CN112161958A - 一种插入式土壤全元素现场探测仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种插入式土壤全元素现场探测仪。该探测仪包括脉冲激光器、光谱仪、探测模块和控制模块，以及中空的探测杆和插入锥；探测模块接收脉冲激光器发射的激光照射至由激发孔进入待检测土壤后形成的等离子信号；光谱仪将等离子信号转化成光谱图；控制模块根据光谱图确定待检测土壤中的元素种类和元素含量。采用本发明提出的插入式土壤全元素现场探测仪，能够在田野现场直接插入地面的土壤中对土壤进行全元素定量分析。

Description

一种插入式土壤全元素现场探测仪
技术领域
本发明涉及污染物检测技术领域，特别是涉及一种插入式土壤全元素现场探测仪。
背景技术
土壤是人类生存环境中的重要自然资源，也是生态系统中十分重要的组成部分。随着工业的大力发展，土壤中沉积的化学物质的种类与数量都在增加，其中对土壤污染较大的是重金属物质。以Hg、Cu、Pb、Mn等重金属元素为例，在2008年全世界排放的Hg为1.5万吨，Cu为340万吨，Pb为500万吨，Mn为1500万吨。这些重金属污染物以污水的形式排放到环境中，对土壤环境造成了巨大的负担。根据调查，在中国140万公顷的污水灌溉地区中有64.8％是属于重金属污染。并且，重金属对土壤的污染会导致粮食减产，据相关统计每年会带来大约200亿的经济损失，土壤中的重金属污染物不具备流动性，且无法被微生物所降解，最后会间接通过植物或者地下水传递到动物和人体内，对人类和动物的健康产生危害。
目前检测土壤中污染元素的常用方法有：原子吸收光谱法(LAA)、火焰式原子吸收光谱法(FASS)、激光拉曼光谱仪(LRS)、紫外分光光度计法(UV)、电感耦合等离子发射光谱法(ICP-AES)和激光诱导击穿光谱法(LIBS)。其中，激光诱导击穿光谱法(LIBS)与传统检测方法相比具有以下优点：(1)无需样品预处理，LIBS可以实现土壤样品的进行快速、原位检测。(2)同时对多种元素进行定量分析。(3)检测对象多样性，可以检测固体、液体或气体。(4)检测灵敏度高，金属元素的探测灵敏度为ppm(ppm为百万分之(几))数量级；(5)光谱信号谱线位置与特定元素相对应，谱线强度与对应元素的含量具有一定的定量关系。因此LIBS技术可以实时、快速地对土壤中的化学元素进行定性和定量分析。但实验室的LIBS系统却往往体积大、重量大、能耗大，无法在现场进行实时、快速、精确的探测。
发明内容
本发明的目的是提供一种插入式土壤全元素现场探测仪，具有体积小、便携、能耗小，以及能够在田野现场对土壤进行全元素定量分析的优点。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种插入式土壤全元素现场探测仪，包括：
探测杆、插入锥、脉冲激光器、光谱仪、探测模块和控制模块；
所述探测杆设置于所述插入锥的上方；所述探测杆和所述插入锥均为中空结构；
所述插入锥的下部设置有激发孔；所述激发孔用于使待检测土壤进入所述插入锥；
所述脉冲激光器与所述探测模块连接；
所述探测模块设置于所述插入锥内；所述探测模块与所述光谱仪连接；所述探测模块用于使所述脉冲激光器发射的激光照射至由所述激发孔进入所述插入锥的所述待检测土壤，并接收激光照射待检测土壤后形成的等离子信号；
所述光谱仪与所述控制模块连接；所述光谱仪用于将所述等离子信号转化成光谱图；
所述控制模块位于所述探测杆的顶端；所述控制模块用于根据所述光谱图确定所述待检测土壤中的元素种类和元素含量。
可选的，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
土壤预处理装置；
所述土壤预处理装置位于所述插入锥的下部；所述土壤预处理装置与所述控制模块连接；所述土壤预处理装置用于检测并调整所述待检测土壤进入所述插入锥前的温度和湿度；
可选的，所述土壤预处理装置，具体包括：
温湿度传感器和加热装置；
所述温湿度传感器设置于所述插入锥的内壁上；所述温湿度传感器与所述控制模块连接；所述温湿度传感器用于检测所述待检测土壤进入所述插入锥前的温度和湿度；
所述加热装置设置于所述插入锥的外壁上；所述加热装置与所述控制模块连接；所述加热装置用于调整所述土壤的温度和湿度。
可选的，所述探测模块，具体包括：
激光扩束器、会聚透镜、反射镜和光纤探头；
所述激光扩束器与所述脉冲激光器通过激发光纤连接，所述激光扩束器用于扩大所述脉冲激光器发射的激光的光束直径，输出扩束后的激光；
所述会聚透镜设置于所述激光扩束器的输出光路上，所述会聚透镜用于汇聚所述扩束后的激光，输出汇聚后的激光；
所述反射镜设置于所述会聚透镜的输出光路上；所述反射镜用于反射所述汇聚后的激光，使所述汇聚后的激光照射至所述待检测土壤；
所述光纤探头设置于所述激发孔处；所述光纤探头与所述光谱仪通过收集光纤连接；所述光纤探头用于接收所述等离子信号并将所述等离子信号传输至所述光谱仪。
可选的，插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
延迟装置；
所述延迟装置分别与所述脉冲激光器和所述光纤探头连接；
所述延迟装置用于接收所述脉冲激光器开始发射激光的信号并根据所述脉冲激光器开始发射激光的信号控制所述光纤探头接收所述等离子信号的开始时间。
可选的，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
图像采集装置和显示装置；
所述图像采集装置分别与所述控制模块和所述显示装置连接；所述图像采集装置设置于所述激发孔处；所述图像采集装置用于采集所述待检测土壤的图像信息并传输至所述显示装置；
所述显示装置与所述控制模块连接；所述显示装置设置于所述探测杆的顶端；所述显示装置用于接收并显示所述土壤的图像信息；所述显示装置还用于接收并显示所述待检测土壤中的元素种类和元素含量。
可选的，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
防尘透镜和自动挡板；
所述防尘透镜位于所述图像采集装置靠近所述激发孔的一侧；
所述自动挡板设置于所述插入锥的内壁上，所述自动挡板位于所述激发孔处，所述自动挡板用于打开激发孔或遮挡激发孔。
可选的，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
刻度尺；
所述刻度尺设置于所述探测杆或所述插入锥的外壁上；所述刻度尺用于测量所述插入锥进入所述土壤的深度。
可选的，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
电源装置；
所述电源装置分别与所述光谱仪和所述控制模块连接，所述电源装置用于分别为所述光谱仪和所述控制模块供电。
可选的，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
手柄和脚踏板；
所述手柄设置于所述探测杆的顶端；
所述脚踏板设置于所述插入锥的外壁上。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提出了一种插入式土壤全元素现场探测仪，包括脉冲激光器、光谱仪、探测模块、控制模块、中空的探测杆和插入锥，减小了探测仪的体积，使探测仪便携化，能够在田野现场直接插入地面的土壤中对土壤进行全元素定量分析。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的插入式土壤全元素现场探测仪结构示意图图。
其中，1-显示装置；2-手柄；3-第一数据线；4-探测杆；5-光谱仪；6-延迟装置；7-脉冲激光器；8-电源装置；9-收集光纤；10-激发光纤；11-电线；12-激光扩束器；13-会聚透镜；14-反射镜；15-第二数据线；16-脚踏板；17-温湿度传感器；18-加热装置；19-光纤探头；20-图像采集装置；21-激发孔；22-防尘透镜；23-插入锥。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种插入式土壤全元素现场探测仪，具有体积小、便携、能耗小，以及能够在田野现场对土壤进行全元素定量分析的优点。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例
图1为本发明实施例所提供的插入式土壤全元素现场探测仪结构示意图图，如图1所示，本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，包括：探测杆4、插入锥23、脉冲激光器7、光谱仪5、探测模块和控制模块(即控制器，图1中未示出)。
探测杆4设置于插入锥23的上方，探测杆4和插入锥23均为中空结构，插入锥23的下部设置有激发孔21；激发孔21用于使待检测土壤进入插入锥23；脉冲激光器7与探测模块连接；探测模块设置于插入锥23内，探测模块与光谱仪5连接，探测模块用于使脉冲激光器7发射的激光照射至由激发孔21进入插入锥23的待检测土壤，并接收激光照射待检测土壤后形成的等离子信号；接收脉冲激光器7发射的激光照射至由激发孔21进入插入锥23内的待检测土壤后形成的等离子信号。光谱仪5与控制模块连接；光谱仪5用于将等离子信号转化成光谱图；控制模块位于探测杆4的顶端；控制模块用于根据光谱图确定插入锥23内的待检测土壤中的元素种类和元素含量。
其中，光谱仪5通过第一数据线3与控制模块连接，本发明提供的脉冲激光器7为1064nm激光器。
探测模块，具体包括：激光扩束器12、会聚透镜13、反射镜14和光纤探头19；激光扩束器12与脉冲激光器7通过激发光纤10连接，激光扩束器12用于扩大脉冲激光器7发射的激光的光束直径，输出扩束后的激光；会聚透镜13设置于激光扩束器12的输出光路上，会聚透镜13用于汇聚扩束后的激光，输出汇聚后的激光；反射镜14设置于会聚透镜13的输出光路上；反射镜14用于反射汇聚后的激光，使汇聚后的激光照射至插入锥23内的待检测土壤；光纤探头19设置于激发孔21处；光纤探头19与光谱仪5通过收集光纤9连接；光纤探头19用于接收等离子信号并将等离子信号传输至光谱仪5。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：土壤预处理装置。土壤预处理装置位于插入锥23的下部；土壤预处理装置与控制模块连接；土壤预处理装置用于检测并调整插入锥23外的待检测土壤的温度和湿度。
土壤预处理装置，具体包括：温湿度传感器17和加热装置18；温湿度传感器17设置于插入锥23的内壁上；温湿度传感器17与控制模块连接；温湿度传感器17用于检测插入锥23外的待检测土壤的温度和湿度；加热装置18设置于插入锥23的外壁上；加热装置18与控制模块连接；加热装置18用于调整插入锥23外的待检测土壤的温度和湿度。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：延迟装置6；延迟装置6分别与脉冲激光器7和光纤探头19连接；延迟装置6用于接收脉冲激光器7开始发射激光的信号并根据脉冲激光器7开始发射激光的信号控制光纤探头19接收等离子信号的开始时间。延迟装置6还与控制模块连接，控制模块还用于设置延迟时间(延迟时间指光纤探头19接收等离子信号的开始时间与脉冲激光器7开始发射激光的时间间隔)。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：图像采集装置20和显示装置1；图像采集装置20分别与控制模块和显示装置1连接；图像采集装置20设置于激发孔21处；图像采集装置20用于采集插入锥23内的待检测土壤的图像信息并传输至显示装置1；显示装置1与控制模块连接；显示装置1设置于探测杆4的顶端；显示装置1用于接收并显示插入锥23外的待检测土壤的图像信息；显示装置1还用于接收并显示插入锥23内的待检测土壤中的元素种类和元素含量。
其中，图像采集装置20通过第二数据线15与显示器连接。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：防尘透镜22和自动挡板；防尘透镜22位于图像采集装置20靠近激发孔21的一侧；防尘透镜22还位于光纤探头19靠近激发孔21的一侧；自动挡板设置于插入锥23的内壁上，自动挡板位于激发孔21处，自动挡板用于打开激发孔21或遮挡激发孔21。本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括刻度尺；刻度尺设置于插入锥23或探测杆4的外壁上；刻度尺用于测量土壤的深度。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括电源装置8；电源装置8分别与光谱仪和控制模块连接，电源装置8用于分别为光谱仪和控制模块供电。
另外，电源装置8还分别与土壤预处理装置、显示装置1和延迟装置6连接，图1中电线11为电源装置8与土壤预处理装置中的加热装置18连接的电线，其他电线未示出，电源装置8还用于分别为土壤预处理装置、显示装置1和延迟装置6供电。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：手柄2和脚踏板16，手柄2设置于探测杆4的顶端；脚踏板16设置于插入锥23的外壁上，手柄2和脚踏板16均用于辅助插入锥进入土壤。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括，报警装置，报警装置与控制模块连接，控制模块会根据的国家污染物标准，判断待检测土壤中是否含有超标元素，若是则将报警信号传输至报警装置。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪，还包括机箱，光谱仪5、延迟装置6、脉冲激光器7和电源装置8均设置于机箱内。
机箱固定于探测杆的上部。
具体的，在手柄2和脚踏板16的助力下，将插入锥23插入土壤中，插入土壤的深度数值可以在刻度尺处读出。根据待检测土壤图像信息判断待分析的区域是否有砾石或植物根系，若有则更换待检测土壤，若没有，则检测并调整待检测土壤温度。
开启土壤预处理模式，通过显示装置1查看待检测土壤的温湿度情况，控制模块根据目前的温湿度开启加热土壤功能，加热装置18对土壤进行加热烘干，当待检测土壤湿度达到湿度阈值时，停止对待检测土壤加热，加热过程需要1-3分钟。操作者通过图像采集装置20采集的图像观察激发孔处是否填充满了有光滑、干燥、压实了的土壤层，若否，则将通过旋转探测杆4，更换测试土壤面；若是，则开启土壤测试模式。
土壤测试模式：1064nm脉冲激光通过激发光纤10传输到插入锥23内的激光扩束器12、会聚透镜13和反射镜14，最终在激发孔21处完成对待检测土壤的激发。激发后的待检测土壤形成的等离子信号。
延迟装置6根据控制模块发出的延迟信号控制光纤探头19接收等离子信号的开始时间，等离子信号经光纤探头19收集后传输至光谱仪5，光谱仪5将等离子信号转化成光谱图，控制模块对光谱图经过数据处理和定量计算后经过将计算结果(土壤中营养元素、重金属元素的种类和含量，以及烘干前后的土壤温湿度信息一起作为最终分析结果)传输至显示装置1显示。控制模块会根据的国家污染物标准，判断待检测土壤中是否含有超标元素，若是则将报警信号传输至报警装置。测量完成后，关闭自动挡板。
本发明提供的插入式土壤全元素现场探测仪可以同时检测出土壤的主量营养元素N、P、K和主要重金属污染物Pb、Hg，在本装置上增加利用单一滤色片和光电倍增管可实现对特定元素的高灵敏度检测。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述插入式土壤全元素现场探测仪，包括：
探测杆、插入锥、脉冲激光器、光谱仪、探测模块和控制模块；
所述探测杆设置于所述插入锥的上方；所述探测杆和所述插入锥均为中空结构；
所述插入锥的下部设置有激发孔；所述激发孔用于使待检测土壤进入所述插入锥；
所述脉冲激光器与所述探测模块连接；
所述探测模块设置于所述插入锥内；所述探测模块与所述光谱仪连接；所述探测模块用于使所述脉冲激光器发射的激光照射至由所述激发孔进入所述插入锥的所述待检测土壤，并接收激光照射待检测土壤后形成的等离子信号；
所述光谱仪与所述控制模块连接；所述光谱仪用于将所述等离子信号转化成光谱图；
所述控制模块位于所述探测杆的顶端；所述控制模块用于根据所述光谱图确定所述插入锥内的待检测土壤中的元素种类和元素含量。
2.根据权利要求1所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
土壤预处理装置；
所述土壤预处理装置位于所述插入锥的下部；所述土壤预处理装置与所述控制模块连接；所述土壤预处理装置用于检测并调整所述待检测土壤进入所述插入锥前的温度和湿度。
3.根据权利要求2所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述土壤预处理装置，具体包括：
温湿度传感器和加热装置；
所述温湿度传感器设置于所述插入锥的内壁上；所述温湿度传感器与所述控制模块连接；所述温湿度传感器用于检测所述待检测土壤进入所述插入锥前的温度和湿度；
所述加热装置设置于所述插入锥的外壁上；所述加热装置与所述控制模块连接；所述加热装置用于调整所述待检测土壤进入所述插入锥前的温度和湿度。
4.根据权利要求1所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述探测模块，具体包括：
激光扩束器、会聚透镜、反射镜和光纤探头；
所述激光扩束器与所述脉冲激光器通过激发光纤连接，所述激光扩束器用于扩大所述脉冲激光器发射的激光的光束直径，输出扩束后的激光；
所述会聚透镜设置于所述激光扩束器的输出光路上，所述会聚透镜用于汇聚所述扩束后的激光，并输出汇聚后的激光；
所述反射镜设置于所述会聚透镜的输出光路上；所述反射镜用于反射所述汇聚后的激光，使所述汇聚后的激光照射至所述待检测土壤；
所述光纤探头设置于所述激发孔处；所述光纤探头与所述光谱仪通过收集光纤连接；所述光纤探头用于接收所述等离子信号并将所述等离子信号传输至所述光谱仪。
5.根据权利要求4所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
延迟装置；
所述延迟装置分别与所述脉冲激光器和所述光纤探头连接；
所述延迟装置用于接收所述脉冲激光器开始发射激光的信号并根据所述脉冲激光器开始发射激光的信号控制所述光纤探头接收所述等离子信号的开始时间。
6.根据权利要求1所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
图像采集装置和显示装置；
所述图像采集装置分别与所述控制模块和所述显示装置连接；所述图像采集装置设置于所述激发孔处；所述图像采集装置用于采集所述待检测土壤的图像信息并传输至所述显示装置；
所述显示装置与所述控制模块连接；所述显示装置设置于所述探测杆的顶端；所述显示装置用于接收并显示所述土壤的图像信息；所述显示装置还用于接收并显示所述待检测土壤中的元素种类和元素含量。
7.根据权利要求6所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
防尘透镜和自动挡板；
所述防尘透镜位于所述图像采集装置靠近所述激发孔的一侧；
所述自动挡板设置于所述插入锥的内壁上，所述自动挡板位于所述激发孔处，所述自动挡板用于打开激发孔或遮挡激发孔。
8.根据权利要求1所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
刻度尺；
所述刻度尺设置于所述探测杆或所述插入锥的外壁上；所述刻度尺用于测量所述插入锥进入所述土壤的深度。
9.根据权利要求1所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
电源装置；
所述电源装置分别与所述光谱仪和所述控制模块连接，所述电源装置用于分别为所述光谱仪和所述控制模块供电。
10.根据权利要求1所述的插入式土壤全元素现场探测仪，其特征在于，所述插入式土壤全元素现场探测仪，还包括：
手柄和脚踏板；
所述手柄设置于所述探测杆的顶端；
所述脚踏板设置于所述插入锥的外壁上。
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