专利名称：一种基于太赫兹光谱的煤炭无损快速检测方法
技术领域：
本发明涉及一种基于太赫兹光谱的煤炭无损快速检测方法，属于煤质分析检测技术领域。
背景技术：
中国有着丰富的煤炭资源，作为世界煤炭生产和消费的大国，煤在中国国民经济发展中起着重要的战略作用。为了更充分有效地利用煤炭资源，在煤炭资源勘探阶段，就开始了一系列的煤炭质量检测，以便规划开发计划。煤炭在开采过程中也要对煤炭质量进行检验和监测。煤炭在销售中还要通过煤质分析对煤炭质量做出评估，以确定商品煤的售价。 重要的煤炭作为重要的煤化工原料被利用时，煤炭化验分析就更为必要。总之，无论是煤炭的开发、利用或是精加工、深加工都离不开煤质分析。目前煤炭灰分和挥发分测试主要使用艾氏卡法和高温燃烧中和法。灰分和挥发分不是煤固有的，而是在一定的加热条件下，由煤中其它物质转化形成的。实际检测表明，煤中的灰分和挥发分并不固定，是随加热温度、加热时间和通风条件的不同而改变，因此利用目前的检测手段操作繁琐、耗时长、误差大、不便日常生产监督，而工业生产中需求的是一种快速准确、可用于实时监测的煤质检测方法。太赫兹(101 )光谱对应着分子的集体振动模式，太赫兹波的能量和黑体辐射很低(ithz = 4. aiiev)，对检测物体不易发生电离，不会引起物体组分的光离化，是一种安全、 无损的检测源。太赫兹时域光谱(thz-tdq分析技术对探测物质结构存在的微小差异及对映异构体、同分异构体间的变化非常敏感，分子之间弱的相互作用(如氢键)及大分子的骨架振动(构型弯曲)、偶极子的旋转和振动跃迁以及晶体中晶格的低频振动吸收频率则对应于太赫兹波段，这些振动所反映的分子结构及相关环境信息都在太赫兹波段内有不同吸收位置及吸收强度的响应。同时，thz-tds系统是同步相干探测，对热背景噪声不敏感，可以提供很高的信噪比(104)。理论和实验证明，煤炭在太赫兹波段有明显的指纹特征，因此将太赫兹时域光谱技术应用到煤炭的无损检测中，有着重要的实际应用价值。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种煤炭的检测方法，通过采用太赫兹时域光谱技术实现对煤炭的快速无损检测。为达到上述目的，本发明首先提供了一种基于太赫兹光谱的煤炭无损快速检测方法，其包括以下步骤(1)、制备煤炭标准物质样品和普通煤炭样品；(2)、利用太赫兹时域光谱装置对煤炭标准物质样品和空样品池进行检测，获得煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形；(3)、对煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形进行数据处理构建标准指纹谱库；
(4)、对普通煤炭样品进行检测分析，然后根据标准指纹谱库获得普通煤炭样品的种类、灰分含量和碳含量数据。本发明所提供的基于太赫兹光谱的煤炭无损快速检测方法是采用太赫兹时域光谱装置对多种煤炭标准物质样品进行检测，得到标准指纹谱库，即建立不同频率(太赫兹时域光谱的频率)下，不同种类的煤炭标准物质样品的吸收系数与碳含量、灰质含量之间的关系曲线，然后利用太赫兹时域光谱装置对采样得到的待检测的普通煤炭样品进行检测，获得其在一定频率下的吸收系数，通过标准指纹谱库进行分析，确定普通煤炭样品的种类、碳含量和灰质含量。在获得标准指纹谱库之后，可以直接对采集的普通煤炭样品进行检测，然后获得其吸收系数等数据，通过对照标准指纹谱库中的曲线来确定该普通煤炭样品的种类、碳含量和灰质含量。在本发明所提供的上述检测方法中，优选地，所采用的样品池是由厚度为0.5mm 的聚乙烯薄片制成的长度为40mm、宽度为40mm的样品池。聚乙烯在太赫兹波段的吸收较弱，能够很好地避免样品池对于检测的影响。在本发明提供的检测方法中，制备煤炭标准物质样品所采用的煤炭标准物质可以是由国家煤炭质量监督检验中心、煤炭科学研究总院煤质分析实验室提供。煤炭标准物质采取预选煤炭，经过自然干燥、破碎、混勻并全部通过80目筛，再混合分装成瓶，然后按 gb212-91《煤的工业分析方法》和gb476-91《煤的元素分析方法》中相应规定，检测出其灰分含量和碳含量。制备普通煤炭样品所采用的普通煤炭是采集得到的、需要进行分析检测的普通煤炭。本发明所采用的制备煤炭标准物质样品和普通煤炭样品的步骤可以有两种将煤炭标准物质或者普通煤炭经过自然干燥、破碎后用80目筛筛分，将筛分得到的粉末混勻；将0. 7g粉末在厚度为0. 5mm的聚乙烯薄片制成的长度为40mm、宽度为40mm的样品池中均勻铺成厚度为0. 5mm、直径为13. omm的圆斑，然后利用聚乙烯薄膜封装，得到煤炭标准物质样品或者普通煤炭样品；或者，将煤炭标准物质或者普通煤炭经过自然干燥、破碎后用80目筛筛分，将筛分得到的粉末混勻；将上述粉末与聚乙烯粉末按照1 2的质量比混合得到混合粉末，然后称取 150mg混合粉末，利用16-20mi^的压力下进行压片，得到厚度为1毫米、直径为13毫米的圆盘状样品，即煤炭标准物质样品或者普通煤炭样品。煤炭标准物质样品和普通煤炭样品是单独制备的，不是混合在一起的。在本发明所提供的上述检测方法中，优选地，步骤o)为利用透射式太赫兹时域光谱装置对煤炭标准物质样品和空样品池进行检测，获得煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形，并且，以空样品池的太赫兹脉冲时域波形作为参考信号，以煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形作为样品信号。更优选地，每个煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形均取三次测量的平均值，以增加信噪比。在上述步骤中，透射式太赫兹时域光谱装置可以是在室温氮气环境下进行检测，环境的相对湿度小于4%。在本发明所提供的上述检测方法中，优选地，步骤(3)为根据参考信号和样品信号通过快速傅里叶变换得到频域值，并根据参考信号和样品信号提取煤炭标准物质样品在太赫兹波段的吸收谱，建立通过特定波段煤炭标准物质样品的吸收系数系与煤炭种类、灰质含量和碳含量的关系曲线，构成标准指纹谱库。在步骤(3)中，根据参考信号和样品信号提取煤炭标准物质样品在太赫兹波段的吸收谱是指根据基于菲涅尔公式的数据处理模型计算煤炭标准物质样品在太赫兹波段的折射率n(v)和吸收系数α (ν)，建立多种煤炭标准物质样品的吸收谱。在本发明所提供的上述检测方法中，优选地，步骤(4)为利用太赫兹时域光谱装置对采集得到的煤炭样品(检测用的煤炭样品的制备可以按照制备煤炭标准物质样品的步骤进行)进行检测，获得煤炭样品的太赫兹脉冲时域波形，通过快速傅里叶变换得到频域值，根据基于菲涅尔公式的数据处理模型(即上面所述的公式)计算煤炭样品在太赫兹波段的折射率η(ν)和吸收系数α (ν)，根据特定波段煤炭标准物质样品的吸收系数系与煤炭种类、灰质含量和碳含量的关系曲线分析得到煤炭样品的种类、灰分含量和碳含量数据。在本发明提供的上述检测方法中，优选地，折射率η(ν)和吸收系数α (ν)是通过
以下公式计算得到的
权利要求
1.一种基于太赫兹光谱的煤炭无损快速检测方法，其包括以下步骤(1)、制备煤炭标准物质样品和普通煤炭样品；(2)、利用太赫兹时域光谱装置对煤炭标准物质样品和空样品池进行检测，获得煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形；(3)、对煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形进行数据处理构建标准指纹谱库；g)、对普通煤炭样品进行检测分析，然后根据标准指纹谱库获得普通煤炭样品的种类、灰分含量和碳含量数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品池是由厚度为0.5mm的聚乙烯薄片制成的长度为40mm、宽度为40mm的样品池。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制备煤炭标准物质样品和普通煤炭样品的步骤为将煤炭标准物质或者普通煤炭经过自然干燥、破碎后用80目筛筛分，将筛分得到的粉末混勻；将0. 7g粉末在厚度为0. 5mm的聚乙烯薄片制成的长度为40mm、宽度为40mm的样品池中均勻铺成厚度为0. 5mm、直径为13. omm的圆斑，然后利用聚乙烯薄膜封装，得到所述煤炭标准物质样品或者普通煤炭样品。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所述制备煤炭标准物质样品和普通煤炭样品的步骤为将煤炭标准物质或者普通煤炭经过自然干燥、破碎后用80目筛筛分，将筛分得到的粉末混勻；将所述粉末与聚乙烯粉末按照1 2的质量比混合得到混合粉末，然后称取150mg混合粉末，利用16-20mpa的压力下进行压片，得到厚度为1毫米、直径为13毫米的圆盘状样品，即所述煤炭标准物质样品或者普通煤炭样品。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述步骤( 为利用透射式太赫兹时域光谱装置对煤炭标准物质样品和空样品池进行检测，获得煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形，以空样品池的太赫兹脉冲时域波形为参考信号，以煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形为样品信号；优选地，每个所述煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和所述空样品池的太赫兹脉冲时域波形均取三次测量的平均值。
6.根据权利要求1或5所述的方法，其中，所述透射式太赫兹时域光谱装置在室温氮气环境下进行检测，相对湿度小于4%。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述步骤c3)为根据参考信号和样品信号通过快速傅里叶变换得到频域值，并根据参考信号和样品信号提取煤炭标准物质样品在太赫兹波段的吸收谱，建立通过特定波段煤炭标准物质样品的吸收系数系与煤炭种类、灰质含量和碳含量的关系曲线，构成所述标准指纹谱库。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，根据参考信号和样品信号提取煤炭标准物质样品在太赫兹波段的吸收谱是指根据基于菲涅尔公式的数据处理模型计算煤炭标准物质样品在太赫兹波段的折射率η (ν)和吸收系数α (ν)，建立多种煤炭标准物质样品的吸收谱。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述步骤(4)为利用太赫兹时域光谱装置对采集得到的煤炭样品进行检测，获得煤炭样品的太赫兹脉冲时域波形，通过快速傅里叶变换得到频域值，根据基于菲涅尔公式的数据处理模型计算煤炭样品在太赫兹波段的折射率η (ν) 和吸收系数α (ν)，根据特定波段煤炭标准物质样品的吸收系数系与煤炭种类、灰质含量和碳含量的关系曲线分析得到煤炭样品的种类、灰分含量和碳含量数据。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其中，所述折射率η(ν)和吸收系数α (ν)是通过以下公式计算得到的
全文摘要
本发明涉及一种基于太赫兹光谱的煤炭无损快速检测方法，其包括以下步骤选择样品池；制备煤炭标准物质样品和普通煤炭样品；利用太赫兹时域光谱装置对煤炭标准物质样品和空样品池进行检测，获得煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形；对煤炭标准物质样品的太赫兹脉冲时域波形和空样品池的太赫兹脉冲时域波形进行数据处理构建标准指纹谱库；对普通煤炭样品进行检测分析，然后根据标准指纹谱库获得普通煤炭样品的种类、灰分含量和碳含量数据。本发明所提供的方法能实现对煤炭的快速、无损检测，易操作，数据处理简单，重复性好，测试结果相对准确，可以实现对煤质快速、准确分析鉴定。
文档编号g01n21/35gk102564989sq201110355758
公开日2012年7月11日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者宝日玛, 尼浩, 滕学明, 赵卉, 赵昆 申请人:中国石油大学(北京)