CN109782008B - 一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置及其控制方法，与现有技术相比解决了土壤有机质前处理环节均依赖人工操作的缺陷。本发明包括纵轨模组、样本无损转移组件、容器夹爪组件和石墨消解器，纵轨模组上安装有横竖向滑块模组，所述的容器夹爪组件安装在横竖向滑块模组上，所述的样本无损转移组件和石墨消解器均位于横竖向滑块模组的运动轨迹上。本发明将传统人工操作的土壤有机质前处理过程转变为自动化操作，实现了土壤有机质前处理环节的自动化处理。

Description

一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置及其控制 方法

技术领域

本发明涉及土壤分析设备技术领域，具体来说是一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置及其控制方法。

背景技术

大田土壤有机质对改善土壤理化性质、促进作物吸收营养元素具有重要作用，因此我国已将土壤有机质的测定列入测土配方施肥的重要指标之一。我国大田面积广土壤类型多，因而待检土壤样品种类与数量众多，任务重、时间紧。近几年，基于光谱的新型土壤有机质的自动测量装置也得到快速发展，用于原位现场检测。然而，光谱法检测土壤有机质需要精准的算法推算有机质含量，同时土壤样品过于复杂，干扰因素较多，光谱法目前的技术还难以得到可靠的数据。在国标中，测土配方施肥依旧采用化学方法检测土壤有机质，确保得到精确可靠的数据从而指导施肥，因此，目前土壤有机质检测工作均采用人工操作执行。

土壤有机质前处理环节对土壤有机质检测极为重要，其必须包括土壤样本消解、无损转移(用于物质总量检测)处理环节，即要求采用重铬酸钾硫酸溶液在185℃高温下沸腾5分钟消煮土壤中的有机物，然后趁热无损转移至检测杯中。实际应用中，大量的土壤样本有机质前处理环节操作，给研究人员带来了单一繁重且重复性的工作，耗时且浪费精力。同时，很大一部分用于土壤前处理溶剂存在气味刺鼻气味和毒性，研究人员在人工操作过程中稍有操作不当，便会产生人体危害。

因此，如何设计出能够进行土壤有机质前处理的自动化设备已经成为急需解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中土壤有机质前处理环节均依赖人工操作的缺陷，提供一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置及其控制方法来解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，包括纵轨模组、样本无损转移组件、容器夹爪组件和石墨消解器，纵轨模组上安装有横竖向滑块模组，所述的容器夹爪组件安装在横竖向滑块模组上，所述的样本无损转移组件和石墨消解器均位于横竖向滑块模组的运动轨迹上，

所述的容器夹爪组件包括电动夹爪，电动夹爪为二指平动型，电动夹爪的夹指上分别安装有左夹块和右夹块，左夹块和右夹块结构相同且呈镜像对应；

右夹块的夹持面自上至下设有上夹持部和中夹持部且上夹持部和中夹持部将右夹块的夹持面自上至下分隔为上腔体、下腔体和下夹持部，上腔体的体积大于下腔体，上腔体、下腔体均为半圆柱体结构且均为独立的腔体结构，上夹持部和中夹持部上均设有位于夹持面的弧形缺口，下夹持部为半圆形结构，下夹持部的内壁为坡面结构且坡面方向朝向电动夹爪的纵向中心线。

所述的上腔体和下腔体的高度均为20mm，下夹持部的高度为10mm，上夹持部和中夹持部的厚度均为15mm，所述的弧形缺口上设有纵向切面；所述的左夹块和右夹块的材质均为聚四氟乙烯。

还包括容器存放组件，所述的容器存放组件位于横竖向滑块模组的运动轨迹上，所述的容器存放组件包括六孔位滴定杯存放盒、六孔位漏斗存放盒和六孔位试管存放架。

还包括感知摄像头，所述的感知摄像头安装在石墨消解器的上表面且朝向横竖向滑块模组的运动轨迹。

所述的样本无损转移组件包括滴定杯、喷头支架、试管安装座、试剂喷液组件和喷头运动组件，所述喷头运动组件的后端安装在喷头支架上，喷头运动组件的前端安装有喷头固定架，喷头调节管固定安装在喷头固定架上，喷头调节管的前端安装有喷液管，试剂喷液组件的送液管安装在喷头调节管的后端；所述的试管安装座上安装有试管倾倒组件，试管倾倒组件内安装有试管旋转组件，试管插在试管旋转组件内；当试管倾倒组件运动至倾倒状态、且喷头运动组件运动至最大载程时，喷液管位于试管内且试管的试管口位于滴定杯上方。

所述的喷液管前端安装有喷头，喷头的内径小于送液管的内径，当喷液管位于试管内时，所述喷头的延长线与试管的底部弧体相交；所述的喷头的延长线与试管的纵向中心线之间的夹角为2°-4°。

所述的喷头运动组件包括安装在喷头支架上的气缸支架安装座，气缸支架安装座上安装有直线气缸，气缸支架安装座上固定安装有导轨，喷头固定架安装在导轨上且与导轨构成滑动配合，喷头固定架固定安装在直线气缸的气缸活动杆上。

所述的试剂喷液组件包括加液泵，所述加液泵的进液管与试剂桶连通，加液泵的出液管安装在压力阀的进液口上，所述的送液管安装在压力阀的出液口上。

所述的试管倾倒组件包括安装在试管安装座上的旋转气缸，旋转气缸的输出轴上固定安装有试管旋转架；所述的试管旋转组件包括旋转筒体和旋转电机，旋转筒体安装在试管旋转架内且与试管旋转架构成转动配合，旋转电机安装在试管旋转架外侧，旋转电机的输出轴穿过试管旋转架固定安装在旋转筒体上，旋转筒体内固定安装有柔性试管固定圈。

一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置的控制方法，包括以下步骤：

准备工作阶段：称取0.05-0.5g的土样放入试管中并加入10mL 0.4mol/L的重铬酸钾-硫酸溶液后，放置于试管存放架上；启动石墨炉，默认温度设置为180℃，待稳定至180℃时进入土壤有机质前处理阶段；

土壤有机质前处理阶段：

容器夹爪组件启动，从六孔位漏斗存放盒夹取小漏斗放至六孔位试管存放架的试管上；

容器夹爪组件夹取带有小漏斗的试管至石墨消解器的加热孔内；

加热状态的判断：

感知摄像头每隔10s采集一次石墨消解器上表面图像，判断试管是否进入石墨消解器内，若判断试管已进入石墨消解器内，则进行沸腾状态判断；

沸腾状态判断，感知摄像头每隔5s采集一次石墨消解器内的试管图像，提取采集的图像的优异特征数据输入识别模型判断试管内的溶剂是否沸腾；

沸腾样品的转移：容器夹爪组件将试管放入样本无损转移组件；

样本无损转移：样本无损转移组件对土壤样本进行无损转移处理，完成土壤有机质前处理过程。

有益效果

本发明的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置及其控制方法，与现有技术相比将传统人工操作的土壤有机质前处理过程转变为自动化操作，实现了土壤有机质前处理环节的自动化处理。

本发明通过容器夹爪组件的设计，实现了土壤有机质前处理环节中所涉及的试管(带小漏斗)、三角瓶和滴定杯的有效夹抓；通过样本无损转移组件实现了固液混合物的自动化无损转移，同时原容器(试管)的内壁无任何残留待检物质，非接触式的加液方式避免交叉污染，达到了物质总量检测的作业要求；通过横竖向滑块模组、容器夹爪组件和样本无损转移组件的配合设计，满足了土壤有机质前处理环节的样本消解、无损转移的硬性要求，实现了土壤样本自动化程度高、人工参与度少的有机质前处理过程，达到了国标实验方法的相关要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中容器夹爪组件的结构示意图；

图3为本发明中右夹块的结构示意图；

图4a为本发明中容器夹爪组件夹取小漏斗的结构透视图；

图4b为本发明中容器夹爪组件夹取试管的结构透视图；

图4c为本发明中容器夹爪组件夹取三角瓶的结构透视图；

图4d为本发明中容器夹爪组件夹取滴定杯的结构透视图；

图5为本发明中样本无损转移组件的结构示意图；

图6为本发明中样本无损转移组件的使用状态示意图；

图7为本发明中试管旋转组件的结构示意图；

图8为本发明中喷头工作时喷射液流的喷射位置示意图；

其中，1-容器夹爪组件、2-样本无损转移组件、3-纵轨模组、4-石墨消解器、5-横竖向滑块模组、6-容器存放组件、7-感知摄像头、10-六孔位滴定杯存放盒、11-电动夹爪、12-左夹块、13-右夹块、14-上腔体、15-下腔体、16-下夹持部、17-弧形缺口、18-六孔位漏斗存放盒、19-六孔位试管存放架、20-纵向切面、21-滴定杯、22-喷头支架、23-试管安装座、24-喷头固定架、25-喷头调节管、26-喷液管、27-送液管、28-试管、29-喷头、30-柔性试管固定圈、31-气缸支架安装座、32-直线气缸、33-导轨、34-加液泵、35-试剂桶、36-压力阀、37-旋转气缸、38-试管旋转架、39-旋转筒体、40-旋转电机、41-小漏斗、42-三角瓶、43-上夹持部、44-中夹持部。

具体实施方式

为使对本发明的结构特征及所达成的功效有更进一步的了解与认识，用以较佳的实施例及附图配合详细的说明，说明如下：

在国标和化学操作规范中要求，土壤有机质前处理环节必须包括两大步骤的操作，即先进行土壤有机质前处理环节的样本消解(达到沸腾状态)，再进行无损转移(热度未消退情况下进行无残留非接触式加液转移)。

基于此要求规范，如图1所示，本发明所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，包括纵轨模组3、样本无损转移组件2、容器夹爪组件1和石墨消解器4，石墨消解器4可以为六孔位设计，为圆柱形内孔凹陷结构，孔洞深度低于试管高度、高于试管内溶液高度。凹陷孔内加入5mm厚度的油，以便插入试管加热时，确保试管与油充分接触，使得试管加热均匀。还可以在石墨消解炉的顶面中间放置一块不锈钢板，将6个孔位隔成两排，每排各三个试管，以便感知摄像头7可以无干扰的拍摄。纵轨模组3上安装有横竖向滑块模组5，容器夹爪组件1安装在横竖向滑块模组5上，横竖向滑块模组5用于带动容器夹爪组件1进行横向纵向运动。横竖向滑块模组5可以采用现有的同步带模组，如CCMW45-15。横竖向滑块模组5通过步进电机控制，位移可控制在±0.01mm以内。通过控制软件根据抓取移动的距离，固定加速度设置加速度时间，设置匀速段匀速时间，固定减速度设置减速时间，进而系统对电机的转速进行控制，从而使得整段移动的加速度、速度、减速度完成梯形速度规划，使得启动、运行和停止过程的速度得以优化，在尽可能短的时间内移动容器瓶且防止抓取容器瓶的时候急启急停导致的液体洒出。

样本无损转移组件2和石墨消解器4均位于横竖向滑块模组5的运动轨迹(运动范围)上，通过横竖向滑块模组5的运动带动容器夹爪组件1在样本无损转移组件2和石墨消解器4之间移动夹抓。

伴随人工智能和图像处理技术的不断发展，解决沸腾的自动判定的思路是结合机器视觉技术。机器视觉就是用机器代替人的眼睛来做测量和判断，通过成像器件将目标转换成图像信号，传送给图像处理系统，根据像素的颜色、亮度等图像信息，转变成数字化信号。专用的图像系统对这些信号进行各种运算来提取目标的特征，进而根据提取的目标特征读取图像中沸腾的特征指标。

为了基于深度学习的图像识别帮助机器自动判定试管到位及试管内溶剂沸腾，在此还可以包括感知摄像头7，感知摄像头7安装在石墨消解器4的上表面且朝向横竖向滑块模组5的运动轨迹。感知摄像头7可以为广角摄像头，可以设置两个感知摄像头7，分别固定在石墨消解器4上表面不锈钢挡板的两侧，分别拍摄一排三个试管，摄像头高度位于小漏斗的底部位置，用以判定试管内试剂沸腾，摄像头每隔若干时间拍摄一张图片。利用现有技术中的图像分析模块对采集后的图像进行处理，包括图像预处理、图像特征提取及图像识别。预处理过程包括去噪、增强。图像识别分为两部分，包括判定试管是否到石墨炉试管加热孔位，以及对试管内的像素进行判定，是否符合沸腾特征。

首先，判定试管是否到石墨炉试管加热孔位。

1)试管在石墨炉试管加热孔位的图像标记为一类，试管不在石墨炉试管加热孔位的图像标记为另一类，采集试管在石墨炉试管加热孔位的图像和试管不在石墨炉试管加热孔位的图像各200张，使用90％图像当做训练图像，10％图像当做测试图像。

2)提取所有样本图像的特征数据，如HOG特征，LBP特征，Harr特征等，将训练样本的特征数据分别送入SVM分类器训练识别模型的同时选择优异的特征，将测试图像的对应的特征数据送入训练好的分类器判断试管是否在石墨炉试管加热孔位，将测试图像识别的结果来判定模型训练的好坏。

3)通过摄像头获取图像，提取图像的优异特征数据输入识别模型判断试管是否在石墨炉试管加热孔位。

其次、判定试管内的水是否沸腾。

当试管内溶剂沸腾时，漏斗上面会有明显大液珠现象。

1)漏斗上面有明显液珠的图像标记为一类，漏斗上面未有明显液珠的图像标记为另一类，采集漏斗上面有明显液珠的图像和漏斗上面未有明显液珠的图像各200张，使用90％图像当做训练图像，10％图像当做测试图像。

2)提取所有样本图像的HOG特征数据，将训练样本的特征数据送入SVM分类器训练识别模型的同时选择优异的特征，将测试图像的优异特征数据送入训练好的分类器判断漏斗上面是否有明显液珠，以进一步判断试管内溶剂是否沸腾，将测试图像识别的结果来判定模型训练的好坏。

3)通过摄像头获取图像，提取图像的优异特征数据输入识别模型判断试管内的溶剂是否沸腾。

在土壤有机质前处理环节中，需要使用到三角瓶42(三角瓶42为前处理环节后所需要的容器设备)、滴定杯21和试管28三种容器和小漏斗41。为了方便这几种容器的取放，并配合容器夹爪组件1的统一夹抓作业，将容器存放组件6设置于横竖向滑块模组5的运动轨迹上，容器存放组件6包括六孔位滴定杯存放盒10、六孔位漏斗存放盒18和六孔位试管存放架19。

如图2所示，容器夹爪组件1包括电动夹爪11，电动夹爪11为现有成形产品，采用二指平动型。电动夹爪11的夹指上分别安装有左夹块12和右夹块13，左夹块12和右夹块13结构相同且呈镜像对应，两者配合在一起进行夹抓作业。左夹块12和右夹块13的材质均为聚四氟乙烯(PTFE)材质，可以耐高温耐酸碱。

如图3所示，右夹块13自上至下设有上腔体14、下腔体15和下夹持部16，三者在右夹块13上呈台阶状。即右夹块13的夹持面自上至下设有上夹持部(块)43和中夹持部(块)44，并且通过上夹持部43和中夹持部44将右夹块13的夹持面自上至下分隔为上腔体14、下腔体15和下夹持部16。上腔体14和下腔体15均为内凹设计，其为了三角瓶42、带小漏斗41的试管28的夹取，其中，下腔体15用于配合三角瓶42的夹取、上腔体14用于配合带小漏斗41的试管28的夹取。

上腔体14、下腔体15均为半圆柱体结构，同时，在上腔体14和下腔体15的底部设有位于夹持面(朝向电动夹爪11纵向中心线)的弧形缺口17，弧形缺口17为夹持瓶体时的接触面，即通过两个(左夹块12和右夹块13)弧形缺口17的组合夹在瓶体的外壁上。

两个(左夹块12和右夹块13)上腔体14或两个下腔体15的配合是为了避让容器瓶口的卷边而设置的，从而保证夹持容器时能竖直和平稳运行。这样使得当左夹块12和右夹块13夹合在一起时，利用两个上腔体14或下腔体15形成内凹，在左夹块12和右夹块13上的两个下腔体15组合成的环形以配合三角瓶42瓶口环状的空间冗余、两个上腔体14组合成的环形以配合小漏斗41或带小漏斗41的试管28瓶口的空间冗余；同时利用两者(左夹块12和右夹块1)的弧形缺口17以配合夹持三角瓶42、试管28瓶壁的弧形结构。

如图4c所示，以此实现三角瓶42瓶口环状的夹持。与此同理，上腔体14的体积大于下腔体15，左夹块12和右夹块13两者的上腔体14组合在一起，以配合带小漏斗41的试管28的空间冗余；弧形缺口17配合试管28的弧形外壁，如图4a、图4b所示，以此实现对小漏斗41或带小漏斗41的试管28的夹取。

下夹持部16为半圆形结构，其用于滴定杯21的夹持。由于滴定杯21为锥形，其上部没有类似三角瓶42上部的环形设计，这也导致滴定杯21的杯口容易出来损坏。为了配合滴定杯21的夹持，防止滴定杯21被夹持啃坏，在此将下夹持部16的内壁设计为坡面结构且坡面方向朝向电动夹爪11的纵向中心线，即形成一个斜面结构，如图4d所示，以此形成对滴定杯21锥形的一个夹持配合。

优选的将上腔体14和下腔体15的高度均设为20mm，下夹持部16的高度设为10mm，上夹持部43和中夹持部44的厚度均设为15mm，以此更好的配合滴定杯21、小漏斗41、带小漏斗41的试管28和三角瓶42的夹持。

由于上述试管28、三角瓶42在使用时，里面装的是重铬酸钾硫酸溶液，对人体有一定的侵害性。同时，在实际应用中发现，试管28、三角瓶42在吹瓶制作过程中，其外圈的圆形结构存在一定误差，即类似于椭圆或略有瑕疵，这就导致左夹块12和右夹块13将其夹住后松开时，容易出现瓶体卡在左夹块12或右夹块13上的情形，若再作用力过大，则容易致使瓶体摔落。为了避免这一技术问题，特可以在上腔体14和下腔体15的弧形缺口17上设置一个导入口，如图3所示，即在弧形缺口17上设有纵向切面20，纵向切面20可以为两个并分布在弧形缺口17的两端，这样致使弧形缺口17并非完全贴合在试管28或三角瓶42的外壁，而是存在一定的纵向切面20所形成的冗余，以避免瓶体卡在弧形缺口17上。

以上是土壤有机质前处理环节中第一个环节样本消解所涉及到的技术内容，作为土壤有机质前处理环节中第二个环节无损转移，其为样本无损转移组件2所承担。

如图5和图6所示，样本无损转移组件2包括滴定杯21、喷头支架22、试管安装座23和试剂喷液组件。试管倾倒组件用于将试管28开口斜向下，便于内部的固液混合物流出至下方的滴定杯21内。试剂喷液组件用于提供完全转移阶段加液的试剂，喷头运动组件用于控制喷头29伸入试管28内或移出试管28，试管旋转组件用于对试管28进行旋转。在固液混合物转移过程中，其并不是简单的倾倒(转移)即可，还伴有固定沉淀和加液总量的控制等作业流程，因此需要试管倾倒组件、试管旋转组件、试剂喷液组件和喷头运动组件多个组件在一起的配合工作。

现有技术中，采用传统的人工方式转移，对于固体沉淀时需通过加液后不停的摇晃试管或者试管倒置时不停的旋转试管，不容易使沉淀或者挂壁的残留全部转移，同时最终的加液总量无法控制。因此，本发明在试管旋转组件和试剂喷液组件等多部件的配合下工作，可同时实现这些过程。

针对非接触式加液，采用试剂喷液组件和喷头运动组件配合工作，喷头运动组件的后端安装在喷头支架22上，喷头支架22在实际应用中根据承载台的需要进行位置安装，如图1中，喷头支架22可以安装在六孔位试管存放架19的底部，再如图5、图6中，喷头支架22可以安装在装置平台上。

喷头运动组件的前端安装有喷头固定架24，喷头运动组件的前端朝向试管28方向。喷头固定架24上安装有喷头调节管25，喷头调节管25的前端安装有喷液管26，试剂喷液组件的送液管27安装在喷头调节管25的后端。

在喷液管26的前端安装喷头29，喷头29能够伸入试管28口内。如图8所示，图8中A点为喷头29的液流喷射位置，即喷头29的延长线与试管28的底部上半边弧体相接触，最好可以是试管28的底部上半边弧体。因为这样可以使得喷头29的喷射液流喷射在试管28底部的圆弧上端(图8中A点位置)，即喷头29并不是指向试管28的底部中心，利用液流的动能和液流重力作用冲洗试管底部，从而使沉淀的部分形成固液混合物顺着试管壁流出，达到转移的目的。将喷头29指向设置此位置，再配合清洗时试管28的转动，就可以转移试管28内的沉淀和挂壁残留。其中最好可以将喷头29的延长线(即喷头29的喷射液流喷射位置)设置与试管28的纵向中心线之间的夹角为2°-4°，在此角度范围内效果最好。

试管安装座23上安装有试管倾倒组件，试管倾倒组件内安装有试管旋转组件，试管28插在试管旋转组件内。试管倾倒组件包括安装在试管安装座23上的旋转气缸37，旋转气缸37的输出轴上固定安装有试管旋转架38，旋转气缸37能够带动试管旋转架38倾斜，即实现试管28的倾斜。

如图7所示，试管旋转组件包括旋转筒体39和旋转电机40，旋转筒体39安装在试管旋转架38内且与试管旋转架38构成转动配合，旋转筒体39可以通过现有技术中的多种方式安装在试管旋转架38上转动，如销连接、法兰等。旋转电机40安装在试管旋转架38外侧，旋转电机40的输出轴穿过试管旋转架38(通过传统轴承安装)固定安装在旋转筒体39上，通过旋转电机40带动旋转筒体39的旋转，以配合试管28内的转移动作。旋转筒体39内固定安装有柔性试管固定圈30，柔性试管固定圈30可以为橡胶圈或者硅胶圈，可以实现试管28与旋转筒体件存在摩擦力，实现试管28倾斜时不滑落，旋转时能带动试管一起旋转。

如图6所示，当试管倾倒组件运动至倾倒状态、且喷头运动组件运动至最大载程时，喷液管26位于试管28内且试管28的试管口位于滴定杯21上方，实现试管28内固液混合物的倒出。

喷头运动组件包括气缸支架安装座31，气缸支架安装座31上安装有直线气缸32，气缸支架安装座31上固定安装有导轨33，喷头固定架24安装在导轨33上且与导轨33构成滑动配合，其滑动配合方式可以为滑动副连接方式。喷头调节管25安装在喷头固定架24上，喷头固定架24固定安装在直线气缸32的活塞杆上，通过直线气缸32控制其前伸进入试管28内或后缩退出试管28。

试剂喷液组件包括加液泵34，加液泵34的进液管安装在试剂桶35内，加液泵34的出液管安装在压力阀36的进液口上，送液管27安装在压力阀36的出液口上，通过加液泵34和压力阀36为清洗作业提供液源压力。

针对加液容量限制及液体流出路线固定等问题，采用加液泵34、压力阀36及喷头29控制加液的液压，同时配合采用旋转气缸37的旋转角度、旋转电机40的旋转速度及滴定杯21的位置控制液体流出路线。压力阀36确保液压均匀稳定，喷头29的内径应小于送液管27的内径，实现液体集流喷射，并进一步提升喷力。通过控制旋转气缸37的旋转角度与旋转电机40的旋转速度，使得流出液体为固定均匀的弧线无喷溅，弧线落点为滴定杯21的位置。通过控制蠕动泵(加液泵34)的流速及时间可确保每次加液转移供给的液量均在一个稳定可控的范围内，且误差低，从而保障加液容量不会超出极限。

在此，还提供一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置的控制方法，其包括以下步骤：

(1)准备工作阶段：称取0.05-0.5g的土样放入试管中并加入10mL0.4mol/L的重铬酸钾-硫酸溶液后，放置于试管存放架上；启动石墨炉(石墨消解器4)，默认温度设置为180℃，待稳定至180℃时进入土壤有机质前处理阶段。

(2)土壤有机质前处理阶段。

首先，容器夹爪组件1启动，从六孔位漏斗存放盒18夹取小漏斗41放至六孔位试管存放架19的试管上；

其次，容器夹爪组件1夹取试管至石墨消解器4的加热孔内。

(3)加热状态的判断。

首先，感知摄像头7每隔10s采集一次石墨消解器4上表面图像，判断试管是否进入石墨消解器4内，若判断试管已进入石墨消解器4内，则进行沸腾状态判断；

其次，沸腾状态判断，感知摄像头7每隔5s采集一次石墨消解器4内的试管图像，提取采集的图像的优异特征数据输入识别模型判断试管内的溶剂是否沸腾。

(4)沸腾样品的转移：容器夹爪组件1将试管放入样本无损转移组件2。

(5)样本无损转移：样本无损转移组件2对土壤样本进行无损转移处理，完成土壤有机质前处理过程。

样本无损转移步骤如下：

第一步，固液混合物的初步转移(可以约定15s为初步转移时间)。待试管28安装限位在旋转筒体39的柔性试管固定圈30内，旋转气缸37工作，使得试管旋转架38为倾斜状态，试管28内的固液混合物倒入滴定杯21。

第二步，固液混合物的完全转移，通过旋转和加液(液体为原先的萃取剂)冲洗掉试管内残留的固体以及内壁残留的液体。

控制直线气缸32、加液泵34、压力阀36和旋转电机40对试管28进行清洗工作。其具体步骤如下：

(1)控制直线气缸32进行前伸运动，将喷液管26前伸，待到达指定位置后，直线气缸32停止移动；

(2)控制加液泵34、压力阀36和旋转电机40同步工作，喷头9针对试管28进行加液作业；

(3)控制加液泵34、压力阀36和旋转电机40停止，控制直线气缸32进行回缩运动。

第三步，初始状态的恢复。控制直线气缸32缩回，控制旋转气缸37复位，恢复试管旋转架38的竖直状态。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围内。本发明要求的保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，包括纵轨模组(3)、样本无损转移组件(2)、容器夹爪组件(1)和石墨消解器(4)，纵轨模组(3)上安装有横竖向滑块模组(5)，所述的容器夹爪组件(1)安装在横竖向滑块模组(5)上，所述的样本无损转移组件(2)和石墨消解器(4)均位于横竖向滑块模组(5)的运动轨迹上，其特征在于：

所述的容器夹爪组件(1)包括电动夹爪(11)，电动夹爪(11)为二指平动型，电动夹爪(11)的夹指上分别安装有左夹块(12)和右夹块(13)，左夹块(12)和右夹块(13)结构相同且呈镜像对应；右夹块(13)的夹持面自上至下设有上夹持部(43)和中夹持部(44)且上夹持部(43)和中夹持部(44)将右夹块(13)的夹持面自上至下分隔为上腔体(14)、下腔体(15)和下夹持部(16)，上腔体(14)的体积大于下腔体(15)，上腔体(14)、下腔体(15)均为半圆柱体结构且均为独立的腔体结构，上夹持部(43)和中夹持部(44)上均设有位于夹持面的弧形缺口(17)，下夹持部(16)为半圆形结构，下夹持部(16)的内壁为坡面结构且坡面方向朝向电动夹爪(11)的纵向中心线；

还包括感知摄像头(7)，所述的感知摄像头(7)安装在石墨消解器(4)的上表面且朝向横竖向滑块模组(5)的运动轨迹；

所述的样本无损转移组件(2)包括滴定杯(21)、喷头支架(22)、试管安装座(23)、试剂喷液组件和喷头运动组件，所述喷头运动组件的后端安装在喷头支架(22)上，喷头运动组件的前端安装有喷头固定架(24)，喷头调节管(25)固定安装在喷头固定架(24)上，喷头调节管(25)的前端安装有喷液管(26)，试剂喷液组件的送液管(27)安装在喷头调节管(25)的后端；所述的试管安装座(23)上安装有试管倾倒组件，试管倾倒组件内安装有试管旋转组件，试管(28)插在试管旋转组件内；当试管倾倒组件运动至倾倒状态、且喷头运动组件运动至最大载程时，喷液管(26)位于试管(28)内且试管(28)的试管口位于滴定杯(21)上方。

2.根据权利要求1所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，其特征在于：所述的上腔体(14)和下腔体(15)的高度均为20mm，下夹持部(16)的高度为10mm，上夹持部(43)和中夹持部(44)的厚度均为15mm，所述的弧形缺口(17)上设有纵向切面(20)；所述的左夹块(12)和右夹块(13)的材质均为聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，其特征在于：还包括容器存放组件(6)，所述的容器存放组件(6)位于横竖向滑块模组(5)的运动轨迹上，所述的容器存放组件(6)包括六孔位滴定杯存放盒(10)、六孔位漏斗存放盒(18)和六孔位试管存放架(19)。

4.根据权利要求1所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，其特征在于：所述的喷液管(26)前端安装有喷头(29)，喷头(29)的内径小于送液管(27)的内径，当喷液管(26)位于试管(28)内时，所述喷头(29)的延长线与试管(28)的底部弧体相交；所述的喷头(29)的延长线与试管(28)的纵向中心线之间的夹角为2°-4°。

5.根据权利要求1所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，其特征在于：所述的喷头运动组件包括安装在喷头支架(22)上的气缸支架安装座(31)，气缸支架安装座(31)上安装有直线气缸(32)，气缸支架安装座(31)上固定安装有导轨(33)，喷头固定架(24)安装在导轨(33)上且与导轨(33)构成滑动配合，喷头固定架(24)固定安装在直线气缸(32)的气缸活动杆上。

6.根据权利要求1所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，其特征在于：所述的试剂喷液组件包括加液泵(34)，所述加液泵(34)的进液管与试剂桶(35)连通，加液泵(34)的出液管安装在压力阀(36)的进液口上，所述的送液管(27)安装在压力阀(36)的出液口上。

7.根据权利要求1所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置，其特征在于：所述的试管倾倒组件包括安装在试管安装座(23)上的旋转气缸(37)，旋转气缸(37)的输出轴上固定安装有试管旋转架(38)；所述的试管旋转组件包括旋转筒体(39)和旋转电机(40)，旋转筒体(39)安装在试管旋转架(38)内且与试管旋转架(38)构成转动配合，旋转电机(40)安装在试管旋转架(38)外侧，旋转电机(40)的输出轴穿过试管旋转架(38)固定安装在旋转筒体(39)上，旋转筒体(39)内固定安装有柔性试管固定圈(30)。

8.根据权利要求3所述的一种用于土壤有机质前处理环节的自动化处理装置的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

101)准备工作阶段：称取0 .05-0 .5g的土样放入试管中并加入10mL0 .4mol/L的重铬酸钾-硫酸溶液后，放置于试管存放架上；启动石墨炉，默认温度设置为180℃，待稳定至180℃时进入土壤有机质前处理阶段；

102)土壤有机质前处理阶段：容器夹爪组件(1)启动，从六孔位漏斗存放盒(18)夹取小漏斗放至六孔位试管存放架(19)的试管(28)上；

容器夹爪组件(1)夹取带有小漏斗的试管(28)至石墨消解器(4)的加热孔内；

103)加热状态的判断：

感知摄像头(7)每隔10s采集一次石墨消解器(4)上表面图像，判断试管是否进入石墨消解器(4)内，若判断试管已进入石墨消解器(4)内，则进行沸腾状态判断；沸腾状态判断，感知摄像头(7)每隔5s采集一次石墨消解器(4)内的试管图像，提取采集的图像的优异特征数据输入识别模型判断试管内的溶剂是否沸腾；

104)沸腾样品的转移：容器夹爪组件(1)将试管放入样本无损转移组件(2)；

105)样本无损转移：样本无损转移组件(2)对土壤样本进行无损转移处理，完成土壤有机质前处理过程。