激光诱导击穿光谱应用之检测水泥成分

摘要：本案例介绍了如海光电LIBS激光诱导击穿光谱系统在水泥生料成分分析中的应用。相比传统检测方法，LIBS技术具备快速、无损、多元素同步检测等优势，适用于复杂样品的实时分析。文章详细展示了水泥样品的制备、测试系统搭建、操作流程及谱图分析结果，验证了LIBS系统对CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃等关键成分的高效识别能力，为水泥质量控制与生产监测提供了可靠的技术支持。

一、研究背景

水泥是建筑工程中不可或缺的基础材料，其成分直接影响混凝土的强度、耐久性和环保性能。水泥成分的传统检测方法包括化学溶解、X射线荧光（XRF）等。这些方法存在破坏样品以及耗时时间长无法实时分析等不足。而激光诱导击穿光谱（LIBS）作为一种快速、无损、原位的光谱分析技术，能够在几秒钟内完成对水泥浆成分鉴定，为混凝土质量控制提供高效支持。

二、技术优势

非接触、微损检测：仅需将生料水泥进行压片后直接测试，在激光诱导击穿过程中，样品表面的一小部分材料会被高能脉冲激光瞬间烧蚀并激发，形成高温等离子体。

快速分析、实时反馈：单次激光脉冲即可获取光谱数据，分析时间仅需几秒。

多元素同时分析：可同时检测Ca、Si、Al、Fe、Mg、S等水泥关键元素。

三、应用案例

本次测试样品为水泥生料，通过如海光电的libs激光诱导击穿光谱系统成功获取了该水泥生料的原料成分信息。

1.测试样品为水泥生料，如图1所示：

图1 水泥样品

2.搭建测试系统

激光器：LIBS系统中的能量源，发射高能量激光束，聚焦于样品表面，形成等离子体并激发原子和分子释放特征光谱信息。

光谱仪：核心分析设备，捕捉等离子体光谱信息，转换为电信号进行记录和分析，通过比对特征谱线确定样品中的元素种类和含量。

光纤：连接光谱仪，传输样品光谱信息。

样品台：盛放样品，保持测量过程稳定，并通过调整位置实现精确测量。

图2 如海光电搭建示意图

3. 实验步骤

（1）样品预处理：用压片机将水泥生料处理成直径1cm，高度0.5cm的圆柱体，作测试样品。

（2）样品放置：将样品放在LIBS系统中的样品台上，调整合适的位置。

（3）打开软件，扫描光谱仪，等待光谱仪扫描完成后，点击单次采集，保存暗光谱，点击扣除背景；

（4）设置外部触发模式，点击连续测量；

（5）连接触发板，设置触发板参数，打开触发源，即可获得样品图谱。

4.测试结果与分析

测试结果如图所示：

对于水泥中的 Ca、Si、Al、Fe、Mg、K、Na 等元素，其原子或离子在等离子体中退激时会产生各自独特的特征谱线。例如，Ca元素在光谱中具有多个特征峰，常见的有 422.67nm 等；Si元素的特征峰有 288.16nm；Al元素的特征峰为 396.15nm；Fe元素的特征峰有 372.00nm；Mg元素的特征峰在 285.21nm；K元素的特征峰为 766.49nm；Na元素的特征峰为 588.99nm。通过检测这些特征峰的存在与否及强度，可实现对相应元素的定性和定量分析。

水泥生料主要检测CaO、SiO₂、Al₂O₃、Fe₂O₃、MgO、K₂O、Na₂O，其特征峰如下：

表1 水泥成分对照表

对照上表，我们可以在谱图中清晰的看到客户水泥占主要成分的是CaO、SiO₂、Fe₂O₃，并且含有MgO、K₂O等微量成分。