CN210243491U - 一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，包括箱体，箱体顶部外壁设有样品旋转台，样品旋转台上设有用于放置样品杯的槽孔，箱体顶部正对槽孔的位置开设有通孔，箱体的一侧设有光源，箱体内部设有组合镜、样品反射光聚焦透镜、背景检测光路单元、Hadamard数字分光模块、控制模块和电源模块，样品反射光聚焦透镜设置在样品杯的正下方，Hadamard数字分光模块设置在样品反射光聚焦透镜的正下方，样品旋转台、Hadamard数字分光模块和反射镜平移台分别与控制模块电连接，电源模块用于为整个分析仪提供电力支持。本实用新型能够实现对于煤炭的热值、灰分、挥发分、真空相对密度、全硫含量、碳含量、氢含量和氮含量等重要指标的快速检测。

Description

一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪

技术领域

本实用新型涉及煤质分析设备技术领域，尤其涉及一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪。

背景技术

煤炭作为我国的主要能源，对我国国民经济的发展起着极其重要的作用。随着经济的发展和人民生活水平的不断提高，人们对于煤炭的利用和研究也越来越广泛和深入。火力发电在我国电力生产行业中占主导地位，而煤电企业主要原料是煤炭，占到了公司总成本的一半以上，长期以来，火力发电厂燃煤煤质成分的分析一直都是采用实验室分析的手段，分析一个煤样需要六个小时以上，远远不能满足燃烧调整的需要，因此，实现煤质的快速分析已成为工业生产实践的迫切需要。

对于火力发电厂而言，燃煤费用约占其运营成本的70％，因此入场煤与入炉煤的煤质监理工作显得十分的重要，直接关系到电厂的安全生产与运行。全国煤炭市场开放以后，电厂燃煤中，由国家统一配送的比例不断下降，很多小煤窑成为了电厂燃煤供给的主体，由此带来了一系列的问题，其中煤质多变这一问题显得尤为突出。传统的煤质分析方法一般是基于化学方法，煤样由人工采集制备，分析速度缓慢，难以满足电力企业的需要，一批煤样在进入分析流程后，需要等待6至8小时才能得到分析结果，当天无法得到煤质检测报告，这样的检测效率无法满足发电厂锅炉调整的需要。由于传统检测方式方法的局限，使得煤质快速分析检测需求与检测数据报出时间滞后的矛盾日益突出，所以很有必要研发一种煤质快速在线监测分析的新方法。

另外，火力发电厂不同批次的煤炭品质参差不起，如果不能及时根据煤炭品质进行燃烧条件的调整，就会影响到电厂的稳定运行，为安全埋下隐患。在煤炭额诸多指标当中，煤炭热值是动力煤的主要质量指标，决定了锅炉运行的参数条件。当煤炭热值过低时，可能导致燃烧困难或灭火，当煤炭热值、挥发分含量过高时，可能造成结渣，并烧坏锅炉喷口。因此，为了在电厂运行过程中，保证锅炉的安全稳定工作，需要及时根据入炉煤炭的热值指标对锅炉进行相应调整。煤炭指标快速检测的现实意义主要有以下两点：一是帮助火力发电厂在煤炭采买过程中进行科学合理的定价，二是帮助火电厂精确计算标准煤耗。同时。在煤炭科研领域，煤炭热值与煤的变质程度存在一定的相关性，利用热值可以预测煤的粘结性、结焦性等特性。

工业分析和元素分析是煤质分析的两个方面。元素分析是对煤中硫、碳、氢、氧、氮元素含量的分析，工业分析是对煤中灰分、挥发分、水分的分析；在火电厂中，每天都需要对入厂煤和入炉煤进行必要的常规项目检测，即工业分析，以确保发电设备安全运转。同时，根据这些工业分析指标，可以了解煤炭的质量、性质、和特点，以便指导煤炭的工业使用。国家对于煤炭的工业分析和元素分析制定了相应的分析检测标准，煤炭分析工作需要参照国家标准进行。

目前主要的煤质快速分析技术发展现状如下：

一、采制样方面

1、需采制样的煤质在线分析系统

关西电力公司是一家致力于煤质检测分析的日本公司，他们率先研制出一套煤质在线分析系统，该系统需要进行采集制样，可实现全自动煤质在线分析，包含样品采集、样品传送、样品预处理、煤质分析四个子过程。该系统可以分为以下三个部分：①传送部分，主要负责将试样运往分析装置；②分析部分，负责进行试样分析；③控制部分，负责监控分析过程和管理分析结果。整个系统进行一次分析的时间约为1个小时，系统采用“燃烧吸收红外线方式”对于煤样进行元素分析，采用“热天平方式+炉内氛围气体控制方式”对煤样进行工业分析。

2、不需采制样的煤质在线分析系统

火电厂进行煤质采样分析时，采集制样负担较为繁重，因为火电厂煤炭采样时，一般需要首先采集多达数百公斤的总样，然后使用手工方法逐级破碎进行煤样缩制，通常一名专业制样工人需要花费4个小时的时间才能完成制样，即便是使用“破碎缩分联合制样机”仍然需要1小时左右的时间。另外，由于火电厂的煤炭一般是露天存放，因此遇到阴雨天，容易导致采制样设备发生故障。因此，欧美等国在煤质在线分析方面做了许多探索，努力研制不需要采制样的煤质分析仪表，经过多年努力，德国和美国已经研制出这种煤质在线分析系统，可以直接测定煤中的灰分和水分，并已经应用于电厂煤质分析中。

二、检测分析方面

1、放射性测定煤中灰分

目前，国外许多电力公司采用核技术进行煤的灰分监测，按照技术原理的不同，核技术大致可以分为以下四种：电子对分析法、中子活化分析法、60keV的C射线散射法以及双能C射线穿透法。中子活化分析法和双能C射线穿透法是使用较多的两种分析方法。煤的组成总体上可以划分为可燃和不可燃两个部分，可燃部分主要对应煤中的挥发分和固定碳，由氢、氧、碳等原子量较小的元素组成；不可燃部分对应煤中的灰分，由钙、镁、铝、硅等原子量较大元素组成。当使用双能C射线穿透法进行煤质分析时，低能C射线从煤层中穿过，煤中可燃组分的分子量较小，对射线的吸收较弱，C射线的衰减较小；煤中不可燃组分的分子量较大，对射线的吸收较强，C射线的衰减较大。因此，根据穿过煤层透射出的C射线强度，可以判断煤中灰分含量的多少。利用高低能量射线的检测数据进行数学建模，可以预测煤中的灰分含量。该方法比较典型的应用是西北电力集团燃料公司研制的TN2200型测灰仪，以及华能上海石洞口电厂使用的LB420测灰仪。

中子活化分析法是另一种比较常用的煤质分析方法，当煤中各元素的原子核受到热中子激发后，会跃迁至激发态，在跃迁过程中会发射出C射线能谱，该能谱与煤中的各元素之间存在对应关系，可间接反映各种元素的含量。目前国内商没有类似商业化产品，国外的中子活化分析测灰仪主要有以下两个系列：一是澳大利ScanTech公司生产的COALSCAN9000型测灰仪，二是美国GammaMetrics公司生产的Model3612C型测灰仪。其中美国GammaMetrics公司的另一款产品，1218型煤质在线分析系统可以直接测量煤中的全硫、灰分、碳含量、氢含量、氮含量、水分等指标，并可通过数学模型间接预测煤的热值指标，但是无法监测煤中的挥发分含量。

2、微波法测定煤中水分

水分的在线监测方法主要有三种，即：微波法、电容法和红外-电导法，三种方法中微波法的使用较为广泛。微波法主要使用微波照射煤层，煤中的自由水分子会吸收微波的能量发生旋转，微波的强度和速度降低，降低的幅度与煤中的水分含量存在对应关系，因此可通过微波强度与速度的变化，预测煤中的水分。目前国内的微波水分测量仪主要是单频率点测量，容易因微波多次反射带来谐振干扰，德国的LB354型测水仪使用微波频谱进行测量，有效地解决了这一问题。

上述方法可以实现对于煤炭质量的离线或在线分析，但是存在以下突出问题：

需采制样的煤质在线分析系统：以日本关西电力公司的煤质在线分析系统为典型代表。尽管提供了较为完善的煤质分析解决方案，但是造价成本很高，其原理基于热天平方式和炉内氛围气体控制技术，无法实现非接触式测量，必须采样进行分析，存在过程繁琐、检测缓慢等诸多问题；

不需采制样的煤质在线分析系统：以美国GammaMetrics公司的Model3612C型测灰仪为典型代表。尽管能够实现煤质的在线分析，但是技术基于放射性同位素测量方法，存在污染，同时系统成本较高。另外，其测量精度受煤炭中重成灰矿物(主要是铁)含量波动的影响很大，制约了测量精度的提高。微波煤质分析技术是一种不错的分析方法，但是该技术获取的煤炭信息较为单一，一般仅用于测量煤中的水分，以德国生产的LB354型测水仪为代表。

综上所述，现存的煤质检测系统，很大程度上是一种不得已的选择，煤质分析迫切需要一种更为清洁、绿色、高效、便捷的检测技术。相对其它分析技术来说，近红外光谱(Near Infrared Spctroscopy,NIRS)技术具有方便、快捷、无损、可多组分同时测定、无污染、灵活等众多的优点。近红外光谱技术具有快速、在线、绿色、廉价等优势，可以在不破坏煤样的基础上同时对入厂电煤或入炉电煤的热值、水分、灰分及挥发分等进行检测，也可以按产地对电煤进行实时模式分类。因此，有效地将近红外技术应用在电煤在线快速检测上，一方面，可以解决传统化学方法费时、费力的问题，效率提高显著；另一方面，相对于同类γ射线产品价格便宜近十倍，有助于广泛快速地推广。

目前基于红外光谱的煤质分析技术发展状况如下：①琚宜文等应用傅里叶(Fourier)变换红外光谱对不同类型构造煤结构成分的应力效应进行了分析。结果表明在各类构造煤中，芳香结构、脂肪结构以及含氧官能团的结构成分吸收频率几乎一致，但吸收峰的强度却不相同，这正是在构造应力作用下构造煤变形程度及变形机制不同所引起的。在低、中和高煤级变质变形环境形成的不同类型构造煤中，随着构造变形的增强，富氢程度降低，富氧程度也越来越低，而缩合程度增高，但不同类型构造煤结构成分的含量变化又有区别。该法应用于构造煤结构成分应力效应的研究，取得了较满意的效果。②李荣西应用显微傅立叶红外光谱对一煤源岩样中的荧光镜质体、角质体和树脂体进行了分析测试，并采用红外光谱分谱技术，应用计算机曲线拟合方法对其化学结构和生烃性进行了定量分析研究。结果表明镜质体含有较高的C＝O结构，而角质体和树脂体含有较高的脂肪烃(CH2+CH3)结构，煤岩单组分化学结构特征决定了它们具有不同的生烃特征。③丁仁杰等通过对元宝山电厂实际用煤的实验，介绍了结合偏最小二乘方法和近红外技术，对煤质指标：水分、灰分、挥发分和热值等进行建模的过程，并证明了其可行性。同时针对电煤建模特点，进一步介绍了先定性后定量建模预测的方法。

以上的研究，为红外光谱检测煤炭质量做出了有益的尝试，但是均是基于傅里叶红外光谱通用仪器平台，停留在实验室探索阶段。

实用新型内容

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，特别创新地提出了一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，采用双光路设计，通过反射镜平移台带动反射镜C移动，来切换仪器的背景检测光路和样品检测光路，进而基于Hadamard近红外光谱技术得到相应的近红外光谱，通过外接PC设备对近红外光谱进行分析，可以实现对于煤炭的热值、灰分、挥发分、真空相对密度、全硫含量、碳含量、氢含量和氮含量等重要指标的快速检测。

为了实现本实用新型的上述目的，本实用新型提供了一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，包括箱体，所述箱体顶部外壁设有样品旋转台，所述样品旋转台上设有用于放置样品杯的槽孔，所述箱体顶部正对所述槽孔的位置开设有通孔，所述样品旋转台用于带动所述样品杯旋转，所述箱体的一侧设有用于产生白光的光源，所述箱体内部设有组合镜、样品反射光聚焦透镜、背景检测光路单元、Hadamard数字分光模块、控制模块和电源模块，所述组合镜用于将所述光源产生的白光进行聚焦并反射至所述样品杯底部以对所述样品杯内部的样品煤进行检测，所述样品反射光聚焦透镜设置在所述样品杯的正下方，所述样品反射光聚焦透镜用于将所述样品杯内样品煤反射的光进行聚焦，所述Hadamard数字分光模块设置在所述样品反射光聚焦透镜的正下方，所述背景检测光路单元包括反射镜A、反射镜B、反射镜C以及与所述反射镜C固定连接用于带动所述反射镜C在水平方向移动的反射镜平移台，当需进行背景参比光检测时，所述反射镜平移台驱动所述反射镜C平移至所述样品反射光聚焦透镜和Hadamard数字分光模块之间以阻挡所述样品反射光且将所述光源分出的背景参比光依次经反射镜A、反射镜B和反射镜C反射后进入所述Hadamard数字分光模块，所述Hadamard数字分光模块用于通过Hadamard变换对接收的光进行分光得到近红外光谱，所述样品旋转台、Hadamard数字分光模块和反射镜平移台分别与所述控制模块电连接，所述电源模块用于为整个分析仪提供电力支持。

本实用新型采用双光路设计，通过反射镜平移台带动反射镜C移动，来切换仪器光路：①背景检测光路：当进行背景测量时，反射镜C移动至Hadamard分光模块上方，光源发出的光直接由背景检测光路单元中的反射A、反射镜B和反射镜C反射后，全部进入Hadamard分光模块，此时采集得到背景光谱(能量值)；②样品检测光路：当进行样品测量时，反射镜C离开Hadamard分光模块上方，光源发出的光与煤炭样品(粉末)作用，发生漫反射，而后该反射光进入分光模块，此时采集得到样品原始光谱(能量值)，样品原始光谱与背景光谱通过光谱差减扣除，得到最终的样品光谱曲线。由于检测对象为煤炭粉末，而粉末类样品的均匀性一般较差，需要采用积分的方式对样品进行光谱数据采集，以提高光谱数据的稳定性。仪器的样品旋转台用于承载样品杯，并带动样品杯匀速旋转，在旋转的过程中，仪器多次采集煤炭粉末不同位置的光谱，并进行累加平均，从而得到最终的光谱数据曲线。

本实用新型采用双光路设计，能够通过反射镜平移台带动反射镜C移动，来切换仪器的背景检测光路和样品检测光路，通过外接PC设备对检测得到的近红外光谱进行分析，可以实现对于煤炭的热值、灰分、挥发分、真空相对密度、全硫含量、碳含量、氢含量和氮含量等重要指标的快速检测。

优选地，Hadamard数字分光模块集成有单色器和检测器。

优选地，所述组合镜包括镀金反光碗、组合聚焦透镜和凹面反射镜，所述镀金反光碗设置在所述光源外周，所述组合聚焦透镜设置在所述镀金反光碗和所述凹面反射镜之间，所述镀金反光碗、组合聚焦透镜和凹面反射镜的焦点在同一条直线上，所述光源产生的光经过所述镀金反光碗反射后，通过组合聚焦透镜聚焦，再通过所述凹面反射镜反射至所述样品杯底部。

优选地，所述反射镜A设置在所述光源前方靠下位置，且所述反射镜A的反射面与水平面呈45°夹角，所述反射镜B设置在所述反射镜A的正下方，所述反射镜C设置在所述反射镜B的一侧且与所述反射镜B在同一水平面上，所述反射镜A、反射镜B以及反射镜C的反射面相互平行。

优选地，所述背景检测光路单元还包括背景反射光聚焦透镜，所述背景反射光聚焦透镜用于将所述反射镜B的反射光聚焦后照射至反射镜C上。

优选地，所述样品旋转台包括旋转平台和用于驱动所述旋转平台的旋转驱动电机，所述旋转平台上设有用于放置样品杯的槽孔；所述反射镜平移台包括平移平台和平移驱动电机，所述平移平台的滑块与所述反射镜C固定连接，所述平移驱动电机驱动所述平移平台以使所述滑块在水平方向移动。

优选地，所述控制模块包括分光控制板、样品旋转台驱动板、反射镜平移台驱动板和USB转换板，所述分光控制板与所述Hadamard数字分光模块电连接，所述样品旋转台驱动板与所述样品旋转台电连接，所述反射镜平移台驱动板与所述反射镜平移台电连接，所述样品旋转台驱动板和反射镜平移台驱动板分别与所述USB转换板连接，所述分光控制板和USB转换板上均设有用于与外部PC通讯的通讯接口。

优选地，所述电源模块包括开关电源和精密电源，所述光源与所述精密电源电连接，所述分光控制板、样品旋转台驱动板、反射镜平移台驱动板和USB转换板分别与所述开关电源电连接。

优选地，所述煤质分析仪还包括散热风扇，所述散热风扇与所述开关电源电连接。

优选地，所述箱体内设有隔板，所述隔板将所述箱体的内部空间隔设成光路室和电路室，所述开关电源、精密电源、样品旋转台驱动板、反射镜平移台驱动板和USB转换板设置在所述电路室内，所述组合镜、样品反射光聚焦透镜、背景检测光路单元、Hadamard数字分光模块和分光控制板设置在所述光路室内，所述散热风扇设置在所述光路室所在箱体的侧壁上。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型提供的一种优选实施方式中基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪的结构示意图；

图2是本实用新型提供的一种优选实施方式中基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪的部分结构示意图；

图3是本实用新型提供的一种优选实施方式中基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪的立体结构示意图；

图4是本实用新型提供的一种优选实施方式中基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪的反射镜平移台的结构示意图；

图5是本实用新型提供的一种优选实施方式中基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪的样品检测光路原理图；

图6是本实用新型提供的一种优选实施方式中基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪的背景检测光路原理图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本实用新型提供了一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，如图1-4所示，该分析仪包括箱体1，箱体1顶部外壁设有样品旋转台2，样品旋转台2上设有用于放置样品杯3的槽孔，箱体1顶部正对槽孔的位置开设有通孔，样品旋转台2用于带动样品杯3旋转，箱体1的一侧设有用于产生白光的光源4，箱体1内部设有组合镜5、样品反射光聚焦透镜6、背景检测光路单元10、Hadamard数字分光模块7、控制模块8和电源模块9，组合镜5用于将光源4产生的白光进行聚焦并反射至样品杯3底部以对样品杯3内部的样品煤进行检测，样品反射光聚焦透镜6设置在样品杯3的正下方，样品反射光聚焦透镜6用于将样品杯3内样品煤反射的光进行聚焦，Hadamard数字分光模块7设置在样品反射光聚焦透镜6的正下方，背景检测光路单元10包括反射镜A101、反射镜B102、反射镜C103以及与反射镜C103固定连接用于带动反射镜C103在水平方向移动的反射镜平移台104，当需进行背景参比光检测时，反射镜平移台104驱动反射镜C103平移至样品反射光聚焦透镜6和Hadamard数字分光模块7之间以阻挡样品反射光且将光源4分出的背景参比光依次经反射镜A101、反射镜B102和反射镜C103反射后进入Hadamard数字分光模块7，Hadamard数字分光模块7用于通过Hadamard变换对接收的光进行分光得到近红外光谱，样品旋转台2、Hadamard数字分光模块7和反射镜平移台104分别与控制模块8电连接，电源模块9用于为整个分析仪提供电力支持。

本实用新型采用双光路设计，通过反射镜平移台104带动反射镜C103移动，来切换仪器光路：①背景检测光路：当进行背景测量时，反射镜C103移动至Hadamard分光模块上方，光源4发出的光直接由背景检测光路单元10中的反射A、反射镜B102和反射镜C103反射后，全部进入Hadamard分光模块，此时采集得到背景光谱(能量值)；②样品检测光路：当进行样品测量时，反射镜C103离开Hadamard分光模块上方，光源4发出的光与煤炭样品(粉末)作用，发生漫反射，而后该反射光进入分光模块，此时采集得到样品原始光谱(能量值)，样品原始光谱与背景光谱通过光谱差减扣除，得到最终的样品光谱曲线。由于检测对象为煤炭粉末，而粉末类样品的均匀性一般较差，需要采用积分的方式对样品进行光谱数据采集，以提高光谱数据的稳定性。仪器的样品旋转台2用于承载样品杯3，并带动样品杯3匀速旋转，在旋转的过程中，仪器多次采集煤炭粉末不同位置的光谱，并进行累加平均，从而得到最终的光谱数据曲线。具体地，样品检测光路和背景检测光路的检测原理如图5、图6所示。利用反射面镀金的反射镜A从光源分出一束光作为参比光，图5为样品检测光路，由图中可以看到，光源加装了镀金反光碗，以增强光源发出光线的强度，红外光线经聚焦凹面镜进一步聚焦后，照射到样品杯，而后反射光进入单色器；图6为背景检测光路，此时反射镜C运行至单色器上方，由光源分出的一束光作为背景参比光，依次经过反射镜A、B、C反射后，进入单色器。而样品反射光则被反射镜C的背面阻挡，不会进入单色器。在该煤质分析仪中，反射镜C是唯一的运动光学部件，其光学特性十分简单，仅仅起到反射光线的作用，表面镀金，易于加工，因此不会对系统的抗振性产生大的影响。反射镜C的平移台反射镜平移台104设计如图4所示，主要由步进电机和平移台螺纹导轨组成。

本实用新型采用双光路设计，能够通过反射镜平移台104带动反射镜C103移动，来切换仪器的背景检测光路和样品检测光路，通过外接PC设备对检测得到的近红外光谱进行分析，可以实现对于煤炭的热值、灰分、挥发分、真空相对密度、全硫含量、碳含量、氢含量和氮含量等重要指标的快速检测。

具体地，在本实施方式中，光源4采用了35W的欧司朗卤素灯，型号为64432s(竖丝光源4)，灯座为G6.35标准卤素灯座。

具体地，在本实施方式中，Hadamard数字分光模块7采用了Polychromix公司的分光模块进行Hadamard分光，Hadamard数字分光模块7集成有单色器和检测器。Hadamard数字分光模块7其核心部件是一个DMD数字微镜芯片，该芯片是在硅材质的基片上集成大量相同的电子硅芯片，从而形成光栅衍射结构。基片上的每一个电子硅芯片都可以由电压进行驱动，这些硅片可以通过编程进行位置控制，从而实现在特定频谱范围内的数字分光。

在本实施方式中，组合镜5包括镀金反光碗501、组合聚焦透镜502和凹面反射镜503，镀金反光碗501设置在光源4外周，组合聚焦透镜502设置在镀金反光碗501和凹面反射镜503之间，镀金反光碗501、组合聚焦透镜502和凹面反射镜503的焦点在同一条直线上，光源4产生的光经过镀金反光碗501反射后，通过组合聚焦透镜502聚焦，再通过凹面反射镜503反射至样品杯3底部。在光源4外周加装镀金反光碗501，以增强光源4发出光线的强度，光线经凹面反射镜503进一步聚焦后，照射到样品杯3，而后反射光进入Hadamard数字分光模块7的单色器。通过将镀金反光碗501、组合聚焦透镜502和凹面反射镜503的焦点设置在同一条直线上，能够增强聚焦效果，进而提高检测准确度。

在本实施方式中，反射镜A101设置在光源4前方靠下位置，且反射镜A101的反射面与水平面呈45°夹角，反射镜B102设置在反射镜A101的正下方，反射镜C103设置在反射镜B102的一侧且与反射镜B102在同一水平面上，反射镜A101、反射镜B102以及反射镜C103的反射面相互平行。具体地，在本实施方式中，反射镜A101、反射镜B102和反射镜C103均为镀金反射镜，利用镀金反射镜从光源4分出一束光作为参比光。

在本实施方式中，背景检测光路单元10还包括背景反射光聚焦透镜105，背景反射光聚焦透镜105用于将反射镜B102的反射光聚焦后照射至反射镜C103上。通过背景反射光聚焦透镜105增强背景反射光的强度，提高检测的准确性。

在本实施方式中，样品旋转台2包括旋转平台201和用于驱动旋转平台201的旋转驱动电机202，旋转平台201上设有用于放置样品杯3的槽孔；反射镜平移台104包括平移平台1041和平移驱动电机1042，平移平台1041的滑块10411与反射镜C103固定连接，平移驱动电机1042驱动平移平台1041以使滑块10411在水平方向移动。样品杯3放置在旋转平台201上的槽孔内，具体可以通过卡榫将样品杯3可拆卸的卡接在槽孔内，便于样品杯3的取放和清理。

具体地，在本实施方式中，旋转驱动电机202和平移驱动电机1042采用步进电机，以便进准控制旋转平台201和平移平台1041的动作。

在本实施方式中，控制模块8包括分光控制板801、样品旋转台驱动板802、反射镜平移台驱动板803和USB转换板804，分光控制板801与Hadamard数字分光模块7电连接，样品旋转台驱动板802与样品旋转台2电连接，反射镜平移台驱动板803与反射镜平移台104电连接，样品旋转台驱动板802和反射镜平移台驱动板803分别与USB转换板804连接，分光控制板801和USB转换板804上均设有用于与外部PC通讯的通讯接口。具体地，在本实施方式中，样品旋转台驱动板802和反射镜平移台驱动板803上只有串口，因此通过USB转换板804进行接口转换后和外部PC设备连接，通过外部PC设备对样品旋转台驱动板802和反射镜平移台驱动板803进行控制，进而实现对旋转驱动电机202和平移驱动电机1042的控制，从而实现对样品杯3的旋转控制和反射镜C103平移控制。分光控制板801通过其自带的通讯接口与外部PC通讯连接，通过外部PC对分光控制板801进行控制，进而实现对Hadamard数字分光模块7的控制，Hadamard数字分光模块7通过Hadamard变换对接收的光进行分光得到近红外光谱数据，然后发送给分光控制板801，分光控制版801再将近红外光谱数据发送给外部PC进行分析处理得到最终的煤质分析检测结果。

具体地，在本实施方式中，样品旋转台驱动板802和反射镜平移台驱动板803采用模块化设计，样品旋转台驱动板802和反射镜平移台驱动板803采用了完全相同的两块驱动板，这种设计方案相对于一体化设计方案的好处在于电路的可调试性更好、仪器的可维护性更好。

具体地，在本实施方式中，分光控制板801基于FPGA技术，提供了四种通讯接口，分别是：USB、mini USB、RJ-45、RS232接口，分光控制板801可通过USB端口直接供电。串口通讯端口设置为：波特率115200，数据位8位，奇偶校验无，停止位1位。

在本实施方式中，电源模块9包括开关电源901和精密电源902，光源4与精密电源902电连接，分光控制板801、样品旋转台驱动板802、反射镜平移台驱动板803和USB转换板804分别与开关电源901电连接。通过精密电源902为光源4提供稳定电压，使光源4发光亮度恒定，进而提高检测结果的准确性。

具体地，在本实施方式中，仪器的电源分为两个部分：60W精密电源902和250W开关电源901，60W精密开关电源901主要为光源4供电，输入为AC，100-260V，50/60Hz，输出为DC，12V，5A。250W开关电源901主要为电机系统供电，输入为AC，100-246V，50/60Hz，输出为DC，12V，20A。

在本实施方式中，煤质分析仪还包括散热风扇11，散热风扇11与开关电源901电连接。通过散热风扇11仪器进行散热，散热风扇11优选设置在靠近光源4的箱体1的外壁上，对光源4进行实时散热，保证光源4温度的恒定，使得光源4发光亮度恒定，进而提高检测结果的准确性。

在本实施方式中，箱体1内设有隔板12，隔板12将箱体1的内部空间隔设成光路室13和电路室14，开关电源901、精密电源902、样品旋转台驱动板802、反射镜平移台驱动板803和USB转换板804设置在电路室14内，组合镜5、样品反射光聚焦透镜6、背景检测光路单元10、Hadamard数字分光模块7和分光控制板801设置在光路室13内，散热风扇11设置在光路室13所在箱体1的侧壁上。通过隔板12对光路和电路进行了隔离，同时将分光控制板801放于光路一侧，由于分光控制板801较为精密，为了避免电磁干扰，有必要与其它电路隔离开来，以便获得屏蔽效果，远离强电电路，以确保光谱数据采集不受干扰。

具体地，在本实施方式中，本实用新型的控制采用“PC+下位机”的控制方式实现，PC内安装有与本实用新型相应的煤质分析软件，采用PC控制方式可以在上位机中进行复杂的数据分析运算，便于光谱数据检测、分析、预测的一体化集成。PC与本实用新型之间通过USB接口进行数据通讯；PC同时用于对样品旋转台2和反射镜平移台104工作状态的控制。

具体地，在本实施方式中，PC内安装的煤质分析软件主要包括两个大的部分：仪器控制部分和光谱数据分析处理部分。软件通过“DockingBar方式”将各功能模块嵌入到主界面之中，可实现各个模块的自动显示和隐藏，在保证光谱软件功能集中、便于使用的的前提下，又克服了主操作界面构图拥挤的问题。该软件主要功能模块如下：

1、光谱数据显示模块：包含谱图显示页、数据显示页，可缩放显示近红外光谱图，并可放大查看谱图的精细结构。

2、光谱工具模块：主要提供谱图基本处理功能，如谱图的平滑、求导、峰值标注、光标指示、区间计算等功能。

3、电机控制模块8：主要包括平移台电机控制模块8(控制光谱仪内部反射镜C103)、旋转台电机控制模块8(控制样品旋转台2)，可设置电机的速度、位置、转动方向等参数，并控制电机找零复位。

4、光谱采集控制模块8：光谱采集控制模块8主要实现对于近红外光谱的采集，可分别采集背景能量、样品能量、吸光度和透过率，并查询控制板的状态信息。

5、数据导入导出模块：主要负责数据的打开、保存功能，目前兼容CSV、JCAMP-DX光谱数据格式，数据可保存为CSV、JCAMP-DX、Excel、Xml等格式。

6、光谱集成定制扫描模块:可根据用户需求，进行自动化的光谱扫描，该模块提供了规范的扫描流程，会先进行背景扫描，而后进行样品扫描，并计算吸光度和透过率。并可设置样品扫描与样品旋转的匹配方式，以便进一步提高扫描光谱的数据质量。

通过近红外光谱可直接反映出煤炭的化学组成信息，由于煤炭的化学组成与其指标之间存在“构效关系”，因此可以通过数据挖掘方法，从煤炭样品的近红外光谱图中“提取”出煤炭指标“间接”信息。

具体地，在本实施方式中，煤炭指标的计算分为两个环节：①煤炭样品粒径的识别，②煤炭样品指标的预测。不同粒径的煤样，其光谱数据的整体幅值差异较大，在进行煤炭指标预测时，需要预先对煤炭样品的粒径进行分类，以便建立合适的定量预测模型。如果不进行粒径分类而直接建立定量模型，则过于离散的数据会带来明显的杠杆效应，影响预测结果的准确性。随后再采用本发明经过优化改进的DPC-PLS(动态主成分偏最小二乘法)算法对煤炭指标进行预测。从结果来看，“Hadamard近红外煤质分析仪”可以对煤炭质量指标进行较好的预测，光谱数据与煤炭指标具有很好的相关性，相关系数普遍在0.95以上，预测结果偏差与国标相比，有85％以上的样品识别准确性达到标准，8个煤炭指标中，对于热值、灰分、真空相对密度、碳、氢、氮的预测效果较好。但是对于挥发分和全硫含量这两个指标的预测效果仍然不够理想，其预测准确率在70～85％之间，这是由于煤炭漫反射红外光谱的数据离散性较大，因此预测结果的重复性受到一定影响，在对算法做了优化之后，重复性在80～95％之间，这一重复性对于漫反射光谱而言已经属于比较理想的结果。

本实施方式将Hadamard红外光谱分析技术应用在煤质分析领域，并基于此技术开发了“基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪”，目前在国内尚没有类似的基于Hadamard分光技术的红外煤质分析仪器。

本实施方式针对煤炭组成结构的特点，研制了适合煤质快速分析检测的Hadamard近红外煤质分析仪。仪器在设计思想上与通用近红外光谱仪有所区别，是以“深色固体颗粒的检测”为出发点，通过对光源4、背景参比、样品杯3、光路几个关键环节的一系列优化设计，提高了近红外光谱数据的特征性和区分性，从数据源头上为“近红外光谱煤质分析技术”提供了保证。

本实施方式针对煤炭近红外光谱的特征，提出了“煤炭粒径模式识别+煤炭指标定量预测”算法，将煤质分析细化为两个子环节，即“粒径识别环节”和“指标预测环节”，从而保证了煤质分析结果的的稳定性和准确性，取得了较为理想的煤炭指标预测结果。

与现有技术相比，本实用新型针对煤炭组成结构的特点进行设计开发，以“深色固体颗粒的检测”为出核心，在仪器设计思想上与现有的通用近红外光谱仪不同。采用Hadamard数字分光技术，核心分光部件为DMD数字微镜芯片，较一般红外光谱仪具有更好的抗振性和防潮性，适合在恶劣的工况条件下进行快速分析检测，可以解决目前火力发电厂煤质分析工作中的诸多问题，提高煤质分析效率。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，包括箱体，所述箱体顶部外壁设有样品旋转台，所述样品旋转台上设有用于放置样品杯的槽孔，所述箱体顶部正对所述槽孔的位置开设有通孔，所述样品旋转台用于带动所述样品杯旋转，所述箱体的一侧设有用于产生白光的光源，所述箱体内部设有组合镜、样品反射光聚焦透镜、背景检测光路单元、Hadamard数字分光模块、控制模块和电源模块，所述组合镜用于将所述光源产生的白光进行聚焦并反射至所述样品杯底部以对所述样品杯内部的样品煤进行检测，所述样品反射光聚焦透镜设置在所述样品杯的正下方，所述样品反射光聚焦透镜用于将所述样品杯内样品煤反射的光进行聚焦，所述Hadamard数字分光模块设置在所述样品反射光聚焦透镜的正下方，所述背景检测光路单元包括反射镜A、反射镜B、反射镜C以及与所述反射镜C固定连接用于带动所述反射镜C在水平方向移动的反射镜平移台，当需进行背景参比光检测时，所述反射镜平移台驱动所述反射镜C平移至所述样品反射光聚焦透镜和Hadamard数字分光模块之间以阻挡所述样品反射光且将所述光源分出的背景参比光依次经反射镜A、反射镜B和反射镜C反射后进入所述Hadamard数字分光模块，所述Hadamard数字分光模块用于通过Hadamard变换对接收的光进行分光得到近红外光谱，所述样品旋转台、Hadamard数字分光模块和反射镜平移台分别与所述控制模块电连接，所述电源模块用于为整个分析仪提供电力支持。

2.根据权利要求1所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，Hadamard数字分光模块集成有单色器和检测器。

3.根据权利要求1所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，所述组合镜包括镀金反光碗、组合聚焦透镜和凹面反射镜，所述镀金反光碗设置在所述光源外周，所述组合聚焦透镜设置在所述镀金反光碗和所述凹面反射镜之间，所述镀金反光碗、组合聚焦透镜和凹面反射镜的焦点在同一条直线上，所述光源产生的光经过所述镀金反光碗反射后，通过组合聚焦透镜聚焦，再通过所述凹面反射镜反射至所述样品杯底部。

4.根据权利要求1所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，所述反射镜A设置在所述光源前方靠下位置，且所述反射镜A的反射面与水平面呈45°夹角，所述反射镜B设置在所述反射镜A的正下方，所述反射镜C设置在所述反射镜B的一侧且与所述反射镜B在同一水平面上，所述反射镜A、反射镜B以及反射镜C的反射面相互平行。

5.根据权利要求1所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，所述背景检测光路单元还包括背景反射光聚焦透镜，所述背景反射光聚焦透镜用于将所述反射镜B的反射光聚焦后照射至反射镜C上。

6.根据权利要求1所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，所述样品旋转台包括旋转平台和用于驱动所述旋转平台的旋转驱动电机，所述旋转平台上设有用于放置样品杯的槽孔；所述反射镜平移台包括平移平台和平移驱动电机，所述平移平台的滑块与所述反射镜C固定连接，所述平移驱动电机驱动所述平移平台以使所述滑块在水平方向移动。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，所述控制模块包括分光控制板、样品旋转台驱动板、反射镜平移台驱动板和USB转换板，所述分光控制板与所述Hadamard数字分光模块电连接，所述样品旋转台驱动板与所述样品旋转台电连接，所述反射镜平移台驱动板与所述反射镜平移台电连接，所述样品旋转台驱动板和反射镜平移台驱动板分别与所述USB转换板连接，所述分光控制板和USB转换板上均设有用于与外部PC通讯的通讯接口。

8.根据权利要求7所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，所述电源模块包括开关电源和精密电源，所述光源与所述精密电源电连接，所述分光控制板、样品旋转台驱动板、反射镜平移台驱动板和USB转换板分别与所述开关电源电连接。

9.根据权利要求8所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，还包括散热风扇，所述散热风扇与所述开关电源电连接。

10.根据权利要求9所述的基于Hadamard近红外光谱技术的煤质分析仪，其特征在于，所述箱体内设有隔板，所述隔板将所述箱体的内部空间隔设成光路室和电路室，所述开关电源、精密电源、样品旋转台驱动板、反射镜平移台驱动板和USB转换板设置在所述电路室内，所述组合镜、样品反射光聚焦透镜、背景检测光路单元、Hadamard数字分光模块和分光控制板设置在所述光路室内，所述散热风扇设置在所述光路室所在箱体的侧壁上。

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