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LIBS技术针对铝合金材料的快速检测及分类

发布时间:2022-11-28      点击次数:205

铝合金是工业中应用广泛的有色金属材料,在航天航空、机械制造等各个领域都有广泛应用。由于不同应用领域对铝合金性质要求不同,为了保证使用的安全性,需要一种快速有效的检测方法对铝合金进行检测分类。国际上将常用的铝合金按照合金元素含量以及用途的不同大致分为七类:纯铝、Al-Cu系、Al-Mn系、Al-Si系、Al-Mg系、Al-Mg-Si系以及Al-Zn系。

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之前的铝合金分类检测方法是用化学方法测得铝合金中特征元素的含量再对照分类标准进行判定。现在我们可以利用激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown SpectroscopyLIBS技术,结合系统内置的PCA主成分分析分类模型实现对铝合金的快速分类及元素含量的测定。

 

LIBS技术是一种新兴的元素检测和分析技术。当激光作用于样品表面时,在极短的时间内诱导产生含有样品物质信息的等离子体。通过对等离子体发出的光谱进行收集分析,建立光谱与元素一一对应的关系。由此可以检测出元素周期表中的大部分元素。下图为铝合金内部各主要元素的含量情况。

 

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实验选用的是山东省冶金科学研究院所提供的13种铝合金标准样品分别为:Al-Cu系四种、Al-Si系三种、Al-Mg-Si系四种及Al-Zn系两种。通过激光激发样品得到光谱谱图,如左下图所示,元素强度信息明显。利用系统内置的PCA主成分分类模型对所有样品的数据进行分类分析得到了最终的分类结果,如右下图所示。从图中可以看出,每类铝合金光谱的样本点都发生了明显的汇聚现象,达到了分类的目标,同时得到了铝合金标准样品的类型区域,便于后续进行未知类型铝合金的分类判别。

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为了对LIBS-PCA快速分类结果精度进行评价,我们用精度评价法为用实际样品种类按分类方法所得的分类结果进行相对精度的评价。采集150个已知类型铝合金的光谱对其进行分类,并与实际类型进行对照,所得结果如上表所示,精度达到97.14%以上。

 

实验装置我们可以采用EcoChem 激光光谱元素分析系统,该系统采用LIBS技术。激光能量200mJ@1064nm,能量输出0-100%可调;重现率20Hz;光斑大小20-200μm连续可调;检测器谱宽190-1040nm;三维全自动工作台;样品室可通入氦气或氩气。

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本实验提出了将LIBS技术与PCA主成分分析法相结合来对铝合金进行分类的方法,并通过实验验证了该方法的可行性和准确性。相比于常用的化学方法,激光诱导击穿光谱(LIBS)技术可以原位、快速地对待测样品进行检测,无需前处理、无污染。LIBS技术与PCA主成分分析法相结合用于质量检测和在线工业控制等领域,可以节约大量的时间及成本,提高检测效率。


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