CN116297320B - 用于煤质分析的近红外光谱系统及煤质分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供用于煤质分析的近红外光谱系统及煤质分析方法，近红外光谱系统包括光源、同轴光路、积分球和光谱仪，所述积分球包括光源入口、样品反射口和漫反射光出口，所述同轴光路设置在光源与积分球之间且与积分球同轴，所述同轴光路与光源的距离及所述同轴光路与所述积分球的距离设置为光源发出的光从光源入口进入后不经过积分球直接漫反射而是先照射在样品反射口的样品上，所述积分球的样品反射口和漫反射光出口的相对位置设置为样品的反射光在积分球内多次漫反射后通过漫反射光出口进入光谱仪，所述光谱仪用于生成样品的光谱数据。本发明光谱仪后置，方便根据样品信号强度的不同更换不同的光源，结构紧凑，体积小，光强度高，信噪比高。
Description
技术领域
本发明涉及煤质分析技术领域，具体涉及用于煤质分析的近红外光谱系统及煤质分析方法。
背景技术
近红外光谱技术作为一种快速、无损检测技术在很多领域得到越来越广泛的重视。现有技术中常用的两种近红外光谱仪如图1所示，一种是基于光栅的近红外光谱仪，光源发出的光经过样品吸收后，剩余的光经过光谱仪中的衍射光栅分光衍射，通过检测器接收后经数据处理后获得光谱，虽然基于光栅的近红外光谱仪抗干扰能力好，但是精度低，信噪比低，光源与衍射光栅之间，衍射光栅与检测器之间通常采用光纤进行光传播，造成光信号衰减，另一种是基于傅里叶变换的近红外光谱仪，光源发出的光被干涉仪的分束器分为两束，一束经透射到达干涉仪的动镜，另一束经反射到达干涉仪的定镜，两束光分别经定镜和动镜反射再回到分束器，动镜以一恒定速度作直线运动，因而经分束器分束后的两束光形成光程差，产生干涉。干涉光在分束器会合后通过样品池，通过样品后含有样品信息的干涉光到达检测器，然后通过傅里叶变换对信号进行处理，最终得到透过率或吸光度随波数或波长的近红外吸收光谱图。
现有技术基于傅里叶变换的近红外光谱仪有以下问题：
第一，光源与干涉仪是一体的，光源发出的光先经过干涉仪干涉之后才通过样品，光源和干涉仪固定设置，当样品信号强度过低时，无法对光源更换成高功率的光源，因此如果要改变光源，需要对干涉仪的镜片之间位置进行调整，甚至要更换成其他参数的镜片；
第二，光源与干涉仪之间，干涉仪与检测器之间采用离轴抛物镜进行光路变换，光转换效率低，体积大。
发明内容
针对现有技术存在问题中的一个或多个，本发明提供一种用于煤质分析的近红外光谱系统，包括光源、同轴光路、积分球和光谱仪，所述积分球包括光源入口、样品反射口和漫反射光出口，所述同轴光路设置在光源与积分球之间且与积分球同轴，所述同轴光路与光源的距离及所述同轴光路与所述积分球的距离设置为光源发出的光从光源入口进入后不经过积分球直接漫反射而是先照射在样品反射口的样品上，所述积分球的样品反射口和漫反射光出口的相对位置设置为样品的反射光在积分球内多次漫反射后通过漫反射光出口进入光谱仪，所述光谱仪用于生成样品的光谱数据。
根据本发明的一个方面，所述同轴光路包括第一准直透镜和第一汇聚透镜，所述第一准直透镜用于将光源发出的光变成平行光束，所述第一汇聚透镜用于将第一准直透镜射出的平行光束通过光源入口直接汇聚到样品反射口；
优选地，第一准直透镜的准直焦距越小，所述第一准直透镜与光源距离越小，经过第一准直透镜的平行光束的光强度越高；
优选地，所述第一汇聚透镜与第一准直透镜的距离设置为经过第一准直透镜准直的平行光束完全通过积分球的光源入口且充满样品反射口；
进一步优选地，所述第一汇聚透镜位于积分球的光源入口。
根据本发明的一个方面，所述积分球的光源入口、样品反射口和漫反射光出口的直径依次减小；所述积分球的光源入口越小，积分球均匀度越高；所述积分球的直径越小，积分球的光效率越高；
优选地，所述积分球的直径是光源入口直径的三倍；
优选地，所述积分球的内壁上镀金，进一步优选地，所述镀金的厚度为2-12微米，更进一步优选地，所述镀金的厚度为10微米。
根据本发明的一个方面，所述积分球还包括挡光板，所述挡光板用于增加样品的反射光在积分球内的漫反射次数；
优选地，所述挡光板的一端固定于漫反射光出口朝向样品反射口的积分球内壁上，所述挡光板的另一端相对于积分球内壁倾斜呈沿漫反射光出口光轴线方向的锐角。
根据本发明的一个方面，所述挡光板的另一端呈凹形圆弧，所述凹形圆弧的弧度设置为使得靠近漫反射光出口的样品反射口的一端的反射光不从漫反射光出口射出且使得远离漫反射光出口的样品反射口的另一端的反射光能够不通过挡光板直接反射到漫反射光出口下方的积分球内壁上。
根据本发明的一个方面，所述光谱仪包括干涉仪、检测器和数据处理模块，所述干涉仪与所述积分球的漫反射光出口相对应，积分球射出的漫反射光通过干涉仪产生衍射，所述检测器用于将衍射转换为电信号，所述数据处理模块用于将电信号转换成光谱数据；
优选地，所述光谱仪还包括第二准直透镜，所述干涉仪包括动镜、分束镜和定镜，所述第二准直透镜用于将积分球从漫反射光出口射出的漫反射光变成平行光束，所述分束镜用于将平行光束分成两束，两束光经定镜和动镜反射后返回到分束器再次相遇，形成干涉光束，干涉光束汇聚到检测器，动镜沿入射光方向的运动改变两条不同路径反射光束之间的光程差，产生时间序列干涉信号，检测器接收干涉信号并将之转化为电信号输出。
根据本发明的一个方面，还包括第二汇聚透镜，所述第二汇聚透镜设置在积分球的漫反射光出口和光谱仪的入口之间，用于将积分器的漫反射光出口射出的漫反射光汇聚到光谱仪的入口。
根据本发明的一个方面，还包括窗片，所述窗片设置在所述样品反射口上方。
根据本发明的另一个方面，提供一种煤质分析的方法，包括：
光源发出的光通过同轴光路进入积分球，不与积分球的内壁发生漫反射直接照射在样品上；
样品的反射光经过积分球多次漫反射后进入光谱仪，产生衍射，生成光谱数据。
本发明光路依次经过光源-积分球的光源入口-积分球的样品反射口-积分球的漫反射光出口，光源发出的光是依次经过样品反射和积分球内多次漫反射才通过光谱仪衍射的，相较于现有技术具有以下优点：光源和光谱仪是分开的，方便根据样品信号强度的不同更换不同的光源；省去了离轴抛物镜，体积减小；相较于通过光纤进入光谱仪，空间光更加稳定、空间光通过积分球直接进入光谱仪，提高了信噪比；防止了光源发出的光在积分球漫反射后才进行样品反射甚至光源发出的光经过积分球漫反射后不经过样品反射直接进入光谱仪的情形，从而杜绝了上述情形产生的杂散光对光谱数据的影响，提高了信噪比。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术近红外光谱仪的示意图；
图2是本发明所述用于煤质分析的近红外光谱系统一个实施例的示意图；
图3是本发明所述用于煤质分析的近红外光谱系统一个实施例的立体的示意图；
图4是本发明所述积分球一个实施例的立体示意图；
图5是本发明所述积分球中挡光板设置位置的示意图；
图6是本发明所述挡光板的一个实施例的示意图；
图7是本发明积分球与现有技术积分球的坐标对比图；
其中，1-光源；2-同轴光路，21-第一准直透镜，22-第一汇聚透镜；3-积分球，31-光源入口，32-样品反射口，33-漫反射光出口，34-挡光板；4-窗片；5-第二汇聚透镜；6-光谱仪，61-第二准直透镜，62-干涉仪，621-分束镜，622-动镜，623-定镜，63-检测器，64-数据处理模块，65-数据接口。
具体实施方式
在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
图2是本发明用于煤质分析的近红外光谱系统的一个实施例的示意图，图3是本发明所述用于煤质分析的近红外光谱系统的一个实施例的立体示意图，如图2和图3所示，所述用于煤质分析的近红外光谱系统包括光源1、同轴光路2、积分球3和光谱仪6，所述积分球3包括光源入口31、样品反射口32和漫反射光出口33，所述同轴光路2设置在光源1与积分球3之间且与积分球3同轴，所述同轴光路2与光源1的距离及所述同轴光路与所述积分球3的距离设置为光源1发出的光从光源入口31进入后不经过积分球3直接漫反射而是先照射在样品反射口32的样品上，所述积分球3的样品反射口32和漫反射光出口33的相对位置设置为样品的反射光在积分球3内多次漫反射后通过漫反射光出口33进入光谱仪6，所述光谱仪6用于生成样品的光谱数据。
上述光谱数据包括波数或波长及其对应的样品的吸光度。
上述用于煤质分析的近红外光谱系统光源1先经过同轴光路2进入积分球3经过样品反射后在积分球3内壁经过多次漫反射才被光谱仪6接收，光源1和光谱仪6是分开的，方便根据样品信号强度的不同更换不同的光源，例如分析样品信号低的样品时，采用大功率的光源1；分析样品信号强的样品时，采用小功率的光源1。
上述用于煤质分析的近红外光谱系统的积分球3漫反射后的光直接进入光谱仪6，相对于通过光纤进入光谱仪6，空间光更加稳定、信噪比更高。
上述用于煤质分析的近红外光谱系统的光源1发出光经过同轴光路2后汇聚到样品反射口32的样品上，样品的反射光在积分球3内多次漫反射后才进入光谱仪6，防止了光源1发出的光在积分球3漫反射后才通过样品反射甚至光源1发出的光经过积分球3漫反射后不经过样品反射直接进入光谱仪6的情形，从而杜绝了上述情形产生的杂散光对光谱数据的影响，提高了信噪比。
本发明光源1连接同轴光路2，同轴光路2连接积分球3下端，积分球3上端连接样品，积分球3侧端连接光谱仪6，结构紧凑，体积小。
在一个实施例中，如图2所示，上述近红外光谱系统还包括第二汇聚透镜5，所述第二汇聚透镜5设置在积分球3的漫反射光出口33和光谱仪6的入口之间，用于将积分器的漫反射光出口33射出的反射光汇聚到光谱仪6的入口。
上述第二汇聚透镜5的焦距越小越好，第二汇聚透镜5的焦距越小，第二汇聚透镜5与光谱仪6之间的距离越近，越有利于上述近红外光谱系统的小型化。
在一个实施例中，上述近红外光谱系统还包括窗片4，所述窗片4设置在所述样品反射口32的上方，将光源1经过同轴光路2汇聚后的光束投射到样品。
优选地，所述窗片4可旋转的安装在所述样品反射口32。
如图2所示，本发明所述同轴光路2包括第一准直透镜21和第一汇聚透镜22，所述第一准直透镜21用于将光源1发出的光变成平行光束，所述第一汇聚透镜22用于将第一准直透镜21射出的平行光束通过光源入口31直接汇聚到样品反射口32。
第一准直透镜21的准直焦距越小，所述第一准直透镜21与光源1距离越小，经过第一准直透镜21的平行光束的光强度越高。
在一个实施例中，所述第一汇聚透镜22与第一准直透镜21的距离设置为经过第一准直透镜21准直的平行光束完全通过积分球3的光源入口31且充满样品反射口32；
优选地，所述第一汇聚透镜22位于积分球3的光源入口31。
图4是本发明所述积分球一个实施例的立体示意图，如图4所示，所述积分球3具有光源入口31、样品反射口32和漫反射光出口33三个光口，积分球3关键指标有光效率、反射率和均匀度，光口的大小与均匀度有密切关系，光口的直径越大均匀度越差，积分球3的直径与光效率有关，积分球3的直径越大光效率越低，积分球3的直径越小光效率越高。
既要保证良好的均匀度，又要保证样品的信号强度，在一个优选实施例中，所述光源入口31的直径在第一汇聚透镜22的焦距-（0-0.5mm）范围内，所述样品反射口32的直径在光源入口31的直径-（1-5mm）范围内，所述漫反射光出口33的直径在样品反射口32直径的0.4-0.6倍的范围内，积分球3的直径为光源入口31的直径的3-4倍。
优选地，用于煤质分析时，第一汇聚透镜22位于积分球3的光源入口31，所述光源入口31的直径为第一汇聚透镜22的焦距-0.4mm，所述样品反射口32的直径为光源入口31的直径-5mm，所述漫反射光出口33的直径在样品反射口32直径的0.5倍，积分球3的直径为光源入口31的直径的3倍，光源1的光信号最强、煤的信号强度最强且积分球3的均匀度最好。
如图5所示，积分球3还包括挡光板34，挡光板34设置在漫反射光出口33上方，所述挡光板34用于增加样品的反射光在积分球3内的漫反射次数。
在一个实施例中，所述挡光板34的一端固定于漫反射光出口33朝向样品反射口32的积分球3内壁上，所述挡光板34的另一端相对于积分球3内壁倾斜呈沿漫反射光出口33光轴线方向的锐角。
在一个实施例中，如图5和图6所示所述挡光板34的另一端呈凹形圆弧，所述凹形圆弧的弧度设置为使得靠近漫反射光出口33的样品反射口32的一端的反射光不从漫反射光出口33射出且使得远离漫反射光出口33的样品反射口32的另一端的反射光能够不通过挡光板34直接反射到漫反射光出口33下方的积分球3内壁上。
积分球的反射率与涂层材质和涂层厚度有关系，传统积分球内壁涂渡聚四氟乙烯或硫酸钡材料，如图7所示，聚四氟乙烯材料在2000-2500nm区间有吸收，硫酸钡材料在2000-2500nm区间也有吸收，而煤质光谱特征信息峰主要位于1600-2500，因此本发明所述积分球的内壁上镀金，能够使煤质光谱信息表现得更为准确，有助于提高检测分析精度。
在一个实施例中，所述积分球为铜球，内壁镀金，金需要均匀镀在铜球的内壁且不能太厚，镀金的厚度太厚，成本高，反射率并未能提高，镀金的厚度太薄，积分球的均匀度差，反射率低，优选地，所述镀金的厚度为2-12微米，更进一步优选地，所述镀金的厚度为10微米。
在一个实施例中，如图1所示，所述光谱仪6包括干涉仪62、检测器63和数据处理模块64，所述干涉仪62与所述积分球3的漫反射光出口33相对应，积分球3射出的漫反射光通过干涉仪62产生衍射，所述检测器63用于将衍射转换为电信号，所述数据处理模块64用于将电信号转换成光谱数据。
上述光谱数据包括波数或波长及其对应的样品的吸光度。上述数据处理模块64还可以光谱数据转换为光谱，例如，以波长为横坐标，吸光度为纵坐标的分子光谱，分子光谱可以用于煤质分析，例如，分析表征煤质的参数（发热量、挥发份、固定碳、水分、灰分、硫含量、颗粒度等），分子光谱越准确，煤质分析才能越准确。
优选地，所述光谱仪6还包括数据接口65，所述数据接口65用于将光谱数据对外传输。
在一个实施例中，所述光谱仪6还包括第二准直透镜61，所述干涉仪62包括动镜622、分束镜621和定镜623，所述第二准直透镜61用于将积分球3从漫反射光出口33射出的反射光变成平行光束，所述分束镜621用于将平行光束分成两束，两束光经定镜623和动镜622反射后返回到分束器再次相遇，形成干涉光束，干涉光束汇聚到检测器63，动镜622沿入射光方向的运动改变两条不同路径反射光束之间的光程差，产生时间序列干涉信号，检测器63接收干涉信号并将之转化为电信号输出。
本发明光源1发出的光先经过同轴光路2进入积分球3经过样品反射后经过积分球3多次漫反射才进入干涉仪62，光源1与干涉仪62是完全分开的，方便根据样品信号强度的不同调整光源功率。
本发明的干涉仪62后置，光源1发出的光经过样品反射后经过积分球3多次漫反射之后直接进入干涉仪62，省去了光源1与干涉仪62之间，干涉仪62与检测器63之间的离轴抛物镜，体积减小。
本发明还提供一种煤质分析的方法，包括：
光源发出的光通过同轴光路进入积分球，不与积分球的内壁发生漫反射直接照射在样品上；
样品的反射光经过积分球多次漫反射后进入光谱仪，产生衍射，生成光谱数据。
上述为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，包括光源、同轴光路、积分球、第二汇聚透镜和光谱仪，所述第二汇聚透镜设置在积分球的漫反射光出口和光谱仪的入口之间，所述积分球包括光源入口、样品反射口和漫反射光出口，所述同轴光路设置在光源与积分球之间且与积分球同轴，所述同轴光路包括第一准直透镜和第一汇聚透镜，所述第一准直透镜用于将光源发出的光变成平行光束，所述第一汇聚透镜用于将第一准直透镜射出的平行光束通过光源入口直接汇聚到样品反射口，所述同轴光路与光源的距离及所述同轴光路与所述积分球的距离设置为光源发出的光从光源入口进入后不经过积分球直接漫反射而是先照射在样品反射口的样品上，所述积分球的样品反射口和漫反射光出口的相对位置设置为样品的反射光在积分球内多次漫反射后通过漫反射光出口经过第二汇聚透镜汇聚到光谱仪；所述光谱仪用于生成样品的光谱数据；所述光谱仪包括干涉仪、检测器和数据处理模块，所述干涉仪与所述积分球的漫反射光出口相对应，干涉仪后置，积分球射出的漫反射光通过干涉仪产生干涉，所述检测器用于将干涉转换为电信号，所述数据处理模块用于将电信号转换成光谱数据；
其中，所述积分球的光源入口、样品反射口和漫反射光出口的直径依次减小，所述光源入口的直径在第一汇聚透镜的焦距-（0-0.5mm）范围内，所述样品反射口的直径在光源入口的直径-（1-5mm）范围内，所述漫反射光出口的直径在样品反射口直径的0.4-0.6倍的范围内，积分球的直径为光源入口的直径的3-4倍。
2.根据权利要求1所述的用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，所述第一汇聚透镜与第一准直透镜的距离设置为经过第一准直透镜准直的平行光束完全通过积分球的光源入口且充满样品反射口。
3.根据权利要求1所述的用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，所述第一汇聚透镜位于积分球的光源入口。
4.根据权利要求1所述的用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，所述积分球还包括挡光板，所述挡光板用于增加样品的反射光在积分球内的漫反射次数。
5.根据权利要求4所述的用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，所述挡光板的一端固定于漫反射光出口朝向样品反射口的积分球内壁上，所述挡光板的另一端相对于积分球内壁倾斜呈沿漫反射光出口光轴线方向的锐角。
6.根据权利要求5所述的用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，所述挡光板的另一端呈凹形圆弧，所述凹形圆弧的弧度设置为使得靠近漫反射光出口的样品反射口的一端的反射光不从漫反射光出口射出且使得远离漫反射光出口的样品反射口的另一端的反射光能够不通过挡光板直接反射到漫反射光出口下方的积分球内壁上。
7.根据权利要求1所述的用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，所述光谱仪还包括第二准直透镜，所述干涉仪包括动镜、分束镜和定镜，所述第二准直透镜用于将积分球从漫反射光出口射出的漫反射光变成平行光束，所述分束镜用于将平行光束分成两束，两束光经定镜和动镜反射后返回到分束器再次相遇，形成干涉光束，干涉光束汇聚到检测器，动镜沿入射光方向的运动改变两条不同路径反射光束之间的光程差，产生时间序列干涉信号，检测器接收干涉信号并将之转化为电信号输出。
8.根据权利要求1所述的用于煤质分析的近红外光谱系统，其特征在于，还包括窗片，所述窗片设置在所述样品反射口上方。
9.一种利用权利要求1-8中任一所述近红外光谱系统进行煤质分析的方法，其特征在于，包括：
光源发出的光通过同轴光路进入积分球，不与积分球的内壁发生漫反射直接照射在样品上；
样品的反射光经过积分球多次漫反射后进入光谱仪，产生干涉，生成光谱数据。
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