一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置,包括一個(gè)下端不閉合的箱體，其前端設(shè)有連接機(jī)動(dòng)車輛的牽引裝置，其底部中央通過轉(zhuǎn)軸裝設(shè)有犁頭，其底部?jī)啥司O(shè)有行走輪，其頂部設(shè)有GPS和工控機(jī)，其內(nèi)部設(shè)有激光器主體、光譜儀和氬氣瓶；所述犁頭的后端裝設(shè)有光學(xué)采集盒，所述光學(xué)采集盒內(nèi)設(shè)有激光器發(fā)射端、會(huì)聚透鏡、收集透鏡組和收集光纖端頭。本發(fā)明操作簡(jiǎn)便，可在田間自由移動(dòng)，無需對(duì)土壤樣品進(jìn)行采樣，整個(gè)檢測(cè)、計(jì)算、記錄過程連續(xù)化、無污染，適用于大片田地，具有響應(yīng)時(shí)間短、檢測(cè)限低、多元素同時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，可同時(shí)研究土壤養(yǎng)分和重金屬元素含量分布情況。
【專利說明】一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤成分檢測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置。
[0002]

【背景技術(shù)】
[0003]土壤養(yǎng)分是指依靠土壤來供給植物必需營養(yǎng)元素，掌握農(nóng)田土壤養(yǎng)分的空間分布，是實(shí)現(xiàn)農(nóng)田精準(zhǔn)施肥的前提條件。精準(zhǔn)施肥是精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要組成部分，它要求根據(jù)不同土壤類型及植物類別和產(chǎn)量，將N、P、K及一些微量元素與有機(jī)肥料進(jìn)行科學(xué)配方，做到科學(xué)施肥，使經(jīng)濟(jì)效益達(dá)到最大，同時(shí)減小農(nóng)業(yè)生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的污染。土壤中N、P、K、C等元素含量檢測(cè)方法多以化學(xué)方法為主，存在樣品的采集、預(yù)處理、分析效率低、成本高、實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，不能實(shí)現(xiàn)快速、原位測(cè)量。隨著我國精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的發(fā)展，目前急需一種實(shí)時(shí)原位精確測(cè)量土壤養(yǎng)分的方法，滿足農(nóng)業(yè)精準(zhǔn)施肥的需要。
[0004]同時(shí)，隨著農(nóng)業(yè)、工業(yè)的發(fā)展，土壤污染越來越嚴(yán)重，特別是重金屬污染。由于土壤中的重金屬可在生物體內(nèi)富集，影響生態(tài)環(huán)境并通過食物鏈威脅人體健康，國內(nèi)外有人形象地將土壤重金屬污染稱之為“化學(xué)定時(shí)炸彈”。由于土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性等特點(diǎn)，需要經(jīng)過較長時(shí)間才被人們所認(rèn)識(shí)，同時(shí)，其污染基本為一不可逆的過程，被重金屬污染的土壤需要100?200年時(shí)間才能得以恢復(fù)。目前，土壤重金屬污染檢測(cè)分析方法主要有原子吸收光譜、電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜、電感耦合等離子體質(zhì)譜、高效液相色譜、X射線熒光光譜等。這些分析方法仍以現(xiàn)場(chǎng)采樣、實(shí)驗(yàn)室分析為主，從而不能滿足重金屬污染物實(shí)時(shí)原位檢測(cè)的需求。
[0005]


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，該裝置能夠?qū)崿F(xiàn)土壤養(yǎng)分(總氮、總磷、總鉀、總碳、鎂、鈣、錳及硼元素)和重金屬元素(銅、鋅、鉛、鎳、鉻)含量的實(shí)時(shí)、原位、無污染檢測(cè)。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案為:
一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，該裝置包括第一箱體，所述第一箱體為下端不閉合的箱體，其前端設(shè)有連接機(jī)動(dòng)車輛的牽引裝置，其底部中央通過轉(zhuǎn)軸裝設(shè)有犁頭，其底部?jī)啥司O(shè)有行走輪，其頂部設(shè)有GPS和工控機(jī)，其內(nèi)部設(shè)有激光器主體和光譜儀；所述GPS的輸出端與工控機(jī)的輸入端連接，所述工控機(jī)的輸出端與激光器主體的輸入端連接，所述激光器主體與光譜儀交互式信號(hào)連接，所述光譜儀與工控機(jī)交互式信號(hào)連接；
所述犁頭的后端裝設(shè)有光學(xué)采集盒，所述光學(xué)采集盒內(nèi)設(shè)有激光器發(fā)射端、會(huì)聚透鏡、收集透鏡組和收集光纖端頭，所述激光器發(fā)射端連接激光器主體，激光器發(fā)射端輸出的脈沖激光經(jīng)會(huì)聚透鏡會(huì)聚后作用到待測(cè)土壤樣品表面，所述待測(cè)土壤樣品被激發(fā)形成等離子體并發(fā)射等離子體光譜，所述等離子體光譜經(jīng)收集透鏡組會(huì)聚后再通過收集光纖端頭耦合進(jìn)收集光纖并傳輸至光譜儀。
[0008]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，所述第一箱體內(nèi)部還設(shè)有氬氣瓶和控制電路，所述控制電路包括用于控制氬氣流速的電磁閥，所述電磁閥的控制輸入端與工控機(jī)的輸出端連接。
[0009]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，所述光學(xué)采集盒內(nèi)還設(shè)有第一窗片和第二窗片，所述第一窗片選用K9窗片，設(shè)置在會(huì)聚透鏡的后端，所述第二窗片選用JGSl窗片，設(shè)置在收集透鏡組的前端。
[0010]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，所述收集透鏡組由兩片平凸石英透鏡組成，所述兩片平凸石英透鏡裝設(shè)在光學(xué)套筒內(nèi)，其凸面相對(duì)放置，其主光軸與豎直方向成45度夾角，所述光學(xué)套筒通過調(diào)整架固定在光學(xué)采集盒內(nèi)，所述調(diào)整架通過彈簧和細(xì)牙螺絲實(shí)現(xiàn)二維調(diào)節(jié)。
[0011]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，該裝置還包括第二箱體，所述第二箱體為后端不閉合的箱體，其底部?jī)啥司O(shè)有行走輪，其內(nèi)部設(shè)有為整個(gè)移動(dòng)裝置供電的數(shù)碼變頻發(fā)電機(jī)；所述第二箱體與第一箱體通過軟性鏈接裝置連接。
[0012]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，該裝置還包括設(shè)置在第一箱體側(cè)面的顯示器，所述顯示器的輸入端與工控機(jī)的輸出端連接。
[0013]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，所述犁頭選用斜坡狀V型犁頭。
[0014]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，所述激光器主體和光譜儀采用盒體式固定，在盒體底部安裝彈簧和內(nèi)部放置海綿進(jìn)行減振。
[0015]所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，所述氬氣瓶采用盒體式固定，在盒體底部安裝彈簧和內(nèi)部放置海綿進(jìn)行減振。
[0016]本發(fā)明的有益效果為:
(1)本發(fā)明的整個(gè)移動(dòng)裝置操作簡(jiǎn)便，可在田間自由移動(dòng)，無需對(duì)土壤樣品進(jìn)行采樣，整個(gè)檢測(cè)、計(jì)算、記錄過程連續(xù)化、無污染，不破壞測(cè)試體系，適用于大片田地的連續(xù)移動(dòng)檢測(cè)；
(2)檢測(cè)限低，土壤養(yǎng)分元素可達(dá)lg/kg，重金屬元素可達(dá)幾十mg/kg，且其響應(yīng)時(shí)間短，僅需30秒甚至更短，可對(duì)土壤進(jìn)行實(shí)時(shí)、原位、準(zhǔn)確測(cè)量；
(3)可同時(shí)對(duì)土壤養(yǎng)分和重金屬元素進(jìn)行測(cè)量，同時(shí)研究土壤多種養(yǎng)分和重金屬含量的分布情況。
[0017]

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例的局部結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖2的側(cè)面剖視圖。
[0019]

【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。
[0021]如圖1?圖3所示，一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，包括一個(gè)下端不閉合的第一箱體1、一個(gè)后端不閉合的第二箱體2、設(shè)在第一箱體I前端與機(jī)動(dòng)車輛相連的牽引裝置3、設(shè)在第一箱體I側(cè)面的顯示器4、設(shè)在第一箱體I頂部的工控機(jī)5和GPS6，第一箱體I和第二箱體2底部?jī)啥硕寂溆行凶咻?，整個(gè)移動(dòng)裝置在機(jī)動(dòng)車輛的牽弓I下可以自由行走在田間。第一箱體I底部中央通過轉(zhuǎn)軸8安裝有用于破土的斜坡狀V型犁頭9，斜坡狀V型犁頭9的高度可通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)軸8插入轉(zhuǎn)軸孔上的位置來改變。第一箱體I與第二箱體2之間通過軟性鏈接裝置相連。GPS6實(shí)時(shí)采集被測(cè)田塊的地理信息，為后續(xù)的田塊施肥和重金屬污染治理提供信息，GPS6的輸出端通過USB數(shù)據(jù)線與工控機(jī)5的輸入端連接。工控機(jī)5的輸出端連接顯示器4的輸入端。
[0022]第一箱體I內(nèi)部依次放置有激光器主體18、四通道光纖光譜儀17、氬氣瓶19和控制電路20。激光器主體18通過RS232串口線與工控機(jī)5相連。激光器主體18與四通道光纖光譜儀17通過COM串口通信實(shí)現(xiàn)時(shí)序同步，激光器主體18輸出調(diào)Q信號(hào)觸發(fā)四通道光纖光譜儀17開始采集數(shù)據(jù)，四通道光纖光譜儀17通過USB數(shù)據(jù)線與工控機(jī)5相連。氬氣瓶19與控制電路20中可調(diào)整氬氣流速大小的電磁閥相連，電磁閥與工控機(jī)5相連(待測(cè)土壤樣品處于氬氣環(huán)境下，可以提高檢測(cè)精度)。工控機(jī)5的控制軟件采用Matlab語言編程，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器主體18、四通道光纖光譜儀17、控制電路20的控制，完成數(shù)據(jù)的采集、濾波處理、譜線的擬合以及定量模型的建立等。激光器主體18、四通道光纖光譜儀17、氬氣瓶19均采用盒體式固定，在盒體底部安裝彈簧、在盒體內(nèi)部放置海綿進(jìn)行減振。
[0023]斜坡狀V型犁頭9的后端安裝有光學(xué)采集盒11，光學(xué)采集盒11的底部與斜坡狀V型犁頭9的最低點(diǎn)在同一水平面上。光學(xué)采集盒11內(nèi)安裝有激光器發(fā)射端12，激光器發(fā)射端12與激光器主體18通過水管和電纜線相連，激光器發(fā)射端12采用橡膠墊進(jìn)行減振，在激光器發(fā)射端12下方光路上依次放置會(huì)聚透鏡13和第一窗片；在會(huì)聚透鏡13右端60_處設(shè)有與豎直方向成45度角(該角度便于加工)的收集透鏡組15，收集透鏡組15的前端設(shè)有第二窗片，收集透鏡組15由兩片平凸石英透鏡組成，兩片平凸石英透鏡的凸面相對(duì)放置，安裝在光學(xué)套筒內(nèi)，光學(xué)套筒安裝在可進(jìn)行二維調(diào)節(jié)的調(diào)整架上，調(diào)整架安裝在光學(xué)采集盒11內(nèi)并通過彈簧和細(xì)牙螺絲實(shí)現(xiàn)二維調(diào)節(jié)。
[0024]激光器發(fā)射端12輸出的脈沖激光經(jīng)過會(huì)聚透鏡13會(huì)聚后穿過第一窗片作用到待測(cè)土壤樣品表面，待測(cè)土壤樣品被激發(fā)形成等離子體14并發(fā)射等離子體光譜，等離子體光譜透過第二窗片經(jīng)收集透鏡組15會(huì)聚成極小的光斑，在光斑直徑最小的地方放置收集光纖16端頭，等離子體光譜信號(hào)通過收集光纖16端頭耦合進(jìn)收集光纖16，收集光纖16另一端的四個(gè)端頭連接在四通道光纖光譜儀17上，收集光纖16將等離子體光譜信號(hào)傳輸至四通道光纖光譜儀17完成分光，四通道光纖光譜儀17分光輸出端裝有CXD探測(cè)器，然后由工控機(jī)5進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和處理，根據(jù)元素譜線強(qiáng)度與濃度的關(guān)系完成定量測(cè)量。
[0025]設(shè)置第一窗片和第二窗片是為了防止整個(gè)移動(dòng)裝置工作過程中產(chǎn)生的塵土對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的影響，會(huì)聚透鏡13和第一窗片的光學(xué)材料為K9，收集透鏡組15和第二窗片的光學(xué)材料為JGSl。
[0026]第二箱體2內(nèi)部放置一臺(tái)2kw數(shù)碼變頻發(fā)電機(jī)10，該數(shù)碼變頻發(fā)電機(jī)10輸出電壓為交流220V，波動(dòng)為±2V，數(shù)碼變頻發(fā)電機(jī)10輸出的交流電通過接線開關(guān)傳輸至第一箱體I內(nèi)，為整個(gè)移動(dòng)裝置供電，數(shù)碼變頻發(fā)電機(jī)10散出的熱量從第二箱體2的后端排出。
[0027]本發(fā)明的工作原理如下:
(1)將牽引裝置3與機(jī)動(dòng)車輛相連，啟動(dòng)第二箱體2內(nèi)的數(shù)碼變頻發(fā)電機(jī)10；
(2)調(diào)節(jié)斜坡狀V型犁頭9至其前端進(jìn)入土壤下面10?15cm;
(3)打開顯示器4、工控機(jī)5、激光器主體18、四通道光纖光譜儀17及控制電路20的電源開關(guān)；
(4)打開氬氣瓶19上的閥門，調(diào)節(jié)電磁閥至氬氣流速為lm3/min，并打開GPS6；
(5)設(shè)置四通道光纖光譜儀17的工作方式為外觸發(fā)模式，并對(duì)積分時(shí)間、測(cè)量次數(shù)、每次測(cè)量平均次數(shù)、自動(dòng)保存采集數(shù)據(jù)等進(jìn)行設(shè)置；
(6)設(shè)置激光器閃光燈頻率、脈沖激光輸出頻率和測(cè)量次數(shù)；
(7)整個(gè)移動(dòng)裝置在田間移動(dòng)檢測(cè)。
[0028]以上所述實(shí)施方式僅僅是對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計(jì)精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:該裝置包括第一箱體，所述第一箱體為下端不閉合的箱體，其前端設(shè)有連接機(jī)動(dòng)車輛的牽引裝置，其底部中央通過轉(zhuǎn)軸裝設(shè)有犁頭，其底部?jī)啥司O(shè)有行走輪，其頂部設(shè)有GPS和工控機(jī)，其內(nèi)部設(shè)有激光器主體和光譜儀；所述GPS的輸出端與工控機(jī)的輸入端連接,所述工控機(jī)的輸出端與激光器主體的輸入端連接，所述激光器主體與光譜儀交互式信號(hào)連接，所述光譜儀與工控機(jī)交互式信號(hào)連接； 所述犁頭的后端裝設(shè)有光學(xué)采集盒，所述光學(xué)采集盒內(nèi)設(shè)有激光器發(fā)射端、會(huì)聚透鏡、收集透鏡組和收集光纖端頭，所述激光器發(fā)射端連接激光器主體，激光器發(fā)射端輸出的脈沖激光經(jīng)會(huì)聚透鏡會(huì)聚后作用到待測(cè)土壤樣品表面，所述待測(cè)土壤樣品被激發(fā)形成等離子體并發(fā)射等離子體光譜，所述等離子體光譜經(jīng)收集透鏡組會(huì)聚后再通過收集光纖端頭耦合進(jìn)收集光纖并傳輸至光譜儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:所述第一箱體內(nèi)部還設(shè)有氬氣瓶和控制電路，所述控制電路包括用于控制氬氣流速的電磁閥，所述電磁閥的控制輸入端與工控機(jī)的輸出端連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:所述光學(xué)采集盒內(nèi)還設(shè)有第一窗片和第二窗片，所述第一窗片選用K9窗片，設(shè)置在會(huì)聚透鏡的后端，所述第二窗片選用JGSl窗片，設(shè)置在收集透鏡組的前端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:所述收集透鏡組由兩片平凸石英透鏡組成，所述兩片平凸石英透鏡裝設(shè)在光學(xué)套筒內(nèi)，其凸面相對(duì)放置，其主光軸與豎直方向成45度夾角，所述光學(xué)套筒通過調(diào)整架固定在光學(xué)采集盒內(nèi)，所述調(diào)整架通過彈簧和細(xì)牙螺絲實(shí)現(xiàn)二維調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:該裝置還包括第二箱體，所述第二箱體為后端不閉合的箱體，其底部?jī)啥司O(shè)有行走輪，其內(nèi)部設(shè)有為整個(gè)移動(dòng)裝置供電的數(shù)碼變頻發(fā)電機(jī)；所述第二箱體與第一箱體通過軟性鏈接裝置連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:該裝置還包括設(shè)置在第一箱體側(cè)面的顯示器，所述顯示器的輸入端與工控機(jī)的輸出端連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:所述犁頭選用斜坡狀V型犁頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:所述激光器主體和光譜儀采用盒體式固定，在盒體底部安裝彈簧和內(nèi)部放置海綿進(jìn)行減振。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于激光擊穿光譜檢測(cè)土壤成分的移動(dòng)裝置，其特征在于:所述氬氣瓶采用盒體式固定，在盒體底部安裝彈簧和內(nèi)部放置海綿進(jìn)行減振。
【文檔編號(hào)】B62D63/06GK104198445SQ201410436368
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月29日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月29日
【發(fā)明者】魯翠萍, 王儒敬, 宋良圖, 曹平國, 汪六三, 胡海瀛, 劉晶, 汪玉冰, 劉洋 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院