CN113804856A - 土壤在位检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了土壤在位检测装置及方法，所述土壤在位检测装置包括光源、探测器和分析模块；壳体的底壁具有光学窗口，所述光源和探测器设置在所述壳体内，所述光源发出的激发光穿过所述光学窗口，土壤被激发后发出的检测光穿过所述光学窗口被所述探测器接收；支撑件设置在所述壳体的底部，所述滑动件设置在所述壳体底部的导轨上，用于在迎着所述支撑件正向移动时遮挡所述光学窗口，在背离所述支撑件反向移动时所述光学窗口裸露；传感器用于检测所述滑动件下侧的土壤的参数，所述参数是含水量和土壤颗粒平均粒径中至少一者。本发明具有检测误差小、一致性好等优点。

Description

土壤在位检测装置及方法
技术领域
本发明涉及土壤检测，特别涉及土壤在位检测装置。
背景技术
近年来土壤污染问题日益严重，针对土壤污染的检测手段，可分为实验室分析和现场分析两大类，其中实验室分析是现场采样后带回实验室进行样品处理和分析的方法，其测量精度高，但是时效性差，工作量大。现场分析手段又可细分为现场快速制样分析和原位检测，快速制样然后现场分析的手段，比实验室方法时效性高，但是针对大面积、大范围的检测需求，还是原位检测效率最高。当前的土壤原位检测技术，大多都是用手持式分析仪直接在原位检测土壤样品，收集土壤中污染物信息。这样就存在诸多不足，如：
1.如果不同的人来操作手持式分析仪器，就会导致土壤样品到分析仪检测窗口的距离不同，从而带来测量误差；
虽然很多原位分析仪都有可选配的测量支架，利用支架可以避免人手操作导致的距离波动，但是这种支架装置不能解决土壤表面不平整(仍然会导致不同检测位置实际测量距离的不同)问题。
2.由于原位检测没有进行样品预处理，土壤的松散程度、粒度、含水量等因素，也会造成很大测量误差，因此原位检测技术，一直作为土壤快速初筛手段，无法作为精确定量手段。
发明内容
为解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了土壤在位检测装置。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
土壤在位检测装置，所述土壤在位检测装置包括光源、探测器和分析模块；所述土壤在位检测装置还包括：
壳体，所述壳体的底壁具有光学窗口，所述光源和探测器设置在所述壳体内，所述光源发出的激发光穿过所述光学窗口，土壤被激发后发出的检测光穿过所述光学窗口被所述探测器接收；
支撑件和滑动件，所述支撑件设置在所述壳体的底部，所述滑动件设置在所述壳体底部的导轨上，用于在迎着所述支撑件正向移动时遮挡所述光学窗口，在背离所述支撑件反向移动时所述光学窗口裸露；
传感器，所述传感器用于检测所述滑动件下侧的土壤的参数，所述参数是含水量和土壤颗粒平均粒径中至少一者。
为了降低土壤含水量对检测的影响，进一步地，所述传感器是水含量传感器，设置在所述支撑件或滑动件的底壁；所述土壤在位检测装置还包括加热模块，所述加热模块用于加热所述光学窗口下侧的土壤。
为了考虑土壤颗粒度对检测的影响，进一步地，所述传感器是摄像头和识别模块，设置在所述壳体内，用于利用图像识别技术获得所述光学窗口下侧的土壤的平均粒径。
本发明的另一目的在于提供了土壤在位检测方法，该发明目的是通过以下技术方案得以实现的：
土壤在位检测方法，所述土壤在位检测方法包括以下步骤：
(A1)将土壤在位检测装置放置在土壤上，并施加向下的压力，所述检测装置下侧的土壤被压紧；
(A2)获得所述检测装置下侧的土壤的含水量，并判断所述含水量是否低于设定值；
若是，记录含水量并进入下一步骤；
若否，则需加热所述检测装置下侧的土壤，直到含水量低于设定值；
(A3)所述检测装置下侧的滑动件反向移动，使得所述滑动件上侧的壳体底壁的光学窗口裸露，所述光学窗口的下侧是待测土壤；
(A4)所述壳体内的光源发出的激发光穿过所述光学窗口，并激发所述光学窗口下侧的土壤发出检测光，所述检测光穿过所述光学窗口，被探测器接收；
(A5)分析模块分析所述探测器传送来的电信号，获得土壤中待测元素的初始浓度C1；
(A6)利用所述记录的含水量去校正所述初始浓度，获得土壤中待测元素的真实浓度C2。
为了校正土壤含水量对检测的影响，进一步地，在步骤(A6)中，所述校正的方式为：
Figure BDA0003040998320000031
α、β为常数，X为所述记录含水量，E为所述待测元素的特征峰能量。
为了校正土壤颗粒度对检测的影响，进一步地，在步骤(A4)中，所述壳体内的摄像模块获得所述光学窗口下侧的土壤的图像，利用图像识别技术获得土壤颗粒的平均粒径D；
在步骤(A5)，利用所述平均粒径D去校正与待测元素对应的检测光强度I1。
为了校正土壤颗粒度对检测的影响，进一步地，校正后的与待测元素对应的检测光强度I2为：
Figure BDA0003040998320000032
A、B为与待测元素对应的常数。
为了降低土壤紧实度对检测的影响，进一步地，在步骤(A1)中，所述检测装置底侧的压力传感器输出数值，若所述数值达到阈值，则停止对检测装置施加向下压力。
为了校正土壤含水量对检测的影响，进一步地，所述滑动件的底部设置含水量传感器，加热模块用于加热所述滑动件。
为了校正土壤含水量对检测的影响，进一步地，在步骤(A3)-(A6)中，含水量传感器检测检测装置下侧的土壤含水量，并根据需要地加热，使得土壤的含水量低于设定值。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：
1.检测误差小；
在壳体下侧设置了支撑件和滑动件，滑动件的厚度确定，当检测装置受压下移时，压紧土壤，在滑动件移开后，光学窗口与其下侧压紧的土壤间的距离确定，压紧的土壤和距离的确定降低了检测误差；
在整个检测过程中，利用含水量传感器获得光学窗口下侧的压紧后土壤的含水量，并控制在一定范围内(低于设定值)，还利用含水量去校正待测元素的浓度，进一步降低了检测误差；
利用图像识别技术获得光学窗口下侧的压紧后土壤颗粒的平均粒径，并去校正待测元素的检测光强度，进一步地降低了检测误差；
利用检测装置底侧的压力传感器，使得每次检测时，土壤被压紧的程度相同，降低了检测误差；
2.检测一致性好；
检测距离为固定值，压紧后土壤含水量在设定范围内，在检测中不会因为操作人员不同而有偏差，保证了检测的一致性。
附图说明
参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：
图1是根据本发明实施例的土壤在位检测装置的结构示意图；
图2是根据本发明实施例的土壤在位检测方法的流程图。
具体实施方式
图1-2和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。
实施例1：
图1给出了本发明实施例的土壤在位检测装置的结构示意图，如图1所示，所述土壤在位检测装置包括：
光源、探测器；
壳体，所述壳体的底壁具有光学窗口，所述光源和探测器设置在所述壳体内，所述光源发出的激发光穿过所述光学窗口，土壤被激发后发出的检测光穿过所述光学窗口被所述探测器接收；
支撑件和滑动件，所述支撑件设置在所述壳体的底部，所述滑动件设置在所述壳体底部的导轨上，用于在迎着所述支撑件正向移动时遮挡所述光学窗口，在背离所述支撑件反向移动时所述光学窗口裸露，使得光学窗口和压紧的土壤的距离确定，且该距离在每次检测时保持一致；
传感器，所述传感器用于检测所述滑动件下侧的土壤的参数，所述参数是含水量和土壤颗粒平均粒径中至少一者。
为了降低土壤含水量对检测结果的影响，进一步地，所述传感器是水含量传感器，设置在所述支撑件或滑动件的底壁；所述土壤在位检测装置还包括加热模块，所述加热模块用于加热所述光学窗口下侧的土壤。
为了降低土壤颗粒度对检测结果的影响，进一步地，所述传感器是摄像头和识别模块，设置在所述壳体内，用于利用图像识别技术获得所述光学窗口下侧的土壤的平均粒径。
图2给出了本发明实施例的土壤在位检测方法的流程图，如图2所示，所述土壤在位检测方法包括以下步骤：
(A1)将土壤在位检测装置放置在土壤上，并施加向下的压力，所述检测装置下侧的土壤被压紧；
(A2)获得所述检测装置下侧的土壤的含水量，并判断所述含水量是否低于设定值；
若是，记录含水量并进入下一步骤；
若否，则需加热所述检测装置下侧的土壤，直到含水量低于设定值；
(A3)所述检测装置下侧的滑动件反向移动，使得所述滑动件上侧的壳体底壁的光学窗口裸露，所述光学窗口的下侧是待测土壤，使得光学窗口和压紧的土壤的距离确定，且该距离在每次检测时保持一致；
(A4)所述壳体内的光源发出的激发光穿过所述光学窗口，并激发所述光学窗口下侧的土壤发出检测光，所述检测光穿过所述光学窗口，被探测器接收；
(A5)分析模块分析所述探测器传送来的电信号，获得土壤中待测元素的初始浓度C1；
(A6)利用所述记录的含水量去校正所述初始浓度，获得土壤中待测元素的真实浓度C2。
为了校正土壤含水量对检测结果的影响，进一步地，在步骤(A6)中，所述校正的方式为：
Figure BDA0003040998320000061
α、β为常数，X为所述记录含水量，E为所述待测元素的特征峰能量。
为了校正土壤颗粒度对检测结果的影响，进一步地，在步骤(A4)中，所述壳体内的摄像模块获得所述光学窗口下侧的土壤的图像，利用图像识别技术获得土壤颗粒的平均粒径D；
在步骤(A5)，利用所述平均粒径D去校正与待测元素对应的检测光强度I1。
为了校正土壤颗粒度对检测结果的影响，进一步地，校正后的与待测元素对应的检测光强度I2为：
Figure BDA0003040998320000062
A、B为与待测元素对应的常数。
为了保护光学窗口，进一步地，所述土壤在位检测方法还包括步骤：
(A7)检测结束，所述滑动件正向移动，所述滑动件遮挡所述光学窗口。
为了降低土壤紧实度对检测的影响，进一步地，在步骤(A1)中，所述检测装置底侧的压力传感器输出数值，若所述数值达到阈值，则停止对检测装置施加向下压力。
为了方便地控制压紧土壤的含水量，进一步地，所述滑动件的底部设置含水量传感器，加热模块用于加热所述滑动件。
为了校正土壤含水量对检测的影响，进一步地，在步骤(A3)-(A6)中，含水量传感器检测检测装置下侧的土壤含水量，并根据需要地加热，使得土壤的含水量低于设定值。
实施例2：
根据本发明实施例1的土壤在位检测装置及方法的应用例。
在该应用例中，如图1所示，支撑件固定在壳体的下侧，支撑件的底侧设置压力传感器；滑动件设置在壳体底壁的导轨上；含水量传感器21设置在滑动件的底部并裸露；加热模块采用电加热器和温度传感器组合，设置在所述滑动件内；带有闪光灯的摄像头设置在所述光学窗口11的上侧；光源采用X光管，探测器采用光电探测器，均设置在所述壳体内；光学窗口透过所述光源发出的X光以及土壤被激发的荧光；本实施例中光学窗口处设置窗片。
如图2所示，本实施例的土壤在位检测方法，也即本实施例的土壤在位检测装置的工作方法，所述土壤在位检测方法包括以下步骤：
(A1)将土壤在位检测装置放置在土壤上，并施加向下的压力，如检测人员依靠自己体重去按压，当压力传感器输出的数值达到阈值时，认为所述检测装置下侧(即支撑件和滑动件下侧)的土壤被压紧，土壤的紧致程度满足检测要求；
(A2)利用含水量传感器获得所述检测装置下侧的土壤的含水量，并判断所述含水量是否低于设定值，如25％，设定值处于10％～30％，通常20％以下或者25％以下认为影响不大可以不加热；
若是，记录含水量X并进入下一步骤；
若否，则需加热所述检测装置下侧的土壤，具体是利用加热模块加热滑动件，进而加热滑动件下侧的压紧的土壤，直到含水量传感器输出的含水量低于设定值；
(A3)所述检测装置下侧的滑动件反向移动，使得所述滑动件上侧的壳体底壁的光学窗口裸露，所述光学窗口的下侧是待测土壤，使得光学窗口和压紧的土壤的距离确定，且该距离在每次检测时保持一致；
(A4)所述壳体内的光源发出的激发光(X光)穿过所述光学窗口，并激发所述光学窗口下侧的土壤发出检测光，本实施例为荧光，所述检测光穿过所述光学窗口，被探测器接收；
摄像头获得所述光学窗口下侧的土壤的图像，利用图像识别技术获得土壤颗粒物的平均粒径D，其中，若平均粒径小于0.15mm，认为对散射影响可忽略，荧光强度变化可忽略；
(A5)分析模块分析所述探测器传送来的电信号，获得土壤中待测元素的对应的检测光(荧光)强度I1，利用所述平均粒径D去校正所述检测光(荧光)强度I1，校正后的与待测元素对应的检测光强度I2为：
Figure BDA0003040998320000081
A、B为与待测元素对应的常数；
根据所述检测光强度I2获得待测元素初始浓度C1；
(A6)利用所述记录的含水量去校正所述初始浓度，获得土壤中待测元素的真实浓度
Figure BDA0003040998320000082
α、β为常数，X为所述记录含水量，E为所述待测元素的特征峰能量；
在步骤(A3)-(A6)中，含水量传感器检测检测装置下侧的土壤含水量，并根据需要地加热，使得土壤的含水量低于设定值，如土壤含水量处在一定范围内，比如22％-24％；
(A7)检测结束，所述滑动件正向移动，所述滑动件遮挡所述光学窗口。
实施例3：
根据本发明实施例1的土壤在位检测装置及方法的应用例，与实施例2不同的是：
1.含水量传感器设置在所述支撑件的底部并裸露。
2.光学窗口处无窗片。

Claims (10)

1.土壤在位检测装置，所述土壤在位检测装置包括光源、探测器和分析模块；其特征在于，所述土壤在位检测装置还包括：
壳体，所述壳体的底壁具有光学窗口，所述光源和探测器设置在所述壳体内，所述光源发出的激发光穿过所述光学窗口，土壤被激发后发出的检测光穿过所述光学窗口被所述探测器接收；
支撑件和滑动件，所述支撑件设置在所述壳体的底部，所述滑动件设置在所述壳体底部的导轨上，用于在迎着所述支撑件正向移动时遮挡所述光学窗口，在背离所述支撑件反向移动时所述光学窗口裸露；
传感器，所述传感器用于检测所述滑动件下侧的土壤的参数，所述参数是含水量和土壤颗粒平均粒径中至少一者。
2.根据权利要求1所述的土壤在位检测装置，其特征在于，所述传感器是水含量传感器，设置在所述支撑件或滑动件的底壁；所述土壤在位检测装置还包括加热模块，所述加热模块用于加热所述光学窗口下侧的土壤。
3.根据权利要求1所述的土壤在位检测装置，其特征在于，所述传感器是摄像头和识别模块，设置在所述壳体内，用于利用图像识别技术获得所述光学窗口下侧的土壤的平均粒径。
4.土壤在位检测方法，所述土壤在位检测方法包括以下步骤：
(A1)将土壤在位检测装置放置在土壤上，并施加向下的压力，所述检测装置下侧的土壤被压紧；
(A2)获得所述检测装置下侧的土壤的含水量，并判断所述含水量是否低于设定值；
若是，记录含水量并进入下一步骤；
若否，则需加热所述检测装置下侧的土壤，直到含水量低于设定值；
(A3)所述检测装置下侧的滑动件反向移动，使得所述滑动件上侧的壳体底壁的光学窗口裸露，所述光学窗口的下侧是待测土壤；
(A4)所述壳体内的光源发出的激发光穿过所述光学窗口，并激发所述光学窗口下侧的土壤发出检测光，所述检测光穿过所述光学窗口，被探测器接收；
(A5)分析模块分析所述探测器传送来的电信号，获得土壤中待测元素的初始浓度C1；
(A6)利用所述记录的含水量去校正所述初始浓度，获得土壤中待测元素的真实浓度C2。
5.根据权利要求1所述的土壤在位检测方法，其特征在于，在步骤(A6)中，所述校正的方式为：
Figure FDA0003040998310000021
α、β为常数，X为所述记录含水量，E为所述待测元素的特征峰能量。
6.根据权利要求1所述的土壤在位检测方法，其特征在于，在步骤(A4)中，所述壳体内的摄像模块获得所述光学窗口下侧的土壤的图像，利用图像识别技术获得土壤颗粒的平均粒径D；
在步骤(A5)，利用所述平均粒径D去校正与待测元素对应的检测光强度I1。
7.根据权利要求6所述的土壤在位检测方法，其特征在于，校正后的与待测元素对应的检测光强度I2为：
Figure FDA0003040998310000022
A、B为与待测元素对应的常数。
8.根据权利要求4所述的土壤在位检测方法，其特征在于，在步骤(A1)中，所述检测装置底侧的压力传感器输出数值，若所述数值达到阈值，则停止对检测装置施加向下压力。
9.根据权利要求4所述的土壤在位检测方法，其特征在于，所述滑动件的底部设置含水量传感器，加热模块用于加热所述滑动件。
10.根据权利要求9所述的土壤在位检测方法，其特征在于，在步骤(A3)-(A6)中，含水量传感器检测检测装置下侧的土壤含水量，并根据需要地加热，使得土壤的含水量低于设定值。
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