基于微波共振吸收的铁矿分析方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及基于微波共振吸收的铁矿分析方法及装置，所述方法包括：将待测的铁矿粉末样品置于磁场空间中，所述磁场空间包括磁场方向相互垂直的低频磁场及高频微波磁场；检测不同低频磁场强度下经铁矿粉末样品吸收后的微波能量；将铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线与各种成分的标准曲线进行比对，从而得出铁矿粉末样品中的成分及各成分的比例。所述装置包括：微波循环器、入射波导、检测波导短路波导，三段波导通过微波循环器连接成“T”字型。本发明通过测量不同低频磁场下所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线，然后将微波共振吸收曲线与各成分的标准曲线进行比对，从而得出所述铁矿粉末样品中的成分及各成分的比例。
【专利说明】基于微波共振吸收的铁矿分析方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及铁矿中成分的物相分析，具体地指一种基于微波共振吸收的铁矿分析方法及装置。
【背景技术】
[0002]铁矿是用于提炼单质生铁、炼钢的含铁的矿物质，其主要成分包括:磁铁矿(Fe3O4),赤铁矿(Fe2O3),褐铁矿(FeO(OH))，钛铁矿(FeTiO3),菱铁矿(FeCO3),黄铁矿(FeS2)0由于不同产地的铁矿成分存在巨大的差异，因此，在开采、冶炼或是进出口贸易检验过程中，需要确定铁矿的成分。
[0003]传统的铁矿石检验方法主要有湿法化学分析法和X射线荧光光谱分析法。
[0004]其中，湿法化学分析法首先使用强酸或强碱溶解矿石，再使用不同的化学试剂转化、沉淀溶液中不同价态矿物离子以便进行计量。这种方法不仅耗费大量时间与精力，而且涉及有毒化学试剂，对环境和操作人员健康不利。
[0005]X射线荧光光谱分析法是基于不同价态元素离子会引起X射线特征谱精细结构发生变化的原理，在分析时使用不同能量或者不同频率的X射线照射矿石粉末，检测反射光线中的X射线特征谱线的变化，再结合相应的软件定量计算铁矿石的成分。但是，X射线荧光设备通常体积较大，由X射线管、高压电源及稳压装置、分光晶体、准直器、检测器、脉冲辐射分析器、定标计、计时器、积分器、记录器、真空泵、液氮冷却系统等昂贵的配件组成，使用和维护成本都很高。
[0006]因此，有必要研究一种能够简单、快速、准确分析铁矿中成分的方法。
【发明内容】
[0007]本发明目的在于克服上述现有技术的不足而提供一种基于微波共振吸收的铁矿分析方法及装置，该分析方法简单，分析结果准确，且该装置结构简单，使用方便。
[0008]实现本发明目的采用的技术方案是:一种基于微波共振吸收的铁矿分析方法，包括以下步骤:
[0009]将待测的铁矿粉末样品置于磁场空间中，所述磁场空间包括磁场方向相互垂直的一低频磁场及一高频微波磁场；
[0010]改变所述低频磁场的强度，检测不同低频磁场强度下经所述铁矿粉末样品吸收后的微波能量；
[0011]对经所述铁矿粉末样品吸收后的微波能量进行积分，得到所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线；
[0012]将所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线与各种成分的标准曲线进行比对获得所述铁矿粉末样品中的成分，以及与标准样品的微波共振曲线相比获得所述铁矿粉末样品中各成分的比例。
[0013]所述获得所述铁矿粉末样品中各成分的比例包括:[0014]分别测量相同质量的不同成分的标准微波共振曲线；
[0015]计算所述标准微波共振曲线中各成分对应曲线所覆盖面积的标准比值；
[0016]参考所述标准微波共振曲线所对应的横坐标，对所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线中各对应成分进行标定；
[0017]使用多峰拟合方法对所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线各成分的峰进行分离，计算各峰覆盖面积的实测比值；
[0018]将标准比值和实测比值中相同成分相比后再与其它成分相比，从而得到各成分的质量比例。
[0019]此外，本发明还提供一种基于微波共振吸收的铁矿分析装置，该装置包括:
[0020]一微波循环器，其包括三个端口，所述三个端口分别连接有入射波导、检测波导和用于放置待测铁矿粉末样品的短路波导，所述入射波导和检测波导位于一直线上，所述短路波导与所述直线垂直；
[0021]一微波源，与所述入射波导连接；
[0022]一电磁铁，包括两个铁芯，所述短路波导位于所述两个铁芯之间的间隙中；以及
[0023]一检波二极管，与所述检测波导连接；
[0024]所述微波源产生的高频微波从入射波导进入微波循环器，微波循环器控制高频微波的传输方向，将入射波导中的高频微波传入短路波导中，高频微波在短路波导底部反射后再经循环器传入检测波导，进入短路波导中的高频微波与电磁铁产生的低频磁场在空间上相互垂直。
[0025]进一步地,所述电磁铁还包括:
[0026]一亥姆霍兹调制线圈，绕于所述两铁芯上；以及
[0027]—音频放大器，其输出端与所述亥姆霍兹调制线圈连接。
[0028]本发明根据微波共振吸收的原理，将待测的铁矿粉末样品置于磁场方向相互垂直的低频磁场及高频微波磁场的磁场空间中，通过改变所述低频磁场的强度，得到不同低频磁场强度下经所述铁矿粉末样品吸收后的微波共振吸收曲线，然后将微波共振吸收曲线与各成分的标准曲线进行比对，从而得出所述铁矿粉末样品中的成分及各成分的比例。
【专利附图】
【附图说明】
[0029]图1为本发明基于微波共振吸收的铁矿分析装置的结构示意图。
[0030]图中标号为:1-微波源，2-第一同轴转波导适配器，3-第一隔离器，4-入射波导，5-微波循环器，6-检测波导，7-第二隔离器，8-第二同轴转波导适配器，9-短路波导，10-待测样品，11-检波二极管，12-隔离放大器，13-高斯计，14-霍尔探针，15-电磁铁(其中，15.1-铁芯，15.2-调制线圈，15.3-直流电源，15.4-间隙)，16-音频放大器，17-锁相放大器，18-计算机，19-GPIB卡。
[0031]图2为典型的m(Hd。)函数曲线图。
[0032]图3为典型的Pabs(Hdc)曲线图。
[0033]图4为待测样品的微波共振吸收功率的曲线和标准样品的吸收曲线比对图。【具体实施方式】[0034]下面结合符合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0035]如图1所示，本发明基于微波共振吸收的铁矿分析装置包括:微波循环器5、入射波导4、检测波导6和短路波导9，微波循环器5包括三个端口，三个端口分别连接有入射波导、检测波导和用于放置待测铁矿粉末样品的短路波导，三段波导通过三个端口连接成“T”字型，即所述入射波导和检测波导位于一直线上，所述短路波导与所述直线垂直从而形成“T”字型；
[0036]微波源I依次通过第一同轴转波导适配器2和第一隔离器3与入射波导4连接。
[0037]检测波导6依次通过第二隔离器7和第二同轴转波导适配器8和检波二极管9连接。
[0038]短路波导9中装有待测样品10，待测样品10位于电磁铁15产生的低频磁场正中央。
[0039]微波源I用于产生高频微波磁场，该高频微波磁场的频率在X波段(本实施例中，X波段是根据IEEE521-2002标准，频率在8_12GHz的无线电波波段)，微波源I产生的高频微波从入射波导4进入微波循环器5，微波循环器5用于控制高频微波的传输方向，将入射波导4中的高频微波传入短路波导9中，高频微波在短路波导9底部反射后再经循环器传入检测波导6，进入短路波导9中的高频微波与电磁铁15产生的低频磁场在空间上相互垂直。
[0040]本实施例中，电磁铁15产生的低频磁场Hd。，Hdc为恒定的偏置磁场,低频磁场Hd。强度在O?35000e范围内连续可调,改变Hd。的大小,在每一个Hd。值下,通过微波循环器5控制被待测样品10所吸收的微波传输到检测波导6中，检测波导6输出至检波二极管9，检波二极管9检测在每一个Hd。值下，待测样品10所吸收的微波功率Pabs (Hdc)。
[0041 ] 入射波导4中的输入功率Pine表示为:
[0042]pinc_pref+pabs+plos+pdet
[0043]式中，Fef为入射波导4中反射的微波功率，Pabs为待测样品10在短路波导9中吸收的微波功率，P1t5s为损失的微波功率，Pdrt为检波二极管11在检测波导6吸收的微波功率。
[0044]检波二极管11输出电压Vd正比于待测样品10所吸收的微波功率，即:
[0045]Vd=Kd Pdet=Kd(Pinc-Pref-Pabs-Plos)
[0046]由于待测样品10在恒定外磁场Hde作用下发生磁化,材料内的兀磁矩会以外磁场为轴旋进运动。由于存在阻尼，这种旋进运动会很快衰减掉，使得最终元磁矩方向和外磁场方向一致。但如果在旋进平面即和恒定外磁场Hd。垂直的平面上施加一高频微波磁场，磁矩运动可以从高频微波磁场中吸收能量以抗衡阻尼。当高频微波磁场和磁矩旋进频率一致时，磁矩旋进和高频微波磁场会发生共振，此时材料对高频微波磁场能量吸收达到最大。高频微波磁场能够驱动待测样品10中磁矩旋进运动，因此会吸收和其旋进运动频率相同的微波能量。待测样品10中每一种成分的磁矩，可以由一个吸收峰表征。因此，由于原子外层不同轨道电子磁矩的旋进频率不同，通过检测材料的微波吸收峰，可以鉴别材料的组成。本发明检测检波二极管11输出电压Vd得到待测样品10的微波共振吸收功率的曲线，从而实现对待测样品10各成分的鉴别。
[0047]本发明还能够将所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线与标准样品的微波共振曲线相比得出所述铁矿粉末样品中各成分的比例，具体包括以下步骤:[0048]1)分别测量一定质量不同成分的标准样品的标准微波共振曲线。
[0049]2)计算所述标准微波共振曲线中各成分对应曲线所覆盖面积的标准面比值；假设步骤I)中所取成分为A、B、C...，则A、B、C...标准微波共振曲线覆盖面积的标准比值为al: bl: cl:...。
[0050]3)参考所述标准微波共振曲线所对应的横坐标，对所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线中各对应成分进行标定。
[0051]4)使用多峰拟合方法对所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线各成分的峰进行分离，计算各峰覆盖面积的实测比值；将标准比值和实测比值中相同成分相比后再与其它成分相比，从而得到各成分的质量比例，即假设待测样品10中成分A、B、C...对应峰覆盖面积比为 a2: b2: c2...，则各成分质量比例为(a2/al): (b2/bl): (c2/cl)...。
[0052]在本发明中，由于待测样品10所吸收的微波功率十分弱小，通过现有技术手段无法有效地进行直接测量，因此，本发明基于微波共振吸收的铁矿分析装置还提供一种优选实施方式，即通过采用调制解调的方法准确测量待测样品10所吸收的微波能量。本实施例中，电磁铁15包括:两个铁芯15.1、绕于两铁芯15.1上的调制线圈15.2，以及为电磁铁15提供电源的直流电源15.3，其中两个铁芯15.1之间存在一个间隙15.4，放置于短路波导9中的待测样品位于该间隙15.4中。本实施例中所用调制线圈15.2为亥姆霍兹调制线圈。
[0053]调制线圈15.2的两端分别与音频放大器16的两输出端连接，音频放大器16的输入端与锁相放大器17的参考频率输出端连接，锁相放大器17的通过隔离放大器12与检波二极管11连接，检波二极管5用来检测经过待测样品10吸收后的微波功率，隔离放大器12用来预放大检波二极管11的输出信号。
[0054]本优选实施例中，锁相放大器17的参考频率输出连接音频放大器15的输入端，使得幅度调制磁场的频率和锁相放大的参考频率一致。音频放大器16的输出连接在调制线
圈15.2上，以驱动调制线圈15.2产生幅度调制磁场///, COS(ft>i + φ) i|U度调制磁场Hh与
电磁铁15产生的低频磁场Hd。叠加形成低频磁场Ht，Ht=Ht=HdJHh cos (ω t+ Θ )。本实施例中，幅度调制磁场强度小于lOOOe，调制磁场的频率为10~100Hz。
[0055]当幅度调制磁场的幅值Hh远小于恒磁场Hd。时，磁场变化AHt所引起样品吸收功率变化APabs满足如下的线性关系:
[0056]Δ Pabs=m Δ Ht+C
[0057]式中，H^Pabs(Hdc)在某一恒定磁场下的斜率，即m=d PabsMHd。，典型的m(Hd。)函数曲线如图2所示。
[0058]将检波二极管输出Vd和低频磁场的调制信号Hh cos ( ω t+ Θ )同时输入锁相放大器17，锁相放大器17输出值Vq正比于检波二极管11输出信号中和调制频率相同频率部分的信号幅值，即:
[0059]VQ=-mKpsdKd (V0/2) Hhsin ( Φ)
[0060]式中，Kpsd为和锁相放大器17内部鉴相器电路参数有关的常量，Φ为输入信号和锁相放大器内部参考信号之差，当锁相放大器17工作稳定时Φ为一常数，Vtl为锁相放大器17内部鉴相器的信号增益。
[0061]本发明使用检波二极管11拾取经过样品吸收后的微波磁场，使用锁相放大器17检测微波磁场功率随调制磁场变化的斜率，通过改变低频磁场Ht的Hd。部分，分别测出不同Hdc值所对应的m值，检测出不同Hd。值所对应的m值，将m对Hd。进行积分，得出待测样品10的微波共振吸收功率Pabs(Hdc)，典型的Pabs(Hdc)曲线如图3所示。
[0062]本实施例根据检波二极管11输出电压Vd得到待测样品10的微波共振吸收功率的曲线，将待测样品10的微波共振吸收功率的曲线和标准样品(如Fe3O4, Fe2O3, FeO(OH),FeTiO3,FeCO3,FeS2等成分)的吸收曲线进行比对，即可标出各吸收峰对应的成分，如图4所
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[0063]为了方便实时获取数据，本实施实例还包括GPIB总线以及连接计算机18，锁相放大器17、直流电源15.3分别连接于GPIB总线上，计算机18设有用于与GPIB总线进行数据通信的GPIB卡19，采用Labview控制测量系统和采集数据。霍尔探针14插入两个电磁铁芯正中间的间隙15.4中，用于测量两对电磁铁芯正中间的磁场强度。霍尔探针14的输出端与高斯计13的输入端连接，高斯计13的输出端连接在GPIB总线上。
【权利要求】
1.一种基于微波共振吸收的铁矿分析方法，其特征在于，包括: 将待测的铁矿粉末样品置于磁场空间中，所述磁场空间包括磁场方向相互垂直的一低频磁场及一高频微波磁场； 改变所述低频磁场的强度，检测不同低频磁场强度下经所述铁矿粉末样品吸收后的微波能量； 对经所述铁矿粉末样品吸收后的微波能量进行积分，得到所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线； 将所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线与各种成分的标准曲线进行比对获得所述铁矿粉末样品中的成分，以及与标准样品的微波共振曲线相比获得所述铁矿粉末样品中各成分的比例。
2.根据权利要求1所述基于微波共振吸收的铁矿分析方法，其特征在于，所述获得所述铁矿粉末样品中各成分的比例包括: 分别测量相同质量的不同成分的标准微波共振曲线； 计算所述标准微波共振曲线中各成分对应曲线所覆盖面积的标准比值； 参考所述标准微波共振曲线所对应的横坐标，对所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线中各对应成分进行标定； 使用多峰拟合方法对所述铁矿粉末样品的微波共振吸收曲线各成分的峰进行分离，计算各峰覆盖面积的实测比值； 将标准比值和实测比值中相同成分相比后再与其它成分相比，从而得到各成分的质量比例。.
3.根据权利要求1或2所述基于微波共振吸收的铁矿分析方法，其特征在于:所述低频磁场的磁场方向还叠加另一幅度调制磁场。
4.根据权利要求3所述基于微波共振吸收的铁矿石分析方法，其特征在于: 所述低频磁场强度在O~35000e范围内连续可调，所述调制磁场强度小于IOOOe ； 所述高频微波磁场的频率在X波段范围内，所述调制磁场的频率为10~100Hz。
5.一种基于微波共振吸收的铁矿分析装置，其特征在于，包括: 一微波循环器，其包括三个端口，所述三个端口分别连接有入射波导、检测波导和用于放置待测铁矿粉末样品的短路波导，所述入射波导和检测波导位于一直线上，所述短路波导与所述直线垂直； 一微波源，与所述入射波导连接； 一电磁铁，包括两个铁芯，所述短路波导位于所述两个铁芯之间的间隙中；以及 一检波二极管，与所述检测波导连接； 所述微波源产生的高频微波从入射波导进入微波循环器，微波循环器控制高频微波的传输方向，将入射波导中的高频微波传入短路波导中，高频微波在短路波导底部反射后再经循环器传入检测波导，进入短路波导中的高频微波与电磁铁产生的低频磁场在空间上相互垂直。
6.根据权利要求5所述基于微波共振吸收的铁矿分析装置，其特征在于，所述电磁铁还包括: 一亥姆霍兹调制线圈，绕于所述两铁芯上；以及一音频放大器，其输出端与所述亥姆霍兹调制线圈连接。
7.根据权利要求6所述基于微波共振吸收的铁矿分析装置，其特征在于，还包括: 一锁相放大器，其参考频率输出端连接于所述音频放大器的输入端，其输入端与所述检波二极管输出端连接。
8.根据权利要求7所述基于微波共振吸收的铁矿分析装置，其特征在于，还包括: 一隔离放大器，连接于所述检波二极管输出端与锁相放大器的输入端。
9.根据权利要求8所述基于微波共振吸收的铁矿分析装置，其特征在于，还包括: 一霍尔探针，设于所述两个铁芯之间的间隙中；以及 一高斯计，与所述霍尔探针连接。
10.根据权利要求9所述基于微波共振吸收的铁矿分析装置，其特征在于，还包括: 一计算机；以及 一数据总线，所述计算机、锁相放大器、高斯计分别连接于该数据总线上。
【文档编号】G01N22/00GK103472073SQ201310438251
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月24日 优先权日:2013年9月24日
【发明者】闻心怡, 王磊, 陈虹, 钱家昌, 赵爱国, 肖前进, 张辉意, 夏兴隆 申请人:中国船舶重工集团公司第七一九研究所