一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置,包括一个下端不闭合的箱体，其前端设有连接机动车辆的牵引装置，其底部中央通过转轴装设有犁头，其底部两端均设有行走轮，其顶部设有GPS和工控机，其内部设有激光器主体、光谱仪和氩气瓶；所述犁头的后端装设有光学采集盒，所述光学采集盒内设有激光器发射端、会聚透镜、收集透镜组和收集光纤端头。本发明操作简便，可在田间自由移动，无需对土壤样品进行采样，整个检测、计算、记录过程连续化、无污染，适用于大片田地，具有响应时间短、检测限低、多元素同时检测等优点，可同时研究土壤养分和重金属元素含量分布情况。
【专利说明】一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及土壤成分检测【技术领域】，具体是一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置。
[0002]
【背景技术】
[0003]土壤养分是指依靠土壤来供给植物必需营养元素，掌握农田土壤养分的空间分布，是实现农田精准施肥的前提条件。精准施肥是精准农业的一个重要组成部分，它要求根据不同土壤类型及植物类别和产量，将N、P、K及一些微量元素与有机肥料进行科学配方，做到科学施肥，使经济效益达到最大，同时减小农业生产对环境的污染。土壤中N、P、K、C等元素含量检测方法多以化学方法为主，存在样品的采集、预处理、分析效率低、成本高、实时性差等缺点，不能实现快速、原位测量。随着我国精准农业的发展，目前急需一种实时原位精确测量土壤养分的方法，满足农业精准施肥的需要。
[0004]同时，随着农业、工业的发展，土壤污染越来越严重，特别是重金属污染。由于土壤中的重金属可在生物体内富集，影响生态环境并通过食物链威胁人体健康，国内外有人形象地将土壤重金属污染称之为“化学定时炸弹”。由于土壤重金属污染具有隐蔽性、滞后性等特点，需要经过较长时间才被人们所认识，同时，其污染基本为一不可逆的过程，被重金属污染的土壤需要100?200年时间才能得以恢复。目前，土壤重金属污染检测分析方法主要有原子吸收光谱、电感耦合等离子体原子发射光谱、电感耦合等离子体质谱、高效液相色谱、X射线荧光光谱等。这些分析方法仍以现场采样、实验室分析为主，从而不能满足重金属污染物实时原位检测的需求。
[0005]
【发明内容】
[0006]本发明的目的在于提供一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，该装置能够实现土壤养分(总氮、总磷、总钾、总碳、镁、钙、锰及硼元素)和重金属元素(铜、锌、铅、镍、铬)含量的实时、原位、无污染检测。
[0007]本发明的技术方案为:
一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，该装置包括第一箱体，所述第一箱体为下端不闭合的箱体，其前端设有连接机动车辆的牵引装置，其底部中央通过转轴装设有犁头，其底部两端均设有行走轮，其顶部设有GPS和工控机，其内部设有激光器主体和光谱仪；所述GPS的输出端与工控机的输入端连接，所述工控机的输出端与激光器主体的输入端连接，所述激光器主体与光谱仪交互式信号连接，所述光谱仪与工控机交互式信号连接；
所述犁头的后端装设有光学采集盒，所述光学采集盒内设有激光器发射端、会聚透镜、收集透镜组和收集光纤端头，所述激光器发射端连接激光器主体，激光器发射端输出的脉冲激光经会聚透镜会聚后作用到待测土壤样品表面，所述待测土壤样品被激发形成等离子体并发射等离子体光谱，所述等离子体光谱经收集透镜组会聚后再通过收集光纤端头耦合进收集光纤并传输至光谱仪。
[0008]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，所述第一箱体内部还设有氩气瓶和控制电路，所述控制电路包括用于控制氩气流速的电磁阀，所述电磁阀的控制输入端与工控机的输出端连接。
[0009]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，所述光学采集盒内还设有第一窗片和第二窗片，所述第一窗片选用K9窗片，设置在会聚透镜的后端，所述第二窗片选用JGSl窗片，设置在收集透镜组的前端。
[0010]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，所述收集透镜组由两片平凸石英透镜组成，所述两片平凸石英透镜装设在光学套筒内，其凸面相对放置，其主光轴与竖直方向成45度夹角，所述光学套筒通过调整架固定在光学采集盒内，所述调整架通过弹簧和细牙螺丝实现二维调节。
[0011]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，该装置还包括第二箱体，所述第二箱体为后端不闭合的箱体，其底部两端均设有行走轮，其内部设有为整个移动装置供电的数码变频发电机；所述第二箱体与第一箱体通过软性链接装置连接。
[0012]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，该装置还包括设置在第一箱体侧面的显示器，所述显示器的输入端与工控机的输出端连接。
[0013]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，所述犁头选用斜坡状V型犁头。
[0014]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，所述激光器主体和光谱仪采用盒体式固定，在盒体底部安装弹簧和内部放置海绵进行减振。
[0015]所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，所述氩气瓶采用盒体式固定，在盒体底部安装弹簧和内部放置海绵进行减振。
[0016]本发明的有益效果为:
(1)本发明的整个移动装置操作简便，可在田间自由移动，无需对土壤样品进行采样，整个检测、计算、记录过程连续化、无污染，不破坏测试体系，适用于大片田地的连续移动检测；
(2)检测限低，土壤养分元素可达lg/kg，重金属元素可达几十mg/kg，且其响应时间短，仅需30秒甚至更短，可对土壤进行实时、原位、准确测量；
(3)可同时对土壤养分和重金属元素进行测量，同时研究土壤多种养分和重金属含量的分布情况。
[0017]
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1是本发明具体实施例的结构示意图；
图2是本发明具体实施例的局部结构示意图；
图3是图2的侧面剖视图。
[0019]
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。
[0021]如图1?图3所示，一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，包括一个下端不闭合的第一箱体1、一个后端不闭合的第二箱体2、设在第一箱体I前端与机动车辆相连的牵引装置3、设在第一箱体I侧面的显示器4、设在第一箱体I顶部的工控机5和GPS6，第一箱体I和第二箱体2底部两端都配有行走轮7，整个移动装置在机动车辆的牵弓I下可以自由行走在田间。第一箱体I底部中央通过转轴8安装有用于破土的斜坡状V型犁头9，斜坡状V型犁头9的高度可通过调节转轴8插入转轴孔上的位置来改变。第一箱体I与第二箱体2之间通过软性链接装置相连。GPS6实时采集被测田块的地理信息，为后续的田块施肥和重金属污染治理提供信息，GPS6的输出端通过USB数据线与工控机5的输入端连接。工控机5的输出端连接显示器4的输入端。
[0022]第一箱体I内部依次放置有激光器主体18、四通道光纤光谱仪17、氩气瓶19和控制电路20。激光器主体18通过RS232串口线与工控机5相连。激光器主体18与四通道光纤光谱仪17通过COM串口通信实现时序同步，激光器主体18输出调Q信号触发四通道光纤光谱仪17开始采集数据，四通道光纤光谱仪17通过USB数据线与工控机5相连。氩气瓶19与控制电路20中可调整氩气流速大小的电磁阀相连，电磁阀与工控机5相连(待测土壤样品处于氩气环境下，可以提高检测精度)。工控机5的控制软件采用Matlab语言编程，可以实现对激光器主体18、四通道光纤光谱仪17、控制电路20的控制，完成数据的采集、滤波处理、谱线的拟合以及定量模型的建立等。激光器主体18、四通道光纤光谱仪17、氩气瓶19均采用盒体式固定，在盒体底部安装弹簧、在盒体内部放置海绵进行减振。
[0023]斜坡状V型犁头9的后端安装有光学采集盒11，光学采集盒11的底部与斜坡状V型犁头9的最低点在同一水平面上。光学采集盒11内安装有激光器发射端12，激光器发射端12与激光器主体18通过水管和电缆线相连，激光器发射端12采用橡胶垫进行减振，在激光器发射端12下方光路上依次放置会聚透镜13和第一窗片；在会聚透镜13右端60_处设有与竖直方向成45度角(该角度便于加工)的收集透镜组15，收集透镜组15的前端设有第二窗片，收集透镜组15由两片平凸石英透镜组成，两片平凸石英透镜的凸面相对放置，安装在光学套筒内，光学套筒安装在可进行二维调节的调整架上，调整架安装在光学采集盒11内并通过弹簧和细牙螺丝实现二维调节。
[0024]激光器发射端12输出的脉冲激光经过会聚透镜13会聚后穿过第一窗片作用到待测土壤样品表面，待测土壤样品被激发形成等离子体14并发射等离子体光谱，等离子体光谱透过第二窗片经收集透镜组15会聚成极小的光斑，在光斑直径最小的地方放置收集光纤16端头，等离子体光谱信号通过收集光纤16端头耦合进收集光纤16，收集光纤16另一端的四个端头连接在四通道光纤光谱仪17上，收集光纤16将等离子体光谱信号传输至四通道光纤光谱仪17完成分光，四通道光纤光谱仪17分光输出端装有CXD探测器，然后由工控机5进行数据采集和处理，根据元素谱线强度与浓度的关系完成定量测量。
[0025]设置第一窗片和第二窗片是为了防止整个移动装置工作过程中产生的尘土对光学系统的影响，会聚透镜13和第一窗片的光学材料为K9，收集透镜组15和第二窗片的光学材料为JGSl。
[0026]第二箱体2内部放置一台2kw数码变频发电机10，该数码变频发电机10输出电压为交流220V，波动为±2V，数码变频发电机10输出的交流电通过接线开关传输至第一箱体I内，为整个移动装置供电，数码变频发电机10散出的热量从第二箱体2的后端排出。
[0027]本发明的工作原理如下:
(1)将牵引装置3与机动车辆相连，启动第二箱体2内的数码变频发电机10；
(2)调节斜坡状V型犁头9至其前端进入土壤下面10?15cm;
(3)打开显示器4、工控机5、激光器主体18、四通道光纤光谱仪17及控制电路20的电源开关；
(4)打开氩气瓶19上的阀门，调节电磁阀至氩气流速为lm3/min，并打开GPS6；
(5)设置四通道光纤光谱仪17的工作方式为外触发模式，并对积分时间、测量次数、每次测量平均次数、自动保存采集数据等进行设置；
(6)设置激光器闪光灯频率、脉冲激光输出频率和测量次数；
(7)整个移动装置在田间移动检测。
[0028]以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。
【权利要求】
1.一种基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:该装置包括第一箱体，所述第一箱体为下端不闭合的箱体，其前端设有连接机动车辆的牵引装置，其底部中央通过转轴装设有犁头，其底部两端均设有行走轮，其顶部设有GPS和工控机，其内部设有激光器主体和光谱仪；所述GPS的输出端与工控机的输入端连接,所述工控机的输出端与激光器主体的输入端连接，所述激光器主体与光谱仪交互式信号连接，所述光谱仪与工控机交互式信号连接； 所述犁头的后端装设有光学采集盒，所述光学采集盒内设有激光器发射端、会聚透镜、收集透镜组和收集光纤端头，所述激光器发射端连接激光器主体，激光器发射端输出的脉冲激光经会聚透镜会聚后作用到待测土壤样品表面，所述待测土壤样品被激发形成等离子体并发射等离子体光谱，所述等离子体光谱经收集透镜组会聚后再通过收集光纤端头耦合进收集光纤并传输至光谱仪。
2.根据权利要求1所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:所述第一箱体内部还设有氩气瓶和控制电路，所述控制电路包括用于控制氩气流速的电磁阀，所述电磁阀的控制输入端与工控机的输出端连接。
3.根据权利要求1所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:所述光学采集盒内还设有第一窗片和第二窗片，所述第一窗片选用K9窗片，设置在会聚透镜的后端，所述第二窗片选用JGSl窗片，设置在收集透镜组的前端。
4.根据权利要求1所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:所述收集透镜组由两片平凸石英透镜组成，所述两片平凸石英透镜装设在光学套筒内，其凸面相对放置，其主光轴与竖直方向成45度夹角，所述光学套筒通过调整架固定在光学采集盒内，所述调整架通过弹簧和细牙螺丝实现二维调节。
5.根据权利要求1所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:该装置还包括第二箱体，所述第二箱体为后端不闭合的箱体，其底部两端均设有行走轮，其内部设有为整个移动装置供电的数码变频发电机；所述第二箱体与第一箱体通过软性链接装置连接。
6.根据权利要求1所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:该装置还包括设置在第一箱体侧面的显示器，所述显示器的输入端与工控机的输出端连接。
7.根据权利要求1所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:所述犁头选用斜坡状V型犁头。
8.根据权利要求1所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:所述激光器主体和光谱仪采用盒体式固定，在盒体底部安装弹簧和内部放置海绵进行减振。
9.根据权利要求2所述的基于激光击穿光谱检测土壤成分的移动装置，其特征在于:所述氩气瓶采用盒体式固定，在盒体底部安装弹簧和内部放置海绵进行减振。
【文档编号】B62D63/06GK104198445SQ201410436368
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月29日 优先权日:2014年8月29日
【发明者】鲁翠萍, 王儒敬, 宋良图, 曹平国, 汪六三, 胡海瀛, 刘晶, 汪玉冰, 刘洋 申请人:中国科学院合肥物质科学研究院