一种基于LIBS的煤质分析系统的煤质检测方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法。

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)已经被广泛应基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直接测量颗粒流具有无需制样的优势，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，同时等离子体的中心也会在激光焦点的前后漂移。

现有公开号为CN112834484A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，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基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基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。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法，该分析系统具备接收镜头和准直透镜级成的双远心光学探测结构和控制采集光线的方向，解决了不适用有漂移采样对象的问题。

为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：

一种基于LIBS煤质分析系统的煤质检测方法，该煤质分析系统包括激光器、光谱仪、供粉装置、二向色镜和光谱信号计算单元，所述供粉装置包括落粉口，所述激光器对准所述落粉口设置，且所述激光器发出激光的方向与出粉方向垂直，所述二向色镜设置在所述激光器与所述供粉装置之间，所述光谱仪用于接收来自所述二向色镜反射的光线，所述光谱信号计算单元与所述光谱仪相连，还包括准直透镜组，所述准直透镜组包括第一准直透镜和第二准直透镜，所述第一准直透镜设置在所述二向色镜与所述光谱仪之间，所述第一准直透镜靠近所述二向色镜，所述第二准直透镜与所述二向色镜距离大于所述第一准直透镜，该煤质检测方法具体包括如下步骤：

S1.出粉：所述供粉装置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；

S2.激光对焦：将激光焦点对准到煤粉颗粒流束轴线远离所述激光器的一侧；

S3.光谱采集：启动所述激光器烧蚀煤粉颗粒流，生成等离子体，由激光的入射方向采集煤粉等离子体的光谱信号；

S4.信息传递：等离子体向外辐射的光经过所述准直透镜进行准直后，由所述光谱仪进行接收和分析；

S5.信息处理：由所述光谱信号分析计算单元处理所述光谱仪采集到的光谱信息，从而得到煤粉中的物质成分及含量数据。。

优选的，所述第一准直透镜采用凹凸透镜，所述第二准直透镜采用单凸透镜，扩大成像景深。

进一步的，还包括聚焦镜组，所述聚焦镜组设置在所述激光器与所述二向色镜之间，将所述激光器发出的光线汇聚起来，提高能级快速地烧蚀煤粉。

优选的，所述聚焦镜组包括第一聚焦透镜和第二聚焦透镜，所述第一聚焦透镜采用凹凸透镜，所述第二聚焦透镜采用平凸透镜。

优选的，所述光谱仪包括光纤和接收镜头，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，所述光纤的一端与所述接收镜头相连，另一端与所述光谱仪相连，提高了光线传递的距离。

优选地，所述光纤采用多芯光纤，所述多芯光纤内的光芯线直径与煤粉等离子体光斑大小对应，即光斑大的接收的所述光芯线直径也大，所述多芯光纤内的多根所述光芯线的直径与接收到的等离子体光斑大小正相关。

优选的，所述接收镜头设置成平凸透镜，将传递过来的煤粉等离子光重新汇聚成光斑再进行输送传递。

优选地，所述激光器采用Nd:YAG型脉冲激光器，能量密度高。

作为更优的，还包括直角棱镜，所述直角棱镜设置在所述准直透镜和光谱仪之间，将传递的光线进行反射，缩小系统的整体体积。

作为更优的，还包括控制单元，所述控制单元分别与所述激光器和所述光谱仪相连，用于同步所述激光器和所述光谱仪的时序。

本发明的有益效果为：

该煤质分析系统的激光器前采用具有小球面像差的聚焦镜组，并且将激光光束的理论焦点置于颗粒流束中心轴后半部，利用激光光束的离焦区域击穿烧蚀煤颗粒流，缩小了颗粒与激光相互作用区域沿激光入射方向的长度，增加了激光烧蚀的颗粒数量有效缩地缩短颗粒流等离子体中心位置在激光入射光轴上的漂移范围；该煤质分析系统的光谱采集分析采用了由接收镜头和准直透镜组构成的双远心光学探测结构，该结构可对光信号进行准直，可对中心位置在一定范围内漂移的等离子体光进行稳定、清晰的信号采集；采用光纤为一进四出的多芯光纤进行信号传递，其能够均匀地将等离子体光信号分配至光纤的四个光芯线，并传输至光谱仪上的各个通道，避免因光纤分光不均匀，导致光谱在不同波长范围内信号强度存在显著差异的问题出现，提高煤质检测的准确性和适应性，解决了煤粉光谱信号采集有漂移的问题。

附图说明

图1为本发明提供的基于LIBS的煤质分析系统图；

图2为本发明提供的激光聚焦方案示意图；

图3为本发明提供的光纤接收端截面示意图。

附图标记：

1、激光器；2、光谱仪；3、光纤；31、公共接收端；32、光芯线；4、光纤耦合器；5、接收镜头；6、机箱；7、直角棱镜；8、准直透镜组；81、第一准直透镜；82、第二准直透镜；9、供粉装置；91、振动式给料机；92、落粉口；10、保护镜片；11、二向色镜；12、聚焦镜组；121、第一聚焦透镜；122、第二聚焦透镜；13、光谱信号计算单元；14、控制单元；A1、激光入射光轴；A2、等离子体光反射光轴；A3、等离子体光汇聚光轴；B1、煤粉颗粒流中心轴；B2、激光焦点。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。

如图1-图3所示，一种基于LIBS的煤质分析系统，包括激光器1、光谱仪2、准直透镜组8、供粉装置9和二向色镜11，供粉装置9包括落粉口92，激光器1正对准落粉口92，且与煤粉的出粉方向垂直，二向色镜11处在激光器1与供粉装置9之间，光谱仪2对准二向色镜11，准直透镜组8包括第一准直透镜81和第二准直透镜82，第一准直透镜81设置在二向色镜11与光谱仪2之间，第一准直透镜81靠近二向色镜11，第二准直透镜82与二向色镜11距离大于第一准直透镜81，各部分的中心轴线保持对正，实现煤粉等离子体光可汇集至光纤3接收端的中央。

优选地，二向色镜11的一侧镜面与激光器1的激光夹角为45°，另一侧镜面与准直透镜组8的光轴夹角呈45°，二向色镜11的表面镀有分膜，可以特定波长范围内的光线进行完全反射，此处可对煤粉颗粒等离子体光进行反射，同时一定波长的光线几乎可完全透过，用在此处，可以实现激光器1射出的激光与煤粉烧蚀形成的等离子体反射光处在同一轴线上，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由振动式给料机91和落粉口92构成，将颗粒直径小于200μm的煤粉安置到振动式给料机91中，煤粉在高频振动下被输移送至落粉口92，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B1，稳定的煤粉颗粒流束使得分析结果快速而准确。

优选地，第一准直透镜81采用石英凹凸透镜，第二准直透镜82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。

优选地，该分析系统还设有机箱6和保护镜片10，二向色镜11、准直透镜组8和直角棱镜7均安装在机箱6中，保护镜片10采用平面熔融石英玻璃镜片，保护镜片10安装在机箱6的靠近供粉装置9的侧壁上，处于供粉装置9和二向色镜11之间，基于保护机箱6中的精密光学器件不受外界粉尘影响。

优选地，二向色镜11及准直透镜组8、接收镜头5共同构成双远心光路系统，对等离子体光进行反射、准直、反射、汇集，即便等离子体中心位置沿激光入射光轴A1在一定范围内漂移，双远心光路系统依然可以保持经过接收镜头5汇集的等离子体光斑大小基本不变，当等离子体光的漂移范围在±3mm时，光纤安装调整架处的等离子体光斑直径为2.4mm且保持不变；当等离子体光的漂移范围在±10mm时，该光斑直径为2.6mm，从而有效克服光纤3公共接收端31中央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。

优选地，光谱仪2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，该煤质分析系统上还设有聚焦镜组12，聚焦镜组12处在激光器1与二向色镜11之间，基于汇聚激光发出的光线将激光焦点B2投射到煤粉颗粒流束中心轴B1远离激光器1的后半部，聚焦镜组12由第一聚焦透镜121和第二聚焦透镜122组成，第一聚焦透镜121采用石英凹凸透镜，第二聚焦透镜122采用石英单凸透镜，激光聚焦镜组12的理论焦点B2位于煤粉颗粒流束中心线B1的后方，即煤粉颗粒在激光光束的预聚焦区域被击穿烧蚀，作用是扩大激光光束和煤粉颗粒流的作用空间，增加激光烧蚀的煤粉颗粒数量，也在一定程度降低了煤粉生成的等离子体中心位置发生严重漂移的概率。

优选地，光谱信号计算单元13与光谱仪2电性连接，光谱仪2获得的光谱信号传输至此，其作用是通过内部搭载的软件对光谱信号进行处理、计算，根据光谱中出现的特征谱线以及各特征谱线的信号强度，最终计算得到煤质的多个成分含量。

优选地，该系统还设有控制单元14，其与激光器1电性连接，并且光谱仪2通过控制单元14和激光器1电性连接，控制单元14的作用一是自身发出信号控制激光器1的启动和停止，激光器1运行后，可向外发出与激光频率一致的触发信号，控制单元14的作用二是将激光器1向外发出的触发信号经过一定的延迟时间后传输至光谱仪2，从而保证激光出射和光谱仪2信号探测的时序同步。

优选地，激光器1采用Nd:YAGg型脉冲激光器，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121和第二聚焦透镜122组合而成的聚焦镜组12，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11，再穿过保护镜片10，最终在煤粉颗粒流束中心轴B1远离激光器1的后半部形成激光焦点B2，实现短时间内将煤粉颗粒烧蚀形成等离子体，聚焦镜组12的激光焦点B2位于煤粉颗粒流束中心轴B1的后方，即煤粉颗粒在激光光束的离焦区域被击穿烧蚀，扩大了激光光束在煤粉颗粒流束上的作用面积，增加了激光束烧蚀的颗粒数量，也降低了煤粉颗粒等离子体中心位置发生严重漂移的概率。

优选地，激光器1的圆形出光窗口、聚焦镜组12、二向色镜11和保护镜片10的中心应该严格和激光光束的焦点共轴，即上述元件的中心均位于激光入射光轴A1上，激光入射光轴A1与煤粉颗粒流中心轴B1垂直。

优选地，光谱仪2包括光纤3和接收镜头5，接收镜头5设置在准直透镜组8远离二向色镜11的一侧，光纤3的一端与接收镜头5相连，另一端与光谱仪2相连，将接收镜头5采集到光谱信号传递到光谱仪2中，实现光信号均匀传递，减少光信号传递中的衰减。

优选地，光纤3采用一进四出的多芯光纤线，其包括公共接收端32和四根光芯线32，四根光芯线32在公共接收端31呈圆形排列，单根光芯线32的直径D1为400μm，相邻光芯线32中心距离L1为440μm，由几何关系可知四个光芯线32的外接圆直径为

优选地，光谱仪2上还设有光纤耦合器4，光纤3通过光纤耦合器4连接到接收镜头5上，光纤耦合器4实现光信号的传递，将光纤3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。

优选地，接收镜头5采用石英材质的平凸透镜，用在此处，可以将接收到的光线汇聚起来形成光斑，等离子体光汇聚光轴A3落到接收镜头5的中心，并将其投射到光谱仪2的接收端上进行分析，接收镜头5和准直透镜组8构成的双远心光学探测结构，提高接收煤粉等离子体光谱的成像的景深，保证煤粉等离子体在发生漂移后，其光谱信号依然能够被采集到。

优选地，该分析系统中还设有直角棱镜7，直角棱镜7设置在准直透镜组8和光谱仪2之间，基于调节采集到的光线角度，缩小分析系统的体积。

优选地，直角棱镜7、准直透镜组8、二向色镜11的中心应该严格和等离子体准直光共轴，即上述元件的中心均与等离子体光反射光轴A2重合，直角棱镜7、光纤3、光纤耦合器4和接收镜头5也需要保证共轴，即上述元件的中心均与等离子体光汇聚光轴A3重合，此外，煤粉等离子体光汇集至光芯线31前被90°反射了两次，二向色镜11与激光入射光轴A1、等离子体光反射光轴A2的夹角均保持为45°，直角棱镜7的斜面与等离子体光反射光轴A2、等离子体光汇聚光轴A3的夹角均为45°，以实现等离子体光可汇集至光纤3接收端的中央。

一种基于LIBS的煤质检测方法，包括如下步骤：

S1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；

S2激光对焦：将激光焦点对准到煤粉流束轴线远离激光器1的一侧；

S2.1激光的正、负离焦区域覆盖煤粉流束；

S3光谱采集：启动激光器1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；

S3.1激光以脉冲方式烧蚀煤粉颗粒流；

S3.2煤粉等离子体光线经过二向色镜11反射与激光进行分离；

S4信息传递：光谱信息经过准直透镜组8扩大景深后，再送入到光谱仪2中；

S5信息处理：由光谱仪2处理光谱信息得到煤粉中的物质成分及占比数据。

更具体地，出粉：颗粒直径小于200μm的煤粉装入到振动式给料机91中，煤粉在高频振动下被输送至落粉口92，经过自由落体形成流量稳定、直径约为4mm的圆柱形煤粉颗粒流流束，稳定的煤粉颗粒流束使得分析结果快速而准确；等离子体激发：利用激光器1发出的高能量密度区域击穿烧蚀煤粉颗粒，生成等离子体；激光对焦：激光器1接收到控制单元14动信号，发出激光光束以激光入射光轴A1为轴心，进入激光聚焦镜组12激光光束由水行状态改变为聚焦状态，聚焦过程中先后透射过二向色镜11及准直透镜组22和保护镜片10，最终激光束的能量汇聚至激光焦点B2，激光焦点B2对准到煤粉颗粒流中心轴B1远离激光器1的一侧，即激光焦点B2对准到煤粉颗粒流中心轴B1远离激光器1的一侧2mm；颗粒流烧蚀：激光光束的预聚焦区域覆盖了煤粉颗粒流的流动区域，预聚焦区域的激光能量密度略小于激光焦点B2，但仍然大于煤粉颗粒的击穿阈值，当煤粉颗粒流入预聚焦区域后在激光能量的作用下被击穿烧蚀，进而生成等离子体；(由于激光光束预聚焦区域中颗粒是随机分布的，因此生成的等离子体中心位置会沿着激光入射光轴A1前后漂移)；等离子体光谱采集：煤粉等离子体向外辐射的光经激光聚焦与双远心收光单元反射、准直、汇集，由光纤3传输至光谱仪5转变为光谱信号；等离子体光反射与准直：等离子体向外辐射的光沿激光入射的反方向进入激光聚焦与双远心收光单元，等离子体光首先被反射，传播方向由激光入射光轴A1改变为准直光轴A2，在准直光轴A2的传播过程中，等离子体光被准直，然后被第二次反射，传播方向由准直光轴A2改变为汇集光轴A3；(若不对等离子体光进行准直，当等离子体中心位置发生漂移，进入到接收镜头5的等离子体光斑大小也会变化，不利于光谱信号的稳定测量)；等离子体光汇集：准直后的等离子体光平行汇集光轴A3传播，透射过接收镜头5，等离子体光由准直光束变为汇集光束，汇集至光纤3的公共接收端31；光谱仪采集：光谱仪2接收到控制单元14的触发信号，同步地对等离子体光谱进行采集，等离子体光由光纤3传输至光谱仪2，由光谱仪2内部的分光和光电转化器件处理，得到煤粉颗粒流的特征光谱；光谱信号处理：由光谱信号计算单元13处理光谱仪2采集到的特征光谱，得到煤质的成分含量信息。

煤粉等离子体光信号的传递过程如下：

光谱采集分析单元由多通道光纤光谱仪2、一分四光纤3、光纤耦合器4、接收镜头5、机箱6、直角棱镜7、准直透镜组8、二向色镜11构成。颗粒流等离子体辐射的强光首先透过保护镜片10，然后被二向色镜11以90°反射至准直透镜组8，准直透镜组8将等离子体光进行准直，平行光经过直角棱镜7以90°反射至接收镜头5，然后汇集至光纤3的接收端。光纤3的接收端被固定安装在光纤耦合器4。等离子体光通过光纤被传输至多通道光谱仪2分光和光电转化处理，最终得到煤粉颗粒流的特征光谱。

本发明的效果如下：

该煤质分析系统采用由接收镜头5和准直透镜组8构成的双远心光学探测结构，可对煤粉等离子光信号进行准直，沿激光入射光轴A1的方向看煤粉等离子体的反射光轴A2在一定范围内漂移，扩大景深后，双远心光学探测结构依然可以稳定、清晰地将煤粉等离子体光汇集至光纤3，并且保持汇集后光斑直径不发生明显变化，双远心光学探测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。

优选地，该煤质分析系统通过缩小聚焦镜组12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，可以结合其它类型的出料装置，对固体粉料、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，本发明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，本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式，对发明的一些修改和变更也应当落入本发明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，并不对发明构成任何限制。