CN112748232B - 一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统 - Google Patents

一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统，包括供电单元用于提供驱动电压信号；控制单元与供电单元连接，接收驱动电压信号，用于控制并发送工作时序指令、用于控制并发送检测窗口的开启指令、闭合指令；检测单元与控制单元连接，接收工作时序指令，用于获得光谱信号及激光脉冲；接收土壤等离子体光谱对土壤等离子体光谱分析识别与重金属浓度定量反演，直接给出重金属种类及浓度信息；探测器与检测单元连接，接收激光脉冲，用于对土壤剖面的样品原位烧蚀，获得土壤等离子体光谱。本发明能快速得到污染区域的重金属分布与浓度信息，为土壤修复提供准确的数据支持，为场地修复的方法选择和药剂添加提供数据支持，显著提高场地修复的效率。

Description

一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统
技术领域
本发明属于光谱分析技术领域、环境污染检测技术领域和机电技术领域，涉及一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统。
背景技术
重金属是土壤环境领域最为关注的污染物，给我国工农业生产和居民健康带来了巨大威胁。目前土壤重金属的检测以实验室分析手段为主，常用方法有电感耦合等离子体质谱、火焰原子吸收光谱、电感耦合等离子光谱法等，这些方法根据土壤中重金属元素的光谱或者质谱特征进行定性与定量，被世界各国普遍采用。我国《土壤环境质量标准—农用地土壤污染风险管控标准(试行)》(GB 15618-2018)等国标均采用了原子吸收分光光度、原子荧光法等对土壤重金属元素进行标准化检测。这些方法均需对土壤样品进行研磨、消解，处理步骤繁琐，操作复杂，仅适用于实验室测定，无法用于土壤重金属的现场快速检测。土壤重金属剖面分布对于污染调查、污染物迁移转化研究均具有重要意义，目前仅能通过从不同深度土层取样，结合实验室分析，获取土壤重金属的剖面分布信息，检测时效性差，且采样过程易造成不同深度土壤样品混淆，导致剖面分布检测结果准确性较低。
发明内容
要解决的问题：
为了解决现有技术时效性较差、成本高，无法满足土壤污染调查、场地原位修复对土壤重金属快速检测的需求，以及不能实时、原位直接检测土壤重金属垂直剖面分布的技术问题，本发明的目的在于要满足土壤污染调查、场地原位修复对土壤重金属快速检测及获取土壤重金属分布信息的技术需求，为此本发明提出一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统。
为了达成上述的目的，本发明提供的一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统，是通过以下技术方案来实现，主要包括：供电单元、控制单元、检测单元和探测器，其中：
供电单元，用于提供驱动电压信号；
控制单元与供电单元连接，接收驱动电压信号，用于控制并发送工作时序指令、用于控制并发送检测窗口的开启指令、闭合指令；
检测单元与控制单元连接，接收工作时序指令，用于获得光谱信号以及激光脉冲；接收土壤等离子体光谱，对土壤等离子体光谱进行分析、识别与重金属浓度定量反演，并直接给出重金属种类及浓度信息；
探测器与检测单元连接，接收激光脉冲，用于对土壤剖面的样品原位烧蚀，获得土壤等离子体光谱。
优选地，所述控制单元，用于控制激光器、光谱仪的工作时序，以及所述控制单元，用于控制探测器中的土壤钻头检测窗口的开启与闭合。
优选地，所述检测单元由激光器、光谱仪和计算机组成，使用供电单元的输出电压，用于驱动激光器和计算机工作以及用于驱动光谱仪工作。
优选地，所述探测器的机身的下端与土壤钻头的上端紧密连接，用于在土壤中钻进。
优选地，所述激光器输出的激光脉冲经第一光纤传输至土壤重金属原位检测的探测器，所述激光脉冲对土壤样品做原位烧蚀。
优选地，所述激光器的激光脉冲在烧蚀土壤样品产生等离子的瞬间，探测器内的检测窗口检测土壤等离子体光谱，并经第二光纤将土壤等离子体光谱传输至光谱仪。
优选地，所述光谱仪对等离子体光谱进行分光与探测，并将光谱信号转变为电信号传输至计算机，并由所述计算机完成等离子体光谱的分析、识别与重金属浓度定量反演。
优选地，所述供电单元、控制单元、检测单元位于机箱内，并与机箱固定连接，在机箱的两侧分别设置一安装接口，两个风扇分别置于机箱的各自安装接口中并与机箱固定连接。
优选地，所述探测器负责土壤重金属的原位激发与等离子体光谱原位探测。
优选地，所述探测器主要由第一光纤、第二光纤、机身、土壤钻头、光路固定平台、防护罩、加热电阻、检测窗口、聚焦透镜和软管组成，其中：
第一光纤的一端、第二光纤的一端和聚焦透镜均固定在光路固定平台上及机身的内部；第一光纤的另一端和第二光纤的另一端装入软管中并穿过机身的顶端上设置的开口而位于机身外面，第一光纤的另一端与激光器连接，用于传输激光脉冲；第二光纤的另一端与光谱仪连接，用于传输等离子体光谱；检测窗口嵌入机身本体上的安装孔中并固定连接；所述防护罩和所述机身都是空心圆筒结构，所述机身的上筒口由筒盖密封，所述防护罩和所述机身各自的下筒口都是开放结构，防护罩直径是大于机身直径，机身和土壤钻头两者组合高度小于防护罩的高度，将机身套装于防护罩内，机身的下筒口与土壤钻头的上端口固定连接并密封；防护罩内壁上安置的导轨与机身外壁上设置的凹槽组合成一滑轨，用于将防护罩固定在机身上；防护罩在滑轨上滑动，使得检测窗口露出用于探测土壤剖面的样品；防护罩上装配有加热电阻。
本发明的优点在于：
本发明在土壤重金属激光诱导击穿光谱检测技术基础上，研制一套用于土壤重金属剖面分布实时、原位检测系统，对土壤剖面重金属进行原位检测能够快速获取重金属的分布信息，研究重金属的迁移转化规律，对土壤污染调查、场地修复均具有重要意义。本发明一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统的技术方案解决了现有技术对重金属污染土壤和场地进行检测的技术手段仍以现场取样、实验室分析为主，从而造成重金属检测速度慢、时效性较差及成本高的技术问题，本发明的技术方案能够实时、原位直接检测土壤重金属垂直剖面分布，因此本发明提出的基于激光诱导击穿光谱的土壤重金属剖面原位实时检测技术，利用高能量的脉冲激光，经光纤传输至土壤不同深度，对土壤重金属进行原位激发与探测，实现土壤重金属元素垂直剖面分布实时、原位检测。本发明的技术方案满足对土壤质量调查、污染场地治理修复、土壤污染分布调查及土壤污染物迁移转化科学研究等具有重要的应用价值。
本发明能够直接对不同深层土壤中的重金属污染物进行快速、原位检测，检测时间小于1分钟，而传统方法需要现场采样后实验室分析，检测周期通常超过1天，通过本发明能够显著提高土壤重金属的检测效率，且本发明能够对表层和深层土壤中的重金属进行快速检测，得到不同深度重金属浓度分布，为判断土壤是否遭受重金属污染，及污染程度提供技术支撑。本发明不使用试剂、无二次污染，不需要繁琐的样品预处理过程，与传统方法相比对环境更加友好。在对重金属污染土壤进行修复时，利用本发明能够快速得到污染区域的重金属分布与浓度信息，从而为土壤修复提供准确的数据支持，为场地修复的方法选择和药剂添加提供数据支持，显著提高场地修复的效率。
附图说明
图1是本发明一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统结构示意图；
图2是本发明一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统的实施例示意图；
图3是本发明一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统中探测器的实施例示意图；
图4是图3的探测器立体分解示意图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明，其作为本说明书的一部分，通过实施来说明本发明的原理，本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
请参阅图1示出本发明的一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统主要包括：供电单元1、控制单元2、检测单元3和探测器4，其中：
供电单元1，用于提供驱动电压信号；
控制单元2与供电单元1连接，接收驱动电压信号，用于控制并发送工作时序指令、用于控制并发送检测窗口的开启指令、闭合指令；
检测单元3与控制单元2连接，接收工作时序指令，用于获得光谱信号以及激光脉冲；接收土壤等离子体光谱，对土壤等离子体光谱进行分析、识别与重金属浓度定量反演，并直接给出重金属种类及浓度信息；
探测器4与检测单元3连接，接收激光脉冲，用于对土壤剖面的样品原位烧蚀，获得土壤等离子体光谱。
请参阅图1、图2和图3示出一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统的具体实施例，其中：
所述供电单元1，使用锂电池或市场供应的直流电源，用于为本发明整个实时检测系统供电，能够输出24V电压和5V电压。
所述控制单元2，用于控制激光器31、光谱仪32的工作时序，以及所述控制单元2，用于接收光谱仪32得到的等离子体光谱信号，并传输至计算机33。所述控制单元2使用C8051型单片机，也可用FPGA代替。
所述检测单元3由激光器31、光谱仪32和计算机33组成，其中：使用供电单元1输出的24V电压，用于驱动激光器31和计算机33工作；使用供电单元1输出的5V电压，用于驱动光谱仪32工作。所述激光器31为风冷的Nd：YAG激光器，能够输出30mJ的激光脉冲，工作频率2Hz，输出波长1064nm。光谱仪32为微型光纤光谱仪，其波长覆盖范围为200-500nm，光谱分辨率0.1nm。所述计算机33使用触控式的计算机。
所述探测器4，主要包括激光聚焦模块和信号采集模块两部分。所述探测器4的机身9的下端与土壤钻头10的上端紧密连接，用于在土壤中钻进。探测器4和土壤钻头10的外壳均为硬质钢合金材质，避免土壤中碎石、砂砾等杂质损坏探头7的内部结构。所述激光器31输出的激光脉冲能够经第一光纤7传输至土壤重金属原位检测的探测器4，所述激光脉冲对土壤样品做原位烧蚀。所述激光脉冲在烧蚀土壤样品产生等离子的瞬间，探测器4内的检测窗口14检测土壤等离子体光谱，并经第二光纤8将土壤等离子体光谱传输至光谱仪32。光谱仪32对等离子体光谱进行分光与探测，并将光谱信号转变为电信号传输至计算机33，并由所述计算机33完成等离子体光谱的分析、识别与重金属浓度定量反演。所述计算机33通过所述控制单元2的控制完成光谱信号的采集流程。
所述供电单元1、控制单元2、检测单元3位于机箱5内，并与机箱5固定连接，在机箱5的两侧分别设置一安装接口51，两个风扇6分别置于机箱5的各自安装接口51中并与机箱5固定连接。
续请参阅图2、图3和图4示出探测器4是本发明土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统的传感器，图3示出所述探测器4的具体实施例的结构，所述探测器4负责土壤重金属的原位激发与等离子体光谱原位探测，探测器4主要由第一光纤7、第二光纤8、机身9、土壤钻头10、光路固定平台11、防护罩12、加热电阻13、检测窗口14、聚焦透镜15以及软管16组成，其中：
第一光纤7的一端、第二光纤8的一端和聚焦透镜15均固定在光路固定平台11上及机身9的内部，用以提高系统的稳定性；第一光纤7的另一端和第二光纤8的另一端装入软管16中并穿过机身9的顶端上设置的开口94而位于机身9外面，第一光纤7的另一端与激光器31连接，用于传输激光脉冲；第二光纤8的另一端与光谱仪32连接，用于传输等离子体光谱；检测窗口14嵌入机身9本体上的安装孔92中并固定连接；所述防护罩12和所述机身9都是空心圆筒结构，所述机身9的上筒口由筒盖91密封，所述防护罩12和所述机身9各自的下筒口都是开放结构，防护罩12直径是大于机身9直径，机身9和土壤钻头10两者组合高度小于防护罩12的高度，将机身9套装于防护罩12内，机身9的下筒口与土壤钻头10的上端口固定连接并密封；防护罩12内壁上安置的导轨与机身9外壁上设置的凹槽93组合成一滑轨，用于将防护罩12固定在机身9上；所述防护罩12包括支架121和提手122；所述防护罩12材质为不锈钢。所述防护罩12上装有两个支架121，支架的上端装有提手122，通过拉动提手122控制防护罩12在滑轨上滑动，使得检测窗口14露出用于探测土壤剖面的样品；防护罩12上装配有加热电阻13。所述机身9下部有一安装孔92，所述检测窗口14置于所述的安装孔92中。激光器31的激光脉冲在探测器4内部经第一光纤7传输至土壤深处，经聚焦透镜15聚焦，通过检测窗口14照射到土壤剖面，完成土壤等离子体的激发，土壤等离子体光谱经聚焦透镜15聚焦耦合进第二光纤8，并传输至光谱仪32。机身9为圆筒形，其材质为合金钢，用于探测器4内部结构防护。土壤钻头10用于在土壤中钻进，最大钻进深度50cm。检测窗口14的作用是分隔探测器4内部光电结构与土壤剖面，避免泥土进入探测器4的内部，造成损害，检测窗口14在紫外波段具有良好的透过率，激光及等离子体发射光均可低损通过。当探测器4在土壤中钻进时，防护罩12保护探测器4主体及检测窗口14，探测器4到达指定深度时，开启防护罩12，且保证土壤剖面与检测窗口14存在一定距离，避免泥土污染检测窗口14表面，降低透光性；此时激光可通过检测窗口14直接作用于土壤剖面，实现土壤重金属垂直剖面检测。在开启防护罩12之前，先开启加热电阻13，对检测窗口14外土壤进行加热，以降低土壤湿度，提高光谱检测的稳定性与灵敏度。第一光纤7和第二光纤8外用软管16包裹，以避免光纤发生弯折损坏。
所述机身9包括第一空心圆筒95和筒盖91，所述第一空心圆筒95包括上筒口和下筒口，所述筒盖91固接于上筒口并形成密封结构；所述筒盖是不锈钢材质或工程塑料或橡胶材质的圆盘。
所述机身9的上筒口与筒盖91为一体结构形成的密封结构；或所述机身9的上筒口与筒盖91使用分离式结构形成的密封结构，其中：所述分离式结构是所述机身9的上筒口与筒盖91使用螺钉形式连接形成的密封结构，所述分离式结构或是机身9的上筒口与筒盖91使用推拉式结构的滑动连接形成的密封结构；在防护罩12的顶端设置一个提手122，用于把防护罩12向上提一距离，将检测窗口14就暴露出来。检测窗口14是用石英玻璃材料制成。
本发明的特点简述如下：
(1)可实现土壤重金属垂直分布的快速检测；
(2)利用光纤将脉冲激光传导至地下，实现土壤剖面重金属的原位激发与探测；
(3)所使用的元部件均为小型化、低功耗器件，能够利用锂电池供电，实现重金属现场、快速、原位检测；
(4)重金属探测器装配有加热装置，能够对接触的土壤进行加热，降低土壤湿度对重金属探测的影响；
(5)本发明整个系统制成圆筒状，结构紧凑，可直接将探测器插入土壤，无需打井及进行样品预处理。
本发明针对污染场地治理修复、场地污染状况普查等对土壤重金属垂直剖面分布实时原位测量技术的迫切需求，本发明了一种基于诱导击穿光谱技术的土壤重金属垂直剖面测量系统。本发明利用脉冲调Q激光器输出脉冲激光，利用光纤将激光脉冲传输至不同深度土壤，在深层土壤剖面产生瞬态等离子体，并利用光纤将等离子体光谱传输至上位机，利用重金属原子及离子的特征谱线波长及强度，实现重金属的准确识别与定量分析，完成土壤重金属垂直剖面的实时原位检测。本发明具有圆筒型外壳和土壤钻头，能够直接将其插入土壤。该技术在使用过程中无需试剂，无二次污染，不需要繁琐的样品预处理与检测过程，能够显著提高土壤重金属污染检测的效率。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (1)

1.一种土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统，其特征在于，包括：供电单元(1)、控制单元(2)、检测单元(3)和探测器(4)，其中：
供电单元(1)，用于提供驱动电压信号；
控制单元(2)与供电单元(1)连接，接收驱动电压信号，用于控制并发送工作时序指令、用于控制并发送检测窗口的开启指令、闭合指令；
检测单元(3)与控制单元(2)连接，接收工作时序指令，用于获得光谱信号以及激光脉冲；接收土壤等离子体光谱，对土壤等离子体光谱进行分析、识别与重金属浓度定量反演，并直接给出重金属种类及浓度信息；
探测器(4)与检测单元(3)连接，接收激光脉冲，用于对土壤剖面的样品原位烧蚀，获得土壤等离子体光谱；
所述控制单元，用于控制激光器、光谱仪的工作时序，以及所述控制单元，用于控制探测器中的土壤钻头检测窗口的开启与闭合；
所述检测单元由激光器、光谱仪和计算机组成，使用供电单元的输出电压，用于驱动激光器和计算机工作以及用于驱动光谱仪工作；
所述探测器的机身的下端与土壤钻头的上端紧密连接，用于在土壤中钻进；
所述激光器输出的激光脉冲经第一光纤传输至土壤重金属原位检测的探测器，所述激光脉冲对土壤样品做原位烧蚀；
所述激光器的激光脉冲在烧蚀土壤样品产生等离子的瞬间，探测器内的检测窗口检测土壤等离子体光谱，并经第二光纤将土壤等离子体光谱传输至光谱仪；
所述光谱仪对等离子体光谱进行分光与探测，并将光谱信号转变为电信号传输至计算机，并由所述计算机完成等离子体光谱的分析、识别与重金属浓度定量反演；
所述供电单元、控制单元、检测单元位于机箱内，并与机箱固定连接，在机箱的两侧分别设置一安装接口，两个风扇分别置于机箱的各自安装接口中并与机箱固定连接；
所述探测器负责土壤重金属的原位激发与等离子体光谱原位探测；
所述探测器(4)，包括激光聚焦模块和信号采集模块两部分，所述探测器(4)的机身(9)的下端与土壤钻头(10)的上端紧密连接，用于在土壤中钻进；探测器(4)和土壤钻头(10)的外壳均为硬质钢合金材质，避免土壤中碎石、砂砾杂质损坏探头(7)的内部结构；所述激光器(31)输出的激光脉冲能够经第一光纤(7)传输至土壤重金属原位检测的探测器(4)，所述激光脉冲对土壤样品做原位烧蚀；所述激光脉冲在烧蚀土壤样品产生等离子的瞬间，探测器(4)内的检测窗口(14)检测土壤等离子体光谱，并经第二光纤(8)将土壤等离子体光谱传输至光谱仪(32)；光谱仪(32)对等离子体光谱进行分光与探测，并将光谱信号转变为电信号传输至计算机(33)，并由所述计算机(33)完成等离子体光谱的分析、识别与重金属浓度定量反演；所述计算机(33)通过所述控制单元(2)的控制完成光谱信号的采集流程；
所述供电单元(1)、控制单元(2)、检测单元(3)位于机箱(5)内，并与机箱(5)固定连接，在机箱(5)的两侧分别设置一安装接口(51)，两个风扇(6)分别置于机箱(5)的各自安装接口(51)中并与机箱(5)固定连接；
探测器(4)是土壤剖面原位重金属分布的实时检测系统的传感器，所述探测器(4)负责土壤重金属的原位激发与等离子体光谱原位探测，探测器(4)主要由第一光纤(7)、第二光纤(8)、机身(9)、土壤钻头(10)、光路固定平台(11)、防护罩(12)、加热电阻(13)、检测窗口(14)、聚焦透镜(15)以及软管(16)组成，其中：
第一光纤(7)的一端、第二光纤(8)的一端和聚焦透镜(15)均固定在光路固定平台(11)上及机身(9)的内部，用以提高系统的稳定性；第一光纤(7)的另一端和第二光纤(8)的另一端装入软管(16)中并穿过机身(9)的顶端上设置的开口(94)而位于机身(9)外面，第一光纤(7)的另一端与激光器(31)连接，用于传输激光脉冲；第二光纤(8)的另一端与光谱仪(32)连接，用于传输等离子体光谱；检测窗口(14)嵌入机身(9)本体上的安装孔(92)中并固定连接；所述防护罩(12)和所述机身(9)都是空心圆筒结构，所述机身(9)的上筒口由筒盖(91)密封，所述防护罩(12)和所述机身(9)各自的下筒口都是开放结构，防护罩(12)直径是大于机身(9)直径，机身(9)和土壤钻头(10)两者组合高度小于防护罩(12)的高度，将机身(9)套装于防护罩(12)内，机身(9)的下筒口与土壤钻头(10)的上端口固定连接并密封；防护罩(12)内壁上安置的导轨与机身(9)外壁上设置的凹槽(93)组合成一滑轨，用于将防护罩(12)固定在机身(9)上；所述防护罩(12)包括支架(121)和提手(122)；所述防护罩(12)材质为不锈钢；所述防护罩(12)上装有两个支架(121)，支架的上端装有提手(122)，通过拉动提手(122)控制防护罩(12)在滑轨上滑动，使得检测窗口(14)露出用于探测土壤剖面的样品；防护罩(12)上装配有加热电阻(13)；所述机身(9)下部有一安装孔(92)，所述检测窗口(14)置于所述的安装孔(92)中；激光器(31)的激光脉冲在探测器(4)内部经第一光纤(7)传输至土壤深处，经聚焦透镜(15)聚焦，通过检测窗口(14)照射到土壤剖面，完成土壤等离子体的激发，土壤等离子体光谱经聚焦透镜(15)聚焦耦合进第二光纤(8)，并传输至光谱仪(32)；机身(9)为圆筒形，其材质为合金钢，用于探测器(4)内部结构防护；土壤钻头(10)用于在土壤中钻进，最大钻进深度50cm；检测窗口(14)的作用是分隔探测器(4)内部光电结构与土壤剖面，避免泥土进入探测器(4)的内部，造成损害，检测窗口(14)在紫外波段具有良好的透过率，激光及等离子体发射光均可低损通过；当探测器(4)在土壤中钻进时，防护罩(12)保护探测器(4)主体及检测窗口(14)，探测器(4)到达指定深度时，开启防护罩(12)，且保证土壤剖面与检测窗口(14)存在一定距离，避免泥土污染检测窗口(14)表面，降低透光性；此时激光可通过检测窗口(14)直接作用于土壤剖面，实现土壤重金属垂直剖面检测；在开启防护罩(12)之前，先开启加热电阻(13)，对检测窗口(14)外土壤进行加热，以降低土壤湿度，提高光谱检测的稳定性与灵敏度；第一光纤(7)和第二光纤(8)外用软管(16)包裹，以避免光纤发生弯折损坏；
所述机身(9)包括第一空心圆筒(95)和筒盖(91)，所述第一空心圆筒(95)包括上筒口和下筒口，所述筒盖(91)固接于上筒口并形成密封结构；所述筒盖是不锈钢材质或工程塑料或橡胶材质的圆盘；
所述机身(9)的上筒口与筒盖(91)为一体结构形成的密封结构；或所述机身(9)的上筒口与筒盖(91)使用分离式结构形成的密封结构，其中：所述分离式结构是所述机身(9)的上筒口与筒盖(91)使用螺钉形式连接形成的密封结构，所述分离式结构或是机身(9)的上筒口与筒盖(91)使用推拉式结构的滑动连接形成的密封结构；在防护罩(12)的顶端设置一个提手(122)，用于把防护罩(12)向上提一距离，将检测窗口(14)就暴露出来；检测窗口(14)是用石英玻璃材料制成。
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