CN211235534U

CN211235534U - 含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备

Info

Publication number: CN211235534U
Application number: CN201921922846.5U
Authority: CN
Inventors: 李斌; 李超; 李银坤; 孙晓冬; 白军朋
Original assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Current assignee: Beijing Research Center for Information Technology in Agriculture
Priority date: 2019-11-08
Filing date: 2019-11-08
Publication date: 2020-08-11
Anticipated expiration: 2029-11-08

Abstract

本实用新型提供了一种含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，包括：背包背带、与背包背带连接的背包主体，位于背包主体内部依次设置的飞秒激光器、分束片、偏置的光电导天线、ZnTe晶体、1/4波片、握拉斯顿棱镜和平衡探测器；位于背包主体内部的锁存器和延迟线，以及，位于背包主体外部的检测单元；所述检测单元中设置有光路结构以及支架平台，所述光路结构包括两对离轴抛物面镜，分别为第一对离轴抛物面镜和第二对离轴抛物面镜；所述支架平台用于放置含铅土壤样品。本实用新型提供的设备，能够便携地测量含铅土壤的太赫兹光谱，从而便于现场使用。

Description

含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备

技术领域

本实用新型涉及农业生产技术领域，具体涉及一种含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备。

背景技术

铅污染是主要的土壤重金属污染形式之一。铅具有生物毒性、不可降解性及在生物体中的累积性，在进入土壤后，容易通过溶解、沉淀、络合和吸附等以不同的化学形态富集于表层土壤中，而这一区域正好是农作物根系与土壤进行物质营养交换的主要场所。因此铅可能通过食物链进入人体，在人体中累积达到一定浓度后会危害人体内脏组织、神经系统、骨骼造血系统等。由此可知，土壤中含铅量的检测对于农用土地污染风险管控以及保障农产品质量安全具有重要意义。

传统的实验室分析测定土壤重金属浓度是一个非常繁琐和费时的过程，同时也需要使用到危险的化学试剂，而且实验废弃液会对环境造成二次污染。而用传统光谱检测技术如电感耦合等离子发射光谱法和原子吸收光谱法等测定土壤重金属浓度具有较高的使用费和维护成本。

近些年来，随着光学、遥感技术以及其他学科的深人研究与快速发展，衍生出一些基于光谱分析的土壤重金属检测方法，如太赫兹光谱法等。但是目前在采用太赫兹光谱法进行土壤含铅量分析时，往往将土壤样品带回实验室测量其太赫兹光谱，这种处理方式效率低下，无法方便快速地得到土壤样品的太赫兹光谱。

实用新型内容

针对现有技术中的缺陷，本实用新型提供了一种含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备。

具体地，本实用新型提供了以下技术方案：

本实用新型提供了一种含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，包括：背包背带、与背包背带连接的背包主体，位于背包主体内部依次设置的飞秒激光器、分束片、偏置的光电导天线、ZnTe晶体、1/4波片、握拉斯顿棱镜和平衡探测器；位于背包主体内部的锁存器和延迟线，以及，位于背包主体外部的检测单元；

其中，所述检测单元中设置有光路结构以及支架平台，所述光路结构包括两对离轴抛物面镜，分别为第一对离轴抛物面镜和第二对离轴抛物面镜；所述支架平台用于放置含铅土壤样品；其中，第一对离轴抛物面镜用于收集光电导天线发射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到土壤样品表面；第二对离轴抛物面镜用于收集土壤样品表面反射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到ZnTe晶体上；

其中，飞秒激光器产生的飞秒激光经过分束片分成一束泵浦光和一束探测光，泵浦光经过聚焦入射到偏置的光电导天线上产生太赫兹脉冲，产生的太赫兹脉冲进入检测单元中，检测单元中的第一对离轴抛物面镜收集光电导天线发射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到土壤样品表面，检测单元中的第二对离轴抛物面镜收集土壤样品表面反射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到ZnTe晶体上；

其中，探测光照射至ZnTe晶体上，探测光受到ZnTe晶体的调制，调制后的探测光经过1/4波片、握拉斯顿棱镜分成两束偏振状态垂直的光，照射到平衡探测器上，平衡探测器得到的探测信号经过锁存器和延迟线后得到含铅土壤样品的太赫兹光谱。

进一步地，所述检测单元为圆筒状检测单元，所述支架平台位于所述圆筒状检测单元的中心位置。

进一步地，所述圆筒状检测单元的两端设置有封闭门结构，所述圆筒状检测单元上设置有第一开关，所述第一开关用于控制打开或关闭所述封闭门结构。

进一步地，所述背包主体的侧面设置有显示屏，所述显示屏用于显示含铅土壤样品的太赫兹光谱。

进一步地，所述背包主体内部设置有GPS定位器，所述显示屏上显示有所述GPS定位器的定位信息。

进一步地，所述背包主体内部设置有时钟模块，所述显示屏上显示有所述时钟模块的时钟信息。

进一步地，所述背包主体内部设置有充电电源，所述显示屏上显示有所述充电电源的剩余电量信息。

进一步地，所述背包主体为木制箱体结构。

进一步地，所述背包主体为铁制箱体结构。

进一步地，所述背包主体为塑料箱体结构。

由上述技术方案可知，本实用新型提供的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，包括：背包背带、与背包背带连接的背包主体，位于背包主体内部依次设置的飞秒激光器、分束片、偏置的光电导天线、ZnTe晶体、1/4波片、握拉斯顿棱镜和平衡探测器；位于背包主体内部的锁存器和延迟线，以及，位于背包主体外部的检测单元；所述检测单元中设置有光路结构以及支架平台，所述光路结构包括两对离轴抛物面镜，分别为第一对离轴抛物面镜和第二对离轴抛物面镜；所述支架平台用于放置含铅土壤样品；其中，第一对离轴抛物面镜用于收集光电导天线发射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到土壤样品表面；第二对离轴抛物面镜用于收集土壤样品表面反射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到ZnTe晶体上，飞秒激光器产生的飞秒激光经过分束片分成一束泵浦光和一束探测光，泵浦光经过聚焦入射到偏置的光电导天线上产生太赫兹脉冲，产生的太赫兹脉冲进入检测单元中，检测单元中的第一对离轴抛物面镜收集光电导天线发射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到土壤样品表面，检测单元中的第二对离轴抛物面镜收集土壤样品表面反射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到ZnTe晶体上，探测光照射至ZnTe晶体上，探测光受到ZnTe晶体的调制，调制后的探测光经过1/4波片、握拉斯顿棱镜分成两束偏振状态垂直的光，照射到平衡探测器上，平衡探测器得到的探测信号经过锁存器和延迟线后得到含铅土壤样品的太赫兹光谱。由此可见，本实用新型提供的便携式设备，将用于测量太赫兹光谱的相关器件集成在一个便携式背包中，从而能够便携地测量含铅土壤的太赫兹光谱，从而便于现场使用，使得在含铅土壤现场就能够得到含铅土壤的太赫兹光谱，从而为现场获得含铅土壤的含铅量提供了可能性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，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是本实用新型一实施例提供的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备的一种结构示意图；

图2是本实用新型一实施例提供的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备的工作原理示意图；

图3是本实用新型一实施例提供的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备的另一种结构示意图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

正如背景技术部分所述，近些年来，随着光学、遥感技术以及其他学科的深人研究与快速发展，衍生出一些基于光谱分析的土壤重金属检测方法，如太赫兹光谱法等。但是目前在采用太赫兹光谱法进行土壤含铅量分析时，往往将土壤样品带回实验室测量其太赫兹光谱，这种处理方式效率低下，无法现场快速方便地得到土壤样品的太赫兹光谱。为解决该问题，本实用新型一实施例提供了一种含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，参见图1，该含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备包括：背包背带100、与背包背带100连接的背包主体101，位于背包主体内部依次设置的飞秒激光器、分束片、偏置的光电导天线、ZnTe晶体、1/4波片、握拉斯顿棱镜和平衡探测器；位于背包主体内部的锁存器和延迟线，以及，位于背包主体外部的检测单元C；

其中，如图1所示，飞秒激光器、分束片、偏置的光电导天线设置在背包主体101内部的第一框架A中(图1中未具体示意出各器件之间的位置关系，具体位置关系可参见图2所示的原理图)，ZnTe晶体、1/4波片、握拉斯顿棱镜和平衡探测器设置在背包主体101内部的第二框架B中；

其中，所述检测单元C中设置有光路结构以及支架平台，如图2所示的原理图可知，所述光路结构包括两对离轴抛物面镜，分别为第一对离轴抛物面镜和第二对离轴抛物面镜；所述支架平台用于放置含铅土壤样品Sample；其中，第一对离轴抛物面镜用于收集光电导天线发射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到土壤样品表面；第二对离轴抛物面镜用于收集土壤样品表面反射的太赫兹脉冲并将收集的太赫兹脉冲聚焦到ZnTe晶体上；

其中，探测光与第二对离轴抛物面镜收集的太赫兹脉冲共线照射至ZnTe晶体上，太赫兹脉冲使得ZnTe晶体产生非线性效应，ZnTe晶体折射率椭球发生变化，探测光受到调制，偏振状态发生变化；

调制后的探测光经过1/4波片、握拉斯顿棱镜分成两束偏振状态垂直的光，照射到平衡探测器上，平衡探测器得到的信号经过锁存器得到太赫兹脉冲在任一时刻的信号，通过调整在探测光路上的延迟线得到整个太赫兹脉冲的时域波形。

在本实施例中，需要说明的是，由图2所示的原理图可知，飞秒激光器产生的飞秒激光经过分束片(BS)分成两束：泵浦光和探测光；泵浦光经过聚焦入射到偏置的光电导天线(LT-GaAs)上产生太赫兹辐射；光电导天线辐射出的太赫兹脉冲由经过一对离轴抛物面镜收集并聚焦到土壤样品表面，土壤样品表面反射的太赫兹脉冲由经过另外一对离轴抛物面收集并聚焦到晶面取向为(110)的ZnTe晶体上；同时，探测光与太赫兹脉冲共线照射到ZnTe晶体上，太赫兹脉冲使得ZnTe晶体产生非线性效应，其折射率椭球发生变化，探测光受到调制，偏振状态发生变化；调制后的探测光经过1/4波片(QWP)，握拉斯顿棱镜(WP)分成两束偏振状态垂直的光，照射到平衡探测器上；平衡探测得到的信号经过锁存器(Lock-in)得到太赫兹脉冲某一时刻的信号，通过调整在探测光路上的延迟线可以得到整个太赫兹脉冲的时域波形。

根据上面的描述可知，本实用新型提供的便携式设备，将用于测量太赫兹光谱的相关器件集成在一个便携式背包中，从而能够便携地测量含铅土壤的太赫兹光谱，从而便于现场使用，使得在含铅土壤现场就能够得到含铅土壤的太赫兹光谱，从而为现场获得含铅土壤的含铅量提供了可能性。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图1所示，所述检测单元C为圆筒状检测单元，所述支架平台位于所述圆筒状检测单元的中心位置。

在本实施例中，需要说明的是，由于检测单元C中需要设置包含两对离轴抛物面镜的光路结构，因此，将检测单元C设置为圆筒状结构有助于设置如图2所示的包含两对离轴抛物面镜的光路结构。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述圆筒状检测单元的两端设置有封闭门结构，如图3所示，所述圆筒状检测单元上设置有第一开关a，所述第一开关a用于控制打开或关闭所述封闭门结构。

在本实施例中，需要说明的是，由于圆筒状检测单元中设置有包含两对离轴抛物面镜的光路结构，因此，在不进行土壤太赫兹光谱检测时，可以将设置在圆筒状检测单元两端的封闭门关闭，进而有助于保持圆筒状检测单元内部的干净环境，同时也有助于保护内部的两对离轴抛物面镜免受损坏。需要说明的是，在进行土壤太赫兹光谱检测时，可以将设置在圆筒状检测单元两端的封闭门打开，以放置土壤样品，并保证光路正常工作。此外，为简化开闭封闭门的操作，本实施例在圆筒状检测单元的上表面设置了第一开关a，通过操作第一开关a可以控制打开或关闭所述封闭门结构。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图3所示，所述背包主体的侧面设置有显示屏200，所述显示屏200用于显示含铅土壤样品的太赫兹光谱。

在本实施例中，在背包主体的侧面设置显示屏200，且使得显示屏200与平衡探测器连接，从而使得显示屏200能够显示含铅土壤样品的太赫兹光谱，从而增加了便携设备测量太赫兹光谱的直观性，使得设备使用者能够在使用该便携设备的测量过程中，直接在背包主体的侧面查看对应生成的含铅土壤样品的太赫兹光谱，从而大大方便了使用者的使用体验。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图3所示，所述背包主体内部设置有GPS定位器201，所述显示屏200上显示有所述GPS定位器的定位信息。

在本实施例中，需要说明的是，为了使得该便携设备在获得含铅土壤太赫兹光谱的同时，能够同时记录被测土壤对应的地理位置，以便于后续追溯使用。故优选地，本实施例在背包主体内部还设置了GPS定位器201，GPS定位器201用于获取当前的定位信息，同时，为便于直观显示，所述显示屏200上还进一步显示有所述GPS定位器的定位信息。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图3所示，所述背包主体内部设置有时钟模块202，所述显示屏200上显示有所述时钟模块的时钟信息。

在本实施例中，需要说明的是，为使得该便携设备在获得含铅土壤太赫兹光谱的同时，能够同时记录被测土壤对应的被测时间信息，以便于后续追溯使用。故优选地，本实施例在背包主体内部还设置了时钟模块202，时钟模块202用于获取当前的时间信息，同时，为便于直观显示，所述显示屏200上还进一步显示有所述时钟模块的时钟信息。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，如图3所示，所述背包主体内部设置有充电电源203，所述显示屏200上显示有所述充电电源的剩余电量信息。

在本实施例中，需要说明的是，为便于便携设备能够重复用电，优选地，所述背包主体内部设置有充电电源203。此外，为便于在使用该便携设备的过程中能够实时了解便携设备的电量使用情况，优选地，所述显示屏200上显示有所述充电电源的剩余电量信息。

基于上述实施例的内容，在本实施例中，所述背包主体可以为木制箱体结构，也可以为铁制箱体结构，还可以为塑料箱体结构。

在本实施例中，为充分保护背包主体内的器件的安全，同时也提升背包主体内部的使用空间，优选地，所述背包主体可以设置为木制箱体结构，此外，所述背包主体还可以设置为铁制箱体结构。

在本实施例中，为减轻整个便携设备的重量，所述背包主体也可以设置为塑料箱体结构。此外，为兼顾内部器件的安全性，可以选择硬质塑料制备箱体结构。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用于说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，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；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，包括：背包背带、与背包背带连接的背包主体，位于背包主体内部依次设置的飞秒激光器、分束片、偏置的光电导天线、ZnTe晶体、1/4波片、握拉斯顿棱镜和平衡探测器；位于背包主体内部的锁存器和延迟线，以及，位于背包主体外部的检测单元；

2.根据权利要求1所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述检测单元为圆筒状检测单元，所述支架平台位于所述圆筒状检测单元的中心位置。

3.根据权利要求2所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述圆筒状检测单元的两端设置有封闭门结构，所述圆筒状检测单元上设置有第一开关，所述第一开关用于控制打开或关闭所述封闭门结构。

4.根据权利要求1所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述背包主体的侧面设置有显示屏，所述显示屏用于显示含铅土壤样品的太赫兹光谱。

5.根据权利要求4所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述背包主体内部设置有GPS定位器，所述显示屏上显示有所述GPS定位器的定位信息。

6.根据权利要求4所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述背包主体内部设置有时钟模块，所述显示屏上显示有所述时钟模块的时钟信息。

7.根据权利要求4所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述背包主体内部设置有充电电源，所述显示屏上显示有所述充电电源的剩余电量信息。

8.根据权利要求1所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述背包主体为木制箱体结构。

9.根据权利要求1所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述背包主体为铁制箱体结构。

10.根据权利要求1所述的含铅土壤太赫兹光谱的便携测量设备，其特征在于，所述背包主体为塑料箱体结构。