突破性激光诱导击穿光谱技术：LIBS 测量稳定性大幅提升，助力工业智能化

元描述： 中国科学院沈阳自动化研究所的 LIBS 团队成功开发出一种名为 ID-PLS 的新方法，显著提升了激光诱导击穿光谱 (LIBS) 测量的长期稳定性，为工业过程控制和自动化提供更可靠的解决方案。

想象一下，在一台高速运转的钢铁厂里，一台“神奇”的仪器能够实时、准确地分析钢水成分，并自动调整生产参数，确保钢材质量。这不再是科幻电影中的场景，而是中国科学院沈阳自动化研究所 (以下简称“沈阳自动化所”) 的激光诱导击穿光谱 (LIBS) 团队正在努力实现的现实。他们近期取得的重大突破，有效提升了 LIBS 测量的长期稳定性，为工业智能化进程注入了新的活力。

LIBS 技术：工业检测的“利器”

LIBS，一种“无接触式”光谱分析技术，利用激光脉冲瞬间击穿样品表面，产生等离子体，通过分析等离子体发射的光谱来识别样品中的元素成分。这项技术被誉为工业检测领域的“利器”，因为其拥有多项优势：

  • 速度快： LIBS 分析速度极快，能够实时监测生产过程，并及时做出调整，提高生产效率。

  • 无需样品预处理： LIBS 不需要复杂的样品制备过程，直接对样品进行分析，节省时间和成本。

  • 原位检测： LIBS 可以直接对样品进行原位检测，无需将样品送至实验室，更方便快捷。

然而，在实际应用中，LIBS 仍然面临着一个关键挑战：长期稳定性。受环境干扰的影响，LIBS 测量信号容易出现漂移，导致结果不准确，影响应用效果。

ID-PLS 方法：突破稳定性瓶颈，引领工业智能化

为了解决这一难题，沈阳自动化所 LIBS 团队提出了“强度比漂移值-偏最小二乘法”(ID-PLS) 方法。该方法巧妙地利用了机器学习中的偏最小二乘算法 (PLS)，将光谱检测值校准到理想值附近，有效地抑制了环境干扰引起的信号漂移，显著提升了 LIBS 测量的长期稳定性。

ID-PLS 方法的优势：

  • 精准表征漂移： 通过引入强度比漂移值，能够精准地表征光谱在长时间检测过程中的波动情况。

  • 校准效果显著： 利用 PLS 算法对光谱数据进行校准，确保校准效果不低于传统的平均内标法。

  • 应用范围广泛： ID-PLS 方法适用于多种元素，能够有效地提升 LIBS 在不同工业场景中的应用效果。

应用实例：LIBS 在钢铁行业的“逆袭”

沈阳自动化所 LIBS 团队将 ID-PLS 方法应用于自主研发的 LIBS 钢水成分传感器，并在不同低合金钢样品上进行了测试。结果表明，与传统的漂移校正方法相比，ID-PLS 方法在对碳、硅、钼、镍、铜和锰等多种元素的综合校准中性能更优异，显著提升了传感器在复杂环境下的稳定性和准确性。

这一突破为提升光谱传感器的长期稳定性提供了切实可行的解决方案，为 LIBS 技术在冶金、能源、环保等领域的应用开辟了新的道路。

LIBS 技术的未来：智能制造的新引擎

近年来，沈阳自动化所 LIBS 团队在核心技术攻关和仪器研制方面不断取得突破，研发出了一系列基于 LIBS 的高端在线分析仪器，并在铁矿原料、金属分析、选矿工业、深海探测等领域取得了一系列成果。

  • 炼钢厂的“智能化升级”： LIBS 技术在炼钢厂成功示范应用，实现了 40 吨级钢包的钢水成分在线测量，为钢铁行业智能制造提供了有力支撑。

  • 选矿行业的“精细化管理”： LIBS 技术为贫铁矿、磷矿选矿生产过程提供了矿浆品位高精度在线测量，提高了选矿效率和资源利用率。

  • 深海探测的“利器”： LIBS 技术在深海探测领域也展现出巨大潜力，可用于海底矿产资源勘探和海洋环境监测。

未来，随着 LIBS 技术的不断发展，其应用领域将更加广泛，并将与人工智能、大数据、云计算等技术深度融合，为工业智能化发展提供新的动力和引擎。

关键词：激光诱导击穿光谱 (LIBS)，长期稳定性，ID-PLS 方法，工业智能化，钢铁行业，选矿，深海探测

常见问题解答

Q1：LIBS 技术的原理是什么？

A1：LIBS 技术利用激光脉冲瞬间击穿样品表面，产生等离子体，通过分析等离子体发射的光谱来识别样品中的元素成分。

Q2：LIBS 技术的优势有哪些？

A2：LIBS 技术具有速度快、无需样品预处理、原位检测等优势，使其成为工业检测领域的“利器”。

Q3：传统的 LIBS 测量方法存在哪些问题？

A3：传统的 LIBS 测量方法容易受到环境干扰，导致信号漂移，影响测量结果的准确性。

Q4：ID-PLS 方法如何解决 LIBS 测量的稳定性问题？

A4：ID-PLS 方法利用机器学习中的偏最小二乘算法，对光谱数据进行校准，有效地抑制了环境干扰引起的信号漂移，显著提升了 LIBS 测量的长期稳定性。

Q5：ID-PLS 方法在哪些领域具有应用潜力？

A5：ID-PLS 方法适用于多种元素，能够有效地提升 LIBS 在冶金、能源、环保等领域的应用效果。

Q6：LIBS 技术的未来发展方向是什么？

A6：未来，LIBS 技术将与人工智能、大数据、云计算等技术深度融合，为工业智能化发展提供新的动力和引擎。

结论

沈阳自动化所 LIBS 团队的突破性研究成果，有效提升了 LIBS 测量的长期稳定性，为工业过程控制和自动化提供了更可靠的解决方案。ID-PLS 方法的成功应用，进一步推动了 LIBS 技术在工业领域的应用，为智能制造的发展注入了新的活力。相信，在未来，LIBS 技术将成为工业智能化的重要引擎，为推动社会进步和经济发展做出更大的贡献。