| 發布日期：2023-07-28 |
礦物含量是衡量礦石品質的重要指標之一，對于實現礦產資源的合理利用具有重要意義。在選礦廠中，快速準確地檢測礦物含量是一個關鍵問題。傳統的礦物含量檢測方法步驟繁瑣，分析周期長，還會破壞樣本內部結構。此外，這些方法對測量人員的實驗操作能力要求較高，而且成本昂貴、存在環境污染等缺陷，已經不適合現代數字化工業的快速發展需求。近幾十年來，近紅外光譜分析技術由于其易操作、快速、無損等優點，已在醫療、食品、礦物勘探等領域獲得了廣泛的應用和發展。本文使用微型光纖光譜儀，以氧化銅礦表面的光學特性為背景，探究孔雀石含量與樣本表面反射光譜之間的關系，旨在創建一種快速且環保的礦物含量檢測模型。
本文測試數據及數據處理方法由福州大學資源與環境學院占錦玉提供，測試系統采用如海光電光譜儀、鹵素光源、Y 型光纖、校準白板等進行搭建，如圖1所示。此外，為了避免外界光對實驗的干擾，將探頭和樣品置于暗箱當中。
圖1 光譜數據采集裝置示意圖
其中光譜儀和鹵素光源的主要參數為：(a)光譜儀：光譜范圍：180~1100nm，探測器：背照式制冷線陣CCD，有效像素2048pixels。(b) 鹵素光源：工作功率：8.04w，發射光范圍：350~2500nm，供電電流：12V/1.2A 以上，輸出接口：SMA905。
3.1孔雀石和脈石礦物樣品反射率測試
同一孔雀石和脈石礦物樣品的 32 條反射率光譜曲線，分別如圖2、圖3所示。
圖2 孔雀石樣品的反射光譜圖（32次）
圖3 次脈石礦物反射率光譜圖（32次）
根據上圖，將精礦和脈石礦物的光譜曲線分為 340~400nm，400~1000nm，1000~1165nm 三個波段，在三個波長范圍內探究光譜數據采集裝置的重復性，分別計算兩組樣品的峰值標準差、最大值以及最小值。由表1可知，兩端波段范圍內的峰值偏差均比中間波段大，兩端反射光譜的重復性稍差，因此選擇400~1000nm波段進行分析。
表1 孔雀石和脈石礦物不同波段的峰值參數
3.2 礦物種類識別模型的建立
采用 SVM 算法來建立礦物種類識別模型。建模之前，將孔雀石、石英、赤鐵礦三種礦物設置標簽值，數字1表示孔雀石，數字2表示石英，數字3表示赤鐵礦。將兩個主成分的得分值作為新的自變量X代替原始光譜數據，標簽值作為因變量Y建立SVM模型。為了防止模型過擬合，選擇五折交叉驗證的方式的來建模。模型的訓練集結果如圖4所示，第一類樣本中，有一個樣本被錯誤地預測成第二類，為預測錯誤。第二、三類樣本的真實類別與預測類別完全一致，無錯誤預測。訓練集模型總體的識別準確率達 98.88%，表明建立的模型效果較好。
圖4 模型訓練集結果
為了檢驗模型的預測能力，對預測集的30個樣本進行測試。模型的測試集結果如圖5所示，第一類和第三類樣本的預測值和真實值完全一致，第二類樣本中有一個被錯誤識別成第一類，其余全部識別正確。PCA-SVM分類模型的總體預測準確率約為96.67%，模型預測效果較好，表明此模型用于礦物的聚類分析是可行的。
圖5 PCA-SVM模型預測結果
3.3 基于BP神經網絡的孔雀石含量檢測模型建立
經過競爭自適應算法挑選特征后的光譜數據樣本按照4:1劃分，其中訓練集樣本93個，測試集樣本23個。根據上述設置的神經網絡結構參數，將訓練集光譜數據X和實際的孔雀石含量值Y作為輸入來建立BP神經網絡模型，模型訓練的結果如圖6。
圖6 BP模型校正集結果
由圖6可知，相關系數R=0.9908，模型均方根誤差 RMSE=0.04983，表明模型的真實值和預測值較接近，模型內部結構穩定性好。為了檢驗模型的預測能力，將另外的16個礦物樣本的光譜作為測試集輸入到建立的模型中，并與真實的孔雀石含量值相比較，如表2所示，模型的預測結果如圖7所示。
圖7 BP模型預測結果
表2 BP模型預測值與真實值對比
由表2的預測結果可知，預測相對誤差的最大值為0.238，最小值為0.004，誤差均在可接受的范圍內。模型的相關系數R=0.9832，均方根誤差RMSE=0.6936，表明BP模型的預測值和真實值之間相關性高，預測誤差較小，建立的模型具備較高的可行性，可用于模型數據分析。
結果表明，可通過如海光電XS13256光譜儀、HL10000鹵素光源等設備可搭建礦石分選系統，結合PCA-SVM和BP神經網絡算法可實現礦物的聚類分析以及礦石中孔雀石含量檢測。感謝福州大學資源與環境學院占錦玉提供文章素材。
XS13256光纖光譜儀
1、產品簡介
XS13256采用背照式線陣CCD傳感器，該傳感器采用電阻柵結構，可實現高速傳輸。另外，內置TE冷卻器，在運行時可以保持恒定的元件溫度（最低-2°C），使得光譜儀暗噪聲可以控制在±10counts@100ms。其內部采用 C-T 式光路設計，通過光路的優化設計與光學元器件的嚴格選型，使得 XS13256能夠獲得更高的光譜分辨率，消除光譜儀內部的雜散光干擾。
XS13256擁有穩定的光譜信號探測能力，可用于拉曼光譜檢測、透反輻測量、熒光光譜測量等功能。
2、產品特點
? TE制冷設計，制冷溫度能達到-2℃；
? 低暗噪聲，能夠控制在±10Counts@100ms；
? 高動態范圍，收集到更豐富的光譜信息；
? 開放外部接口協議，可嵌入設備中，可支持Windows、Linux、Andorid系統開發；
? 支持長積分，可以支持0.1ms-180S積分；
? SMA905可更換，方便客戶自行更換狹縫
