CN207850927U - 一种基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，包括：脉冲激光器，光路模块，光纤，光谱采集模块，数据分析模块，控制器；所述光路模块通过所述光纤连接所述光谱采集模块；所述光谱采集模块连接所述数据分析模块；所述脉冲激光器、光谱采集模块、数据分析模块均与所述控制器电性连接；所述脉冲激光器产生脉冲激光；所述脉冲激光通过所述光路模块垂直作用于样品表面。本实用新型提供的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，能够实时、快速、精确地检测出样品中特定成分的含量，获取样品特性，从而及时指导配料生产。

Description

一种基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统

技术领域

本实用新型属于激光光谱分析技术领域，尤其涉及一种基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统。

背景技术

随着工业技术的不断升级以及节能环保需求的提高，我国在能源以及建筑材料等领域对煤炭、水泥的使用量仍然巨大，这对煤的质量、燃烧效率、以及水泥质量的控制提出了更高的要求。我国供热和发电用煤的种类来源广泛，煤质特性复杂。而热值、灰分、挥发份、含水量等是煤质评价的重要指标，因此，对煤质进行快速、准确地测量对电厂燃煤锅炉的优化燃烧和日常运行的经济效益至关重要。

在煤质分析中，传统的方法需要对原煤取样后进行离线分析等流程，操作复杂，分析周期长(一般要几个小时)，因此化验结果报出滞后于锅炉燃烧，指导生产时间落后，不利于机组的及时优化和控制，影响了资源节约和减排。由于传统分析方法中人工采样是煤质检查操作中的某一时间点，因此无法实时控制全部产品质量。此种情况同样存在于我国水泥生产行业。水泥是建筑施工中被广泛应用的基础性材料。石灰、黏土等主要原燃材料经过破碎、磨细之后，配比制作为生料，再经过加入煤粉经水泥窖煅烧之后，形成熟料，最后加入石膏磨细形成水泥。其中水泥生料配比的控制，直接影响熟料的烧成以及水泥的质量。面对来料的差异，需要随时检测出磨生料的元素含量，以便及时调整配料比例，才能够保证水泥产品的质量。比如在水泥生产过程中要求快速计算出石灰饱和系数(KH)、硅酸率(n)和铝氧率(p),以保持水泥生料配制的合理与稳定。这是生产高质量水泥的基础,也是节能减排的重要手段。我国的许多水泥生产企业多采用传统的化学抽样分析方法来获得这些参数。化学分析方法检测速度慢,不能及时指导配料生产。而且常规水泥检测中不可避免的人为因素对检测结果也会造成影响。

考虑以上因素，采用先进、快速、可靠的实时有效检测手段，用于燃煤领域，使检测结果直接反馈到锅炉燃烧运行控制中心，根据煤质变化及时调整锅炉燃烧过程，可有效指导锅炉燃烧优化运行，对于提高能源利用效率、降低燃煤污染有十分重要的意义；在水泥生料配料过程中，及时反馈原料配比信息，在提高产品质量方面同样具有重要的应用价值。

近年来在上述两个领域出现了一些煤质分析仪、以及水泥在线分析仪。这些仪器主要是基于X射线荧光光谱分析技术和基于γ射线技术以及中子活化分析技术。X射线荧光光谱分析法速度慢，滞后时间相对较长，一般分析原子序数大于22的元素更有效，而且受煤的种类、水泥原材料差异的影响，运行期间需要定期校正，有时分析精度不够理想。中子活化分析技术中γ射线对辐射防护要求高，双能γ射线投射法测量精度受重成灰矿物含量波动的影响较大，误差较大。这类设备的投资大，维护困难且不易标定，在实际应用中存在困难。

实用新型内容

本实用新型旨在提供一种基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，能够实时、快速、精确地检测出样品中特定成分的含量，获取样品特性，从而及时指导配料生产。

为达到上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型公开的一种基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，包括：脉冲激光器，光路模块，光纤，光谱采集模块，数据分析模块，控制器；所述光路模块通过所述光纤连接所述光谱采集模块；所述光谱采集模块连接所述数据分析模块；所述脉冲激光器、光谱采集模块、数据分析模块均与所述控制器电性连接；所述脉冲激光器产生的脉冲激光通过所述光路模块垂直作用于样品表面。

进一步地，还包括：原料调配系统；所述原料调配系统与所述控制器电性连接。

优选地，所述光路系统包括：扩束镜组，二向色镜，第一聚焦透镜，第二聚焦透镜，耦合透镜；所述扩束镜组正对所述脉冲激光器的出光口；所述二向色镜位于所述扩束镜组的后方，二向色镜与扩束镜组同轴，二向色镜与扩束镜组之间的夹角为45°；所述第一聚焦透镜位于所述二向色镜的一侧，所述第二聚焦透镜位于所述二向色镜的另一侧，且第一聚焦透镜、二向色镜、第二聚焦透镜同轴；所述第一聚焦透镜、第二聚焦透镜均垂直于所述扩束镜组；所述二向色镜的反射光线通过所述第一聚焦透镜聚焦；所述第二聚焦透镜的出射光线通过所述耦合透镜耦合进所述光纤。

进一步地，所述第一聚焦透镜与所述样品之间设置有保护镜。

优选地，所述数据分析模块包括：光谱分析模块和多变量非线性回归定量分析模块。

优选地，所述光谱采集模块为光谱仪。

本实用新型提供的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，利用了激光诱导击穿光谱可直接作用于固体样品表面的技术优势，通过将光路系统设计为反射镜辅助的同轴接收光谱的方式，将脉冲激光引导至传送带上匀速运动的样品上，并垂直作用于样品表面，在样品表面产生的激光诱导等离子体光谱经过同轴的光路系统采集并耦合至光纤，由光纤传输至光谱采集模块中进行记录并输出给数据分析模块。数据分析模块根据采集到的光谱，计算出与样品特性相关的参数，例如，煤粉的热值、挥发份、含灰值，或者水泥生料配比的元素含量等。通过这些参数，可有效、及时地指导配料生产。与现有的采用人工采样的方式相比，本实用新型的检测结果更加快速和精确，能够大大提高生产效率。此外，本实用新型的光路系统采用反射镜辅助的同轴接收系统，可以最大程度地克服采集光谱波动对检测结果的影响，实现传送带传输工况条件下的实时、快速检测。

附图说明

图1为本实用新型实施例的结构示意图；

图中：3为光纤，4为样品，5为保护镜，21为扩束镜组，22为二向色镜，23为第一聚焦透镜，24为第二聚焦透镜，25为耦合透镜。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本实用新型进行进一步详细说明。

图1为本实用新型实施例的结构示意图，包括：脉冲激光器，光路模块，光纤3，光谱采集模块，数据分析模块，控制器；所述光路模块通过所述光纤3连接所述光谱采集模块；所述光谱采集模块连接所述数据分析模块；所述脉冲激光器、光谱采集模块、数据分析模块均与所述控制器电性连接；所述脉冲激光器产生脉冲激光；所述脉冲激光通过所述光路模块垂直作用于样品4的表面。所述脉冲激光器为Nd:YAG 1064nm脉冲激光器。

本实施例中，所述样品4为煤粉或水泥；所述样品4置于传送带上，所述传送带匀速运动。所述样品4的表面为平面，即每次采样距离为一固定值。可以借助在传送带上将样品刮平后进行检测，这样，能够减小激光功率密度的变化对采集光谱的影响。为了实现对生产原料的实时调配，本实施例还包括：原料调配系统；所述原料调配系统与所述控制器电性连接。

本实施例中的光路系统采用反射镜辅助的同轴接收光谱的方式，具体地，所述光路系统包括：扩束镜组21，二向色镜22，第一聚焦透镜23，第二聚焦透镜24，耦合透镜25；所述扩束镜组21正对所述脉冲激光器的出光口；所述二向色镜22位于所述扩束镜组21的后方，二向色镜22与扩束镜组21同轴，二向色镜22与扩束镜组21之间的夹角为45°；所述第一聚焦透镜23位于所述二向色镜22的一侧，所述第二聚焦透镜24位于所述二向色镜22的另一侧，且第一聚焦透镜23、二向色镜22、第二聚焦透镜24同轴；所述第一聚焦透镜23、第二聚焦透镜24均垂直于所述扩束镜组21。由脉冲激光器发出的平行的脉冲激光首先经扩束镜组扩束，再经二向色镜反射，二向色镜的反射光线通过第一聚焦透镜聚焦后，垂直作用于传送带上的样品表面，产生的等离子体发射光谱由第二聚焦透镜聚焦，第二聚焦透镜的出射光线通过所述耦合透镜耦合进所述光纤，最后进入光谱采集模块。所述光谱采集模块为光谱仪。

进一步地，所述第一聚焦透镜23与所述样品4之间设置有保护镜5，具体地，保护镜5设置在第一聚焦透镜23的光路出射端的前方。保护镜5可减少来自外部的污染。

本实施例中，所述数据分析模块包括：光谱分析模块和多变量非线性回归定量分析模块。上述两个模块相结合，利用具有物理学意义的元素特征谱线强度为变量，回归计算得到反映煤质或水泥特性的物理参数，这些物理参数由控制器实时反馈给外部的原料调配系统，实现入厂入炉煤的投送流量的设置，以及水泥生料的配比调节。本实施例中的脉冲激光器由控制器控制脉冲激光器的电源来实现，脉冲激光器与光谱采集模块进行联动，即脉冲激光器工作时，光谱采集模块也开始工作。

激光诱导击穿光谱(Laser-induced breakdown spectrometry,LIBS)作为固体样品直接分析的一项光谱分析技术，由于不需复杂的样品预处理，以及多元素同时快速检测等优点，逐步成为一种重要的工业在线检测技术，在煤质检测、水泥生料配比元素快速检测领域显示出重要的应用潜力。在煤粉的在线检测中，对入厂入炉煤的在线检测更能有效地反映煤质特性，指导锅炉燃烧，提高资源利用率。作为产品质量控制的最后环节，实现配煤过程的优化控制，是提高煤炭资源利用率，确保企业经济效益最大化的有效手段。因此对于入厂入炉煤，进行煤质的实时检测，构建合理的控制系统结构和优化控制策略是煤质监测的核心。

本实用新型提供的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，利用了激光诱导击穿光谱可直接作用于固体样品表面的技术优势，通过将光路系统设计为反射镜辅助的同轴接收光谱的方式，将脉冲激光引导至传送带上匀速运动的样品上，并垂直作用于样品表面，在样品表面产生的激光诱导等离子体光谱经过同轴的光路系统采集并耦合至光纤，由光纤传输至光谱采集模块中进行记录并输出给数据分析模块。数据分析模块根据采集到的光谱，计算出与样品特性相关的参数，例如，煤粉的热值、挥发份、含灰值，或者水泥生料配比的元素含量等。通过这些参数，可有效、及时地指导配料生产。当系统中的控制器与外部的原料调配系统连接时，可实时地将上述参数反馈给原料调配系统，进而可实现原料的在线实时调配。与现有的采用人工采样的方式相比，本实用新型的检测结果更加快速和精确，能够大大提高生产效率。此外，本实用新型的光路系统采用反射镜辅助的同轴接收系统，可以最大程度地克服采集光谱波动对检测结果的影响，实现传送带传输工况条件下的实时、快速检测。

当然，本实用新型还可有其它多种实施例，在不背离本实用新型精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本实用新型作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本实用新型所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，包括：脉冲激光器，光路模块，光纤(3)，光谱采集模块，数据分析模块，控制器；所述光路模块通过所述光纤(3)连接所述光谱采集模块；所述光谱采集模块连接所述数据分析模块；所述脉冲激光器、光谱采集模块、数据分析模块均与所述控制器电性连接；所述脉冲激光器产生的脉冲激光通过所述光路模块垂直作用于样品(4)的表面。

2.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，其特征在于，还包括：原料调配系统；所述原料调配系统与所述控制器电性连接。

3.根据权利要求2所述的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，其特征在于，所述光路系统包括：扩束镜组(21)，二向色镜(22)，第一聚焦透镜(23)，第二聚焦透镜(24)，耦合透镜(25)；所述扩束镜组(21)正对所述脉冲激光器的出光口；所述二向色镜(22)位于所述扩束镜组(21)的后方，二向色镜(22)与扩束镜组(21)同轴，二向色镜(22)与扩束镜组(21)之间的夹角为45°；所述第一聚焦透镜(23)位于所述二向色镜(22)的一侧，所述第二聚焦透镜(24)位于所述二向色镜(22)的另一侧，且第一聚焦透镜(23)、二向色镜(22)、第二聚焦透镜(24)同轴；所述第一聚焦透镜(23)、第二聚焦透镜(24)均垂直于所述扩束镜组(21)；所述二向色镜(22)的反射光线通过所述第一聚焦透镜(23)聚焦；所述第二聚焦透镜(24)的出射光线通过所述耦合透镜(25)耦合进所述光纤(3)。

4.根据权利要求3所述的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，其特征在于，所述第一聚焦透镜(23)与所述样品(4)之间设置有保护镜(5)。

5.根据权利要求4所述的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，其特征在于，所述数据分析模块包括：光谱分析模块和多变量非线性回归定量分析模块。

6.根据权利要求1所述的基于激光诱导击穿光谱的在线检测系统，其特征在于，所述光谱采集模块为光谱仪。