜会聚后由光纤接收并传至光谱仪，进行光谱分析。所述相应软件是本领域技术人员容易编写的。
[0013] 进一步的，所述第一、第三透镜焦距分别为100mm和500mm；第二透镜焦距为-50mm；第一、第三透镜间距为150mm。
[0014] 所述激光器发射的脉冲激光波长为1064nm、光束半径为3mm；当第二透镜到第三透镜的距离从95mm到100mm变化时，透镜组焦点位置到第三透镜的距离变化范围为从207mm到498mm。
[0015] 理论计算和实验测试表明，当第二透镜上下移动较小距离时，激光经过该三透镜系统后焦点位置会发生较大变化。对波长为1064nm、光束半径为3mm的脉冲激光进行测试，当第二透镜到第三透镜的距离从95mm到100mm变化时，焦点位置到第三透镜的距离变化范围为从207mm到498mm变化，如图2和图3所示。以第三透镜的位置为参考点（设为位置坐标0），测量了第二透镜位置与透镜组焦点位置的关系如图4所示。
[0016] 本发明优选的透镜组参数为在实际工业控制中，传送带的速度一般为1～2m/s，如前所述第二透镜完成最大行程（来回5mm）所需时间小于5ms，即在对焦过程中传送带移动的距离小于1cm，而该透镜组的0.5mm景深在±3cm范围内，所以在对焦过程中传送带的移动引起的误差可以忽略。
[0017] 本发明公开一种自动对焦装置及采用该装置的块状物LIBS在线检测装置，无须测距装置，可根据传送带物料高度自动对焦。克服了采用普通变焦镜头可分析波段有限、不能分析紫外光谱，结构复杂、易受粉尘污染的缺点。采用三透镜装置，仅用三片石英透镜组成透镜组，只需移动其中一个透镜，即可实现透镜组的等效焦距调节，仅需5mm的透镜移动行程，获得近300mm的焦距变化；同时，无须采用距离传感器，根据透镜成像规律进行对焦判定，进一步降低系统的复杂程度。该系统结构简单，易于保持清洁，故障率低，非常适合于LIBS在线检测的自动对焦。
附图说明
[0018] 图1 本发明所述设有自动对焦装置的块状物LIBS在线检测装置的结构示意图。
[0019] 图2本发明所述自动对焦装置焦距变化示意图之一。
[0020] 图3本发明所述自动对焦装置焦距变化示意图之二。
[0021] 图4第二透镜位置与透镜组焦点位置的关系示意图。
[0022] 图5驱动装置的结构示意图。
[0023] 1-第一透镜，2-第二透镜，3-第三透镜，4-第四透镜，5-荧光反射镜，6-面阵CCD，7-计算机，8-驱动装置，9-激光反射镜，10-激光器，11-光谱仪，12-光纤，13-外壳，14-吹扫装置，15-进气口，16-出气口，17-传送带运行方向；
[0024] 81-步进电机，82-丝杆，83-螺母，84-镜架，85-滑杆。
具体实施方式
[0025] 一种自动对焦装置，包括透镜组、中心开孔的荧光反射镜5、面阵CCD6以及计算机7；所述透镜组包括位于同一主光轴上的第一、第二透镜1、2及第三透镜3；其中第二透镜2为凹透镜且位于第一、第三透镜1、3之间；第一、第三透镜1、3为凸透镜且位置固定；第二透镜2设在一个驱动装置8上并可沿主光轴在第一、第三透镜1、3之间移动；所述荧光反射镜5位于第一透镜1不与第二透镜2相邻的一侧；所述面阵CCD6位于荧光反射镜5的反射光路上；面阵CCD6的信号输出端与计算机7的信号输入端相连接；计算机7的信号输出端与驱动装置8的信号输入端相连接。
[0026] 所述驱动装置8包括步进电机81、安装在步进电机81输出端的丝杆82以及安装在丝杆82上的螺母83；螺母83上安装有与丝杆82相垂直的镜架84；镜架84上开有安装孔且安装有第二透镜2；还包括一对与丝杆82走向平行的滑杆85；所述镜架84滑动套在滑杆85上；计算机7的信号输出端与步进电机81的信号输入端相连接。
[0027] 一种块状物LIBS在线检测装置，包括激光器10、光谱仪11、激光反射镜9、光纤12以及第四透镜4；还包括自动对焦装置；所述透镜组的主光轴呈竖直状态布置且第三透镜3位于最下方；所述激光反射镜9位于激光器10的出射光路上；所述荧光反射镜5以及透镜组顺次位于激光反射镜9的反射光路上；所述第四透镜4位于面阵CCD6之后；所述面阵CCD6通过一个微型电机驱动而转动以使荧光反射镜5的反射光入射至第四透镜4；所述光纤12的一端作为接收端接收第四透镜4汇聚的荧光；光纤12的另一端与光谱仪11的输入端相连接；激光器10的同步输出端与光谱仪11的控制端相连接；计算机7的信号输出端与激光器10的电压控制端口以及微型电机的控制端相连接。
[0028] 待测物料经透镜组所成的像经荧光反射镜5反射后被面阵CCD6采集，计算机7在相应软件的支持下控制驱动装置8上下移动，同时对面阵CCD6采集到的光强信号进行分析，当面阵CCD6上各像素点光强度的标准差最小时，认为完成对焦，此时计算机7控制激光器10发射脉冲激光，同时控制微型电机带动面阵CCD6转动一定角度，激光器10发射的激光经由激光反射镜9、荧光反射镜5的中心孔以及透镜组汇聚到待测物料，待测物料受到激光激发产生等离子体荧光；等离子体荧光经过透镜组汇聚以及荧光反射镜5反射后被光纤12所接收并输送至光谱仪11，光谱仪11对接收到的荧光信号进行分析并得到此刻待测物料的成分信息。
[0029] 所述第一、第三透镜1、3焦距分别为100mm和500mm；第二透镜2焦距为-50mm；第一、第三透镜1、3间距为150mm。
[0030] 所述激光器10发射的脉冲激光波长为1064nm、光束半径为3mm；当第二透镜2到第三透镜3的距离从95mm到100mm变化时，透镜组焦点位置到第三透镜3的距离变化范围为从207mm到498mm。
[0031] 还包括一个外壳13；所述透镜组、驱动装置8、荧光反射镜5、第四透镜4、面阵CCD6及其微型电机、激光反射镜9均设在外壳13内；外壳13的底部设有出光口，第三透镜3固定在出光口处；驱动装置8安装在外壳13的内侧壁上；第一透镜1、荧光反射镜5、激光反射镜9、微型电机均通过支架设在外壳13内部；外壳13的中部侧壁设有开口，光纤12的接收端安装在该开口处；外壳13的侧壁上部开有激光入口，所述激光器10的出射激光由该激光入口进入外壳13内。
[0032] 外壳13底部在靠近出光口的位置处安装有吹扫装置14。
[0033] 靠近外壳13顶部的侧壁上开有进气口15，靠近外壳13底部的侧壁上开有出气口16；激光入口安装密封玻璃，出光口、光纤对应的开口处以及各线路进入外壳的位置处均采用密封连接。
[0034] 考虑到现场工况环境，为防止灰尘对镜片的污染，对整个光学系统密封，并设置进气口和出气口，构成正压除尘装置，使密封壳内保持一微正压。第三透镜3下表面暴露于密封壳外，在其下方设置吹扫装置，进一步削弱粉尘污染。
