基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光光谱检测与矿石分选领域，本发明专利技术公开了一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法及装置，包括矿石粉碎机、过滤器、传送装置、样品形貌检测系统、LIBS检测系统、机械分选与矿石收集系统、测控系统。粉碎机和过滤器用于将大块的废旧矿石粉粹成体积、形状类似的小块矿石；样品形貌检测系统用于获取样品的平均高度和外形尺寸，进而控制LIBS检测系统的聚焦距离及扫描范围；LIBS检测系统用于检测矿石的物质成分，确定矿石品位；机械分选系统根据检测结果将矿石和废石分别输送到不同的矿石收集槽；测控系统用于对装置各功能部件进行统一协调控制。

Waste ore sorting method and device based on laser induced breakdown spectrum

The invention belongs to the field of laser spectrum detection and ore separation, the invention discloses a waste ore sorting method and device based on laser induced breakdown spectroscopy, including ore crusher, filter, transmission device, sample topography detection system, LIBS detection system, mechanical separation and control of ore collection system, system. Pulverizer and filter for waste ore powder into small chunks of pure ore volume and shape similar; sample topography detection system for obtaining a sample of the average height and size, and then the LIBS detection system focusing distance and scanning range; substance LIBS detection system for detection of ore, ore grade determination; mechanical separation system according to the testing results of ore and rock were transported to different ore collecting tank; measurement and control system for coordinated control of the various functional components of the device.

【技术实现步骤摘要】
基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法及装置
本专利技术属于激光光谱检测
，涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的矿物成分检测方法和机械化自动分选装置，适用于矿石品位的快速检测与分选。
技术介绍
据不完全统计，目前我国拥有的矿山数量大约在12万座左右，其中在上世纪六十年代到八十年代开采的矿山，由于当时技术条件的限制，大多采用露天开采的方式，在采矿过程中产生了大量废石，由于废石的矿物品位较低(1～2％)，传统的选矿方法，如比色法、比重法和悬浮法等，过程复杂且成本较高，二次开采不具备经济效益，因此大量的废石被囤积下来，然而这些废石常年累月的堆积不仅破坏了当地的生态环境，而且占用了大量的土地面积。因此，研究一种检测速度快、分析成本低的废旧矿石二次开采方法，不仅可以实现对废旧矿石的无害化处置、减少环境污染，还可以从废旧矿石中回收大量的矿物成分，从而扩大矿山资源、延长矿山寿命，具有公益性和经济性双重特性。激光诱导击穿光谱(LaserInducedBreakdownSpectroscopy,LIBS)技术是近年来新兴的一种物质成分检测技术，通过在样品表面聚焦一束高能量脉冲激光，对样品进行烧蚀并产生等离子体，然后再利用光谱仪检测等离子体的特征光谱，实现对样品成分的定性和定量分析。LIBS技术具有分析速度快、无需样品前处理和远距离探测等优势，适用于废旧矿石成分的快速分析，而且LIBS技术具有表面清洁能力，可以在分析前去除废石表面的氧化层。但是废旧矿石经过破碎后，大多呈现出形状不规则且表面凸凹，传统的LIBS技术不具备样品高度实时监测和调整功能，因此会因为激光离焦导致信号稳定性较差，另外废旧矿石表面成分分布不均匀，传统LIBS技术不具备面阵扫描功能，只能对单一点进行分析，不足以代表矿石的整体属性。
技术实现思路
针对传统LIBS技术在矿石快速分选过程中存在的问题，本专利技术提出了一种基于激光诱导击穿光谱技术的矿物成分检测新方法，并设计一套机械化自动分选装置。具体来说，利用激光诱导击穿光谱技术，通过样品形貌检测系统获取样品平均高度与形状参数，用于控制LIBS检测系统的聚焦距离及扫描范围，再结合光谱数据处理方法，改善光谱分析结果，进而通过机械自动化装置达到对不同品位矿石快速分选的目的。本专利技术的技术方案是：一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法及装置，装置主要包括：粉碎机、过滤器、传送装置、样品形貌检测系统、LIBS检测系统、机械分选与矿石收集系统和测控系统。矿石的快速分选方法包括如下步骤：(1)从矿山上挖掘的大块矿石首先进入粉碎机进行破碎，然后利用过滤器对破碎后矿石的形状和体积进行筛选，体积适中的矿石直接进入传送带准备检测，体积过小的矿石作为残渣排出，体积过大的矿石输送回粉碎机进行再次破碎。(2)传送带主要用于运送矿石样品，本专利技术主要包括两条传送带，两条传送带之间的间隔要小于矿石样品最小外接矩形的短边，以保证矿石样品不会掉落，同时当样品通过两条传送带之间的缝隙时，会裸露出下表面，可用于LIBS检测系统对矿石下表面的分析。(3)传送带将体积适中的矿石输送到样品形貌检测系统，该系统由一个激光投影仪、CCD相机和数据处理系统组成，当样品经过检测区域内，激光投影仪将一条狭窄的光带投影到矿石样品的3D表面，在非投影器的观察视角下由CCD采集矿石样品图像，此时将会看到一条呈现扭曲的曲线，利用数据处理系统分析矿石样品表面呈现的激光投影曲线，通过分析结果可以精确重建矿石样品表面的几何结构，其中矿石样品的平均高度参数主要用于控制LIBS检测系统聚焦透镜的高度；矿石样品的数字化轮廓信息用于控制LIBS检测系统扫描振镜的扫描范围。(4)LIBS检测系统主要用于检测矿石样品的物质成分，其中由激光器产生一束高能量脉冲激光(不小于200mJ)，脉冲激光经过分束子系统变成四束激光，其中每两束激光为一组，分别用于矿石样品上、下两个表面的分析，每组激光分别经过扫描与聚焦子系统，对样品进行线扫描，再配合传送带对矿石样品的运动控制，实现对矿石的上下表面的扫描分析，每次测试产生的激光诱导等离子体光谱经过振镜反射后，进入光谱信号采集子系统进行分光与光电转换，并将采集的光谱信号传输给数据分析子系统。其中涉及的三个子系统的结构和工作步骤如下：①分束子系统：该系统包括3个能量分束比为1:1的分束镜和1个反射镜，初始激光经过第一分束镜变换为两束能量相等的第一激光和第二激光，其中第一激光传输路径与初始激光相同，第一激光经过第一分束镜后入射至第二分束镜，再次变换为两束能量相等的第三激光和第四激光，两束激光传播路径呈90°夹角，且所构成的平面平行于样品表面所在平面，其中第二激光传输路径垂直于样品表面所在平面入射至反射镜，经过反射镜后第二激光传输路径变换为平行于初始激光传输路径，入射至第三分束镜，第二激光经第三分束镜变换为两束能量相等的第五激光和第六激光，两束激光传播路径呈90°夹角，且所构成的平面平行于样品表面所在平面，最终初始激光经3个分束镜和1个反射镜被分成4束能量相等的激光，入射至扫描与聚焦子系统。②扫描与聚焦子系统：该系统包括4个振镜和4个聚焦镜，振镜1和2、聚焦镜1和2安装在传送带上方，振镜3和4、聚焦镜3和4安装在传送带下方。由分束子系统产生的二级反射激光1和二级透射激光1分别入射到振镜1和2，经过反射后入射到聚焦镜1和2，并聚焦到样品上表面；由分束子系统产生的二级反射激光2和二级透射激光2分别入射到振镜3和4，经过反射后入射到聚焦镜3和4，并聚焦到样品下表面。通过改变四个扫面振镜的偏置电流，调节扫描振镜的反射角，进而实现对样品上下表面的线阵扫描。其中聚焦镜1和2的高度根据样品形貌检测系统获取的样品平均高度进行调节，另外4个聚焦镜的焦距优选大于300mm，利用透镜的长焦深降低样品表面凸凹不平导致的离焦现象。当矿石样品表面凸凹不平时会产生离焦情况，大焦距透镜在离焦情况下光斑尺寸变化较小，激光的单位面积峰值功率变化较小，因此可以降低LIBS检测系统因样品离焦产生的光谱信号抖动。③光谱信号采集子系统：该系统包括光学镜组、光纤探测器和光谱分光检测器，其中光学镜组用于收集激光诱导等离子体光谱，光纤探测器用于将矿石样品上下表面产生的四路光谱信号汇聚并传输给分光检测器，分光检测器用于将复合光变为单色光，再由检测器检测不同波长的光谱信号强度。光谱信号采集子系统各部分的详细技术方案如下：1)光学镜组包括四个扫描振镜(与扫描与聚焦子系统共用)、四个长焦深聚焦透镜(与扫描与聚焦子系统共用)、四个打孔反射镜，首先对扫描振镜和长焦深聚焦透镜进行光学镀膜，使其可以同时反射和聚焦激光脉冲和等离子体特征光谱，等离子体特征光谱按照激光入射的反方向传输，经过长焦深聚焦透镜和扫描振镜，入射到打孔反射镜上，再由打孔反射镜将其发射进入光纤探测器，其中打孔反射镜的孔径要略大于激光光斑直径，以便脉冲激光的顺利通过。2)光纤探测器包括一根一分四共融端子光纤、四个聚焦透镜和四个同轴机械组件构成，打孔反射镜将等离子体特征光谱平行反射到聚焦透镜，由聚焦透镜将其耦合仅一分四光纤的子端子，四路光谱信号由一分四共融端子光纤汇聚，由母端子将汇聚后的光谱信号传输给光谱分光检测器，其中每个聚焦透镜与一分四光纤的子端子通过同本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)首先将原始矿石经过破碎和过滤，对矿石体积进行筛选；2)传送带上运输的矿石样品在进行LIBS检测之前，需要利用激光投影法检测样品的外观形貌，根据所获取的样品高度信息调节LIBS检测系统中聚焦透镜的高度，根据所获取的样品轮廓信息调节LIBS检测系统中扫描振镜的扫描范围；3)LIBS检测装置将一束高能量脉冲激光分成能量相等的四束激光，其中每两束激光为一组，分别用于样品上表面和下表面的分析，单束激光经过扫描振镜和聚焦透镜对样品进行线阵扫描和聚焦，获取样品原子发射光谱信号；4)针对获取的光谱信号利用权值判定方法或模式识别方法进行数据处理，判断样品矿物含量属性。

【技术特征摘要】
1.一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选方法，其特征在于该方法包括以下步骤：1)首先将原始矿石经过破碎和过滤，对矿石体积进行筛选；2)传送带上运输的矿石样品在进行LIBS检测之前，需要利用激光投影法检测样品的外观形貌，根据所获取的样品高度信息调节LIBS检测系统中聚焦透镜的高度，根据所获取的样品轮廓信息调节LIBS检测系统中扫描振镜的扫描范围；3)LIBS检测装置将一束高能量脉冲激光分成能量相等的四束激光，其中每两束激光为一组，分别用于样品上表面和下表面的分析，单束激光经过扫描振镜和聚焦透镜对样品进行线阵扫描和聚焦，获取样品原子发射光谱信号；4)针对获取的光谱信号利用权值判定方法或模式识别方法进行数据处理，判断样品矿物含量属性。2.一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，该装置包括：矿石粉碎机(1)、过滤器(2)、传送装置(3)、样品形貌检测系统(4)、LIBS检测系统(5)、机械分选与矿石收集系统(6)及测控系统(7)，其中矿石粉碎机(1)将矿石粉碎成小块矿石，经过滤器(2)对矿石形状进行筛选后，在传送装置(3)的运送下，经过样品形貌检测系统(4)获取矿石样品表面特征，再经过LIBS检测系统(5)获取矿石样品矿物含量信息，根据矿物含量信息由机械分选与矿石收集系统(6)对矿石进行分选，测控系统(7)在矿石分选过程中负责对装置各功能部件进行统一协调控制；样品形貌检测系统(4)基于激光投影法采集样品上表面形貌信息；LIBS检测系统(5)具有激光分束、振镜扫描、多路光谱信号原位采集以及基于模式识别技术的数据分析功能，可以实现对矿石样品表面的快速、准确的面阵扫描分析。3.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的传送装置(3)由两条传送带组成，两条传送带之间的间隔可调整为不会使矿石样品掉落，且当样品通过两条传送带之间的缝隙时，会裸露出下表面，用于LIBS检测系统对矿石下表面的分析。4.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的样品形貌检测系统(4)包括激光投影仪、CCD相机和数据处理系统，激光投影仪将一条狭窄光带投影到样品表面，在样品表面呈现出与样品形貌相关的曲线，利用CCD相机采集该曲线的数字图像，再经过数字处理系统对采集的数字图像进行分析，获取样品表面形貌信息。5.根据权利要求2所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的LIBS检测系统(5)包括分束子系统、扫描与聚焦子系统、光谱信号采集子系统和数据分析子系统。6.根据权利要求5所述的一种基于激光诱导击穿光谱的废旧矿石分选装置，其特征在于：所述的分束子系统包括3个能量分束比为1:1的分束镜和1个反射镜，初始激光经过第一分束镜变换为两束能量相等的第一激光和第二激光，其中第一激光传输路径与初始激光相同，第一激光经过第一分束镜后入射至第二分束镜，再次变换为两束能量相等的第三激光和第四激光，两束激光传播路径呈90°夹角，且所构成的平面平行于样品表面所在平面，其中第二激光传输路径垂直于样品表面所在平面入射至反射镜，...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨光，王成皓，李颖超，刘可，田地，邱春玲，姚立，李春生，孙玉桥，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22