CN217506253U - 一种双远心光机结构及用于煤质分析的光路系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双远心光机结构及用于煤质分析的光路系统，属于测量技术领域，一种双远心光机结构，包括二向色镜和准直透镜组，所述准直透镜组对准所述二向色镜的反射面，其特征在于，所述准直透镜组包括第一准直透镜、第二准直透镜和孔径光阑，所述第一准直透镜设置成对准所述二向色镜的反射面，且第二准直透镜设置在所述第一准直透镜远离所述二向色镜的一侧，所述孔径光阑设置在所述第二准直透镜远离所述第一准直透镜的一侧，所述第二准直透镜、所述第一准直透镜和所述孔径光阑同轴，该双远心光机结构用于煤质分析光路系统中，使得该系统在进行连续的煤质分析时，能够稳定的采集到煤粉的光谱信号，克服了煤质采集信号漂移的问题。

Description

一种双远心光机结构及用于煤质分析的光路系统

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，具体涉及一种双远心光机结构及用于煤质分析的光路系统。

背景技术

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 inducedbreakdown spectroscopy,LIBS)已经被广泛应用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。

对于煤粉检测而言，虽然LIBS直接测量颗粒流有着无需制样的优势，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，同时等离子体中心位置也会在激光焦点前后漂移。

现有公开号为CN112334484A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，无法补偿颗粒流等离子体中心位置漂移造成的信号波动，导致数据有漂移，得到的结果准确性有限。

另外有公开号为CN104931299A的专利申请，公开了一种用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用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。

实用新型内容

本实用新型的目的之一是提供一种双远心光机结构，解决了采集的光线在一定范围内偏移导致光信号互相干扰的问题。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种双远心光机结构，包括二向色镜和准直透镜组，所述准直透镜组对准所述二向色镜的反射面，所述准直透镜组包括第一准直透镜、第二准直透镜和孔径光阑，所述第一准直透镜设置成对准所述二向色镜的反射面，且第二准直透镜设置在所述第一准直透镜远离所述二向色镜的一侧，所述孔径光阑设置在所述第二准直透镜远离所述第一准直透镜的一侧，所述第二准直透镜、所述第一准直透镜和所述孔径光阑同轴。

优选的，所述第一准直透镜采用石英弯月凹凸透镜，所述第二准直透镜采用石英单凸透镜，能够将远离所述准直透镜组轴线的光线进行偏转准直。

优选的，还包括聚焦镜头，所述聚焦镜头包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜设置成对准所述二向色镜的透射面，所述第二聚焦透镜设置所述第一聚焦透镜和所述二向色镜之间，第一聚焦透镜采用石英弯月凹凸透镜，所述第二聚焦透镜采用石英平凸透，用于将平行的光线进行汇聚，并控制焦点的位置。

优选的，还包括接收镜头，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，用于接收光线并将汇聚成稳定的光斑。

优选的，所述接收镜头设置成平凸透镜，汇聚光线效果好。

优选的，还包括直角棱镜，所述直角棱镜设置在所述孔径光阑远离所述第二准直透镜的一侧，用于将光线进行垂直偏转，改变光线传递的方向，缩小所述光机结构的体积。

优选的，还包括保护镜片，所述保护镜片设置成对准所述二向色镜的反射面，用于保护所述二向色镜在反射光线时不会被外部环境影响。

优选的，所述接收镜头设置成平凸透镜，将传递过来的光线重新汇聚成光斑再进行输送。

作为更优的，还包括机箱，所述机箱用于保护所述二向色镜、准直透镜组、所述接收镜头和反射镜，防止外部环境污染所述光机结构，提高其使用的寿命，降低故障率。

本实用新型目的之二是提供一种用于煤质分析的光路系统，该方法解决了连续煤粉检测等离子光在一定范围内漂移的问题，提高了信号采集的稳定性和准确性。

为实现上述实用新型目的，本实用新型采取的技术方案如下：

一种用于煤质分析的光路系统，包括双远心光机结构、第一入射光线、第二入射光线和光谱仪，所述第一入射光线垂直于与所述准直透镜组的轴线共线的反射光轴入射，再穿过所述二向色镜的透射面和所述保护镜片，所述第一入射光线的焦点投射到所述保护镜片外，所述第二入射光线从所述第一入射光线的焦点发出，经过所述保护镜片进入到所述机箱中，所述第二入射光线经过所述二向色镜的反射面，被反射进入到所述准直透镜组中，穿过所述第一准直透镜和所述第二准直透镜时被准直，再被所述孔径光阑过滤一部分，中心处剩余部分由所述直角棱镜反射到所述接收镜头内，由所述接收镜头聚焦成汇聚光线，最后射入到所述光谱仪的接收端上。

优选的，所述二向色镜与第一入射光线的夹角为45°，所述第一入射光线由脉冲激光发生器发出，所述第二入射光线为烧蚀煤粉颗粒形成的等离子光，合适的反射角度能够缩小所述光路系统的体积，提高其适用范围。

本实用新型的有益效果为：

(1)该双远心光机结构具备接收镜头和准直透镜组组成的双远心光学结构，煤粉等离子体会发生漂移，等离子体的辐射光只有主光线部分一定平行传播，而其余部分与平行光存在一定夹角，当等离子体光的位置变化时，该部分光的夹角发生变化，最后形成的光斑大小也会发生变化，双远心光学结构能对等离子体的主光线部分准直和汇集，并挡住其余不平行的光线部分，可对中心位置在一定范围内漂移的等离子体光进行稳定、清晰的采集。

(2)该双远心光机结构的准直透镜组中装有孔径光阑能够对煤粉等离子光进行过滤，减少其它干扰光线穿过，提高光谱采集的准确性。

(3)该光路系统的入射光线和采集到的等离子光信号共轴，且等离子光信号被90°反射了两次，缩小了整个光路系统的构造体积，提高了适用范围。

附图说明

图1为本实用新型提供的双远心光机结构图；

图2为本实用新型提供的用于煤质分析的光路系统图。

附图标记：

1、聚焦镜头；11、第一聚焦透镜；12、第二聚焦透镜；2、二向色镜；3、准直透镜组；31、第一准直透镜；32、第二准直透镜；33、孔径光阑；4、直角棱镜；5、机箱；6、接收镜头；7、光纤耦合器；8、保护镜片；9、供粉装置；91、落粉口；R1、第一入射光线；R2、第二入射光线；R3、汇聚光线；A1、入射光轴；A2、反射光轴；A3、出射光轴；101、激光器；102、光谱仪。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1-2所示，一种用于煤质分析的光路系统，主要用于煤质成分检测，其包括双远心光机结构，激光器101、光谱仪102和供粉装置9，双远心光机结构包括二向色镜2和准直透镜组3，准直透镜组3对准二向色镜2的反射面，准直透镜组3包括第一准直透镜31、第二准直透镜32和孔径光阑33，第一准直透镜31设置成对准二向色镜2的反射面，且第二准直透镜32设置在第一准直透镜31远离二向色镜2的一侧，孔径光阑33设置在第二准直透镜32远离第一准直透镜31的一侧，第二准直透镜32、第一准直透镜31和孔径光阑33同轴，供粉装置9上设有落粉口91，激光器101发出的激光正对准落粉口92，且与煤粉的出粉方向垂直，二向色镜2处在激光器101与供粉装置9之间，光谱仪102用于接收穿过准直透镜组3的烧蚀煤粉颗粒生成的等离子体光。

优选地，第一入射光线R1垂直于反射光轴A2射入，依次穿过二向色镜2的透射面和保护镜片8，第一入射光线R1的焦点投射到保护镜片8外，第二入射光线R2从第一入射光线R1的焦点发出，经过保护镜片8进入到机箱5中，第二入射光线R2经过二向色镜2的反射面，呈90°反射进入到准直透镜组3中，穿过第一准直透镜31和第二准直透镜32时被准直，再被孔径光阑33过滤一部分，中心剩余部分由直角棱镜4反射到接收镜头6内，由接收镜头6聚集成汇聚光线R3，最后射入到光谱仪102的接收端上。

优选地，二向色镜2的一侧镜面与入射光轴A1的夹角为45°，另一侧镜面与反射光轴A2夹角为45°，二向色镜2的表面有镀膜，可以特定波长范围内的光线进行完全反射，同时又对一定波长的光线几乎完全透过，用在此处，可以二向色镜2的透射面能透过激光器101射出的激光，二向色镜2的反射面能完全反射煤粉烧蚀形成的等离子光，激光和等离子光处在同一轴线上，保证光谱采样的准确性，简化了系统结构。

优选地，供粉装置9由采用振动式给料机，将煤粉颗粒从落粉口91喷出，煤粉的颗粒直径小于200μm，煤粉在高频振动下被输移送至落粉口91，经过自由落体形成直径约为4mm的圆柱形煤粉颗粒流流束，流束具有的固定中心轴，稳定的煤粉颗粒流束使得分析结果更加快速和准确。

优选地，第一准直透镜31采用石英凹凸透镜，第二准直透镜32采用石英单凸透镜，石英玻璃镜片透光率高，在紫外至红外波段，透过性表现好，经实验测试第一准直透镜31的参数为r1＝204.921mm；r2＝140.425mm；f＝886.953mm和第二准直透镜的参数为r1＝122.061mm；r2＝297.481mm；f＝175.557mm具有最佳效果。

优选地，该光路系统还设有机箱5和保护镜片8，二向色镜2、准直透镜组3和直角棱镜4均安装在机箱5中，保护镜片8采用平面熔融石英玻璃镜片，镶嵌在机箱5靠近供粉装置9的侧壁上，处于供粉装置9和二向色镜2之间，用于保护机箱5中的精密光学器件在接受煤粉颗粒等离子光时可以不受煤粉粉尘的影响，保证了接收信号的稳定性和使用寿命。

优选地，光谱仪102采用多色分光仪，其由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成，以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上进行强度测定，以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置，根据不同物质的波长不同实现煤粉的物质种类分析测定。

进一步地，该煤质光路系统上还设有聚焦镜头1，聚焦镜头1处在激光器101与二向色镜2之间，用于汇聚激光发出的光线将激光的焦点投射到煤粉颗粒流束中心轴远离激光器101的后半部，聚焦镜头1的轴线与入射光轴A1重合，聚焦镜头1由第一聚焦透镜11和第二聚焦透镜12组成，第一聚焦透镜11设置成对准二向色镜2的透射面，第二聚焦透镜12设置第一聚焦透镜11和二向色镜2之间，第一聚焦透镜11采用石英凹凸透镜，第二聚焦透镜12采用石英单凸透镜，其作用是汇聚激光能量至焦点四周尺寸在～100μm的空间内，其被称为焦点体积，焦点体积内能量密度超过煤粉颗粒流的击穿阈值，煤粉颗粒被击穿烧蚀生成等离子体。

优选地，激光器101采用脉冲激光器，脉冲激光器是指单个激光脉冲宽度小于0.25秒、每间隔一定时间才工作一次的激光器，其具有输出功率大的特点，用在此处的激光器输出波长为1064nm，脉宽为8ns，光斑直径的高斯激光束，激光束平行射入第一聚焦透镜11和第二聚焦透镜12组合而成的聚焦镜头1，激光光束由平行状态改变为聚焦状态，聚焦过程中先穿透过二向色镜2，再穿过保护镜片8，最终在煤粉颗粒流束中心轴远离激光器101的后半部形成激光理论焦点，实现短时间内充分烧蚀煤粉颗粒，形成等离子体，聚焦镜头1的激光理论焦点位于煤粉颗粒流束中心轴的后方，即煤粉颗粒在激光光束的离焦区域被击穿烧蚀，扩大光束和颗粒流的交互空间，增加激光烧蚀的颗粒数量，也可以降低等离子体中心位置发生严重漂移的概率。

优选地，激光器101的圆形出光窗口、激光聚焦镜头1、二向色镜2、保护镜片8的中心应该严格和激光焦点共轴，即上述元件的中心均位于激光入射光轴A1，入射光轴与煤粉颗粒流中心轴垂直，实现激光可以垂直地聚焦至煤粉颗粒流束的中心轴。

优选地，该光路系统中还设有直角棱镜4，直角棱镜4是三角形的反射镜，布置在准直透镜组3和光谱仪102之间，将经过准直的第一入射光线R1，用于调节采集到的光线角度，缩小光路系统的体积。

优选地，直角棱镜4、准直透镜组3和二向色镜2的中心与反射光轴A2共轴，直角棱镜4、光纤耦合器7和接收镜头6也需要保证共轴，即上述元件的中心均与出射光轴A3重合，此外，煤粉等离子体光汇集至接收镜头6前被90°反射了两次，二向色镜2与激光入射光轴A1、准直透镜组轴线A2的夹角均保持为45°，直角棱镜4的斜面与准直透镜组轴线A2、出射光轴A3的夹角均严格保持为45°，以实现等离子体光可汇集至光谱仪102接收端。

优选地，接收镜头6布置在准直透镜组3远离二向色镜2的一侧，接收镜头6与光谱仪102通过光纤相连，将接收镜头6采集到光谱信号传递到光谱仪102中，实现光信号均匀传递，减少光信号传递中的衰减，接收镜头6采用石英材质的平凸透镜，用在此处，可以接收来自直角棱镜4的反射光线汇聚起来形成光斑，经过准直透镜组3的光斑大小稳定，经接收镜头6汇集后的光斑大小同样保持不变，等离子体光汇聚光轴A3落到接收镜头6的中心，并通过光纤其投射到光谱仪102的接收端上进行分析。

优选地，光纤耦合器7连接接收镜头6和光纤，光纤耦合器7实现光纤与光纤之间进行可拆卸连接，将把光纤的两个端面精密对接起来，使得发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使其介入光链路对系统造成的影响小，光纤耦合器7安装在光纤安装调整架上，可以调节光纤连接线的位置，方便光谱仪102的安置和操作者进行观察。

煤质检测的具体过程如下：

出粉：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；激光对焦：将激光焦点对准到煤粉流束轴线远离激光器101的一侧；激光的正、负离焦区域覆盖煤粉流束；光谱采集：启动激光器101烧蚀煤粉颗粒流，由激光的入射方向采集煤粉等离子体的光谱信息；激光以脉冲方式烧蚀煤粉颗粒流；煤粉等离子体光线经过二向色镜2反射与激光进行分离；信息传递：光谱信息经过准直透镜组3扩大景深后，再送入到光谱仪102中；信息处理：由光谱仪102处理光谱信息得到煤粉中的物质成分及占比数据。

等离子光的传递过程如下：

激光器101发出的激光沿入射光轴A1的方向通过聚焦镜头1，从二向色镜2的透射面穿过，汇聚到煤粉颗粒流上并将其烧蚀，煤粉颗粒流等离子体辐射的强光首先透过保护镜片8，进入到机箱5中，然后被二向色镜2的反射面偏转90°反射至准直透镜组3中，漂移的等离子体光只有中心一定范围内的光线平行于反射光轴A2进行传播，其余部分与反射光轴A2存在一定夹角，当等煤粉离子体光的位置发生变化时，该夹角也发生变化，光斑大小也随之变化，准直透镜组3将等离子体光全部转变为平行于反射光轴A2的光线，平行的等离子体光经过直角棱镜4，被90°反射至接收镜头6，然后汇集光纤耦合器7，等离子体光通过光纤被传输至多通道光谱仪102分光和光电转化处理，最终经过计算得到煤粉颗粒流的特征光谱。

本实用新型的效果如下：

该煤质光路系统采用由接收镜头6和准直透镜组3构成的双远心光学结构，能对煤粉等离子光线进行准直、汇聚和过滤，沿激光入射光轴A1的方向看煤粉等离子体沿反射光轴A2的方向在一定范围内漂移，经过准直后，双远心光学结构依然可以稳定、清晰地将煤粉等离子体光汇集至多芯光纤3，并且保持汇集后光斑直径不发生明显变化，双远心光学结构可良好地适应煤粉颗粒流等离子体在焦点前后漂移的情况，当等离子体光在激光入射光轴A1漂移范围在±3mm时，双远心光学探测结构可以保证光纤接受端处汇集光斑的尺寸不变，从而有效克服光纤接收到的等离子体光强随等离子体中心位置漂移显著变化的问题，提高光谱信号的稳定性。

本实用新型中双远心光机结构通过缩小聚焦镜头1的球面像差和在激光离焦区域激发煤粉颗粒，减小颗粒流煤粉等离子体中心位置的漂移范围，双远心光机结构结合其它类型的出料装置，可用于固体粉料、气溶胶、液体射流等无稳定表面和移动状态的物料进行在线成分检测。

根据上述说明书的揭示和教导，本实用新型所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此，本实用新型并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对实用新型的一些修改和变更也应当落入本实用新型的权利要求的保护范围内。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语只是为了方便说明，并不对实用新型构成任何限制。

Claims (10)

1.一种双远心光机结构，包括二向色镜(2)和准直透镜组(3)，所述准直透镜组(3)对准所述二向色镜(2)的反射面，其特征在于，所述准直透镜组(3)包括第一准直透镜(31)、第二准直透镜(32)和孔径光阑(33)，所述第一准直透镜(31)设置成对准所述二向色镜(2)的反射面，且第二准直透镜(32)设置在所述第一准直透镜(31)远离所述二向色镜(2)的一侧，所述孔径光阑(33)设置在所述第二准直透镜(32)远离所述第一准直透镜(31)的一侧，所述第二准直透镜(32)、所述第一准直透镜(31)和所述孔径光阑(33)同轴。

2.根据权利要求1所述的双远心光机结构，其特征在于：

所述第一准直透镜(31)采用石英弯月凹凸透镜，所述第二准直透镜(32)采用石英单凸透镜。

3.根据权利要求1所述的双远心光机结构，其特征在于：

还包括聚焦镜头(1)，所述聚焦镜头(1)包括第一聚焦透镜(11)和第二聚焦透镜(12)，所述第一聚焦透镜(11)设置成对准所述二向色镜(2)的透射面，所述第二聚焦透镜(12)设置所述第一聚焦透镜(11)和所述二向色镜(2)之间，第一聚焦透镜(11)采用石英弯月凹凸透镜，所述第二聚焦透镜(12)采用石英平凸透镜。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的双远心光机结构，其特征在于：

还包括接收镜头(6)，所述接收镜头(6)设置在所述准直透镜组(3)远离所述二向色镜(2)的一侧。

5.根据权利要求4所述的双远心光机结构，其特征在于：

所述接收镜头(6)设置成平凸透镜。

6.根据权利要求5所述的双远心光机结构，其特征在于：

还包括直角棱镜(4)，所述直角棱镜(4)设置在所述孔径光阑(33)远离所述第二准直透镜(32)的一侧。

7.根据权利要求6所述的双远心光机结构，其特征在于：

还包括保护镜片(8)，所述保护镜片(8)设置成对准所述二向色镜(2)的反射面。

8.根据权利要求7所述的双远心光机结构，其特征在于：

还包括机箱(5)，所述机箱(5)用于保护所述二向色镜(2)、准直透镜组(3)、所述接收镜头(6)和反射镜。

9.一种用于煤质分析的光路系统，包括双远心光机结构、第一入射光线(R1)、第二入射光线(R2)和光谱仪(102)，其特征在于，所述的双远心光机结构为权利要求8中所述的双远心光机结构，所述第一入射光线(R1)垂直于与所述准直透镜组(3)轴线共线的反射光轴(A2)射入，再穿过所述二向色镜(2)的透射面和所述保护镜片(8)，所述第一入射光线(R1)的焦点投射到所述保护镜片(8)外，所述第二入射光线(R2)从所述第一入射光线(R1)的焦点发出，经过所述保护镜片(8)进入到所述机箱(5)中，所述第二入射光线(R2)经过所述二向色镜(2)的反射面，被反射进入到所述准直透镜组(3)中，穿过所述第一准直透镜(31)和所述第二准直透镜(32)时被准直，再被所述孔径光阑(33)过滤一部分，中心剩余部分由所述直角棱镜(4)反射到所述接收镜头(6)内，由所述接收镜头(6)聚集成汇聚光线(R3)，最后射入到所述光谱仪(102)的接收端上。

10.根据权利要求9所述的用于煤质分析的光路系统，其特征在于：

所述二向色镜(2)与第一入射光线(R1)的夹角为45°，所述第一入射光线(R1)由脉冲激光发生器发出，所述第二入射光线(R2)为烧蚀煤粉颗粒形成的等离子光。

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