專利名稱：一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測(cè)方法，屬于煤質(zhì)分析檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
中國有著豐富的煤炭資源，作為世界煤炭生產(chǎn)和消費(fèi)的大國，煤在中國國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中起著重要的戰(zhàn)略作用。為了更充分有效地利用煤炭資源，在煤炭資源勘探階段，就開始了一系列的煤炭質(zhì)量檢測(cè)，以便規(guī)劃開發(fā)計(jì)劃。煤炭在開采過程中也要對(duì)煤炭質(zhì)量進(jìn)行檢驗(yàn)和監(jiān)測(cè)。煤炭在銷售中還要通過煤質(zhì)分析對(duì)煤炭質(zhì)量做出評(píng)估，以確定商品煤的售價(jià)。 重要的煤炭作為重要的煤化工原料被利用時(shí)，煤炭化驗(yàn)分析就更為必要?？傊?，無論是煤炭的開發(fā)、利用或是精加工、深加工都離不開煤質(zhì)分析。目前煤炭灰分和揮發(fā)分測(cè)試主要使用艾氏卡法和高溫燃燒中和法。灰分和揮發(fā)分不是煤固有的，而是在一定的加熱條件下，由煤中其它物質(zhì)轉(zhuǎn)化形成的。實(shí)際檢測(cè)表明，煤中的灰分和揮發(fā)分并不固定，是隨加熱溫度、加熱時(shí)間和通風(fēng)條件的不同而改變，因此利用目前的檢測(cè)手段操作繁瑣、耗時(shí)長、誤差大、不便日常生產(chǎn)監(jiān)督，而工業(yè)生產(chǎn)中需求的是一種快速準(zhǔn)確、可用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的煤質(zhì)檢測(cè)方法。太赫茲(101 )光譜對(duì)應(yīng)著分子的集體振動(dòng)模式，太赫茲波的能量和黑體輻射很低(ITHz = 4. aiieV)，對(duì)檢測(cè)物體不易發(fā)生電離，不會(huì)引起物體組分的光離化，是一種安全、 無損的檢測(cè)源。太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDQ分析技術(shù)對(duì)探測(cè)物質(zhì)結(jié)構(gòu)存在的微小差異及對(duì)映異構(gòu)體、同分異構(gòu)體間的變化非常敏感，分子之間弱的相互作用(如氫鍵)及大分子的骨架振動(dòng)(構(gòu)型彎曲)、偶極子的旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)躍遷以及晶體中晶格的低頻振動(dòng)吸收頻率則對(duì)應(yīng)于太赫茲波段，這些振動(dòng)所反映的分子結(jié)構(gòu)及相關(guān)環(huán)境信息都在太赫茲波段內(nèi)有不同吸收位置及吸收強(qiáng)度的響應(yīng)。同時(shí)，THz-TDS系統(tǒng)是同步相干探測(cè)，對(duì)熱背景噪聲不敏感，可以提供很高的信噪比(104)。理論和實(shí)驗(yàn)證明，煤炭在太赫茲波段有明顯的指紋特征，因此將太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)應(yīng)用到煤炭的無損檢測(cè)中，有著重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的目的在于提供一種煤炭的檢測(cè)方法，通過采用太赫茲時(shí)域光譜技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的快速無損檢測(cè)。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明首先提供了一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測(cè)方法，其包括以下步驟(1)、制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和普通煤炭樣品；(2)、利用太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和空樣品池進(jìn)行檢測(cè)，獲得煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形；(3)、對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫；
(4)、對(duì)普通煤炭樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫獲得普通煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數(shù)據(jù)。本發(fā)明所提供的基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測(cè)方法是采用太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)多種煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品進(jìn)行檢測(cè)，得到標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫，即建立不同頻率(太赫茲時(shí)域光譜的頻率)下，不同種類的煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的吸收系數(shù)與碳含量、灰質(zhì)含量之間的關(guān)系曲線，然后利用太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)采樣得到的待檢測(cè)的普通煤炭樣品進(jìn)行檢測(cè)，獲得其在一定頻率下的吸收系數(shù)，通過標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫進(jìn)行分析，確定普通煤炭樣品的種類、碳含量和灰質(zhì)含量。在獲得標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫之后，可以直接對(duì)采集的普通煤炭樣品進(jìn)行檢測(cè)，然后獲得其吸收系數(shù)等數(shù)據(jù)，通過對(duì)照標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫中的曲線來確定該普通煤炭樣品的種類、碳含量和灰質(zhì)含量。在本發(fā)明所提供的上述檢測(cè)方法中，優(yōu)選地，所采用的樣品池是由厚度為0.5mm 的聚乙烯薄片制成的長度為40mm、寬度為40mm的樣品池。聚乙烯在太赫茲波段的吸收較弱，能夠很好地避免樣品池對(duì)于檢測(cè)的影響。在本發(fā)明提供的檢測(cè)方法中，制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品所采用的煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)可以是由國家煤炭質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心、煤炭科學(xué)研究總院煤質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)室提供。煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)采取預(yù)選煤炭，經(jīng)過自然干燥、破碎、混勻并全部通過80目篩，再混合分裝成瓶，然后按 GB212-91《煤的工業(yè)分析方法》和GB476-91《煤的元素分析方法》中相應(yīng)規(guī)定，檢測(cè)出其灰分含量和碳含量。制備普通煤炭樣品所采用的普通煤炭是采集得到的、需要進(jìn)行分析檢測(cè)的普通煤炭。本發(fā)明所采用的制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和普通煤炭樣品的步驟可以有兩種將煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或者普通煤炭經(jīng)過自然干燥、破碎后用80目篩篩分，將篩分得到的粉末混勻；將0. 7g粉末在厚度為0. 5mm的聚乙烯薄片制成的長度為40mm、寬度為40mm的樣品池中均勻鋪成厚度為0. 5mm、直徑為13. Omm的圓斑，然后利用聚乙烯薄膜封裝，得到煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品或者普通煤炭樣品；或者，將煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或者普通煤炭經(jīng)過自然干燥、破碎后用80目篩篩分，將篩分得到的粉末混勻；將上述粉末與聚乙烯粉末按照1 2的質(zhì)量比混合得到混合粉末，然后稱取 150mg混合粉末，利用16-20MI^的壓力下進(jìn)行壓片，得到厚度為1毫米、直徑為13毫米的圓盤狀樣品，即煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品或者普通煤炭樣品。煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和普通煤炭樣品是單獨(dú)制備的，不是混合在一起的。在本發(fā)明所提供的上述檢測(cè)方法中，優(yōu)選地，步驟O)為利用透射式太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和空樣品池進(jìn)行檢測(cè)，獲得煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形，并且，以空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形作為參考信號(hào)，以煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形作為樣品信號(hào)。更優(yōu)選地，每個(gè)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形均取三次測(cè)量的平均值，以增加信噪比。在上述步驟中，透射式太赫茲時(shí)域光譜裝置可以是在室溫氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，環(huán)境的相對(duì)濕度小于4%。在本發(fā)明所提供的上述檢測(cè)方法中，優(yōu)選地，步驟(3)為根據(jù)參考信號(hào)和樣品信號(hào)通過快速傅里葉變換得到頻域值，并根據(jù)參考信號(hào)和樣品信號(hào)提取煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品在太赫茲波段的吸收譜，建立通過特定波段煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的吸收系數(shù)系與煤炭種類、灰質(zhì)含量和碳含量的關(guān)系曲線，構(gòu)成標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫。在步驟(3)中，根據(jù)參考信號(hào)和樣品信號(hào)提取煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品在太赫茲波段的吸收譜是指根據(jù)基于菲涅爾公式的數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品在太赫茲波段的折射率n(v)和吸收系數(shù)α (ν)，建立多種煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的吸收譜。在本發(fā)明所提供的上述檢測(cè)方法中，優(yōu)選地，步驟(4)為利用太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)采集得到的煤炭樣品(檢測(cè)用的煤炭樣品的制備可以按照制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的步驟進(jìn)行)進(jìn)行檢測(cè)，獲得煤炭樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形，通過快速傅里葉變換得到頻域值，根據(jù)基于菲涅爾公式的數(shù)據(jù)處理模型(即上面所述的公式)計(jì)算煤炭樣品在太赫茲波段的折射率η(ν)和吸收系數(shù)α (ν)，根據(jù)特定波段煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的吸收系數(shù)系與煤炭種類、灰質(zhì)含量和碳含量的關(guān)系曲線分析得到煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數(shù)據(jù)。在本發(fā)明提供的上述檢測(cè)方法中，優(yōu)選地，折射率η(ν)和吸收系數(shù)α (ν)是通過
以下公式計(jì)算得到的
權(quán)利要求
1.一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測(cè)方法，其包括以下步驟(1)、制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和普通煤炭樣品；(2)、利用太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和空樣品池進(jìn)行檢測(cè)，獲得煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形；(3)、對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫；G)、對(duì)普通煤炭樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫獲得普通煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述樣品池是由厚度為0.5mm的聚乙烯薄片制成的長度為40mm、寬度為40mm的樣品池。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和普通煤炭樣品的步驟為將煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或者普通煤炭經(jīng)過自然干燥、破碎后用80目篩篩分，將篩分得到的粉末混勻；將0. 7g粉末在厚度為0. 5mm的聚乙烯薄片制成的長度為40mm、寬度為40mm的樣品池中均勻鋪成厚度為0. 5mm、直徑為13. Omm的圓斑，然后利用聚乙烯薄膜封裝，得到所述煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品或者普通煤炭樣品。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和普通煤炭樣品的步驟為將煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)或者普通煤炭經(jīng)過自然干燥、破碎后用80目篩篩分，將篩分得到的粉末混勻；將所述粉末與聚乙烯粉末按照1 2的質(zhì)量比混合得到混合粉末，然后稱取150mg混合粉末，利用16-20MPa的壓力下進(jìn)行壓片，得到厚度為1毫米、直徑為13毫米的圓盤狀樣品，即所述煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品或者普通煤炭樣品。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述步驟( 為利用透射式太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和空樣品池進(jìn)行檢測(cè)，獲得煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形，以空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形為參考信號(hào)，以煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形為樣品信號(hào)；優(yōu)選地，每個(gè)所述煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和所述空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形均取三次測(cè)量的平均值。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的方法，其中，所述透射式太赫茲時(shí)域光譜裝置在室溫氮?dú)猸h(huán)境下進(jìn)行檢測(cè)，相對(duì)濕度小于4%。
7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述的方法，其中，所述步驟C3)為根據(jù)參考信號(hào)和樣品信號(hào)通過快速傅里葉變換得到頻域值，并根據(jù)參考信號(hào)和樣品信號(hào)提取煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品在太赫茲波段的吸收譜，建立通過特定波段煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的吸收系數(shù)系與煤炭種類、灰質(zhì)含量和碳含量的關(guān)系曲線，構(gòu)成所述標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，根據(jù)參考信號(hào)和樣品信號(hào)提取煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品在太赫茲波段的吸收譜是指根據(jù)基于菲涅爾公式的數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品在太赫茲波段的折射率η (ν)和吸收系數(shù)α (ν)，建立多種煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的吸收譜。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述步驟(4)為利用太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)采集得到的煤炭樣品進(jìn)行檢測(cè)，獲得煤炭樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形，通過快速傅里葉變換得到頻域值，根據(jù)基于菲涅爾公式的數(shù)據(jù)處理模型計(jì)算煤炭樣品在太赫茲波段的折射率η (ν) 和吸收系數(shù)α (ν)，根據(jù)特定波段煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的吸收系數(shù)系與煤炭種類、灰質(zhì)含量和碳含量的關(guān)系曲線分析得到煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的方法，其中，所述折射率η(ν)和吸收系數(shù)α (ν)是通過以下公式計(jì)算得到的
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測(cè)方法，其包括以下步驟選擇樣品池；制備煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和普通煤炭樣品；利用太赫茲時(shí)域光譜裝置對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品和空樣品池進(jìn)行檢測(cè)，獲得煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形；對(duì)煤炭標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品的太赫茲脈沖時(shí)域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時(shí)域波形進(jìn)行數(shù)據(jù)處理構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫；對(duì)普通煤炭樣品進(jìn)行檢測(cè)分析，然后根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)指紋譜庫獲得普通煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數(shù)據(jù)。本發(fā)明所提供的方法能實(shí)現(xiàn)對(duì)煤炭的快速、無損檢測(cè)，易操作，數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，重復(fù)性好，測(cè)試結(jié)果相對(duì)準(zhǔn)確，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)煤質(zhì)快速、準(zhǔn)確分析鑒定。
文檔編號(hào)G01N21/35GK102564989SQ201110355758
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2011年11月10日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月10日
發(fā)明者寶日瑪, 尼浩, 滕學(xué)明, 趙卉, 趙昆 申請(qǐng)人:中國石油大學(xué)(北京)