激光诱导击穿光谱用于水泥质量分析研究

摘要

水泥质量的优劣直接影响到建筑工程的安全性，使用质量合格的水泥材料是保证工程结构质量的必要前提。水泥质量检验是水泥生产中的一个重要的环节，加强水泥质量的检验工作是保障水泥产品质量的必要前提。传统的水泥检测方法存在耗时长、操作繁琐、有辐射等局限，不能及时反馈水泥生产过程中的原料配比，无法满足现代水泥工业的时效性，迫切需要发展新的水泥质量检测技术。本文主要对激光诱导击穿光谱用于水泥质量检测进行了理论分析和实验研究，验证了该技术应用于水泥质量检测的可行性，同时研制了基于激光诱导击穿光谱技术的水泥质量检测设备。
　　本文首先介绍了激光诱导等离子体的产生机制，论述了激光诱导击穿光谱定量分析原理及等离子体参数测量原理。然后，针对目前等离子体温度测量中某些元素不适于用Boltzmann平面法，及常用的 Boltzmann平面法和双线法的测量精度较差的问题，提出结合Boltzmann-Maxwell分布和 Saha-Eggert公式来提高等离子温度的测量精度；针对计算等离子体电子密度时谱线线宽不便测量的问题，利用高斯公式的面积与峰值关系建立了谱线线宽的简便算法；建立了基于Mcwhiter准则的等离子体局部热平衡LTE态的判定方法，为定量分析提供了有效光谱数据。接着，研制了基于激光诱导击穿光谱的水泥质量检测设备，介绍了其结构、光学系统、样品室等设计原理。利用该设备对水泥生熟料中主量成分及熟料率值进行了工业现场测试和分析，在定标建模过程中，评估了不同种类的定标样品对定量分析精度的影响，发现为了获得更高的测量精度，应该选用与被测样品同种类的样品进行单独定标；为了消除设备运行过程中因激光能量衰减等因素而导致测量误差的增大，提出一种快速线性校正方法，从而简化了设备的校正过程，延长了标定周期。实验结果表明，该LIBS设备对水泥生熟料中CaO、SiO2、Al2O3、Fe2O3测量的平均绝对误差分别为0.46％、0.25%、0.13%、0.05%，对水泥熟料率值KH、SM、IM测量的平均绝对误差分别为0.02、0.05和0.04，满足国家标准要求。最后，对全文进行了总结，并对激光诱导击穿光谱应用于水泥质量在线分析的进一步研究工作提出了展望。

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第一章 引言

1.1 水泥

1.1.1 水泥概述

1.1.2 水泥检测的重要性

1.2传统的水泥检测方法

1.2.1 化学分析方法

1.2.2 X射线荧光光谱检测法

1.3激光诱导击穿光谱检测法

1.4 本文主要研究内容

第二章 激光诱导击穿光谱原理

2.1 激光诱导击穿光谱实验装置

2.2 激光诱导击穿光谱定量分析原理

2.3 激光诱导等离子体参数测量原理

2.3.1 电子密度的测量

2.3.2 等离子体温度的测量

第三章 激光诱导等离子体局部热平衡态的判定方法研究

3.1 理论分析

3.2 实验

3.3 实验结果与分析

第四章 基于激光诱导击穿光谱的水泥质量检测技术及设备

4.1 LIBS水泥质量检测设备的研制

4.1.1总体设计

4.1.2光学系统设计

4.1.3样品分析室设计

4.2 工业现场测试

4.2.1 水泥等离子体LTE态判断

4.2.2 定标建模

4.2.3测试结果及分析

4.2.4 线性校正方法

全文总结与展望

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果

致谢

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