專利名稱：一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測方法
技術領域：
本發明涉及一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測方法，屬于煤質分析檢測技術領域。
背景技術：
中國有著豐富的煤炭資源，作為世界煤炭生產和消費的大國，煤在中國國民經濟發展中起著重要的戰略作用。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量檢測，以便規劃開發計劃。煤炭在開采過程中也要對煤炭質量進行檢驗和監測。煤炭在銷售中還要通過煤質分析對煤炭質量做出評估，以確定商品煤的售價。 重要的煤炭作為重要的煤化工原料被利用時，煤炭化驗分析就更為必要。總之，無論是煤炭的開發、利用或是精加工、深加工都離不開煤質分析。目前煤炭灰分和揮發分測試主要使用艾氏卡法和高溫燃燒中和法。灰分和揮發分不是煤固有的，而是在一定的加熱條件下，由煤中其它物質轉化形成的。實際檢測表明，煤中的灰分和揮發分并不固定，是隨加熱溫度、加熱時間和通風條件的不同而改變，因此利用目前的檢測手段操作繁瑣、耗時長、誤差大、不便日常生產監督，而工業生產中需求的是一種快速準確、可用于實時監測的煤質檢測方法。太赫茲(101 )光譜對應著分子的集體振動模式，太赫茲波的能量和黑體輻射很低(ITHz = 4. aiieV)，對檢測物體不易發生電離，不會引起物體組分的光離化，是一種安全、 無損的檢測源。太赫茲時域光譜(THz-TDQ分析技術對探測物質結構存在的微小差異及對映異構體、同分異構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(構型彎曲)、偶極子的旋轉和振動躍遷以及晶體中晶格的低頻振動吸收頻率則對應于太赫茲波段，這些振動所反映的分子結構及相關環境信息都在太赫茲波段內有不同吸收位置及吸收強度的響應。同時，THz-TDS系統是同步相干探測，對熱背景噪聲不敏感，可以提供很高的信噪比(104)。理論和實驗證明，煤炭在太赫茲波段有明顯的指紋特征，因此將太赫茲時域光譜技術應用到煤炭的無損檢測中，有著重要的實際應用價值。
發明內容
為解決上述技術問題，本發明的目的在于提供一種煤炭的檢測方法，通過采用太赫茲時域光譜技術實現對煤炭的快速無損檢測。為達到上述目的，本發明首先提供了一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測方法，其包括以下步驟(1)、制備煤炭標準物質樣品和普通煤炭樣品；(2)、利用太赫茲時域光譜裝置對煤炭標準物質樣品和空樣品池進行檢測，獲得煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形；(3)、對煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形進行數據處理構建標準指紋譜庫；
(4)、對普通煤炭樣品進行檢測分析，然后根據標準指紋譜庫獲得普通煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數據。本發明所提供的基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測方法是采用太赫茲時域光譜裝置對多種煤炭標準物質樣品進行檢測，得到標準指紋譜庫，即建立不同頻率(太赫茲時域光譜的頻率)下，不同種類的煤炭標準物質樣品的吸收系數與碳含量、灰質含量之間的關系曲線，然后利用太赫茲時域光譜裝置對采樣得到的待檢測的普通煤炭樣品進行檢測，獲得其在一定頻率下的吸收系數，通過標準指紋譜庫進行分析，確定普通煤炭樣品的種類、碳含量和灰質含量。在獲得標準指紋譜庫之后，可以直接對采集的普通煤炭樣品進行檢測，然后獲得其吸收系數等數據，通過對照標準指紋譜庫中的曲線來確定該普通煤炭樣品的種類、碳含量和灰質含量。在本發明所提供的上述檢測方法中，優選地，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于檢測的影響。在本發明提供的檢測方法中，制備煤炭標準物質樣品所采用的煤炭標準物質可以是由國家煤炭質量監督檢驗中心、煤炭科學研究總院煤質分析實驗室提供。煤炭標準物質采取預選煤炭，經過自然干燥、破碎、混勻并全部通過80目篩，再混合分裝成瓶，然后按 GB212-91《煤的工業分析方法》和GB476-91《煤的元素分析方法》中相應規定，檢測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、需要進行分析檢測的普通煤炭。本發明所采用的制備煤炭標準物質樣品和普通煤炭樣品的步驟可以有兩種將煤炭標準物質或者普通煤炭經過自然干燥、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，得到煤炭標準物質樣品或者普通煤炭樣品；或者，將煤炭標準物質或者普通煤炭經過自然干燥、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，即煤炭標準物質樣品或者普通煤炭樣品。煤炭標準物質樣品和普通煤炭樣品是單獨制備的，不是混合在一起的。在本發明所提供的上述檢測方法中，優選地，步驟O)為利用透射式太赫茲時域光譜裝置對煤炭標準物質樣品和空樣品池進行檢測，獲得煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形，并且，以空樣品池的太赫茲脈沖時域波形作為參考信號，以煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形作為樣品信號。更優選地，每個煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形均取三次測量的平均值，以增加信噪比。在上述步驟中，透射式太赫茲時域光譜裝置可以是在室溫氮氣環境下進行檢測，環境的相對濕度小于4%。在本發明所提供的上述檢測方法中，優選地，步驟(3)為根據參考信號和樣品信號通過快速傅里葉變換得到頻域值，并根據參考信號和樣品信號提取煤炭標準物質樣品在太赫茲波段的吸收譜，建立通過特定波段煤炭標準物質樣品的吸收系數系與煤炭種類、灰質含量和碳含量的關系曲線，構成標準指紋譜庫。在步驟(3)中，根據參考信號和樣品信號提取煤炭標準物質樣品在太赫茲波段的吸收譜是指根據基于菲涅爾公式的數據處理模型計算煤炭標準物質樣品在太赫茲波段的折射率n(v)和吸收系數α (ν)，建立多種煤炭標準物質樣品的吸收譜。在本發明所提供的上述檢測方法中，優選地，步驟(4)為利用太赫茲時域光譜裝置對采集得到的煤炭樣品(檢測用的煤炭樣品的制備可以按照制備煤炭標準物質樣品的步驟進行)進行檢測，獲得煤炭樣品的太赫茲脈沖時域波形，通過快速傅里葉變換得到頻域值，根據基于菲涅爾公式的數據處理模型(即上面所述的公式)計算煤炭樣品在太赫茲波段的折射率η(ν)和吸收系數α (ν)，根據特定波段煤炭標準物質樣品的吸收系數系與煤炭種類、灰質含量和碳含量的關系曲線分析得到煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數據。在本發明提供的上述檢測方法中，優選地，折射率η(ν)和吸收系數α (ν)是通過
以下公式計算得到的
權利要求
1.一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測方法，其包括以下步驟(1)、制備煤炭標準物質樣品和普通煤炭樣品；(2)、利用太赫茲時域光譜裝置對煤炭標準物質樣品和空樣品池進行檢測，獲得煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形；(3)、對煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形進行數據處理構建標準指紋譜庫；G)、對普通煤炭樣品進行檢測分析，然后根據標準指紋譜庫獲得普通煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數據。
2.根據權利要求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.根據權利要求1所述的方法，其中，所述制備煤炭標準物質樣品和普通煤炭樣品的步驟為將煤炭標準物質或者普通煤炭經過自然干燥、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，得到所述煤炭標準物質樣品或者普通煤炭樣品。
4.根據權利要求1所述的方法，其中，所述制備煤炭標準物質樣品和普通煤炭樣品的步驟為將煤炭標準物質或者普通煤炭經過自然干燥、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，即所述煤炭標準物質樣品或者普通煤炭樣品。
5.根據權利要求1所述的方法，其中，所述步驟( 為利用透射式太赫茲時域光譜裝置對煤炭標準物質樣品和空樣品池進行檢測，獲得煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形，以空樣品池的太赫茲脈沖時域波形為參考信號，以煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形為樣品信號；優選地，每個所述煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和所述空樣品池的太赫茲脈沖時域波形均取三次測量的平均值。
6.根據權利要求1或5所述的方法，其中，所述透射式太赫茲時域光譜裝置在室溫氮氣環境下進行檢測，相對濕度小于4%。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中，所述步驟C3)為根據參考信號和樣品信號通過快速傅里葉變換得到頻域值，并根據參考信號和樣品信號提取煤炭標準物質樣品在太赫茲波段的吸收譜，建立通過特定波段煤炭標準物質樣品的吸收系數系與煤炭種類、灰質含量和碳含量的關系曲線，構成所述標準指紋譜庫。
8.根據權利要求7所述的方法，其中，根據參考信號和樣品信號提取煤炭標準物質樣品在太赫茲波段的吸收譜是指根據基于菲涅爾公式的數據處理模型計算煤炭標準物質樣品在太赫茲波段的折射率η (ν)和吸收系數α (ν)，建立多種煤炭標準物質樣品的吸收譜。
9.根據權利要求8所述的方法，其中，所述步驟(4)為利用太赫茲時域光譜裝置對采集得到的煤炭樣品進行檢測，獲得煤炭樣品的太赫茲脈沖時域波形，通過快速傅里葉變換得到頻域值，根據基于菲涅爾公式的數據處理模型計算煤炭樣品在太赫茲波段的折射率η (ν) 和吸收系數α (ν)，根據特定波段煤炭標準物質樣品的吸收系數系與煤炭種類、灰質含量和碳含量的關系曲線分析得到煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數據。
10.根據權利要求8或9所述的方法，其中，所述折射率η(ν)和吸收系數α (ν)是通過以下公式計算得到的
全文摘要
本發明涉及一種基于太赫茲光譜的煤炭無損快速檢測方法，其包括以下步驟選擇樣品池；制備煤炭標準物質樣品和普通煤炭樣品；利用太赫茲時域光譜裝置對煤炭標準物質樣品和空樣品池進行檢測，獲得煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形；對煤炭標準物質樣品的太赫茲脈沖時域波形和空樣品池的太赫茲脈沖時域波形進行數據處理構建標準指紋譜庫；對普通煤炭樣品進行檢測分析，然后根據標準指紋譜庫獲得普通煤炭樣品的種類、灰分含量和碳含量數據。本發明所提供的方法能實現對煤炭的快速、無損檢測，易操作，數據處理簡單，重復性好，測試結果相對準確，可以實現對煤質快速、準確分析鑒定。
文檔編號G01N21/35GK102564989SQ201110355758
公開日2012年7月11日 申請日期2011年11月10日 優先權日2011年11月10日
發明者寶日瑪, 尼浩, 滕學明, 趙卉, 趙昆 申請人:中國石油大學(北京)