CN106824825A - 基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光光谱检测与矿石分选领域，本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法及装置，包括矿石粉碎机、过滤器、传送装置、样品形貌检测系统、LIBS检测系统、机械分选与矿石收集系统、测控系统。粉碎机和过滤器用于将大块的废旧矿石粉粹成体积、形状类似的小块矿石；样品形貌检测系统用于获取样品的平均高度和外形尺寸，进而控制LIBS检测系统的聚焦距离及扫描范围；LIBS检测系统用于检测矿石的物质成分，确定矿石品位；机械分选系统根据检测结果将矿石和废石分别输送到不同的矿石收集槽；测控系统用于对装置各功能部件进行统一协调控制。
Description
技术领域
本发明属于激光光谱检测技术领域，涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的矿物成分检测方法和机械化自动分选装置，适用于矿石品位的快速检测与分选。
背景技术
据不完全统计，目前我国拥有的矿山数量大约在12万座左右，其中在上世纪六十年代到八十年代开采的矿山，由于当时技术条件的限制，大多采用露天开采的方式，在采矿过程中产生了大量废石，由于废石的矿物品位较低(1～2％)，传统的选矿方法，如比色法、比重法和悬浮法等，过程复杂且成本较高，二次开采不具备经济效益，因此大量的废石被囤积下来，然而这些废石常年累月的堆积不仅破坏了当地的生态环境，而且占用了大量的土地面积。因此，研究一种检测速度快、分析成本低的废旧矿石二次开采方法，不仅可以实现对废旧矿石的无害化处置、减少环境污染，还可以从废旧矿石中回收大量的矿物成分，从而扩大矿山资源、延长矿山寿命，具有公益性和经济性双重特性。
激光诱导击穿光谱(Laser Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)技术是近年来新兴的一种物质成分检测技术，通过在样品表面聚焦一束高能量脉冲激光，对样品进行烧蚀并产生等离子体，然后再利用光谱仪检测等离子体的特征光谱，实现对样品成分的定性和定量分析。LIBS技术具有分析速度快、无需样品前处理和远距离探测等优势，适用于废旧矿石成分的快速分析，而且LIBS技术具有表面清洁能力，可以在分析前去除废石表面的氧化层。但是废旧矿石经过破碎后，大多呈现出形状不规则且表面凸凹，传统的LIBS技术不具备样品高度实时监测和调整功能，因此会因为激光离焦导致信号稳定性较差，另外废旧矿石表面成分分布不均匀，传统LIBS技术不具备面阵扫描功能，只能对单一点进行分析，不足以代表矿石的整体属性。
发明内容
针对传统LIBS技术在矿石快速分选过程中存在的问题，本发明提出了一种基于激光诱导击穿光谱技术的矿物成分检测新方法，并设计一套机械化自动分选装置。具体来说，利用激光诱导击穿光谱技术，通过样品形貌检测系统获取样品平均高度与形状参数，用于控制LIBS检测系统的聚焦距离及扫描范围，再结合光谱数据处理方法，改善光谱分析结果，进而通过机械自动化装置达到对不同品位矿石快速分选的目的。
本发明的技术方案是：
一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法及装置，装置主要包括：粉碎机、过滤器、传送装置、样品形貌检测系统、LIBS检测系统、机械分选与矿石收集系统和测控系统。矿石的快速分选方法包括如下步骤：
(1)从矿山上挖掘的大块矿石首先进入粉碎机进行破碎，然后利用过滤器对破碎后矿石的形状和体积进行筛选，体积适中的矿石直接进入传送带准备检测，体积过小的矿石作为残渣排出，体积过大的矿石输送回粉碎机进行再次破碎。
(2)传送带主要用于运送矿石样品，本发明主要包括两条传送带，两条传送带之间的间隔要小于矿石样品最小外接矩形的短边，以保证矿石样品不会掉落，同时当样品通过两条传送带之间的缝隙时，会裸露出下表面，可用于LIBS检测系统对矿石下表面的分析。
(3)传送带将体积适中的矿石输送到样品形貌检测系统，该系统由一个激光投影仪、CCD相机和数据处理系统组成，当样品经过检测区域内，激光投影仪将一条狭窄的光带投影到矿石样品的3D表面，在非投影器的观察视角下由CCD采集矿石样品图像，此时将会看到一条呈现扭曲的曲线，利用数据处理系统分析矿石样品表面呈现的激光投影曲线，通过分析结果可以精确重建矿石样品表面的几何结构，其中矿石样品的平均高度参数主要用于控制LIBS检测系统聚焦透镜的高度；矿石样品的数字化轮廓信息用于控制LIBS检测系统扫描振镜的扫描范围。
(4)LIBS检测系统主要用于检测矿石样品的物质成分，其中由激光器产生一束高能量脉冲激光(不小于200mJ)，脉冲激光经过分束子系统变成四束激光，其中每两束激光为一组，分别用于矿石样品上、下两个表面的分析，每组激光分别经过扫描与聚焦子系统，对样品进行线扫描，再配合传送带对矿石样品的运动控制，实现对矿石的上下表面的扫描分析，每次测试产生的激光诱导等离子体光谱经过振镜反射后，进入光谱信号采集子系统进行分光与光电转换，并将采集的光谱信号传输给数据分析子系统。其中涉及的三个子系统的结构和工作步骤如下：
①分束子系统：该系统包括3个能量分束比为1:1的分束镜和1个反射镜，初始激光经过第一分束镜变换为两束能量相等的第一激光和第二激光，其中第一激光传输路径与初始激光相同，第一激光经过第一分束镜后入射至第二分束镜，再次变换为两束能量相等的第三激光和第四激光，两束激光传播路径呈90°夹角，且所构成的平面平行于样品表面所在平面，其中第二激光传输路径垂直于样品表面所在平面入射至反射镜，经过反射镜后第二激光传输路径变换为平行于初始激光传输路径，入射至第三分束镜，第二激光经第三分束镜变换为两束能量相等的第五激光和第六激光，两束激光传播路径呈90°夹角，且所构成的平面平行于样品表面所在平面，最终初始激光经3个分束镜和1个反射镜被分成4束能量相等的激光，入射至扫描与聚焦子系统。
②扫描与聚焦子系统：该系统包括4个振镜和4个聚焦镜，振镜1和2、聚焦镜1和2安装在传送带上方，振镜3和4、聚焦镜3和4安装在传送带下方。由分束子系统产生的二级反射激光1和二级透射激光1分别入射到振镜1和2，经过反射后入射到聚焦镜1和2，并聚焦到样品上表面；由分束子系统产生的二级反射激光2和二级透射激光2分别入射到振镜3和4，经过反射后入射到聚焦镜3和4，并聚焦到样品下表面。通过改变四个扫面振镜的偏置电流，调节扫描振镜的反射角，进而实现对样品上下表面的线阵扫描。其中聚焦镜1和2的高度根据样品形貌检测系统获取的样品平均高度进行调节，另外4个聚焦镜的焦距优选大于300mm，利用透镜的长焦深降低样品表面凸凹不平导致的离焦现象。当矿石样品表面凸凹不平时会产生离焦情况，大焦距透镜在离焦情况下光斑尺寸变化较小，激光的单位面积峰值功率变化较小，因此可以降低LIBS检测系统因样品离焦产生的光谱信号抖动。
③光谱信号采集子系统：该系统包括光学镜组、光纤探测器和光谱分光检测器，其中光学镜组用于收集激光诱导等离子体光谱，光纤探测器用于将矿石样品上下表面产生的四路光谱信号汇聚并传输给分光检测器，分光检测器用于将复合光变为单色光，再由检测器检测不同波长的光谱信号强度。光谱信号采集子系统各部分的详细技术方案如下：
1)光学镜组包括四个扫描振镜(与扫描与聚焦子系统共用)、四个长焦深聚焦透镜(与扫描与聚焦子系统共用)、四个打孔反射镜，首先对扫描振镜和长焦深聚焦透镜进行光学镀膜，使其可以同时反射和聚焦激光脉冲和等离子体特征光谱，等离子体特征光谱按照激光入射的反方向传输，经过长焦深聚焦透镜和扫描振镜，入射到打孔反射镜上，再由打孔反射镜将其发射进入光纤探测器，其中打孔反射镜的孔径要略大于激光光斑直径，以便脉冲激光的顺利通过。
2)光纤探测器包括一根一分四共融端子光纤、四个聚焦透镜和四个同轴机械组件构成，打孔反射镜将等离子体特征光谱平行反射到聚焦透镜，由聚焦透镜将其耦合仅一分四光纤的子端子，四路光谱信号由一分四共融端子光纤汇聚，由母端子将汇聚后的光谱信号传输给光谱分光检测器，其中每个聚焦透镜与一分四光纤的子端子通过同轴机械组件连接。
3)分光检测器包括分光器件和检测器件，分光器件用于将等离子体特征光谱的复合光进行分光，检测器件用于将光信号转化为电信号，可以分为两种方案：方案一，分光器选用滤光片，检测器件选用光电倍增管，该方案主要适用于少数特征波长光谱或者某几个带状光谱的分光与检测，具有结构简单、成本低廉、分析速度快等特点；方案二，分光器选用光栅，检测器选用CCD，该方案主要适用于对特征光谱全波段的精细分析，具有光谱检测分辨率和精度较高，但是装置结构相对复杂、成本高、分析速度较慢。
④数据分析子系统：该系统通过USB数据接口接收光谱信号采集子系统获取的光谱数据，分光检测器采用方案一时，数据分析子系统统计各个带状光谱的信号强度Ii，并与系统预先设定的带状光谱权重值fi进行乘积运算，按照以下公式计算统计结果：
比较统计结果k与系统设定的判别阈值k0，如果k>k0，认定当前样品为高品位矿石，如果k<k0，认定当前样品为低品位废石；当分光检测器采用方案二时，数据分析子系统针对不同已知品位的矿石光谱信号进行训练，基于PLS和SVM两种模式识别方法建立训练集，然后以未知矿石样品的谱图为验证集，通过统计归类的方法对矿石品位进行分类，并将分类结果与系统设定的判别阈值进行比较，高于判别阈值的样品认定为高品位矿石，低于判别阈值认定为低品位废石。另外这两种方案中均需要采集空气和传送带的背景光谱，当扫描范围出现偏差时，激光会击穿空气或传送带获取到非矿石样品光谱信号，通过与背景光谱的相似度比对判别当前光谱是否为有效光谱，可以有效的避免光谱信号的干扰。
(5)机械分选系统包括两个电磁开关、一个机械转动挡板和两个矿石收集槽，机械分选系统根据矿石样品LIBS检测结果，控制两个电磁开关的通短，将矿石样品分别输送到高品位矿石收集槽和低品位废石收集槽，完成矿石的分选工作。
(6)测控系统主要为粉碎机、传送装置、样品形貌检测系统、LIBS检测系统和机械分选系统提供控制信号，实现本发明上述装置同步工作。
附图说明
图1为本发明装置整体结构示意图；
图2为本发明样品形貌检测系统的工作原理示意图；
图3为本发明LIBS检测系统装置示意图；
图4为LIBS检测装置光谱采集光学传输方案设计；
图5为同轴光纤探测器结构示意图；
图6为本发明机械分选系统示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明的具体实施例，并通过实施例对本发明作进一步的具体描述。有必要在此指出，下面的实施例只是用于更好地阐述本发明的工作原理及其实际应用，以便于其它领域的技术人员将本发明用于其领域的各种设施中，并根据各种特定用途的设想进行改进。尽管本发明已通过文字揭露其首选实施方案，但通过阅读这些技术文字说明可以领会其中的可优化性和可修改性，并在不偏离本发明的范围和精神上进行改进，但这样的改进应仍属于本发明权利要求的保护范围。
实施例
本实施例用于测量吉林磐石红旗岭镍矿镍元素含量，并根据测量结果对不同品位的矿石进行分选，其结构框图如图1所示，具体的分选过程分为以下八个步骤：
第一步：将大块的矿石送入粉碎机1进行破碎，然后利用过滤器2对破碎后矿石的形状和体积进行筛选，体积适中的矿石直接进入传送带3准备检测。
第二步：传送带3将矿石样品运送到样品形貌检测系统4的检测区域内，如图2所示，线性激光投影仪4-1将一条狭窄的光带4-4投影到矿石样品4-3，在表面呈现出扭曲的曲线，在非投影器的观察视角下由摄像机4-2采集矿石样品图像4-6，并传输给数据处理中心4-5对图像进行分析处理。
第三步：数据处理中心4-5根据采集矿石样品图像4-6，对矿石样品表面的几何结构进行精确重建，获得矿石样品各点在Z轴方向上的高度hxy，计算样品的平均高度h0；获取样品图像垂直视角下的边缘像素点，将行x值相等的边缘像素点归并到一个集合Xi{yij}，在每个集合中选取y值极小值yimin和极大值yimax作为线性扫描范围的起始点和终止点。
第四步：，LIBS检测系统根据第三步计算的h0调整样品上表面的聚焦镜5-7和5-8的距离传送带的高度h＝f+h0-Δd，其中f为聚焦镜焦距，Δd为透镜焦点在样品下方的调节距离，其有益效果在于尽可能降低因样品表面凸凹不平导致的离焦情况；根据第三步计算的集合Xi{yij}，设置振镜的扫描范围，当激光聚焦到第i列时，振镜扫描范围为{yimin，yimax}，扫描精度为单个像素点的整数倍。
第五步：矿石样品被传送带运送到LIBS检测系统检测区域内，如图3所示，激光器(5-1)发射激光(频率20Hz，波长1064nm，单脉冲能量200mJ)，激光经过分束镜1(5-2)变换为两束能量相等的第一激光和第二激光，所述的第一激光经过分束镜2(5-3)再次变换为两束能量相等的第三激光和第四激光，所述的第三和第四激光分别入射至振镜1(5-5)和振镜2(5-6)上，根据第四步计算的振镜扫描范围为{yimin，yimax}，控制振镜的偏转电流，进而改变激光入射到样品表面的角度，所述的第三和第四激光经过振镜反射后，再分别经过聚焦镜1(5-7)和聚焦镜2(5-8)聚焦到矿石样品上表面，产生等离子体。同理，第二激光被反射镜(5-4)反射到分束镜，经过分束镜3(5-9)变换为第五和第六激光，所述的第五和第六激光分别入射至振镜3(5-11)和振镜4(5-10)上，根据第四步计算的振镜扫描范围为{yimin，yimax}，控制振镜的偏转电流，进而改变激光入射到样品表面的角度，所述的第五和第六激光经过振镜反射后，再分别经过聚焦镜3(5-12)和聚焦镜4(5-13)聚焦到矿石样品下表面，产生等离子体。
第六步：预先对图3的4个振镜镜(5-5、5-6、5-10、5-11)进行镀膜处理，对于200-950nm和1064nm反射响应效率大于97％；预先对图3的4个聚焦镜(5-7、5-8、5-12、5-13)进行镀膜处理，对于200-950nm和1064nm聚焦透射效率大于95％。以图3中一路激光扫描与聚焦光路为例，说明激光诱导等离子体采集过程，如图4所示，等离子体发射光谱经过聚焦镜5-7变成平行光，再经过振镜5-5反射至打孔反射镜5-15，经过打孔反射镜5-15后平行入射至光纤探头5-16，如图5所示，光纤探头5-16中的聚焦透镜5-16-1由压板5-16-2和两个支撑块5-16-3固定，等离子体发射光谱的平行光经过聚焦透镜5-16-1，聚焦到光纤耦合接头5-16-4，经光纤5-16-5传输至分光检测器5-17进行检测，方案一：当检测少数特征波长光谱或者某几个带状光谱时，分光器选用滤光片，检测器件选用光电倍增管；方案二：当进行全光谱精细检测时，分光器选用光栅，检测器选用CCD。
第七步：数据分析系统通过USB数据接口接收光谱信号采集子系统获取的光谱数据，分光检测器采用方案一时，数据分析子系统统计各个带状光谱的信号强度Ii，并与系统预先设定的带状光谱权重值fi进行乘积运算，按照以下公式计算统计结果：
比较统计结果k与系统设定的判别阈值k0，如果k>k0，认定当前样品为高品位矿石，如果k<k0，认定当前样品为低品位废石；当分光检测器采用方案二时，数据分析子系统针对不同已知品位的矿石光谱信号进行训练，，通过对海量光谱数据的计算与特征提取，基于PLS和SVM两种模式识别算法构建不同种类样品的训练集，为实际应用中的样品快速分类识别提供数学模型与判别依据，然后以未知矿石样品的谱图为验证集，通过统计归类的方法对矿石品位进行分类，并将分类结果与系统设定的判别阈值进行比较，高于判别阈值的样品认定为高品位矿石，低于判别阈值认定为低品位废石。另外这两种方案中均需要采集空气和传送带的背景光谱，当扫描范围出现偏差时，激光会击穿空气或传送带获取到非矿石样品光谱信号，通过与背景光谱的相似度比对判别当前光谱是否为有效光谱，可以有效的避免光谱信号的干扰。
第八步：当前样品判定为低品位废石时，测控系统7发出控制信号，控制分选系统6-1电磁体通电，电磁铁6-1具备磁性，挡板6-3与电磁铁6-1闭合，此时矿石样品落入废石收集槽6-5；当前样品判定为高品位矿石时，测控系统7发出控制信号，控制分选系统6-2电磁体通电，电磁铁6-2具备磁性，挡板6-3与电磁铁6-2闭合，此时矿石样品落入矿石收集槽6-4，完成矿石样品的分选。
Claims (12)
1.一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)首先将原始矿石经过破碎和过滤，对矿石体积进行筛选；2)传送带上运输的矿石样品在进行LIBS检测之前，需要利用激光投影法检测样品的外观形貌，根据所获取的样品高度信息调节LIBS检测系统中聚焦透镜的高度，根据所获取的样品轮廓信息调节LIBS检测系统中扫描振镜的扫描范围；3)LIBS检测装置将一束高能量脉冲激光分成能量相等的四束激光，其中每两束激光为一组，分别用于样品上表面和下表面的分析，单束激光经过扫描振镜和聚焦透镜对样品进行线阵扫描和聚焦，获取样品原子发射光谱信号；4)针对获取的光谱信号利用权值判定方法或模式识别方法进行数据处理，判断样品矿物含量属性。
2.一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，该装置包括：矿石粉碎机(1)、过滤器(2)、传送装置(3)、样品形貌检测系统(4)、LIBS检测系统(5)、机械分选与矿石收集系统(6)及测控系统(7)，其中矿石粉碎机(1)将矿石粉碎成小块矿石，经过滤器(2)对矿石形状进行筛选后，在传送装置(3)的运送下，经过样品形貌检测系统(4)获取矿石样品表面特征，再经过LIBS检测系统(5)获取矿石样品矿物含量信息，根据矿物含量信息由机械分选与矿石收集系统(6)对矿石进行分选，测控系统(7)在矿石分选过程中负责对装置各功能部件进行统一协调控制；样品形貌检测系统(4)基于激光投影法采集样品上表面形貌信息；LIBS检测系统(5)具有激光分束、振镜扫描、多路光谱信号原位采集以及基于模式识别技术的数据分析功能，可以实现对矿石样品表面的快速、准确的面阵扫描分析。
3.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的传送装置(3)由两条传送带组成，两条传送带之间的间隔可调整为不会使矿石样品掉落，且当样品通过两条传送带之间的缝隙时，会裸露出下表面，用于LIBS检测系统对矿石下表面的分析。
4.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的样品形貌检测系统(4)包括激光投影仪、CCD相机和数据处理系统，激光投影仪将一条狭窄光带投影到样品表面，在样品表面呈现出与样品形貌相关的曲线，利用CCD相机采集该曲线的数字图像，再经过数字处理系统对采集的数字图像进行分析，获取样品表面形貌信息。
5.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的LIBS检测系统(5)包括分束子系统、扫描与聚焦子系统、光谱信号采集子系统和数据分析子系统。
6.根据权利要求5所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的分束子系统包括3个能量分束比为1:1的分束镜和1个反射镜，初始激光经过第一分束镜变换为两束能量相等的第一激光和第二激光，其中第一激光传输路径与初始激光相同，第一激光经过第一分束镜后入射至第二分束镜，再次变换为两束能量相等的第三激光和第四激光，两束激光传播路径呈90°夹角，且所构成的平面平行于样品表面所在平面，其中第二激光传输路径垂直于样品表面所在平面入射至反射镜，经过反射镜后第二激光传输路径变换为平行于初始激光传输路径，入射至第三分束镜，第二激光经第三分束镜变换为两束能量相等的第五激光和第六激光，两束激光传播路径呈90°夹角，且所构成的平面平行于样品表面所在平面，最终初始激光经3个分束镜和1个反射镜被分成4束能量相等的激光，入射至扫描与聚焦子系统。
7.根据权利要求5所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的扫描与聚焦子系统包括4组扫描聚焦光路，每组光路由1个扫描振镜和1个聚焦镜组成，其中扫描振镜通过改变偏置电流，调节扫描振镜的反射角，实现对样品表面的线阵扫描。
8.根据权利要求5所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的光谱信号采集子系统包括4组光路，每组光路包括聚焦镜、扫描振镜、打孔反射镜和光纤探头，特征光谱以点光源形式向外发射，入射至聚焦镜变换为平行光，平行光入射至打孔反射镜改变传输光路并入射至光纤探头；4组光路的光纤探头连接4路光纤，4路光纤通过熔接汇聚成1路光纤，并接入分光检测器用于探测特征光谱信号；分光检测器可以选用以下两种方案之一或组合：方案一，分光器选用滤光片，检测器件选用光电倍增管；方案二，分光器选用光栅，检测器选用CCD。
9.根据权利要求8所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的数据分析子系统通过USB数据接口接收光谱信号采集子系统获取的光谱数据，分光检测器采用方案一时，数据分析子系统统计各个带状光谱的信号强度Ii，并与系统预先设定的带状光谱权重值fi进行乘积运算，按照以下公式计算统计结果：
比较统计结果k与系统设定的判别阈值k0，如果k>k0，认定当前样品为高品位矿石，如果k<k0，认定当前样品为低品位废石；当分光检测器采用方案二时，数据分析子系统针对不同已知品位的矿石光谱信号进行训练，基于PLS和SVM两种模式识别方法建立训练集，以未知矿石样品的谱图为验证集，通过统计归类的方法对矿石品位进行分类，并将分类结果与系统设定的判别阈值进行比较，高于判别阈值的样品认定为高品位矿石，低于判别阈值认定为低品位废石。
10.根据权利要求5所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的数据分析子系统具备背景扣除功能，首先采集空气和传送带的背景光谱，当扫描范围出现偏差时，激光会击穿空气或传送带获取到非矿石样品光谱信号，通过与背景光谱的相似度比对判别当前光谱是否为有效光谱，避免光谱信号的干扰。
11.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的机械分选系统包括两个电磁开关、一个机械转动挡板和两个矿石收集槽，机械分选系统根据矿石样品LIBS检测结果，控制两个电磁开关的通断，将矿石样品分别输送到高品位矿石收集槽和低品位废石收集槽。
12.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的测控系统主要为粉碎机、传送装置、样品形貌检测系统、LIBS检测系统和机械分选系统提供控制信号，实现同步工作。
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