本文選題：激光誘導(dǎo)擊穿光譜 + 基體效應(yīng)��； 參考：《清華大學(xué)》2014年博士論文

【摘要】：研制開發(fā)煤質(zhì)在線檢測裝置,對于電廠提高運行效率、降低污染排放和提高運行安全性等方面都十分重要。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(LIBS)由于具有檢測速度快、幾乎無需樣品制備和能夠同時進行多元素測量等優(yōu)點,在煤質(zhì)在線檢測上極具應(yīng)用潛力。實現(xiàn)LIBS在煤質(zhì)在線檢測上的應(yīng)用,關(guān)鍵之一在于實現(xiàn)LIBS對煤中碳含量的準確測量。然而,由于煤的化學(xué)組成和結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜,LIBS對煤中碳含量的測量會受到復(fù)雜的基體效應(yīng)的影響,導(dǎo)致測量的準確性較差。本文研究了基體效應(yīng)對LIBS測量煤中碳含量的影響及其產(chǎn)生原因。研究表明,煤中揮發(fā)分和灰分含量的變化是產(chǎn)生基體效應(yīng)的主要原因。當揮發(fā)分含量較高時,等離子體中燒蝕產(chǎn)生的碳原子數(shù)量偏低,導(dǎo)致碳原子譜線強度偏低。隨著灰分含量增加,等離子體溫度升高,從而影響碳原子譜線強度。對此,本文研究了消除LIBS測量煤中碳含量受到的基體效應(yīng)的數(shù)據(jù)處理方法。首先,本文建立了用于光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理的光譜標準化方法。該方法采用碳雙原子分子(C2)和碳氮雙原子分子(CN)的譜線強度補償在測量高揮發(fā)份含量的煤時出現(xiàn)的碳原子譜線強度降低。對于補償后的碳原子譜線強度,該方法又利用光譜數(shù)據(jù)消除了由于等離子體的總粒子數(shù)密度、溫度和電子密度變化對其造成的影響,從而有效提高了LIBS測量煤中碳含量的準確性和精度。然后,本文建立了基于光譜標準化的偏最小二乘(PLS)定標模型。該模型利用光譜標準化后的碳原子譜線強度提取碳含量的主要信息,利用PLS方法修正殘差,使得LIBS對煤中碳含量測量的準確性進一步提高。本文進一步利用空間限制作用方法提高基于光譜標準化的PLS定標模型的性能。首先,本文通過等離子體在不同尺寸圓柱型坑洞的空間限制作用下輻射強度的時空分布實驗,證明了空間限制作用的機理在于反射激波與等離子體中燒蝕物質(zhì)蒸氣的相互作用。實驗表明,當坑洞直徑的尺寸適中,并且坑洞的高度與等離子體高度相近時,圓柱型坑洞具有最優(yōu)的空間限制作用效果。然后,本文設(shè)計了尺寸適中的圓柱型坑洞,用于煤中碳含量的測量。結(jié)果表明,在坑洞限制作用下應(yīng)用基于光譜標準化的PLS定標模型,能夠進一步提高LIBS測量煤中碳含量的準確性和精度。
[Abstract]:It is very important for power plant to improve operation efficiency, reduce pollution emission and improve safety of operation. Laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) has the advantages of high detection speed, little need for sample preparation and multielement measurement at the same time, so it has great application potential in on-line coal quality detection. One of the key points to realize the application of LIBS in on-line coal quality detection lies in the accurate measurement of coal carbon content by LIBS. However, because the chemical composition and structure of coal are very complex, the measurement of carbon content in coal will be affected by complex matrix effect, which leads to the poor accuracy of the measurement. In this paper, the effect of matrix effect on the measurement of carbon content in coal by LIBS and its causes are studied. The results show that the change of volatile matter and ash content in coal is the main cause of matrix effect. When the content of volatile matter is high, the number of carbon atoms produced by ablation in plasma is low, which leads to the low intensity of the spectrum line of carbon atom. With the increase of ash content, the plasma temperature increases, which affects the intensity of carbon atom line. In this paper, the data processing method for eliminating the matrix effect of carbon content in coal measured by LIBS is studied. Firstly, a method of spectral standardization for spectral data preprocessing is established. In this method, the spectral line strength of carbon diatomic molecule (C2) and carbon nitrogen diatomic molecule (CN2) is compensated for the decrease of the intensity of the carbon atom line in the measurement of coal with high volatile content. For the compensated spectral line strength of the carbon atom, the influence of the total particle density, temperature and electron density of the plasma on it is eliminated by using the spectral data. Therefore, the accuracy and accuracy of LIBS measurement of coal carbon content are improved effectively. Then, a partial least square (PLS) calibration model based on spectral standardization is established. In this model, the main information of carbon content is extracted by the intensity of carbon atom spectral line after spectral standardization, and the residual error is corrected by PLS method, which makes the accuracy of the measurement of carbon content in coal further improved by LIBS. In this paper, the performance of the PLS calibration model based on spectral standardization is further improved by using the spatial limiting action method. Firstly, the spatiotemporal distribution of the radiation intensity of the plasma under the space limitation of different size cylindrical potholes is proved to be due to the interaction between the reflected shock wave and the ablative material vapor in the plasma. The experimental results show that when the diameter of the hole is moderate and the height of the hole is close to the height of the plasma, the cylindrical hole has the best effect of space restriction. Then, a cylindrical hole of moderate size is designed to measure the carbon content in coal. The results show that PLS calibration model based on spectral standardization can further improve the accuracy and accuracy of LIBS measurement of carbon content in coal.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類號】：TM621

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本文編號：1924118