[发明专利]一种提高钢铁中碳元素含量测量精度的方法

摘要

一种提高钢铁中碳元素含量测量精度的方法，属于原子发射光谱测量技术领域。所述方法利用紫外波段的激光击穿钢铁样品得到特征光谱，并且拟合得到碳原子谱线及碳分子谱线带的强度与碳元素含量的函数关系；然后对拟合后碳含量的残差利用偏最小二乘法进行修正，进而得到碳元素含量的定标模型。该方法不仅采用紫外波段的激光提高烧蚀效率，能够有效增强测量信号；而且通过残差修正，充分利用了光谱中包含的信息建立定标模型，因而能够降低钢铁中碳元素的检出限，提高测量精度。

主权项

1.一种提高钢铁中碳元素含量测量精度的方法，其特征在于该方法包括如下步骤：1)选定碳含量已知的n种钢铁样品作为一组定标样品，以Z表示碳含量，第i种定标样品中碳的含量记为Z_i，i＝1，2，…，n；2)对于步骤1)中的第i种定标样品，i＝1，2，…，n，利用激光诱导击穿光谱系统进行检测：以紫外波段的脉冲激光器(1)为激发光源，从脉冲激光器出射的激光经过聚焦透镜(2)聚焦后作用于定标样品(3)表面，在聚焦点产生等离子体，等离子体产生的辐射光信号通过采集透镜(4)进入光纤(5)，并经过光谱仪(6)处理后转化成电信号被计算机(7)采集，得到第i种定标样品的特征光谱；n种定标样品共得到n幅特征光谱；3)以X表示碳原子谱线的强度，以Y表示碳分子谱线带的强度；求出第i种定标样品的特征光谱中碳原子谱线的强度X_i和碳分子谱线带的强度Y_i，i＝1，2，…，n；n幅特征光谱对应的碳原子谱线的强度分别记为X₁、X₂、…、X_n，n幅LIBS光谱对应的碳分子谱线带的强度分别记为Y₁、Y₂、…、Y_n；4)以Z₁、Z₂、…、Z_n为因变量，以X₁、X₂、…、X_n和Y₁、Y₂、…、Y_n为自变量，用拟合的方法建立碳含量Z关于碳原子谱线的强度X以及碳分子谱线带的强度Y之间的函数关系f；根据此函数关系求出第i种定标样品碳含量的拟合值Z_i′：Z_i′＝f(X_i，Y_i)；     (1)其中f表示函数关系，i＝1，2，…，n；5)求出Z_i′与钢铁样品中已知碳含量Z_i之间的残差W_i，n种定标样品的n个残差组成残差矩阵F；F的结构如下：F＝[W₁ W₂ … W_n]′    (2)6)建立谱线强度矩阵E，E的结构如下：E=I11I12I13···I1kI21I22I23···I2kI31I2I33···I3k···············In1In2In3···Ink---(3)]]>其中，I_ij表示第i种定标样品的特征光谱中波长j处的特征谱线对应的谱线强度，i＝1，2，…，n；j＝1，2，…，k；k为特征光谱中除碳原子谱线和碳分子谱线外所有特征谱线的总数目；7)以矩阵F为因变量，矩阵E为自变量，实施偏最小二乘回归，具体过程为：从自变量矩阵E中提取主成分，主成分既能代表数据变异信息，同时与残差矩阵F的相关程度达到最大；根据交叉有效性，共提取g个主成分t₁，t₂...，t_g；实施F在t₁，t₂...，t_g上的回归，得：F^=t1r1+···+tgrg---(4)]]>其中，r₁，r₂，...，r_g为回归系数；F为残差矩阵F的估计值；根据偏最小二乘法的原理，t₁，t₂...，t_g均是矩阵E中I_ij的线性组合，因此对公式(4)变形，得到矩阵中的每一个元素F^i=Σj=1kcjIij]]>其中i＝1，2，…，n，c_j为对公式(4)变形后得到的系数；8)建立定标模型：根据步骤4)中的函数关系及步骤7)中的偏最小二乘回归，得到定标模型如下：Zi=f(Xi,Yi)+Σj=1kcjIij---(5)]]>9)对于碳含量未知的待测钢铁样品，利用激光诱导击穿光谱系统对其进行检测，得到待测钢铁样品的特征光谱，并从特征光谱中求出碳原子谱线的强度X₀、碳分子谱线带的强度Y₀以及波长j处的特征谱线对应的谱线强度I_0j，j＝1，2，…，k；代入定标模型(5)式进行计算；即可得到的待测钢铁样品中的碳含量Z₀。