为了提高激光三角测距精度、优化传感器设计过程中的光学参量,采用数学建模和计算机辅助分析的方法,解析了激光三角测距传感器中的关键参量与测量系统各指标的关系,并采用一种基于粒子群算法的参量优化方法,得到符合系统优化要求的光学参量,进行了理论分析和验证。结果表明,在进行参量设计时,各参量相互牵制;确定了粒子群搜索空间和约束;在灵敏度Smin达到2.2386mm时,系统分辨力可达到2.8μm,且其它各参量取值符合系统要求,同时优化效率大大提高。该优化方法算法简单、操作方便。

建立了一套基于大气压液体阴极辉光放电原子发射光谱(electrolyte cathode atmospheric glow discharge atomic emission spectroscopy,ELCAD-AES)的水中金属离子检测装置,并在该装置上对水中金属离子铅(Pb)进行了检测,随着Pb浓度的增加,Pb元素的发射光谱强度显著增强,Pb浓度在10~80 mg·L-1范围内时,其发射信号强度与浓度呈现一定的线性关系.实验考察了放电电流、易电离元素对Pb发射光谱的影响,表明当电流增加到70 mA时,Pb元素的信号强度最强,溶液中的易电离元素对Pb元素信号强度产生微弱影响.同时探讨了酸化试剂对Pb发射光谱的影响,发现用HNO3酸化溶液时Pb发射光谱强度最强,而降低pH值可以有效的提高Pb发射光谱强度.研究了等离子体内不同区间的原子发射光谱强度,结果表明金属原子Pb的发射光谱集中在靠近阴极的区域,因此获得了Pb元素的最佳探测位置.计算得到采用便携式光谱仪作为探测系统的水体Pb元素痕量检出限为0.7 mg·L-1,相对标准偏差为1.7%,两种实际水样检测回收率分别为95%~106%,表明本方法有较好的准确性.研究结果为进一步开展水体痕量重金属元素液体阴极辉光放电光谱检测提供了方法.

为研究激光脉冲能量对激光诱导等离子体辐射特性和膨胀过程的影响, 采用ICCD相机对不同激光脉冲能量激发的铝合金等离子体进行快速成像, 并利用Boltzmann斜线法和Stark展宽法分析等离子体的电子温度和电子数密度随激光脉冲能量的演化规律.实验结果表明, 激光诱导等离子体呈现明显的分层结构, 等离子体的激发阈值约为3 mJ, 等离子体不同区域的面积随激光脉冲能量变化呈现不同的特征.当激光脉冲能量低于10 mJ时, 等离子体的分层结构不显著.激光脉冲能量从10 mJ增加到100 mJ过程中, 等离子体电子温度从4 980 K升高到7 221 K, 等离子体的电子数密度在1017 cm－3量级并随激光能量增加而增大且趋于饱和.

为了深入研究激光诱导等离子体的物理特性，提高激光诱导击穿光谱(LIBS)技术的测量精度和可靠性，对激光诱导等离子体的时间演化过程进行了实验研究。采用ICCD相机对激光诱导铝合金等离子体进行快速成像，发现激光诱导铝合金等离子体的寿命大约为30 μs，等离子体呈现明显的分层结构，并且不同区域的面积和温度在等离子体的时间演化过程中呈现不同的特征。通过玻尔兹曼斜线法和Stark展宽法计算了铝合金等离子体电子温度和电子数密度的时间演化规律。实验结果表明，等离子体的电子激发温度在6000 K~9000 K之间，且前3 μs下降较快；等离子体电子数密度为1017 cm-3量级，并随ICCD探测延迟时间缓慢降低。等离子体电子温度和电子数密度的时间演化规律与ICCD相机快速成像结果一致。

采用波长为1064 nm的Nd:YAG脉冲激光作为光源聚焦于铝合金表面产生激光诱导等离子体，使用三光栅光谱仪和门宽控制的ICCD检测光谱信号。实验分析了实验参数对Al Ⅰ 394.40 nm和Al Ⅰ 396.15 nm两条特征谱线强度和信背比的影响。研究表明，ICCD探测延时、ICCD门宽和激光脉冲能量对光谱信号和信背比有较大的影响，其中ICCD门宽变化会引起光谱信号信背比起伏变化。通过优化这些实验参数，确定了最佳实验条件，在低激光脉冲能量下获得了高光谱强度和信背比的信号，为定性和定量分析铝合金成分提供了有利条件。