CN206656975U - 一种土壤k元素含量的测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于土壤放射性监测技术领域，公开了一种土壤K元素含量的测量装置，包括NaI(Tl)晶体探头、与NaI(Tl)晶体探头连接的前置放大器、与前置放大器连接的主放大器、提供电源的电源模块、与主放大器连接的多道脉冲幅度分析器、与多道脉冲幅度分析器连接的高精度GPS模块、与多道脉冲幅度分析器互相传递信息的人机接口模块和通讯模块。本实用新型的技术方案具有较高的探测效率和探测灵敏度，无需对土壤检测样品进行任何预处理，使用方便，即适合实验室快速检测，又适合野外、农田等土壤K元素检测，仪器适用于除了土壤样品之外的其他含钾物品检测工作。
Description
技术领域
本实用新型属于土壤放射性监测领域，具体涉及一种土壤K元素含量的测量装置。
背景技术
我国人口众多,人均耕地面积只有世界平均水平的三分之一,农业生产需要提供足够的粮食等农产品满足巨大的需求,生产任务很重。我国土地的耕种过程基本处于粗放状态,高耗、低效。为保证产量,每年有大量的化肥被使用,但是由于粗放的使用方式,造成化肥的利用率低于世界平均水平,多种化肥过量使用,这种情况造成了大量的浪费,增加了农业生产的成本,同时,未被作物吸收利用的钾素进入水体,会造成污染,引起环境问题。传统耕种技术难以精确控制整个农业生产过程,难以进一步提升耕种效果。
精准农业要求对农业所涉及的对象和过程进行精确设计﹑控制和实现,改变过去农业生产粗放的状态,提升农业的生产效能。精准农业的一个重要方面是精准施肥技术,这要求生产者掌握不同耕地的钾素含量情况,农田信息的高密度获取是精准农业发展的瓶颈。取样后在实验室进行分析的方式的需要投入巨大的人力物力,所以急需研制农田钾素的无试剂快速探测技术。
发明内容
本实用新型为克服现有技术的不足，采用下述技术方案予以实现：
一种土壤K元素含量的测量装置，包括NaI（Tl）晶体探头、与NaI（Tl）晶体探头连接的前置放大器、与前置放大器连接的主放大器、提供电源的电源模块、与主放大器连接的多道脉冲幅度分析器、与多道脉冲幅度分析器连接的高精度GPS模块、与多道脉冲幅度分析器互相传递信息的人机接口模块和通讯模块。
NaI（Tl）晶体探头包括NaI（Tl）晶体和光电倍增管，光电倍增管低噪声且不含钾，与NaI（Tl）晶体在受光面上紧密安装，将光信号转换为电脉冲信号，经前置放大器对脉冲预放大，主放大器放大前置放大器输出的脉冲信号，将信号调理成适合模数转换的脉冲形状。NaI（Tl）晶体探头对γ射线具有较高的灵敏度，探测的能量范围可达30keV~3MeV，而40K的能量为1460.8keV，正好在NaI（Tl）晶体探头探测范围之内。
多道脉冲幅度分析器包括模数转换单元、脉冲基线恢复单元、峰值检测与提取单元、堆积识别单元和数据存储单元，将脉冲信号模数转换，提取和保存信息。多道脉冲幅度分析器利用FPGA 把核脉冲信号通过高速ADC 数字化，然后利用一定的算法进行数字成形，最后在成形以后的脉冲上面寻找幅度峰值，进而完成脉冲信号的数字处理，获取时间、能量、形状等方面的信息。本实用新型主要针对于土壤中40K测量，在信号处理时主要获取40K所在能量范围，通过FPGA内部算法舍弃掉其他能量范围内的核素数据并且将40K部分放大细化突出显示，以方便数据记录以及查看。
高精度GPS模块实时确定测量地点具体位置坐标，便于钾元素含量分布的位置定位。
电源模块包括低压电源模块和高压电源模块，低压电源模块为前置放大器、主放大器、多道脉冲幅度分析器、高精度GPS模块、通信模块和人机接口模块供电，高压电源模块为光电倍增管供电。高压电源模块输入电压为9~18V,输出电压可达到±2000V；低压电源模块使用DC-DC电压模块，输入电压为9~18V，输出为+5V和±12V。
人机接口模块主要包括触摸屏，显示实时检测的谱线，工作人员可现场确定钾元素含量，也便于工作人员设置仪器工作参数。
通信模块将多道脉冲幅度分析器处理完成的数据发送到电脑和/或手持终端和/或远程终端。可通过WIFI直接发送到手持终端，也可通过CDMA/WCDMA通讯的方式传送到远程终端。装置只关注K元素含量，远程发送能谱数据时只发送这一部分，节省发送时间以及通讯费用，降低系统功耗。通讯模块还可以远程监控本实用新型的全过程。
本实用新型的技术方案可用于快速测量极低含量的钾元素并且专门针对40K 部分数据进行处理，短时间内可测量多个采样点，且可现场得出测量结果并给出测量的具体位置坐标，可绘制地域K含量分布图，克服传统方法耗时耗力效率低下的问题。该技术方案具有较高的检测效率和检测灵敏度，无需对土壤检测样品进行任何预处理，使用方便，即适合实验室快速检测，又适合野外、农田等土壤K元素检测，仪器适用于除了土壤样品之外的其他含钾物品检测工作。
附图说明
图1：本实用新型一种土壤K元素含量的测量装置原理框图；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型的技术方案作进一步详细的说明。
如图1所示：一种土壤K元素含量的测量装置，包括NaI（Tl）晶体探头、与NaI（Tl）晶体探头连接的前置放大器、与前置放大器连接的主放大器、提供电源的电源模块、与主放大器连接的多道脉冲幅度分析器、与多道脉冲幅度分析器连接的高精度GPS模块、与多道脉冲幅度分析器互相传递信息的人机接口模块和通讯模块。
NaI（Tl）晶体探头包括NaI（Tl）晶体和光电倍增管，NaI（Tl）晶体探头通过高压电源供电输出脉冲信号，由于光电倍增管输出信号带负载能力弱，需要增加缓冲电路。在光电倍增管与主放大器之间设置前置放大器，输入阻抗高，输出阻抗低，从信号源索取的电流小而且带负载能力强，前置放大器可以调节信号放大倍数以及通过前置放大部分的RC调节脉冲宽度。前置放大器调理过的脉冲信号输入到主放大器，主放大器主要包括固定增益放大电路、相位调节电路和程控增益放大电路。固定增益放大电路是前置放大器的主放大电路，固定增益放大电路通过两级运算放大器AD829R分别放大10倍实现100倍放大，前置放大电路输出的脉冲信号为负脉冲，两级AD829R中的第一级采用正向输入，第二级采用反向输入。相位调节电路调节输入信号的偏置电压，改变第零道所对应的信号的输入幅度，可大范围的改变零点，可以先粗略的设置输入信号的阈值，方便后期对K元素的测量。本实用新型中采用MAXIM公司的高分辨率、高性能的D/A转换芯片MAX531，支持串行数据输入，双电源供电情况下最大输出电压范围可达-VREF~(+VREF)*2047/2048，VREF可由外部提供也可由内部提供。采用外部超精度、低噪声的电压参考芯片ADR420提供，保证电路的稳定性和精确度。单片机通过SPI与MAX531通信，发送不同的指令控制输出不同的偏置电压。程控增益放大器调节输入信号的放大倍数，与单片机通过SPI接口连接，单片机发送不同指令相应地程控放大器AD5543输出相应的电压，输出电压与单片机给定数字量关系如下式，VOUT = −VREF ×D/65536，其中VREF为参考电压，D为单片机输入的数字量。经过程控放大器后信号输出到多道脉冲幅度分析器。
多道脉冲幅度分析器包括AD采样电路和FPGA电路。ADC的采样精度直接影响着多道脉冲幅度分析器的精度。本实用新型中采用AD（Analog Devices）公司的AD9235这款芯片，具有12位分辨率、20Msps采样率，是高性能ADC器件。ADC的采样精度即为道宽，这样后续存储电路总共212 = 4096道。FPGA是多道脉冲幅度分析器的核心部分，实现ADC转换出信号的幅值提取、基线估计、脉冲成谱等操作，数字式多道脉冲幅度分析器比模拟的处理速度快、精度高灵活方便。本实用新型测量装置测量土壤中K元素含量，在测量时只关注40K的放射性，不需要全谱显示，主放大部分使用相位调节电路把信号偏置在40K所在区域附近，为了精确测量显示40K谱线，在FPGA内部使用程序来检测40K谱线。
高精度GPS模块实时确定测量地点具体位置坐标，便于钾元素含量分布的位置定位。采用u-blox公司的小体积、低功耗GPS模块可以精确定位测量点位置，定位精度小于2.5米，更新速率可达到10Hz。将每次测量点的GPS数据通过UART发送给多道脉冲幅度分析器，然后打包和测量的40K数据一起发送给通信模块和显示模块。
人机接口模块主要包括液晶触摸屏，实时显示测量的谱线、测量地理位置，也可设置仪器的工作参数。通信模块通过UART将多道脉冲幅度分析器处理完成的数据发送到电脑，也可以通过WIFI直接发送到手持终端，还可以通过CDMA/WCDMA通讯的方式传送到远程终端。
AD采集脉冲数据，计算脉冲基线，检测并提取峰值，根据40K能量值设定所对应的道址范围，将提取的峰值和所设定道址范围作比较，如果在所设定范围之内则相应的道址加一，然后通过通信模块把数据发送出去，同时在显示模块更新数据的变化，否则舍去AD的数据，最后进入下一次AD值的判断。
实施例仅说明本实用新型的技术方案，而非对其进行任何限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (6)
1.一种土壤K元素含量的测量装置，其特征在于：包括NaI（Tl）晶体探头、与NaI（Tl）晶体探头连接的前置放大器、与前置放大器连接的主放大器、提供电源的电源模块、与主放大器连接的多道脉冲幅度分析器、与多道脉冲幅度分析器连接的高精度GPS模块、与多道脉冲幅度分析器互相传递信息的人机接口模块和通讯模块。
2.根据权利要求1所述的一种土壤K元素含量的测量装置，其特征在于：NaI（Tl）晶体探头包括NaI（Tl）晶体和光电倍增管，所述光电倍增管低噪声且不含钾，与NaI（Tl）晶体在受光面上紧密安装，将光信号转换为电脉冲信号，经前置放大器对脉冲预放大，主放大器放大前置放大器输出的脉冲信号，将信号调理成适合模数转换的脉冲形状。
3.根据权利要求1或2所述的一种土壤K元素含量的测量装置，其特征在于：多道脉冲幅度分析器包括模数转换单元、脉冲基线恢复单元、峰值检测与提取单元、堆积识别单元和数据存储单元，将脉冲信号模数转换，提取和保存信息。
4.根据权利要求3所述的一种土壤K元素含量的测量装置，其特征在于：电源模块包括低压电源模块和高压电源模块，低压电源模块为前置放大器、主放大器、多道脉冲幅度分析器、高精度GPS模块、通信模块和人机接口模块供电，高压电源模块为光电倍增管供电。
5.根据权利要求4所述的一种土壤K元素含量的测量装置，其特征在于：高压电源模块输入电压为9~18V,输出电压可达到±2000V；低压电源模块使用DC-DC电压模块，输入电压为9~18V，输出为+5V和±12V。
6.根据权利要求5所述的一种土壤K元素含量的测量装置，其特征在于：通信模块将多道脉冲幅度分析器处理完成的数据发送到电脑和/或手持终端和/或远程终端。
Priority Applications (1)
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| CN201720170357.3U CN206656975U (zh) | 2017-02-24 | 2017-02-24 | 一种土壤k元素含量的测量装置 |
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| CN201720170357.3U CN206656975U (zh) | 2017-02-24 | 2017-02-24 | 一种土壤k元素含量的测量装置 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106814090A (zh) * | 2017-02-24 | 2017-06-09 | 山东省科学院海洋仪器仪表研究所 | 一种土壤k元素含量测量方法及装置 |
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2017
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