本發(fā)明涉及等離子體技術(shù)、傳感器技術(shù)和檢測，特別是涉及一種等離子體光學(xué)發(fā)射光譜檢測裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、低溫等離子體因其產(chǎn)生活性物質(zhì)的能力在殺菌、分解有機(jī)污染物等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。然而，現(xiàn)有的等離子體成分檢測方法通常依賴大型光譜儀或質(zhì)譜儀，這些設(shè)備成本高、便攜性差，且難以滿足實(shí)時在線檢測的需求。此外，柔性等離子體裝置在復(fù)雜場景中的應(yīng)用對檢測設(shè)備的小型化、智能化提出了更高要求。因此，亟需一種小型化、實(shí)時性強(qiáng)且適應(yīng)性高的等離子體成分檢測裝置及方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種等離子體光學(xué)發(fā)射光譜檢測裝置及方法。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了如下方案：

3、本發(fā)明提供了一種等離子體光學(xué)發(fā)射光譜檢測裝置，包括：底座、光學(xué)采集模塊、光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊、等離子體發(fā)生模塊以及外殼及防護(hù)系統(tǒng)，所述底座上設(shè)置所述光學(xué)采集模塊、控制模塊及等離子體發(fā)生模塊，所述光學(xué)采集模塊的背部設(shè)置所述光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊，所述底座上罩設(shè)所述外殼及防護(hù)系統(tǒng)，所述光學(xué)采集模塊、光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊及等離子體發(fā)生模塊均連接所述控制模塊；

4、所述光學(xué)采集模塊用于采集光譜信號；

5、所述光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊用于對采集的光譜信號進(jìn)行分解和探測，對光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，提取光譜特征信息并確定等離子體中的離子、氣體、電子及活性基團(tuán)成分；

6、所述控制模塊用于調(diào)控等離子體發(fā)生模塊的參數(shù)和光學(xué)采集模塊的工作狀態(tài)，以優(yōu)化光譜信號的采集效果；

7、所述等離子體發(fā)生模塊用于產(chǎn)生待測等離子體；

8、所述外殼及防護(hù)系統(tǒng)用于保護(hù)裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

9、優(yōu)選地，所述光學(xué)采集模塊包括垂直升降機(jī)構(gòu)、載鏡臺、一字導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)、鎖定裝置、防震系統(tǒng)及刻度及位置指示系統(tǒng)，所述底座上設(shè)置所述垂直升降機(jī)構(gòu)，所述垂直升降機(jī)構(gòu)的正面設(shè)置所述載鏡臺，所述垂直升降機(jī)構(gòu)用于通過精密螺桿驅(qū)動載鏡臺沿垂直方向移動，以適配不同高度的等離子體發(fā)射源，所述載鏡臺的頂部設(shè)置所述一字導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，所述一字導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)由兩個相互垂直的滑軌構(gòu)成，所述滑軌上設(shè)置有鏡頭，所述鏡頭通過光纖連接所述光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊，所述一字導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)用于帶動鏡頭沿x軸及y軸移動，所述一字導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)上設(shè)置所述鎖定裝置，用于固定所述鏡頭，所述垂直升降機(jī)構(gòu)的下部位置設(shè)置所述防震系統(tǒng)，用于減少外部振動對光譜采集過程的影響，所述垂直升降機(jī)構(gòu)上設(shè)置所述刻度及位置指示系統(tǒng)，用于用戶快速定位和調(diào)整鏡頭位置，所述垂直升降機(jī)構(gòu)、一字導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)及鎖定裝置均連接所述控制模塊。

10、優(yōu)選地，所述光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊包括安裝框架、光譜分解單元、光學(xué)路徑切換裝置、探測陣列、光譜校準(zhǔn)系統(tǒng)及溫控及防護(hù)模塊，所述安裝框架上設(shè)置有光纖入口，用于供連接鏡頭的光纖進(jìn)入，所述安裝框架的內(nèi)部對應(yīng)所述光纖入口設(shè)置所述光譜分解單元，所述光譜分解單元包括高精度光解構(gòu)裝置及伺服電機(jī)，所述高精度光解構(gòu)裝置通過所述伺服電機(jī)設(shè)置在所述安裝框架的內(nèi)部，所述高精度光解構(gòu)裝置表面帶有細(xì)密凹槽表面，所述光纖入口對側(cè)的安裝框架的中心位置設(shè)置所述光學(xué)路徑切換裝置，所述光學(xué)路徑切換裝置包括線性移動導(dǎo)軌移動結(jié)構(gòu)、可電動控制的反光鏡及分光器，用于實(shí)現(xiàn)光路切換，所述光譜分解單元的對側(cè)的安裝框架上通過彈性安裝支架設(shè)置所述探測陣列，所述光纖入口的同側(cè)設(shè)置所述光譜校準(zhǔn)系統(tǒng)，所述光譜校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)置光譜校準(zhǔn)光源，所述安裝框架的內(nèi)部設(shè)置所述溫控及防護(hù)模塊，用于進(jìn)行溫度控制，所述光譜分解單元、光學(xué)路徑切換裝置、探測陣列、光譜校準(zhǔn)系統(tǒng)及溫控及防護(hù)模塊均連接所述控制模塊。

11、優(yōu)選地，所述控制模塊包括實(shí)時監(jiān)測單元及反饋調(diào)控單元，其中，所述實(shí)時監(jiān)測單元用于采集等離子體的光譜特征信號和發(fā)射均勻性參數(shù)，通過內(nèi)置傳感器檢測放電電壓、放電電流、氣體流量、氣壓和工作頻率；所述反饋調(diào)控單元用于基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合目標(biāo)光譜信號和均勻性標(biāo)準(zhǔn)，動態(tài)調(diào)整放電參數(shù)以滿足優(yōu)化目標(biāo)。

12、優(yōu)選地，所述等離子體發(fā)生模塊包括陽極、陰極、冷卻背板、微型推桿，所述底座上設(shè)置所述冷卻背板，所述冷卻背板的中部位置兩側(cè)分別設(shè)置所述陰極及陽極，且所述陰極及陽極的背部與冷卻背板的側(cè)部之間設(shè)置所述微型推桿，所述微型推桿用于推動陰極及陽極，進(jìn)而調(diào)節(jié)電極放電協(xié)作空間，所述陰極及陽極表面均采用微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，形態(tài)包括鋸齒形、針尖形或圓錐形。

13、本發(fā)明還提供了一種等離子體光學(xué)發(fā)射光譜檢測方法，包括：

14、進(jìn)行自動化自檢，自動檢測光學(xué)采集模塊、光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊的工作狀態(tài)，若檢測到異常狀態(tài)，裝置立即報警并暫停運(yùn)行，若無異常狀態(tài)，則繼續(xù)進(jìn)行；

15、生成等離子體，啟動等離子體發(fā)生模塊，設(shè)置并調(diào)節(jié)等離子體發(fā)生模塊的工作參數(shù)，包括輸入電壓、頻率及氣體流量，形成穩(wěn)定的等離子體，根據(jù)待測樣品的特性，選擇工作氣體或混合氣體作為等離子體的介質(zhì)，優(yōu)化等離子體生成條件，通過控制模塊對放電參數(shù)進(jìn)行實(shí)時調(diào)控；

16、采集光譜信號，調(diào)整光學(xué)采集模塊，調(diào)節(jié)鏡頭的高度及橫向位置，使光學(xué)采集路徑準(zhǔn)確對準(zhǔn)等離子體發(fā)射源，確保采集區(qū)域覆蓋等離子體發(fā)射的最佳光譜區(qū)域，利用光纖將采集到的光譜信號傳輸至光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊；

17、對光譜信號進(jìn)行分解與探測，在光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊中，利用高分辨率光解構(gòu)裝置將光譜信號分解為不同波段的光譜線，以分辨等離子體中各成分的特征發(fā)射，通過探測陣列記錄各光譜線的強(qiáng)度分布及峰值位置；

18、進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與成分提取，光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行噪聲濾除、背景扣除和信號歸一化處理，處理完畢后，采用光譜特征匹配方法，對各波段的光譜特征線進(jìn)行標(biāo)識與匹配，通過光譜解卷積方法分離重疊的譜線，并計算各成分對應(yīng)的發(fā)射強(qiáng)度，采用一種動態(tài)光譜特征反演方法計算等離子體中各成分的濃度；

19、將分析得到的各成分濃度和光譜特征信息整理為檢測報告，并通過顯示屏或外部接口實(shí)時輸出，根據(jù)檢測結(jié)果，利用控制模塊對等離子體發(fā)生參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化等離子體的生成條件，調(diào)控過程采用反饋機(jī)制，確保光譜信號強(qiáng)度和成分分辨率始終處于最佳狀態(tài)。

20、優(yōu)選地，光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊采用光譜特征匹配方法，對各波段的光譜特征線進(jìn)行標(biāo)識與匹配，通過光譜解卷積方法分離重疊的譜線，并計算各成分對應(yīng)的發(fā)射強(qiáng)度，具體通過以下數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)：

21、通過多維特征分解模型進(jìn)行光譜分解，光譜信號通過多個特征基函數(shù)的疊加形式表示，表達(dá)式如下：

22、

23、式中，i(λ)表示波長為λ處的光譜信號，ψk(λ,θk)為第k個特征基函數(shù)，基于參數(shù)θk生成，ωk為第k個基函數(shù)的強(qiáng)度權(quán)重，反映該成分的相對貢獻(xiàn)，ξ為隨機(jī)噪聲干擾項(xiàng)，n為光譜特征基函數(shù)的總數(shù)；

24、其中，特征函數(shù)生成機(jī)制為：特征基函數(shù)ψk(λ,θk)由光譜數(shù)據(jù)在特定物理?xiàng)l件下的歸一化信息生成，其函數(shù)形式為：

25、

26、式中，αk、βk為基函數(shù)的幅度參數(shù)，μk和σk分別為第k個特征的中心波長和帶寬，fk為正選調(diào)制頻率，反映高階光譜特征；

27、計算每個光譜成分的總發(fā)射強(qiáng)度為：

28、

29、式中，λ1和λ2為為特定成分的光譜波長范圍，成分類型由與已知的光譜特征數(shù)據(jù)庫對比得到，最終形成光譜成分報告。

30、優(yōu)選地，采用一種動態(tài)光譜特征反演方法計算等離子體中各成分的濃度，具體為：

31、進(jìn)行光譜發(fā)射強(qiáng)度歸一化，對采集到的光譜數(shù)據(jù)i(λ)進(jìn)行歸一化處理，剔除儀器背景干擾和噪聲，得到凈發(fā)射光譜inorm(λ)為：

32、

33、式中，ibg為儀器背景信號，max[i(λ)-ibg]為光譜信號的最大值，用于歸一化；

34、進(jìn)行特征光譜強(qiáng)度分離，使用分段積分方法提取特定成分的特征發(fā)射強(qiáng)度ik為：

35、

36、式中，λk1和λk2為k個成分的征發(fā)射波段范圍；

37、基于濃度反演公式計算各成分的濃度ck為：

38、

39、式中，ck為第k個成分的濃度，ηk為該成分的發(fā)射截面，σk為等離子體的粒子碰撞截面，tk為等離子體中該成分的局部溫度；

40、基于動態(tài)光譜特征反演算法，動態(tài)調(diào)整各成分的濃度權(quán)重因子βk為：

41、

42、式中，βk為第k個成分的濃度占比，n為等離子體中的成分總數(shù)；

43、基于線性校正模型對反演結(jié)果進(jìn)行校準(zhǔn)，減小儀器誤差對濃度計算的影響，為：

44、

45、式中，為校準(zhǔn)后的濃度值，γk和δk為由校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)確定的修正系數(shù)。

46、優(yōu)選地，利用控制模塊對等離子體發(fā)生參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，優(yōu)化等離子體的生成條件，調(diào)控過程采用反饋機(jī)制，確保光譜信號強(qiáng)度和成分分辨率始終處于最佳狀態(tài)，具體為：

47、控制模塊采用一種等離子體參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控方法，通過實(shí)時監(jiān)測和反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)對等離子體發(fā)生參數(shù)的動態(tài)優(yōu)化，其中，控制模塊包括實(shí)時監(jiān)測單元及反饋調(diào)控單元，其中，所述實(shí)時監(jiān)測單元采集等離子體的光譜特征信號i(λ)和發(fā)射均勻性參數(shù)u，通過內(nèi)置傳感器檢測放電電壓v、放電電流i、氣體流量f、氣壓p和工作頻率f；所述反饋調(diào)控單元基于監(jiān)測數(shù)據(jù)，結(jié)合目標(biāo)光譜信號itarget(λ)和均勻性標(biāo)準(zhǔn)utarget，動態(tài)調(diào)整放電參數(shù)以滿足優(yōu)化目標(biāo)；

48、實(shí)時監(jiān)測單元實(shí)時監(jiān)測等離子體光譜發(fā)射的強(qiáng)度分布i(λ)和發(fā)射均勻性u，通過內(nèi)置傳感器檢測放電電壓v、放電電流i、氣體流量f、氣壓p和工作頻率f，判斷是否偏離目標(biāo)值，計算當(dāng)前參數(shù)與目標(biāo)值的誤差，為：

49、ei＝|i(λ)-itarget(λ)|,eu＝|u-utarget|

50、若誤差ei或eu超出預(yù)設(shè)閾值，則觸發(fā)反饋調(diào)控機(jī)制，基于反饋調(diào)控單元采用等離子體參數(shù)自適應(yīng)調(diào)控方法，通過以下迭代公式更新參數(shù)，為：

51、

52、式中，t為當(dāng)前迭代次數(shù)，α為步長因子，為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)對各參數(shù)的梯度；

53、當(dāng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)j收斂至預(yù)設(shè)閾值時，停止調(diào)控，輸出最終優(yōu)化參數(shù)vopt,fopt,fopt,popt；

54、其中，參數(shù)優(yōu)化模型j為：

55、min{v,f,f,p}j＝ω1·|i(λ)-itarget(λ)|2+ω2·|u-utarget|2

56、式中，j為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，ω1和ω2為權(quán)重系數(shù)，用于平衡光譜信號和均勻性的優(yōu)化需求，i(λ)為實(shí)時采集的光譜信號，itarget(λ)為目標(biāo)光譜信號，u為當(dāng)前等離子體發(fā)射均勻性參數(shù)，utarget為目標(biāo)均勻性參數(shù)。

57、根據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施例，本發(fā)明公開了以下技術(shù)效果：

58、本發(fā)明提供了一種等離子體光學(xué)發(fā)射光譜檢測裝置及方法，所述裝置包括光學(xué)采集模塊、光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊、控制模塊、等離子體發(fā)生模塊以及外殼及防護(hù)系統(tǒng)，其中，光學(xué)采集模塊通過可升降和移動的載鏡臺實(shí)現(xiàn)鏡頭的精確定位與穩(wěn)定采集，光譜分析和數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計了特定分析和探測模塊對信號進(jìn)行分解，且通過自定義等離子體組分解耦優(yōu)化方法提取光譜特征并計算等離子體中離子、氣體、電子和活性基團(tuán)的濃度，控制模塊對等離子體參數(shù)進(jìn)行動態(tài)反饋調(diào)節(jié)以優(yōu)化信號采集質(zhì)量。本發(fā)明具有檢測精度高、適應(yīng)性強(qiáng)、模塊化設(shè)計和動態(tài)優(yōu)化能力，廣泛適用于等離子體特性分析、工業(yè)過程控制及環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。