CN117571623B - 一种便携式测量土壤全磷的检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种便携式测量土壤全磷的检测装置及方法，涉及土壤检测技术领域，该检测装置包括：磁力振荡器、颗粒过滤器、第一电磁线圈装置、激光发射系统、光信号收集系统以及控制单元；磁力振荡器用于使待测土壤和磁性纳米粒子充分混合，得到磁性土壤颗粒；颗粒过滤器用于筛选出磁性土壤颗粒中满足设定孔径要求的目标颗粒并使其通过；第一电磁线圈装置用于使通过颗粒过滤器的目标颗粒悬浮于测量焦点处；激光发射系统用于产生激光并将激光聚焦到测量焦点处；光信号收集系统用于收集激光烧蚀目标颗粒产生的等离子体信号，并将等离子体信号转换成电信号；控制单元用于控制各部件协同工作，并对电信号进行处理得到待测土壤的全磷含量。

Description

一种便携式测量土壤全磷的检测装置及方法

技术领域

本发明涉及土壤检测技术领域，尤其涉及一种便携式测量土壤全磷的检测装置及方法。

背景技术

磷是植物必需的营养元素，土壤中磷含量过多或过少都不利于植物的健康生长。因此，土壤中磷含量的快速实时测量，对了解土壤中磷的供应状况，合理施用磷肥有着重要的指导意义。传统的土壤全磷测定法中，全磷含量采用分光光度法测定，需要复杂的前处理和化学试剂，测量时间长、检测效率较低，如果测量不当还会带来二次污染。

近年来，随着激光诱导击穿光谱技术的发展，基于激光击穿光谱技术的仪器设备在合金分析、宝石鉴定和粉末成分分析方便得到了广泛应用。但由于土壤的构成、理化性质极其复杂，分布差异和动态变化大等特点给激光诱导击穿光谱技术在土壤测量方面带来了挑战，主要表现在：1）土壤基体的影响，比如：不同的土壤颗粒、不同含水量、不同容重等都会对测量结果带来影响。后来有些学者通过土壤压片的方法，虽然在一定程度上改善了基体的影响，但测量信号变弱，测量灵敏度降低；2）由于土壤为非导体，导热性能差，被激光电离需要很大的能量，而能量太大又会引起土壤飞溅，给测量带来不便（如，测量仪器体积大、光学系统镜头需要经常清洗等）；3）土壤成分复杂，许多成分的特征谱线相互重叠和相互干扰，无法精确获取某一种成分的含量。另外，针对磷元素来说，它的特征谱线位于紫外区域，现在的光谱仪和探测器对此区域的信号响应特别弱，也给测量土壤中的磷元素带来了挑战。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种便携式测量土壤全磷的检测装置及方法。

第一方面，本发明提供一种便携式测量土壤全磷的检测装置，包括：

磁力振荡器、颗粒过滤器、第一电磁线圈装置、激光发射系统、光信号收集系统以及控制单元；

所述磁力振荡器用于使待测土壤和磁性纳米粒子充分混合，得到磁性土壤颗粒；

所述颗粒过滤器用于筛选出所述磁性土壤颗粒中满足设定孔径要求的目标颗粒并使其通过；

所述第一电磁线圈装置用于使通过所述颗粒过滤器的所述目标颗粒悬浮于测量焦点处；

所述激光发射系统用于产生激光并将所述激光聚焦到所述测量焦点处；

所述光信号收集系统用于收集所述激光烧蚀所述目标颗粒产生的等离子体信号，并将所述等离子体信号转换成电信号；

所述控制单元用于控制所述磁力振荡器、所述颗粒过滤器、所述第一电磁线圈装置、所述激光发射系统和所述光信号收集系统协同工作，并对所述电信号进行处理得到所述待测土壤的全磷含量。

在一些实施例中，所述第一电磁线圈装置包括4个电磁线圈、用于控制所述电磁线圈的霍尔元件以及用于固定所述电磁线圈的底板；

所述4个电磁线圈中，第一电磁线圈与第二电磁线圈的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，绕线方向相反；第三电磁线圈与第四电磁线圈的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，绕线方向相反；

所述第一电磁线圈与所述第二电磁线圈设于所述底板的第一方向上，所述第三电磁线圈与所述第四电磁线圈设于所述底板的第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，且所述第三电磁线圈与所述第四电磁线圈之间连线的中点和所述第一电磁线圈与所述第二电磁线圈之间连线的中点重合。

在一些实施例中，所述激光发射系统包括激光器、第一聚焦镜和第二聚焦镜；

所述第一聚焦镜用于将所述激光器发出的光整形为平行光输入至所述第二聚焦镜，所述第二聚焦镜用于将输入的平行光聚焦到所述测量焦点处。

在一些实施例中，所述光信号收集系统包括第三聚焦镜、陷波器、第四聚焦镜和PMT；

所述第三聚焦镜用于将所述等离子体信号收集转换成平行光输入至所述陷波器；

所述陷波器用于对输入的平行光进行选择，使包含磷的特征谱线的平行光输入至所述第四聚焦镜；

所述第四聚焦镜用于对输入的平行光进行聚焦，使聚焦的光信号进入所述PMT的感光单元；

所述PMT用于将所述聚焦的光信号转换成电信号。

在一些实施例中，所述检测装置还包括第二电磁线圈装置，所述第二电磁线圈装置用于在所述控制单元的控制下吸附所述激光烧蚀后的颗粒。

在一些实施例中，所述检测装置还包括土壤收集室和第一挡板，所述土壤收集室的入口位于所述第二电磁线圈装置的下方，所述第一挡板用于遮挡所述土壤收集室的入口，所述第一挡板在所述控制单元的控制下打开或关闭。

在一些实施例中，所述检测装置还包括第二挡板和第三挡板，所述第二挡板用于遮挡所述颗粒过滤器的入口，所述第三挡板用于遮挡所述磁力振荡器的入口，所述第二挡板和所述第三挡板在所述控制单元的控制下打开或关闭。

第二方面，本发明还提供一种应用于第一方面所述的便携式测量土壤全磷的检测装置的控制方法，所述方法包括：

测量开始时，所述控制单元控制所述磁力振荡器的入口打开，在所述待测土壤和所述磁性纳米粒子加入所述磁力振荡器后，所述控制单元控制所述磁力振荡器运行，使所述待测土壤和所述磁性纳米粒子充分混合，得到所述磁性土壤颗粒；

然后所述控制单元控制所述颗粒过滤器的入口打开，在所述磁性土壤颗粒进入所述颗粒过滤器后，所述控制单元控制所述颗粒过滤器筛选出所述目标颗粒通过，同时所述控制单元开启所述第一电磁线圈装置，通过调节所述第一电磁线圈装置中电磁线圈的电流，使通过所述颗粒过滤器的所述目标颗粒悬浮于所述测量焦点处；

然后所述控制单元控制所述激光发射系统发射激光烧蚀所述目标颗粒，并控制所述光信号收集系统收集所述激光烧蚀所述目标颗粒产生的等离子体信号；

所述等离子体信号被转换成电信号后，所述控制单元对所述电信号进行处理得到所述待测土壤的全磷含量。

在一些实施例中，所述方法还包括：

当所述光信号收集系统收集完成后，所述控制单元停止所述第一电磁线圈装置、所述激光发射系统和所述光信号收集系统的工作，并控制第二电磁线圈装置吸附所述激光烧蚀后的颗粒。

在一些实施例中，所述方法还包括：

在所述激光烧蚀后的颗粒被吸附于所述第二电磁线圈装置后，所述控制单元控制所述第二电磁线圈装置停止工作，并控制土壤收集室的入口打开，使得被吸附于所述第二电磁线圈装置的颗粒在重力的作用下通过所述土壤收集室的入口进入所述土壤收集室。

本发明提供的一种便携式测量土壤全磷的检测装置及方法，将待测土壤与磁性纳米粒子混合进行磷含量检测，并通过设计磁力振荡器、颗粒过滤器、第一电磁线圈装置、激光发射系统、光信号收集系统等部件，克服了现有土壤中磷含量测量时存在的测量时间长、受基体影响、元素干扰、土壤飞溅以及测量精度低等缺陷，具有测量速度快、精度高、体积小、易维护和便携等优点，可实现土壤全磷含量的快速在线实时精准检测。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或相关技术中的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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为本发明提供的便携式测量土壤全磷的检测装置示例结构简图；

图2为本发明提供的第一电磁线圈装置的结构示例图；

图3为本发明提供的激光发射系统和光信号收集系统的结构示例图；

图4为本发明提供的检测装置工作流程示例图；

图5为本发明提供的应用于便携式测量土壤全磷的检测装置的控制方法的流程示意图。

具体实施方式

本发明中术语“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

本发明中术语“多个”是指两个或两个以上，其它量词与之类似。

本发明中术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的术语在适当情况下可以互换，以便本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”所区别的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

以下结合图1-图5描述本发明的实施例。

图1为本发明提供的便携式测量土壤全磷的检测装置示例结构简图，参照图1的示例，本发明提供一种便携式测量土壤全磷的检测装置，包括：磁力振荡器100、颗粒过滤器110、第一电磁线圈装置120、激光发射系统130、光信号收集系统140以及控制单元150。

其中，磁力振荡器100用于使待测土壤和磁性纳米粒子充分混合，得到磁性土壤颗粒。

本发明中，磁性纳米粒子可以是具有磁性的各种纳米粒子，本发明并不限定磁性纳米粒子具体的类型，例如，磁性纳米粒子可以是Fe₃O₄纳米粒子。

使待测土壤和磁性纳米粒子混合的原因是因为土壤中磷元素的特征谱线处于紫外区，谱线很弱，当待测土壤和磁性纳米粒子混合后，可以提升特征谱线的强度，提高土壤中磷的检测限。

一些实施方式中，可以设定混合的时长，在达到设定时长时，可以认为达到了充分混合的目的。

颗粒过滤器110用于筛选出磁性土壤颗粒中满足设定孔径要求的目标颗粒并使其通过。满足设定孔径要求指的是目标颗粒的颗粒度小于一定孔径，或者是能够通过一定孔径的孔洞。

一些实施方式中，颗粒过滤器110在控制单元150的控制下工作，通过颗粒过滤器110底部孔径的大小来筛选出目标颗粒并使其通过。

一些实施方式中，控制单元150一旦检测到有颗粒通过，便控制颗粒过滤器110旋转一定角度堵塞底部的空隙。

第一电磁线圈装置120用于使通过颗粒过滤器110的目标颗粒悬浮于测量焦点处。

由于土壤与磁性纳米粒子混合的颗粒带有磁性，因此在第一电磁线圈装置120通电产生磁场后，通过颗粒过滤器110的目标颗粒便可以在磁力和重力的共同作用下悬浮，通过调节第一电磁线圈装置120中电磁线圈的电流，即可使目标颗粒悬浮于测量焦点处，如图1中的黑色圆点所示。

激光发射系统130用于产生激光并将激光聚焦到测量焦点处。

目标颗粒悬浮于测量焦点处之后，激光发射系统130发射激光聚焦到测量焦点处烧蚀目标颗粒，使其产生等离子体信号。由于通过颗粒过滤器110的目标颗粒较小（可控制直径为2-3mm），如此一方面克服了由于土壤不具有热传导性带来的基体问题，另一方面由于需要的激光能量少，也大大减小了激光发射系统130的体积，这两方面都会带来测量精度的提高，也提高了检测装置的便携性。

光信号收集系统140用于收集激光烧蚀目标颗粒产生的等离子体信号，并将等离子体信号转换成电信号。

控制单元150用于控制磁力振荡器100、颗粒过滤器110、第一电磁线圈装置120、激光发射系统130和光信号收集系统140协同工作，并对电信号进行处理得到待测土壤的全磷含量。

激光烧蚀目标颗粒产生的等离子体信号通过光信号收集系统140收集并转换成电信号后输入控制单元150，控制单元150对电信号进行处理，包括信号放大，将电信号转换成磷含量数据等，最终得到待测土壤的全磷含量。

一些实施方式中，控制单元150可以根据预先植入控制单元150的磷含量计算模型，将电信号转换成土壤中的全磷含量，从而得到土壤全磷含量的检测结果。

对于预先植入控制单元150的磷含量计算模型，本发明不做具体限制，例如可以是传统的数值模型或人工智能模型等，该模型主要用于将输入的电信号转换成相应的土壤全磷含量。模型可以预先用大量样本数据进行拟合或训练，然后便可以用于土壤全磷含量的检测。

本发明提供的便携式测量土壤全磷的检测装置，将待测土壤与磁性纳米粒子混合进行磷含量检测，并通过设计磁力振荡器、颗粒过滤器、第一电磁线圈装置、激光发射系统、光信号收集系统等部件，克服了现有土壤中磷含量测量时存在的测量时间长、受基体影响、元素干扰、土壤飞溅以及测量精度低等缺陷，具有测量速度快、精度高、体积小、易维护和便携等优点，可实现土壤全磷含量的快速在线实时精准检测。

在一些实施例中，第一电磁线圈装置包括4个电磁线圈、用于控制电磁线圈的霍尔元件以及用于固定电磁线圈的底板；

4个电磁线圈中，第一电磁线圈与第二电磁线圈的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，绕线方向相反；第三电磁线圈与第四电磁线圈的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，绕线方向相反；

第一电磁线圈与第二电磁线圈设于底板的第一方向上，第三电磁线圈与第四电磁线圈设于底板的第二方向上，第一方向与第二方向相互垂直，且第三电磁线圈与第四电磁线圈之间连线的中点和第一电磁线圈与第二电磁线圈之间连线的中点重合。

具体地，第一电磁线圈装置可以包括4个电磁线圈，即第一电磁线圈、第二电磁线圈、第三电磁线圈和第四电磁线圈，这些电磁线圈可以由霍尔元件控制来改变磁场以适应不同重量的磁性颗粒，最终使磁性颗粒悬浮于指定位置。霍尔元件的位置可以灵活设置，本发明不做限定。

用于固定电磁线圈的底板可以采用PCB板或其他板材，本发明不做限定。

第一方向和第二方向具体不做限定，第一方向与第二方向相互垂直即可。

图2为本发明提供的第一电磁线圈装置的结构示例图，参照图2，该示例中，第一电磁线圈装置主要包括：4个电磁线圈、3个霍尔元件和PCB板200。第一电磁线圈210与第二电磁线圈220的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，但绕线方向相反，对称的固定在PCB板200的X方向上；第三电磁线圈230与第四电磁线圈240的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，但绕线方向相反，对称的固定在PCB板200的Y方向上；当电磁线圈通电时，就会产生磁场，由第一电磁线圈210、第二电磁线圈220和第一霍尔元件250组成X方向上的平衡，其工作原理是，当磁性物体偏向第一电磁线圈210时，第一电磁线圈210产生的磁力增强，推动磁性物体向第二电磁线圈220移动，当磁性物体偏向第二电磁线圈220时，第二电磁线圈220产生的磁力增强，推动磁性物体向第一电磁线圈210移动，因此最终会达到X轴向的平衡。同理，由第三电磁线圈230、第四电磁线圈240和第三霍尔元件260组成Y方向上的平衡。磁性物体在Z轴（垂直于X-Y平面）上的平衡是通过第一电磁线圈210、第二电磁线圈220、第三电磁线圈230、第四电磁线圈240和第二霍尔元件270完成的。通过增加或减小流入电磁线圈的电流来改变磁场力的大小，以适应不同重量的磁性物体，最终使磁性物体在重力和磁力的共同作用下悬浮于指定位置。

在一些实施例中，激光发射系统包括激光器、第一聚焦镜和第二聚焦镜；

第一聚焦镜用于将激光器发出的光整形为平行光输入至第二聚焦镜，第二聚焦镜用于将输入的平行光聚焦到测量焦点处。

本发明中，具体采用何种激光器并不做限制，如前文所述，由于通过颗粒过滤器的目标颗粒较小（可控制直径为2-3mm），如此一方面克服了由于土壤不具有热传导性带来的基体问题，另一方面由于需要的激光能量少，也大大减小了激光发射系统的体积，因此优选的可采用微型激光器，以提高便携性。

图3为本发明提供的激光发射系统和光信号收集系统的结构示例图，参照图3，该示例中，激光发射系统主要包括：微型激光器300、第一聚焦镜310和第二聚焦镜320，其中，微型激光器300采用半导体脉冲激光器，其波长可以为785nm、1064nm和1574nm，激光脉冲能量在5-30mJ之间。第一聚焦镜310把微型激光器300发出的光整形为平行光，然后平行光经第二聚焦镜320聚焦（聚焦后的光斑直径在10-50um，增加激光的能量密度，便于土壤烧蚀，产生等离子体云团）在土壤颗粒上。

在一些实施例中，光信号收集系统包括第三聚焦镜、陷波器、第四聚焦镜和PMT；

第三聚焦镜用于将等离子体信号收集转换成平行光输入至陷波器；

陷波器用于对输入的平行光进行选择，使包含磷的特征谱线的平行光输入至第四聚焦镜；

第四聚焦镜用于对输入的平行光进行聚焦，使聚焦的光信号进入PMT的感光单元；

PMT用于将聚焦的光信号转换成电信号。

本发明中，陷波器（或称光选择器）用于消除土壤中其他元素特征谱线的干扰，提高测量的准确性和精度，一些实施方式中，陷波器可滤除波长低于213nm和高于214nm的光，此时仅有213.6nm的磷的特征谱线通过，从而可有效消除土壤中其他元素特征谱线的干扰。

本发明中，采用光电倍增管（photomultiplier tube，PMT）而不采用光谱仪，是因为PMT相比于光谱仪的灵敏度更高，能够接收微弱的光信号，从而更好地提升检测的灵敏度和检测限。

参照图3的示例，该示例中，等离子云团光信号经第三聚焦镜330收集转换成平行光，然后进入到陷波器340（其由两个边缘滤光片叠加组成，用于滤除波长低于213nm和高于214nm的光，此时仅有213.6nm的磷的特征谱线通过），经过陷波器340的平行光再通过第四聚焦镜350对光线进行聚焦，使其全部进入PMT360的感光单元，便于提高光的接收效率，然后PMT360把微弱的光信号转换成电信号便于控制单元进行放大、分析和处理。

在一些实施例中，该检测装置还包括第二电磁线圈装置，第二电磁线圈装置用于在控制单元的控制下吸附激光烧蚀后的颗粒。

本发明中，对第二电磁线圈装置的具体包含的电磁线圈结构不做限定，只要能够产生磁力吸附激光烧蚀后的颗粒即可。

在一些实施例中，该检测装置还包括土壤收集室和第一挡板，土壤收集室的入口位于第二电磁线圈装置的下方，第一挡板用于遮挡土壤收集室的入口，第一挡板在控制单元的控制下打开或关闭。

参照图1的示例，图1中，第二电磁线圈装置160固定于检测装置的内侧壁，第二电磁线圈装置160的下方设有土壤收集室170的入口，该入口设有第一挡板180遮挡。当光信号收集系统140收集完等离子体后，控制单元150会停止第一电磁线圈装置120、激光发射系统130和光信号收集系统140的工作，使第二电磁线圈装置160开始工作，此时第二电磁线圈装置160产生磁力，悬浮在壳体190内的土壤微粒（被激光打碎的土壤颗粒）会在磁力的吸引下吸附在第二电磁线圈装置160上，然后控制单元150控制第二电磁线圈装置160停止工作，与此同时打开第一挡板180，那么土壤微粒会在重力的作用下通过打开的小孔进入土壤收集室170。

在一些实施例中，该检测装置还包括第二挡板和第三挡板，第二挡板用于遮挡颗粒过滤器的入口，第三挡板用于遮挡磁力振荡器的入口，第二挡板和第三挡板在控制单元的控制下打开或关闭。

参照图1的示例，图1中示例的检测装置还包括第二挡板181和第三挡板182，第一挡板180、第二挡板181、第三挡板182初始均处于闭合状态，用户需要测量时，控制单元150控制第三挡板182打开，用户可以把待测土壤和磁性纳米粒子从磁力振荡器100的入口加入，待测土壤和磁性纳米粒子在磁力振荡器100中充分混合后，控制单元150可以控制第二挡板181打开，使混有磁性纳米粒子的待测土壤进入颗粒过滤器110。

图4为本发明提供的检测装置工作流程示例图，如图4所示，首先，系统上电初始化后，第一、第二、第三挡板均处于闭合状态，用户需要测量时，控制单元控制第三挡板打开，用户可以把待测土壤和磁性纳米粒子从磁力振荡器入口加入，然后控制单元关闭第三挡板并控制磁力振荡器以一定速度运行，使土壤颗粒和磁性纳米粒子充分混合，直到设定时间停止；接着控制单元打开第二挡板，使混有磁性纳米粒子的土壤颗粒进入颗粒过滤器，颗粒过滤器在控制单元的控制下工作，筛选出符合颗粒过滤器底部孔径大小的颗粒通过，控制单元一旦检测到有颗粒通过，颗粒过滤器就会旋转一定角度堵塞底部的空隙。与此同时，控制单元开启第一电磁线圈装置，此时第一电磁线圈装置就会产生电磁场，带有磁性纳米粒子的磁性土壤颗粒就会在重力和磁力的共同作用下悬浮在其上方，控制单元通过调节电磁线圈的电流大小，使土壤颗粒处于测量焦点处。接着控制单元控制激光发射系统发射出激光，激光烧蚀悬浮的土壤颗粒，使其产生等离子体，然后光信号收集系统收集这些等离子体信号，通过控制单元把弱信号放大和处理，然后根据预先植入控制单元的土壤磷元素含量模型，把其转换成土壤中全磷的含量。当光信号收集系统收集完等离子体后，控制单元会停止第一电磁线圈装置、激光发射系统和光信号收集系统的工作，使第二电磁线圈装置开始工作，此时第二电磁线圈装置产生磁力，悬浮在壳体内的土壤微粒（被激光打碎的土壤颗粒）会在磁力的吸引下吸附在第二电磁线圈装置上，然后控制单元控制第二电磁线圈装置停止工作，与此同时打开第一挡板，那么土壤微粒会在重力的作用下通过打开的小孔进入土壤收集室。

本发明提供的便携式测量土壤全磷的检测装置，可用于实时在线快速获取土壤中全磷的含量，采用巧妙的结构设计，实现了土壤颗粒大小的均匀化和自悬浮，解决了土壤LIBS（激光诱导击穿光谱仪）测量的痛点（基体效应和土壤（非导体）不易产生等离子体），提升了测量的稳定性；采用磁力振荡器使土壤颗粒与磁性纳米粒子充分混合，既解决了土壤颗粒悬浮问题，又起到纳米粒子增强的效果，提升了测量的检测限；采用特殊的光路结构和器件，克服了土壤元素特征谱线相互干扰的问题，提升了测量的准确性和检测限；通过独特的结构设计，实现了测量土壤颗粒的自回收，保证了仪器内部清洁，提升了仪器的使用寿命。

综上所述，本发明提供的便携式测量土壤全磷的检测装置，其具有测量速度快、精度高、体积小、易维护和便携等优点，克服了现有土壤中磷含量的测量所存在的行标方法测量时间长，激光诱导击穿光谱测量土壤存在基体影响、元素干扰、土壤飞溅以及测量精度低等缺陷。

下面对本发明提供的应用于便携式测量土壤全磷的检测装置的控制方法进行描述，下文描述的控制方法与上文描述的各装置实施例可相互对应参照，重复之处不再赘述。

图5为本发明提供的应用于便携式测量土壤全磷的检测装置的控制方法的流程示意图，如图5所示，该方法包括如下步骤：

步骤500、测量开始时，控制单元控制磁力振荡器的入口打开，在待测土壤和磁性纳米粒子加入磁力振荡器后，控制单元控制磁力振荡器运行，使待测土壤和磁性纳米粒子充分混合，得到磁性土壤颗粒。

步骤501、控制单元控制颗粒过滤器的入口打开，在磁性土壤颗粒进入颗粒过滤器后，控制单元控制颗粒过滤器筛选出目标颗粒通过，同时控制单元开启第一电磁线圈装置，通过调节第一电磁线圈装置中电磁线圈的电流，使通过颗粒过滤器的目标颗粒悬浮于测量焦点处。

步骤502、控制单元控制激光发射系统发射激光烧蚀目标颗粒，并控制光信号收集系统收集激光烧蚀目标颗粒产生的等离子体信号。

步骤503、等离子体信号被转换成电信号后，控制单元对电信号进行处理得到待测土壤的全磷含量。

在一些实施例中，该方法还包括：

当光信号收集系统收集完成后，控制单元停止第一电磁线圈装置、激光发射系统和光信号收集系统的工作，并控制第二电磁线圈装置吸附激光烧蚀后的颗粒。

在一些实施例中，该方法还包括：

在激光烧蚀后的颗粒被吸附于第二电磁线圈装置后，控制单元控制第二电磁线圈装置停止工作，并控制土壤收集室的入口打开，使得被吸附于第二电磁线圈装置的颗粒在重力的作用下通过土壤收集室的入口进入土壤收集室。

在此需要说明的是，本发明提供的上述装置，能够实现上述方法实施例所实现的所有方法步骤，且能够达到相同的技术效果，在此不再对本实施例中与方法实施例相同的部分及有益效果进行具体赘述。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种便携式测量土壤全磷的检测装置，其特征在于，包括：

磁力振荡器、颗粒过滤器、第一电磁线圈装置、激光发射系统、光信号收集系统以及控制单元；

所述磁力振荡器用于使待测土壤和磁性纳米粒子充分混合，得到磁性土壤颗粒；

所述颗粒过滤器用于筛选出所述磁性土壤颗粒中满足设定孔径要求的目标颗粒并使其通过；

所述第一电磁线圈装置用于使通过所述颗粒过滤器的所述目标颗粒悬浮于测量焦点处；

所述激光发射系统用于产生激光并将所述激光聚焦到所述测量焦点处；

所述光信号收集系统用于收集所述激光烧蚀所述目标颗粒产生的等离子体信号，并将所述等离子体信号转换成电信号；

所述控制单元用于控制所述磁力振荡器、所述颗粒过滤器、所述第一电磁线圈装置、所述激光发射系统和所述光信号收集系统协同工作，并对所述电信号进行处理得到所述待测土壤的全磷含量；

所述第一电磁线圈装置包括4个电磁线圈、用于控制所述电磁线圈的霍尔元件以及用于固定所述电磁线圈的底板；

所述4个电磁线圈中，第一电磁线圈与第二电磁线圈的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，绕线方向相反；第三电磁线圈与第四电磁线圈的绕线直径、绕线材质和绕线匝数相同，绕线方向相反；

所述第一电磁线圈与所述第二电磁线圈设于所述底板的第一方向上，所述第三电磁线圈与所述第四电磁线圈设于所述底板的第二方向上，所述第一方向与所述第二方向相互垂直，且所述第三电磁线圈与所述第四电磁线圈之间连线的中点和所述第一电磁线圈与所述第二电磁线圈之间连线的中点重合；

所述光信号收集系统包括第三聚焦镜、陷波器、第四聚焦镜和PMT；

所述第三聚焦镜用于将所述等离子体信号收集转换成平行光输入至所述陷波器；

所述陷波器用于对输入的平行光进行选择，滤除波长低于213nm和高于214nm的光，使包含磷的特征谱线的平行光输入至所述第四聚焦镜；

所述第四聚焦镜用于对输入的平行光进行聚焦，使聚焦的光信号进入所述PMT的感光单元；

所述PMT用于将所述聚焦的光信号转换成电信号。

2.根据权利要求1所述的便携式测量土壤全磷的检测装置，其特征在于，所述激光发射系统包括激光器、第一聚焦镜和第二聚焦镜；

所述第一聚焦镜用于将所述激光器发出的光整形为平行光输入至所述第二聚焦镜，所述第二聚焦镜用于将输入的平行光聚焦到所述测量焦点处。

3.根据权利要求1或2所述的便携式测量土壤全磷的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括第二电磁线圈装置，所述第二电磁线圈装置用于在所述控制单元的控制下吸附所述激光烧蚀后的颗粒。

4.根据权利要求3所述的便携式测量土壤全磷的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括土壤收集室和第一挡板，所述土壤收集室的入口位于所述第二电磁线圈装置的下方，所述第一挡板用于遮挡所述土壤收集室的入口，所述第一挡板在所述控制单元的控制下打开或关闭。

5.根据权利要求1所述的便携式测量土壤全磷的检测装置，其特征在于，所述检测装置还包括第二挡板和第三挡板，所述第二挡板用于遮挡所述颗粒过滤器的入口，所述第三挡板用于遮挡所述磁力振荡器的入口，所述第二挡板和所述第三挡板在所述控制单元的控制下打开或关闭。

6.一种应用于权利要求1至5任一项所述的便携式测量土壤全磷的检测装置的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

测量开始时，所述控制单元控制所述磁力振荡器的入口打开，在所述待测土壤和所述磁性纳米粒子加入所述磁力振荡器后，所述控制单元控制所述磁力振荡器运行，使所述待测土壤和所述磁性纳米粒子充分混合，得到所述磁性土壤颗粒；

然后所述控制单元控制所述颗粒过滤器的入口打开，在所述磁性土壤颗粒进入所述颗粒过滤器后，所述控制单元控制所述颗粒过滤器筛选出所述目标颗粒通过，同时所述控制单元开启所述第一电磁线圈装置，通过调节所述第一电磁线圈装置中电磁线圈的电流，使通过所述颗粒过滤器的所述目标颗粒悬浮于所述测量焦点处；

然后所述控制单元控制所述激光发射系统发射激光烧蚀所述目标颗粒，并控制所述光信号收集系统收集所述激光烧蚀所述目标颗粒产生的等离子体信号；

所述等离子体信号被转换成电信号后，所述控制单元对所述电信号进行处理得到所述待测土壤的全磷含量。

7.根据权利要求6所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

当所述光信号收集系统收集完成后，所述控制单元停止所述第一电磁线圈装置、所述激光发射系统和所述光信号收集系统的工作，并控制第二电磁线圈装置吸附所述激光烧蚀后的颗粒。

8.根据权利要求7所述的控制方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述激光烧蚀后的颗粒被吸附于所述第二电磁线圈装置后，所述控制单元控制所述第二电磁线圈装置停止工作，并控制土壤收集室的入口打开，使得被吸附于所述第二电磁线圈装置的颗粒在重力的作用下通过所述土壤收集室的入口进入所述土壤收集室。