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工程硕士学位论文 铁矿浆品位信息检测系统设计 刘志强 哈尔滨理工大学 2020 年 4 月 万方数据 国内图书分类号TD951 TP23 工程硕士学位论文 铁矿浆品位信息检测系统设计 硕 士 研 究 生 刘志强 导师 王丽杰 申请学位级别 工程硕士 学 科 、 专 业 仪器仪表工程 所 在 单 位 测控技术与通信工程学院 答 辩 日 期 2020 年 4 月 授予学位单位 哈尔滨理工大学 万方数据 Classified IndexTD951 TP23 Dissertation for the Master Degree in Engineering Design of iron ore pulp grade ination detection system CandidateLiu Zhiqiang SupervisorWang Lijie AcademicDegreeAppliedforMaster of Engineering SpecialtyInstrument Engineering Date of Oral ExaminationApril,2020 UniversityHarbinUniversityofScience a signal conditioning module consisting of an amplification link, a filtering link and a detection link; an ination control module consisting of a STM32 minimum system; and a system power module. Software design includes software design of the excitation module and software design of the ination control module. Based on this, the pulp sensor coil is designed and manufactured, and multiple sets of samples with known grades are selected to complete the experimental test and data analysis. The thesis studies the iron ore pulp grade ination detection and intelligent ination technology, designs the mechanical structure of the ore pulp collection such as pipeline sampling and tank sampling, designs experimental analysis data to obtain the relationship between the ore pulp grade and the output of the detection system, and completes the iron ore pulp grade detection . Research and testing system design. It provides a new testing for the automatic detection of iron ore beneficiation, and has a promotion effect on the realization of the automatic test of iron ore beneficiation. Keywords Iron ore slurry, Grade,Sampling unit,Self-induction sensor, DDS 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 目目录录 摘要...........................................................................................................................I Abstract........................................................................................................................ II 第 1 章 绪论.................................................................................................................1 1.1 研究背景及意义................................................................................................1 1.2 铁矿浆品位检测的国内外研究现状................................................................2 1.2.1 国外研究现状.............................................................................................2 1.2.2 国内研究现状.............................................................................................3 1.3 论文的主要研究内容........................................................................................6 第 2 章 铁矿浆信息采集方法研究.............................................................................7 2.1 矿浆品位信息采集理论基础............................................................................7 2.1.1 铁矿石的铁磁性.........................................................................................7 2.1.2 通电螺线管内部磁场数学模型.................................................................8 2.2 铁矿选矿工艺..................................................................................................13 2.3 矿浆品位信息取样检测装置设计..................................................................14 2.3.1 深槽矿浆取样检测装置设计...................................................................15 2.3.2 管道矿浆取样检测装置设计...................................................................16 2.4 矿浆品位信息检测系统总体方案..................................................................17 2.5 本章小结..........................................................................................................18 第 3 章 系统硬件设计...............................................................................................19 3.1 系统激磁模块设计..........................................................................................19 3.1.1 正弦波激磁方案论证...............................................................................19 3.1.2 DDS 波形发生原理...................................................................................21 3.1.3 系统激磁模块实现方案...........................................................................24 3.1.4 V/I 转换电路.............................................................................................28 3.1.5 移相电路...................................................................................................29 3.2 系统信号调理模块设计..................................................................................30 3.2.1 差分放大电路...........................................................................................30 3.2.2 带通滤波电路...........................................................................................31 3.2.3 峰值检波电路...........................................................................................32 3.3 系统控制模块设计..........................................................................................34 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 3.4 系统电源模块设计..........................................................................................36 3.5 本章小结..........................................................................................................38 第 4 章 系统软件设计...............................................................................................39 4.1 系统软件总体设计..........................................................................................39 4.2 主程序设计......................................................................................................39 4.3 激磁模块的程序设计......................................................................................40 4.3.1 FPGA 工程设计流程................................................................................41 4.3.2 DDS 频率合成软件设计...........................................................................42 4.3.3 激磁模块仿真...........................................................................................46 4.4 单片机控制模块软件设计..............................................................................47 4.4.1 系统显示子程序.......................................................................................47 4.4.2 系统 AD 采样子程序...............................................................................48 4.5 本章总结..........................................................................................................48 第 5 章 实验设计及数据处理...................................................................................49 5.1 实验样品的制备..............................................................................................49 5.1.1 实验样品选取...........................................................................................49 5.1.2 样品预处理...............................................................................................49 5.1.3 样品杯设计...............................................................................................49 5.2 螺线管线圈的制作..........................................................................................50 5.2.1 较小的电感值...........................................................................................50 5.2.2 较小的线圈半径.......................................................................................50 5.2.3 尽量多的线圈匝数...................................................................................50 5.3 实验测试及数据处理分析..............................................................................51 5.4 本章小结..........................................................................................................55 结论.........................................................................................................................57 参考文献.....................................................................................................................58 攻读学位期间发表的学术论文.................................................................................62 致谢.........................................................................................................................63 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 第 1 章绪论 1.1 研究背景及意义 近年来，中国经济高速发展，钢铁产业对铁矿石等原材料的需求量越来越 大，我国的资源特色是铁矿贫矿较多，虽然铁矿石产量一直大幅提高，但选矿 加工后的成品矿数量仍满足不了钢铁生产的需求，很大程度上依靠进口铁矿石 来弥补缺口。目前中国不仅是铁矿石消费、选矿加工生产国，而且是全球最大 的铁矿石进口国，2010 年我国铁矿石进口量达到 6.19 亿吨，2017 年达到 10.75 亿吨，8 年期间铁矿石进口量增幅高达 73.71[1]。 澳大利亚的力拓公司、必和必拓公司和巴西的淡水河谷公司对世界范围内 的铁矿石进行垄断，三大矿企形成价格联盟，其次亚洲其他国家和地区对铁矿 石定价权的激烈竞争，这使得以中国建材集团和首钢为代表的中国企业在铁矿 石进口定价权方面处处碰壁[2]。为了降低我国对进口铁矿石的依赖度，国内选 矿企业提高选矿水平，不断提高矿产数量及质量迫在眉睫，随之需要的大批量 生产的高效、快捷、高精度的铁矿品位信息自动化采集、监测、检测仪器及设 备的研究开发，便成为提高我国铁矿选矿测试领域的重中之重。 目前国内外应用最广泛的铁矿石品位检测手段是化学方法，化学方法技术 成熟，准确度高，但是对实验室检验条件和对检测技术人员水平均有较高的要 求。射线法也是一种不断发展的技术手段，该方法目前仍存在制样复杂，检测 结果易受到其它元素干扰，仪器造价维护成本高的问题。 论文从铁矿石的铁磁性质出发，依据电磁场理论，分析了利用磁铁矿铁磁 性来设计螺线管式自感传感器检测铁矿浆品位的检测方法；设计了螺线管式自 感传感器，通之以交变电流，品位已知的铁矿样品作为螺线管的铁芯，构建传 感器输出电压峰值与铁品位之间的对应关系；研究品位信息自动化采集测试方 法，设计了铁品位传感器、测试探头结构装置和检测系统；实现了选矿过程中 对铁矿浆品位的快速、高精度检测。为实时监测选矿工艺、提高选矿产品质量 提供评价指导，具有一定现实意义和市场应用前景。 - 1 - 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 1.2 铁矿浆品位检测的国内外研究现状 1.2.1 国外研究现状 近几年，国外针对铁矿石检测的研究大多基于光谱学的相关理论，其中又 以 X 射线荧光衍射法X-Ray Fluorescence, XRF为主要手段，XRF 技术自出现 以来在矿物检测、食品检测、环保检测等领域都有着重要的应用。利用铁磁性 来检测铁矿石的品位相关研究较少。 2014 年，荷兰 PANalytical B.V 公司的 Uwe Knig[3]、Thomas Degen 和 Nicholas Norberg，针对钢铁厂生产现场选用不同地点的煤和铁矿石，应仔细控 制这些材料以及烧结材料的混合，以获得最佳成分，进而从高炉中获得高质量 的铁这一问题，使用 XRD 方法检测烧结矿中 Fe2含量，并使用偏最小二乘回 归Discussed the Partial Least Square Regression,PLSR 建立了 XRD 分析与特沃 尔德解析法Rietveld定量和统计数据评估相结合，将结果与湿化学数据进行比 较。PLSR 结果显示 Fe2含量的准确度为 0.14。 2015 年，印度国家冶金实验室的 Venugopal Tammishetti[4]等人通过分散絮 凝实验，结合化学分析、X 射线衍射X-Ray Diffraction,XRD 、Rietveld 方法对 包含多种矿物杂质的铁矿样品进行分析，更好的估计各种矿物的比例。此方法 也可以用来计算选矿过程中矿物的回收率。 2017 年芬兰阿尔托大学电气工程学院的 Navid Khajehzadeha[5]、Olli Haavistob 和 Lauri Koresaarb 利用激光诱导击穿光谱Laser Induced Breakdown Spectroscopy, LIBS、荧光光谱和 XRF 测量技术对铁矿选矿厂尾矿浆进行在线 矿物鉴定，矿浆泵对矿浆进行循环，每个样品激光器发射 200 个脉冲，探测器 连接摄谱仪完成 LIBS 光谱采集。 2018 年，芬兰 Boliden 矿山公司的 Iita Kejonena[6]使用 X 射线荧光光谱方 法对选矿过程中浮选工艺中的矿浆流进行测量，同时针对多样品流的大型浮选 设备的使用过程中，集中式 XRF 分析仪只能在某一个点测量样品流的问题进 行了改进，优化了浮选回路控制，使浮选过程监控效率更高。 综上，近几年来国外针对矿石或矿浆品位检测有了一些新的探索和研究， 相关研究主要是使用基于光谱学的几种技术，包含 XRF 技术和 LIBS 技术等。 - 2 - 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 1.2.2 国内研究现状 现阶段铁矿品位的国家标准方法采用的是化学分析法，化学分析法要求在 标准实验室内进行操作，对操作人员要求较高，同时化验耗时相对较长，不能 实时监测。为了实现铁矿铁品位更加高效及快速的测试或监测，近年来，国内 对相关测试技术和方法的研究不断发展和完善，其中，射线法和铁磁法具有代 表性和发展潜力。 1. 化学分析法 化学分析法仍然是国内外检测矿物铁品位的主要手段。国内的出入境检验 机构均采用的化学分析法。化学分析法中采用的具体手段有重铬酸钾滴定法、 邻菲罗咻分光光度法、EDTA 络合滴定方法等。 2014 年，包头稀土研究院的王素梅[7]和王东杰采用重铬酸钾滴定法测定硼 铁合金中的全铁含量，实验表明硼铁合金中的其它元素不会干扰到全铁含量的 测量，实验测量标准差小于 0.5。 2015 年，鲅鱼圈出入境检验部门的蒋晓光[8]和王艳君采用滴定法检测铜磁 铁矿中的铁元素。滴定溶液使用硫代硫酸钠溶液，设计实验检验对铁元素的滴 定标准偏差低于 0.335。 2017 年，国家钒钛制品质量监督检验中心的王勇[9]和张远琴利用 EDTA 络 合滴定方法测量高炉渣中的全铁含量，实验的标准差为 0.76-2.3，检测结果 与邻二氮菲分光光度法测量结果相同。 2018 年，天津出入境检验检疫局的王虹[10]、魏秉炎针对铜磁铁矿全铁含 量检测易受到非铁元素的干扰的问题，设计了两套试验方案分离干扰元素，采 用重铬酸钾滴定的技术手段完成铜磁铁矿中的全铁含量的测量。 2018 年，北京科技大学的吴永明[11]和陶武，在无汞无铬测铁技术上取得 了进展，在常规邻菲罗咻分光光度法检测全铁方案的基础之上，通过试验浓度 相当的标准溶液作为参照，扩宽了邻菲罗咻分光光度法的测量范围至 50左 右。 2018 年，四川省地质矿产勘查部门的李向超[12]选定钒钛磁铁矿为研究对 象，使用重铬酸钾滴定法设计实验将钒元素对实验结果的影响消除，同时与 XRF 方法测量结果印证。 化学分析法检测铁矿石品位具有技术成熟，准确度高等特点，是选矿现场 最常用的检测手段。选矿工艺需要根据铁矿品位检测数据的更新做出调整，但 是化学分析法检测耗时通常需要几十分钟，不能满足选矿现场对实时快速检测 - 3 - 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 铁矿品位手段的现实需求，同时化学分析法对实验室检验条件、测试人员操作 水平要求较高。 2. 射线法 在矿物分析领域，射线法主要指的是基于光谱学的各种技术，包含原子荧 光光谱法，火焰原子吸收法，电感耦合等离子体。上述三种方法对矿石进行检 测之前需要将矿石制备成特定浓度的溶液，检测过程复杂。质子激发 X 射线荧 光和同步辐射 XRF 技术制作的仪器一般体积较大，运行成品较高。 2013 年，成都理工大学核技术与自动化学院的李哲[13]、庹先国针对攀钢 选矿厂生产现场的钛铁矿铁品位检测问题，设计了基于 X 荧光分析原理的铁品 位分析系统，在提高系统稳定性、可靠性的方面做了相应的探索，采用全自动 精密机电控制的制样系统解决样品制作周期长的问题，选取正比计数管探测器 改善以往使用闪烁技术探测器精度不够的问题。该检测系统实际使用对铁品位 检测绝对误差小于 0.5。 2013 年大连理工大学的林春强[14]选取 Cs 放射源作为中能放射源和 Am 放 射源作为低能放射源的双能γ射线检测方法完成了铁矿浆铁品位的测量，其原 理是利用 Cs 放射源发出射线检测矿浆中所有固体的质量，利用 Am 放射源发 出射线检测 Fe 的质量，从而计算出矿浆中铁的含量，与此同时还总结出了适 合选矿生产现场的标定技巧。 2015 年，山东鲁南地质工程勘察院的李清彩[15]和赵庆令先以高氯酸、硝 酸等试剂预处理多金属矿物，再以多种不同波长的光谱线使用 ICP-AES 测定 矿石多种金属的含量，相对标准差小于 4。 2015 年，北京师范大学的李坊佐[16]和刘志国设计了三维共聚焦微束 XRF 光谱仪，仪器结构由多毛细管 X 射线会聚透镜和多毛细管平行束透镜组成。检 测过程为会聚透镜将 X 射线源发出的 X 射线会聚到检测样品上，会聚透镜和 平行束透镜共聚焦，此时探测器可以捕捉到 X 荧光信号，该方法实现了对岩石 矿样的三维无损分析。 2016 年，南京航空航天大学的孔智灵[17]、张新磊使用 X 射线管、SDD 探 测器、输送带、雪橇板等构成铁矿石品位在线检测系统，利用 X 射线荧光光谱 技术对铁矿石样品进行检测，结合小波分析技术对系统输出的能量谱进行能谱 的平滑和背景去除处理，提高了铁矿石品位检测的分析精度，其系统检测效果 为定态测量精密度达到 2.614，在线测量的精密度达到 0.227。 2019 年中国矿业大学的魏振园[18]、王卫东和国投创合基金管理有限公司 的冀飞利用 X 射线荧光光谱测试技术搭建了矿浆品位在线检测试验平台，建立 - 4 - 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 了矿浆品位的测量模型，提高了矿浆检测的准确度。 2019 年，天津光电通信技术有限公司的冯禄平[19]使用 X 光管和 SI-PIN 半 导体检测器为核心构建矿浆在线品位分析仪，对相关产品工程应用提供了指导 意见。 XRF 技术分析矿物组成分析速度快，制作样品简单，适合工业现场应用， 但做定量分析时需要制作标准的样品，同时元素之间相互干扰和叠加峰会影响 检测精度。 3. 铁磁性测量法 目前机械行业通过检测设备润滑油中的含铁颗粒的大小和数量对机械设备 磨损情况进行分析，利用润滑油中的含铁颗粒具有磁化性质，采用铁磁法来检 测机械设备中的含铁颗粒是一种有效的手段，铁磁法在设备磨损检测领域的相 关研究为本文铁矿浆品位检测带来了新的思路，因为工业选矿过程中的铁矿浆 中含铁颗粒的大小与机械设备油液内的含铁颗粒相似，理论上可以利用含铁颗 粒的铁磁性质检测其品位。 2012 年，电子科技大学自动化工程学院的傅舰艇[20]和詹惠琴等设计了一 种三线圈结构的含铁颗粒检测系统，检测系统通过 NI 采集卡和 LabVIEW 对信 号进行处理，实现了对含铁粒子分辨率达到 100μm。 2015 年，上海交通大学的王志娟[21]和赵军红为了提高检测含铁颗粒的灵 敏度，设计了一种以平面线圈围绕微通道的三线圈传感器，给出了敏感性的有 限元仿真分析，完成了基本的功能测试，系统的分辨率也达到了 100μm。 2017 年，华南理工大学司二伟[22]和张勇使用仿真软件 Maxwell 完成了传 感器静态磁场的仿真和瞬态磁场的仿真，得出内部磁场轴向和径向变化大小近 似，感应电动势峰值与线圈匝数成正比例，传感器检测含铁颗粒最小为 50μm，含铜磨粒最小为 100μm。 2019 年，燕山大学电气工程学院苏连成[23]和王航设计螺线管型差动变压 器式磨粒检测传感器，数据处理部分采用局部加权回归散点平滑算法对传感器 输出的信号进行平滑数字滤波处理，成功检测出颗粒粒度大于 75μm 的铁磁性 颗粒。 2019 年，武汉理工大学的盛晨兴[24]等，利用 ANSYS Maxwell 对电涡流传 感器进行电磁仿真，利用电涡流原理检验机械设备中金属颗粒，得出线圈的激 励频率越高，金属颗粒的涡流作用越大；电感线圈的内径越大，金属颗粒的涡 流作用越小的结论，进而可以通过设计电涡流传感器检测机械设备中的金属颗 粒，排查机械磨损情况。 - 5 - 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 铁磁法对比化学分析法具备检测快速，流程简单，对检测环境和检测人员 没有特殊要求等优势。铁磁法对比射线法具有样品无需多环节的预处理，同时 设备体积小，便携性强并且制造成本低等优势。综合以上，铁磁性测试方法是 比较适宜工矿环境和选矿工艺过程矿浆信息检测的手段。因此论文对铁磁法检 测磁铁矿铁矿浆铁品位进行了探讨和研究。 1.3 论文的主要研究内容 论文论述了铁矿石品位测试技术的国内外研究现状，对比不同检测手段的 优势和不足，确定论文研究方法为铁磁法，该方法的理论基础为铁矿石的铁磁 性和电磁场理论，依据电磁场理论推导圆形通电螺线管内部磁场的数学表达 式，论述自感传感器检测铁矿浆的可行性和传感器参数对螺线管内磁场的影 响，进而设计了一种基于自感原理来检测铁矿浆品位的技术方案，针对铁矿浆 取样检测需求设计两种不同结构的取样检测装置，设计检测系统的硬件部分和 软件部分，设计实验并对实验数据进行分析总结。研究内容概括如下 1. 探讨国内外学术界和工业界对铁矿石和铁矿浆品位的检测方法和每种技 术方案的优势和不足，针对磁铁矿铁矿浆品位检测问题，确定论文研究手段为 铁磁法。 2. 基于电磁场理论，推导通电圆形螺线管线圈内的磁场强度数学表达式， 讨论了自感法检测铁矿浆的可行性，为设计螺线管自感传感器提供基础。针对 矿浆取样的需求，设计深槽矿浆取样检测装置和管道矿浆取样检测装置的机械 结构，在此基础之上，设计矿浆品位检测系统总体流程结构。 3. 铁矿浆品位检测系统的硬件设计，包含激磁模块、信号调理模块、信息 控制模块和电源模块。其中，激磁模块包括 FPGA 控制的 DDS 波形发生电 路，V/I 电路，移相电路；信号调理模块包含差分放大电路、滤波电路、峰值 检波电路；信息控制模块主要为 STM32 单片机。 4. 铁矿浆品位检测系统的软件设计，主要包含检测系统控制核心 STM32 单片机软件设计和激磁模块软件设计。STM32 单片机软件设计包含 A/D 采集 子程序、显示子程序等。激磁模块软件设计包含信号调频环节、相位累加环 节、计算波形查询地址环节、ROM 查询波形数据环节等。 5. 实验设计及数据处理，选取某磁铁矿不同品位的铁精粉，忽略水分对品 位的影响，制作铁矿浆品位传感器线圈，在外加激磁信号作用下，检测传感器 输出样品品位信号，尝试建立矿浆品位与传感器输出电压的对应关系。 - 6 - 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 第 2 章 铁矿浆信息采集方法研究 本章为铁矿浆信息采集的方法研究。选取铁矿石中的磁铁矿铁矿浆为研究 对象，以其铁磁性质为切入点，应用安培定律分别对单层和多层通电圆形螺线 管内部的磁场进行分析，同时将铁矿浆样品作为螺线管式自感传感器的铁芯， 为建立螺线管式自感式结构的矿浆品位传感器打下理论基础。分析了铁矿石工 业选矿的工艺流程，在此基础上，针对选矿工艺对铁矿浆品位的检测需求，设 计两种结构的矿浆取样检测装置，取样检测装置同时充当传感器测头，最后根 据螺线管式自感传感器的输入输出特点设计矿浆品位信息检测系统的总体流程 结构。 2.1 矿浆品位信息采集理论基础 论文从铁矿石的铁磁性质出发，根据铁矿石具有的磁化性质[25]，铁磁性材 料在外部磁场发生变化时，自身的感应磁场强度会发生变化，铁矿浆样品作为 螺线管式自感传感器的铁芯，传感器的圆柱形通电螺线管为铁芯提供了变化的 外部磁场环境，对圆柱形通电螺线管的内部磁场分布研究可以分析螺线管内部 磁场的影响因素，为设计螺线管传感器的尺寸结构提供依据。 2.1.1 铁矿石的铁磁性 在磁场中与磁场产生相互作用的物质称为磁介质。磁铁矿是众多铁矿石中 的一种，磁铁矿矿石是一种强磁介质。铁磁材料在外加磁场后产生的磁场强度 不仅仅和外加磁场大小有关而且和铁磁材料的磁化历史有关，这一特性用铁磁 介质磁滞回线描述，磁滞回线[26]如图 2-1 所示。外部磁场向不同方向变化时， 处于磁场中的铁磁介质产生磁感应强度变化如曲线所示。例如当铁磁介质外部 磁场 H 增强时，铁磁介质磁感应强度 B 增加。其它方向类似，这就是铁磁质 的磁化作用。根据上述铁矿石的磁化性质，在铁矿浆外部构建磁场强度变化的 环境，铁矿石内部感应的磁感应强度会随着外部磁场的变化而变化。 - 7 - 万方数据 哈尔滨理工大学工程硕士学位论文 图 2-1 磁滞回线 Fig. 2-1 Hysteresis loop 2.1.2 通电螺线管内部磁场数学模型 1. 安培定律原理 空间中有两条距离 s 的通电导线 L1，L2，导线电流分别为 I1，I2。如图 2- 2。 图 2-2 安培定律示意图 Fig. 2-2 Schematic diagram of ampere law 在 L