CN103076309A - 一种土壤表面氮元素分布的快速测量方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及地球勘探技术领域，尤其涉及一种对土壤表面氮元素分布的快速测量的方法和系统。该系统包括：密闭负压舱体、分析装置、二维运动样本台、激光激发装置和原子光谱收集装置；分析装置控制二维运动样本台的运动状态，激光激发装置和原子光谱收集装置用于激发并获取土壤表面的微量原子发射光谱，分析土壤表面被照射位置的氮素含量；分析装置，用于承载控制、定标和定量化回归算法，计算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，自动绘制氮素分布图。本发明实施例提供的土壤表面氮元素测量的方法和系统，可获得土壤表面有机态氮、速效氮成分、土壤样本表面氮素的分布图像、有效消除空气中氮素对测量结果的影响。
Description
技术领域
本发明涉及地球勘探技术领域，尤其涉及一种对土壤表面氮元素分布的快速测量的方法和系统。
背景技术
土壤中一些元素的快速测量具有重要意义。一方面，土壤中元素含量的测定与资源勘探、考古等研究密不可分。快速、准确的测定可以为地质变迁、元素迁移规律研究提供有力的工具支持。另一方面，氮素等养分元素的测定对土壤养分的开发利用具有重要意义。土壤养分是作物营养的重要来源。对农田土壤中氮素进行测量，有助于指导科学施肥。因此，对土壤表面的氮素进行快速测量、并获得氮素在土壤表面的分布图像具有重要的科学价值和应用价值。
传统方法中，对土壤中氮素的测量较为复杂。需将土壤磨碎后，在实验室内经煅烧等前处理后，再用色谱、原子吸收等方法进行测量。现有技术中公开了一种基于激光诱导击穿光谱原理的、对土壤中元素进行测量的方法。该专利提出了一种可以在田间应用的探头，探头可插入土壤中。探头中内置了激光器，在测量中将待测土壤表面激发至等离子态，再用探头中的光纤收集等离子态信号，送至光谱仪中进行分光，进而利用偏最小二乘等化学计量学方法分析其中各元素含量。相对于本专利，该背景技术具有如下区别：
（1）背景技术只能分析待测物质某一位置的成分，而不能呈现土壤表面氮素的分布图像；
（2）背景技术所分析的是土壤中各种元素的含量，但一些元素的含量对土壤成分研究不够，更多地去关注元素的存在形态。（3）空气中的氮素对测量有一定程度的影响，背景技术未考虑空气中氮素影响的消减问题，难以对氮素进行精确的测量。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是提供一种土壤表面氮元素分布的快速测量方法和系统，从而获得待测片状土壤表面的有机态氮、速效氮的分布图像。
（二）技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一方面提供一种土壤表面氮元素分布的快速测量系统包括：密闭负压舱体和分析装置以及设置于密闭负压舱体内的二维运动样本台、激光激发装置和原子光谱收集装置；
所述分析装置控制所述二维运动样本台的运动状态，所述二维运动台与激光激发装置、原子光谱收集装置进行同步控制；
激光激发装置和原子光谱收集装置用于激发并获取土壤表面的微量原子发射光谱，分析土壤表面被照射位置的氮素含量；
分析装置，用于承载控制、定标和定量化回归算法，计算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，并自动绘制氮素分布图。
进一步地，所述密闭负压舱体的一端设有负压型进样口，所述土壤样本经进样口置入密闭负压舱体内。
进一步地，还包括气泵，所述气泵用于抽取舱体内的气体，形成负压环境；所述密闭负压舱体设有气嘴，在气泵抽动下形成约20%-50%大气压的内部气压条件。
进一步地，所述二维运动样本台与激光激发装置联动，二维运动样本台设有触发模块，激光激发后，触发模块发出指令，控制二维运动台进行二维运动。
进一步地，所述二维运动样本台连接横轴步进电机和纵轴步进电机，横轴步进电机和纵轴步进电机通过脉冲信号控制，所述横轴步进电机和纵轴步进电机分别通过丝杠传动，带动二维运动样本台进行二维运动。
进一步地，激光发射装置包括两套波长不同的激光器，其中一套激光器的波长为532nm，另一套激光法的波长为1064nm；所述波长为532nm的激光器用于激发土壤中所有氮元素；所述波长为1064nm的激光器用于激发土壤中的速效氮；两束激光器出射的激光通过分束器的透射和反射聚焦到同一位置；
激光激发装置由激光器、聚焦镜、光纤耦合器、出射光纤、分束器组成。
进一步地，所述原子光谱收集装置，用于获取所激发等离子态信号的光谱，等离子态光信号通过一个与样本台形成45°倾角的光纤进行收集，采用凹面光栅、面阵电荷耦合元件对所收集的光进行波长分离，获得720-770nm波段内的高分辨率光谱。
进一步地，所述的分析装置由2片FPGA组成并行处理系统，承担土壤样本中速效氮计算、有机态氮计算、激光激发和光谱收集之间延迟时间分析控制、样本中氮素分布图谱分析的功能。
进一步地，所述二维运动样本台设有紧固结构来微调自身的高度。
另一方面，本发明还提供一种土壤表面氮元素分布的快速测量方法，该方法包括步骤：
S1.土壤样本经进样口置入密闭负压舱体内；
S2.激光激发装置的532nm和1064nm激光依次击打待测土壤样本表面；
S3.在激光击打之后，光纤依次收集两次击打后产生的等离子态光学信号，并传输至原子光谱收集系统；
S4.原子光谱收集系统获取原子发射光谱，通过分析装置的计算获得所激发位置的速效氮、有机态氮含量；
S5.在分析装置信号触发下，二维运动台土壤将样本进行微小距离移动，从而测量另一位置的氮素含量；
S6.重复上述过程，将预设的区域扫描完成后，分析装置在获得每一像素位置氮素含量的基础上，绘制速效氮、有机态氮的分布图。
（三）有益效果
本发明实施例提供的土壤表面氮元素分布的快速测量方法和系统，弥补了对比技术的不足，具体具有如下优点：
（1）可获得土壤表面有机态氮、速效氮成分；
（2）可获得土壤样本表面氮素的分布图像；
（3）可有效消除空气中氮素对测量结果的影响。
附图说明
图1为本发明实施例土壤表面氮元素分布的快速测量系统结构框图；
图2为本发明实施例土壤表面氮元素分布的快速测量方法流程图。
其中：1：为气泵；2：532nm激光器；3：高分辨率分光系统；4：步进电机控制器，；5：分析装置，6：横轴步进电机；7：:纵轴步进电机；8：负压舱体；9：气嘴；10：光纤；11：步进电机传动系统；12：二维运动样本台；14：样本夹持装置；15：样本进样通道；16：进样口；17：1064nm激光器；18：分束器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，本发明实施例提供的土壤表面氮元素分布的快速测量系统包括：
包括：密闭负压舱体和分析装置以及设置于密闭负压舱体内的二维运动样本台、激光激发装置和原子光谱收集装置；
分析装置控制所述二维运动样本台的运动状态，所述二维运动样本台与激光激发装置、原子光谱收集装置进行同步控制；
激光激发装置和原子光谱收集装置用于激发并获取土壤表面的微量原子发射光谱，分析土壤表面被照射位置的氮素含量；
分析装置，用于承载控制、定标和定量化回归算法，计算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，并自动绘制氮素分布图。
具体为：负压舱体8为60cm*50cm*50cm的长方体，材料为合金铝。舱体做气密处理。系统工作时，气泵1通过安装在舱体一端的气嘴9对舱体内部进行抽气，并向外排气，直到内部形成约20%-50%大气压（通过气泵工作时间进行控制）。此时，空气中氮素对测量结果的影响已经可以忽略。
进样口16为以5cm为直径的圆形孔洞。孔洞前方置有柔性片状塑料作为遮挡，这样可确保不会有外界气体进入舱体内，进一步确认测量结果不会受外界空气的影响。
在测量时，将遮挡物用手打开，并将土壤样本（5cm直径的球形以内）按压入进样口16内。由于舱内的负压状态，土壤样本可以顺利进入样本进样通道15，并到达二维运动样本台12，采用样本夹持装置14加以固定。
二维运动样本台12为钢材料的80mm*80mm*10mm的平板，土壤样本被固定在二维运动样本台12上。二维运动样本台12连接横轴步进电机6和纵轴步进电机7，连接横轴步进电机和纵轴步进电机分别通过两个丝杠与二维运动样本台12连接，驱动样本台在两个轴向运动。横轴步进电机6、纵轴步进电机7均通过脉冲信号控制，其控制程序在分析计算系统中运行，根据系统的运行状态实时发出控制指令和脉冲信号。步进电机连接步进电机控制器4，二维运动样本台12与激光激发装置联动，二维运动样本台设有触发模块，激光激发后，触发模块发出指令，控制二维运动台进行二维运动。
本实施例中激光发射装置包括两套波长不同的激光器，其中一套激光器2的波长为532nm，另一套激光器17的波长为1064nm；所述波长为532nm的激光器用于激发土壤中所有氮元素；所述波长为1064nm的激光器用于激发土壤中的速效氮；两个激光器的出射光束在分束器18表面分别通过透射、反射击打到样本的同一位置；激光激发装置由激光器、聚焦镜、光纤耦合器、出射光纤、分束器组成。
其中，激光器为Nd：YAG的调Q激光器，两套激光器采用各自的温控系统，将基底的温度控制在20℃。两套激光器相互垂直，两束出射激光均经过一个半透半反的分束器，从而实现了两束激光光路的同轴。通过顺序控制两个激光器，两个激光器出射的光束将顺序地聚焦、击打在样本的同一位置。
本实施例采用一个与样本台12呈45度角的石英光纤10收集光信号。在本实施例中，激光激发装置和原子光谱收集装置采集的时间间隔设置为4微秒。实施例中采用的高分辨率分光系统3为凹面光栅结构，应用511单元的线阵CCD探测器。探测器材料为硅，采集波段为300-1100nm，分辨率为0.5nm。积分时间为1ms。
该二维运动样本台12设有紧固结构来微调自身的高度（步进为100微米），从而解决样本厚度不同造成的聚焦点高度不一致的问题。
分析装置5由2片FPGA组成并行处理系统，承担土壤样本中速效氮计算、有机态氮计算、激光激发和光谱收集之间延迟时间分析控制、样本中氮素分布图谱分析的功能。
当样本夹持在样本台，按动系统启动按钮，系统开始工作。两台步进电机首先带动样本台到达零位。在分析装置的控制下，532nm激光器首先击打土壤样本零位，并采集光谱。2ms后，1064nm激光器击打同一位置土壤样本，并采集光谱。接下来，横轴步进电机带动样本台向下一位置移动，并重复上述过程。第一行的100个点测试完成后。纵向步进电机带动样本台向下一行移动，并重复上述过程，直到凝成100*100点的测试和数据采集。
上述过程完成后，分析装置根据得到的光谱数据计算土壤样本中总氮、速效氮。并以氮素浓度为亮度，分别绘制总氮、速效氮在土壤样本表面的分布图像。
如图2所示，本发明实施例提供一种土壤表面氮元素分布的快速测量方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.土壤样本经进样口置入密闭负压舱体内；
S2.激光激发装置的532nm和1064nm激光依次击打待测土壤样本表面；
S3.在激光击打之后，光纤依次收集两次击打后产生的等离子态光学信号，并传输至原子光谱收集系统；
S4.原子光谱收集系统获取原子发射光谱，通过分析装置的计算获得所激发位置的速效氮、有机态氮含量；
S5.在分析装置信号触发下，二维运动台土壤将样本进行微小距离移动，从而测量另一位置的氮素含量；
S6.重复上述过程，将预设的区域扫描完成后，分析装置在获得每一像素位置氮素含量的基础上，绘制速效氮、有机态氮的分布图。
本发明实施例提供的土壤表面氮元素分布的快速测量方法和系统，弥补了对比技术的不足，具体具有如下优点：
（1）可获得土壤表面有机态氮、速效氮成分；
（2）可获得土壤样本表面氮素的分布图像；
（3）可有效消除空气中氮素对测量结果的影响。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，包括：密闭负压舱体和分析装置以及设置于密闭负压舱体内的二维运动样本台、激光激发装置和原子光谱收集装置；
所述分析装置控制所述二维运动样本台的运动状态，所述二维运动样本台与激光激发装置、原子光谱收集装置进行同步控制；
激光激发装置和原子光谱收集装置用于激发并获取土壤表面的微量原子发射光谱，分析土壤表面被照射位置的氮素含量；
分析装置，用于承载控制、定标和定量化回归算法，计算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，并自动绘制氮素分布图。
2.如权利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，所述密闭负压舱体的一端设有负压型进样口，所述土壤样本经进样口置入密闭负压舱体内。
3.如权利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，还包括气泵，所述气泵用于抽取舱体内的气体，形成负压环境；所述密闭负压舱体设有气嘴，在气泵抽动下形成约20%-50%大气压的内部气压条件。
4.如权利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，所述二维运动样本台与激光激发装置联动，二维运动样本台设有触发模块，激光激发后，触发模块发出指令，控制二维运动样本台进行二维运动。
5.如权利要求4所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，所述二维运动样本台连接横轴步进电机和纵轴步进电机，横轴步进电机和纵轴步进电机通过脉冲信号控制，所述横轴步进电机和纵轴步进电机分别通过丝杠传动，带动二维运动样本台进行二维运动。
6.如权利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，激光发射装置包括两套波长不同的激光器，其中一套激光器的波长为532nm，另一套激光法的波长为1064nm；所述波长为532nm的激光器用于激发土壤中所有氮元素；所述波长为1064nm的激光器用于激发土壤中的速效氮；两束激光器出射的激光通过分束器的透射和反射聚焦到同一位置；
激光激发装置由激光器、聚焦镜、光纤耦合器、出射光纤、分束器组成。
7.如权利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，所述原子光谱收集装置，用于获取所激发等离子态信号的光谱，等离子态光信号通过一个与二维运动样本台形成45°倾角的光纤进行收集，采用凹面光栅、面阵电荷耦合元件对所收集的光进行波长分离，获得720-770nm波段内的高分辨率光谱。
8.如权利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，所述的分析装置由2片FPGA组成并行处理系统，承担土壤样本中速效氮计算、有机态氮计算、激光激发和光谱收集之间延迟时间分析控制、样本中氮素分布图谱分析的功能。
9.如权利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速测量系统，其特征在于，所述二维运动样本台设有紧固结构来微调自身的高度。
10.一种基于权利要求1-9任一项所述系统的土壤表面氮元素分布的快速测量方法，其特征在于，该方法包括步骤：
S1.土壤样本经进样口置入密闭负压舱体内；
S2.激光激发装置的532nm和1064nm激光依次击打待测土壤样本表面；
S3.在激光击打之后，光纤依次收集两次击打后产生的等离子态光学信号，并传输至原子光谱收集系统；
S4.原子光谱收集系统获取原子发射光谱，通过分析装置的计算获得所激发位置的速效氮、有机态氮含量；
S5.在分析装置信号触发下，二维运动样本台土壤将样本进行微小距离移动，从而测量另一位置的氮素含量；
S6.重复上述过程，将预设的区域扫描完成后，分析装置在获得每一像素位置氮素含量的基础上，绘制速效氮、有机态氮的分布图。
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