一种基于LIBS的煤质分析系统的煤质检测方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法，属于测量技术领域，包括激光器、光谱仪、供粉装置和二向色镜，所述供粉装置包括落粉口，激光器设置成对准所述落粉口，且激光器的发射方向与出粉方向垂直，二向色镜设置在激光器与供粉装置之间，光谱仪对准二向色镜，还包括准直透镜组，准直透镜组包括第一准直透镜和第二准直透镜，第一准直透镜设置在二向色镜与光谱仪之间，第一准直透镜靠近所述二向色镜，第二准直透镜与所述二向色镜距离大于第一准直透镜。该煤质检测方法包括出粉；激光对焦光谱采集；信息传递；信息处理，能够稳定的采集到烧蚀煤粉产生的光谱信号，克服了采集烧蚀煤粉光谱信号有漂移的问题。蚀煤粉光谱信号有漂移的问题。蚀煤粉光谱信号有漂移的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于LIBS的煤质分析系统的煤质检测方法


[0001]本专利技术涉及测量
，具体涉及一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法。

技术介绍

[0002]在燃煤发电的火电厂中，进入燃烧炉的煤质需要进行检测，检测的主要方式为现场采样，再送至实验室进行制样和离线分析，其检测流程长且效率低下，已经难以满足锅炉基于在线快速煤检结果的优化运行需求。近年来，激光诱导击穿光谱(Laser induced breakdown spectroscopy,LIBS)已经被广泛应基于颗粒流状态下煤粉的直接测量。LIBS直接测量颗粒流的工作原理是将一束脉冲激光聚焦到自由下落的煤粉颗粒流中心，使一定内的煤粉颗粒被烧蚀，进而激发生成等离子体，再由光谱仪探测等离子体在衰减冷却过程中辐射出来的光谱信号，通过分析具有特定波长和强度的光谱获得煤粉的物质种类及其占比浓度数据。
[0003]对于煤粉检测而言，虽然LIBS直接测量颗粒流具有无需制样的优势，但是众多研究发现这种测量方案的光谱信号稳定性较差。由于激光焦点附近颗粒的数量、粒径、空间分布随机变化，激光与颗粒的相互作用十分复杂，生成的等离子体不仅在形态上存在明显差异，同时等离子体的中心也会在激光焦点的前后漂移。
[0004]现有公开号为CN112834484A的专利申请公开了一种燃煤电厂煤质成分在线快速测试的方法及装置，包括：从燃煤电厂煤粉管道抽取煤粉，利用旋风分离器分离捕集煤粉颗粒，混匀后分为两部分；通过基于程序升温称重计量的工业分析，测量其中一部分煤粉的水分、灰分、挥发分和固定碳含量；通过基于激光诱导击穿光谱的元素分析，测量另一部分煤粉中C、H、O、N、S元素浓度；该方法测量动态流动煤粉，采样范围小，数据有漂移，得到的结果准确性有限。
[0005]另外有公开号为CN104931299A的专利申请公开了一种基于激光诱导检测的均匀连续工业粉末取样装置及方法，解决了激光诱导检测技术应基于工业生产中对固体粉末进行在线检测时无法均匀连续取样的难题。相应装置包括取样管道、射流阀、气体震动器、测量室、防尘系统和粉末浓度变化测量补偿装置，该装置及方法同样存在采样范围小和数据有漂移的问题，具有一定局限性。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是提供一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法，该分析系统具备接收镜头和准直透镜级成的双远心光学探测结构和控制采集光线的方向，解决了不适用有漂移采样对象的问题。
[0007]为实现上述专利技术目的，本专利技术采取的技术方案如下：
[0008]一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法，该煤质分析系统包括激光器、光谱仪、供粉装置、二向色镜和光谱信号计算单元，所述供粉装置包括落粉口，所述激光器对准
所述落粉口设置，且所述激光器发出激光的方向与出粉方向垂直，所述二向色镜设置在所述激光器与所述供粉装置之间，所述光谱仪用于接收来自所述二向色镜反射的光线，所述光谱信号计算单元与所述光谱仪相连，还包括准直透镜组，所述准直透镜组包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述第一准直透镜设置在所述二向色镜与所述光谱仪之间，所述第一准直透镜靠近所述二向色镜，所述第二准直透镜与所述二向色镜距离大于所述第一准直透镜，该煤质检测方法具体包括如下步骤：
[0009]S1.出粉：所述供粉装置以恒定的流量和流速排出煤粉，煤粉颗粒流的流动截面为规则形状；
[0010]S2.激光对焦：将激光焦点对准到煤粉颗粒流束轴线远离所述激光器的一侧；
[0011]S3.光谱采集：启动所述激光器烧蚀煤粉颗粒流，生成等离子体，由激光的入射方向采集煤粉等离子体的光谱信号；
[0012]S4.信息传递：等离子体向外辐射的光经过所述准直透镜进行准直后，由所述光谱仪进行接收和分析；
[0013]S5.信息处理：由所述光谱信号分析计算单元处理所述光谱仪采集到的光谱信息，从而得到煤粉中的物质成分及含量数据。。
[0014]优选的，所述第一准直透镜采用凹凸透镜，所述第二准直透镜采用单凸透镜，扩大成像景深。
[0015]进一步的，还包括聚焦镜组，所述聚焦镜组设置在所述激光器与所述二向色镜之间，将所述激光器发出的光线汇聚起来，提高能级快速地烧蚀煤粉。
[0016]优选的，所述聚焦镜组包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜采用凹凸透镜，所述第二聚焦透镜采用平凸透镜。
[0017]优选的，所述光谱仪包括光纤和接收镜头，所述接收镜头设置在所述准直透镜组远离所述二向色镜的一侧，所述光纤的一端与所述接收镜头相连，另一端与所述光谱仪相连，提高了光线传递的距离。
[0018]优选地，所述光纤采用多芯光纤，所述多芯光纤内的光芯线直径与煤粉等离子体光斑大小对应，即光斑大的接收的所述光芯线直径也大，所述多芯光纤内的多根所述光芯线的直径与接收到的等离子体光斑大小正相关。
[0019]优选的，所述接收镜头设置成平凸透镜，将传递过来的煤粉等离子光重新汇聚成光斑再进行输送传递。
[0020]优选地，所述激光器采用Nd:YAG型脉冲激光器，能量密度高。
[0021]作为更优的，还包括直角棱镜，所述直角棱镜设置在所述准直透镜和光谱仪之间，将传递的光线进行反射，缩小系统的整体体积。
[0022]作为更优的，还包括控制单元，所述控制单元分别与所述激光器和所述光谱仪相连，用于同步所述激光器和所述光谱仪的时序。
[0023]本专利技术的有益效果为：
[0024]该煤质分析系统的激光器前采用具有小球面像差的聚焦镜组，并且将激光光束的理论焦点置于颗粒流束中心轴后半部，利用激光光束的离焦区域击穿烧蚀煤颗粒流，缩小了颗粒与激光相互作用区域沿激光入射方向的长度，增加了激光烧蚀的颗粒数量有效缩地缩短颗粒流等离子体中心位置在激光入射光轴上的漂移范围；该煤质分析系统的光谱采集
分析采用了由接收镜头和准直透镜组构成的双远心光学探测结构，该结构可对光信号进行准直，可对中心位置在一定范围内漂移的等离子体光进行稳定、清晰的信号采集；采用光纤为一进四出的多芯光纤进行信号传递，其能够均匀地将等离子体光信号分配至光纤的四个光芯线，并传输至光谱仪上的各个通道，避免因光纤分光不均匀，导致光谱在不同波长范围内信号强度存在显著差异的问题出现，提高煤质检测的准确性和适应性，解决了煤粉光谱信号采集有漂移的问题。
附图说明
[0025]图1为本专利技术提供的基于LIBS的煤质分析系统图；
[0026]图2为本专利技术提供的激光聚焦方案示意图；
[0027]图3为本专利技术提供的光纤接收端截面示意图。
[0028]附图标记：
[0029]1、激光器；2、光谱仪；3、光纤；31、公共接收端；32、光芯线；4、光纤耦合器；5、接收镜头；6、机箱；7、直角棱镜；8、准直透镜组；81、第一准直透镜；82、第二准直透镜；9、供粉装置；91、振动式给料机；92、落粉口；10、保护镜片；11、二向色镜；12、聚焦镜组；121、第一聚焦透镜；122、本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法，该煤质分析系统包括激光器(1)、光谱仪(2)、供粉装置(9)、二向色镜(11)和光谱信号计算单元(13)，所述供粉装置(9)包括落粉口(92)，所述激光器(1)对准所述落粉口(92)设置，且所述激光器(1)发出的激光方向与出粉方向垂直，所述二向色镜(11)设置在所述激光器(1)与所述供粉装置(9)之间，所述光谱仪(2)用于接收来自所述二向色镜(11)反射的光线，所述光谱信号计算单元(13)与所述光谱仪(2)相连，其特征在于，还包括准直透镜组(8)，所述准直透镜组(8)包括第一准直透镜(81)和第二准直透镜(82)，所述第一准直透镜(81)设置在所述二向色镜(11)与所述光谱仪(2)之间，所述第一准直透镜(81)靠近所述二向色镜(11)，所述第二准直透镜(82)与所述二向色镜(11)距离大于所述第一准直透镜(81)，该煤质检测方法具体包括如下步骤：S1.出粉：所述供粉装置(9)以恒定的流量和流速排出煤粉，煤粉颗粒流的流动截面为规则形状；S2.激光对焦：将激光焦点对准到煤粉颗粒流束轴线远离所述激光器(1)的一侧；S3.光谱采集：启动所述激光器(1)烧蚀煤粉颗粒流，生成等离子体，由激光的入射方向采集煤粉等离子体的光谱信号；S4.信息传递：等离子体向外辐射的光经过所述准直透镜(8)进行准直后，由所述光谱仪(2)进行接收和分析；S5.信息处理：由所述光谱信号计算单元(13)处理所述光谱仪(2)采集到的光谱信息，从而得到煤粉中的物质成分及含量数据。2.根据权利要求1所述的基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法，其特征在于：所述第一准直透镜(81)采用凹凸透镜，所述第二准直透镜(82)采用单凸透镜。3.根据权利要求1所述的基...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚顺春，喻子彧，莫爵徽，陈伟泽，卢志民，覃淮青，郭松杰，张向，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：