基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及农田土壤镉和铜检测领域，具体涉及一种基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置。
【背景技术】
[0002]农田土壤重金属污染问题是最严重环境问题，不但对生态环境、粮食生产、食品安全和人体健康构成严重威胁，甚至通过地表和地下径流、大气沉降等自然过程对和矿区有水文、气象联系的大范围区域产生不良环境影响。由于土壤重金属污染的隐蔽性、长期性、表聚性和不可逆性特点，这种影响一般是通过土壤-食物链的方式最终对人体健康产生影响。而重金属污染一般都伴随着多种重金属的复合污染，而且各种污染物之间的交互作用也使得农田土壤污染的状况及其复杂，以往传统的土壤污染评价方式，主要还是对土壤中某些组分的化学分析进行单因子及其通过公式的综合因子评价，不能体现污染物之间相互作用，且只能对已知的部分有害组分进行测定，也就很难全面体现土壤受污染的状况、土壤的整体质量情况以及土壤系统的生态功能状况。
[0003]激光诱导击穿光谱(LaserInduced Breakdown Spectroscopy, LIBS)方法是近年来发展的固态和液态中微量元素原位感知手段。其原理是利用聚焦的强脉冲激光瞬时局部气化样品，产生达上万度的高温等离子体，通过原子特征发射光谱的测量获得元素的含量。LIBS具有快速反应、实时在线、高灵敏的优势。2005年，美国登陆火星计划中使用LIBS在距目标15m处现场研宄火星表面岩石元素组成和含量，2010年，加拿大Laval University光学中心利用丝状激光诱导等离子体探测1.9km外的金属样品，显示了该方法的巨大潜力。Jarvinen等利用激光诱导击穿光谱对水中Ni, Pb和Zn重金属含量进行了研宄。Senesi等利用激光诱导击穿光谱对矿区岩石中的矿物质含量进行了研宄。
[0004]2011年，美国拉斯阿莫斯实验室的Ronny D.Harris课题组所示研制了基于LIBS技术的专用于农田土壤信息快速获取的车载式仪器。测量时，将内置激光器的金属管对准待测土壤，激光束聚焦后使样本气化并采集光谱。Rormy D.Harris在多个地区完成了 Na、V、S1、Zn、C、N、K、P、K、Ca、S、Mg、Se、N1、Ba、Cr等土壤元素含量的在线测量实验，检测限达到 5_200ppm。
[0005]江西农业大学刘木华团队利用LIBS系统对标准土壤中的若干重金属元素进行定量分析，运用外标法给出了部分重金属元素的定标曲线。国家农业信息中心赵春江团队采用LIBS系统检测土壤养分如氮素和全钾进行了较为深入的研宄，目前已经取得了阶段性成果。对钾元素含量在8.74?34.56g.kg—1之间的农田土壤样品进行分析，比较了404.40, 404.72，766.49和769.90nm的钾原子特征谱线，并选取766.49nm为本研宄的分析谱线。并以农田土壤中含量相对稳定的硅元素为参照元素，建立K和Si光谱强度比值与土壤中K元素含量关系的内定标模型。定标曲线拟合相关系数为0.935，定标模型对预测集样品的预测标准偏差为9.26%。
[0006]目前具体涉及一种农田土壤镉和铜激光诱导光谱技术无损检测装置未见报导，原因主要是装置的检测速度慢、通用性差、精度不高和检测装置的制造成本高。
【实用新型内容】
[0007]本实用新型公开了一种基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，可以实现简单、快速、非破坏性的农田土壤镉和铜的同时检测，检测效率高，准确性好。
[0008]基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，包括:
[0009]脉冲激光器，用于产生激光，反射镜，用于反射激光，凸透镜，用于聚焦激光，集中能量，样品平台，用于放置土样，光纤，用于反射激光的通路，光谱仪，用于产生激光光谱，计算处理单元，延时开关控制单元，用于控制光谱仪接收激光时间。
[0010]较佳地，所述脉冲激光器工作时要预热15-30分钟，确保发出的激光信号稳定。
[0011]较佳地，所述计算处理单元为触摸屏工作方式，自带锂电池供，可通过快速实现充电。
[0012]较佳地，所述光纤与水平面呈45度，便于接收激光信号。
[0013]较佳地，所述延时开关控制单元由软件自动控制。
[0014]较佳地，所述的计算处理单元，用于分析激光光谱，计算土壤中重金属镉和铜含量。
[0015]本实用新型的有益效果有:
[0016](I)检测装置反应速度快，典型分析1-20秒完成，实时在线，检测灵敏度高，具有ppm级的检测限，不会对环境造成二次污染。
[0017](2)检测装置根据分析土壤激光谱线，可同时检测土壤重金属镉和铜含量，检测效率高。
[0018](3)检测装置只需接通电源，无燃烧气体，环境适应性好，对环境无特殊要求。
[0019](4)采用固体激光光源，多种波长可选，能量高、集中，整个装置简单实用，成本低廉，易于推广。
[0020](5)检测装置可以对任何物理状态的样品进行元素分析，包括固态、液态、气态和各种混合物。
【附图说明】
[0021]图1为本实用新型基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置的示意图；
[0022]图2为本实用新型基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置的检测过程流程图。
[0023]图中标记注明:1 一脉冲激光器，2—反射镜，3—凸透镜，4一样品，5—样品平台，6—光纤，7—光谱仪，8—计算处理单元，9一延时开关控制单元。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图，对本实用新型基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置做详细描述。
[0025]激光诱导光谱仪器采用狭缝-凹面光栅的光学结构，对土壤的发射光信号进行波段分离，实现光学信号的收集；采用驱动电流调制方法获得不同激发态的光束，实现信息源激励；对微弱光学信号进行放大和滤波，实现LIBS信息的采集；通过分析系统实现过程的传递函数差异，确定定量化模型的嵌入和传递方法，实现信息的智能处理；通过激光器自身发射系数拟合、外置参照装置的方法，实现镉和铜的实时定标。
[0026]基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，包括脉冲激光器，用于产生激光，反射镜，用于反射激光，凸透镜，用于聚焦激光，集中能量，样品平台，用于放置土样，光纤，用于反射激光的通路，光谱仪，用于产生激光光谱，计算处理单元，延时开关控制单元，用于控制光谱仪接收激光时间。
[0027]计算处理单元为触摸屏工作方式，自带锂电池供，检查计算处理单元是否可以正常工作，是否有电，如没有电，可快速充电，确保正常工作。
[0028]脉冲激光器工作时要预热15-30分钟，确保发出的激光信号稳定。
[0029]保证光纤与水平面呈45度，便于接收激光信号。
[0030]延时开关控制单元由软件自动控制，检测使打开相应的软件，并设置工作条件，通过调整激光诱导光谱仪器参数，研宄土壤重金属镉和铜的激光诱导击穿光谱信号特性，包括重金属镉和铜强度、谱线位置、发射光谱的吸收系数等；通过改变激发方式，分析土壤不同形态重金属镉和铜的LIBS信号区别，研宄土壤重金属镉和铜激光诱导击穿光谱信号区分方法。
[0031]采集完光谱，通过理论研宄和实验统计，建立重金属镉和铜浓度、激光功率、激发面积、时间衰减特性等因素与谱线信号的关系模型，计算处理单元工作，利用支持向量机(LS-SVM)、人工神经网络(ANN)、偏最小二乘回归(PLSR)等智能信息处理方法和模型构造方法，研宄农田土壤不同形态重金属镉和铜的LIBS信号解析方法，建立计量模型并进行优化，计算土壤中重金属镉和铜含量。
【主权项】
1.基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，其特征在于，包括: 脉冲激光器，用于产生激光，反射镜，用于反射激光，凸透镜，用于聚焦激光，集中能量，样品平台，用于放置土样，光纤，用于反射激光的通路，光谱仪，用于产生激光光谱，计算处理单元，延时开关控制单元，用于控制光谱仪接收激光时间。
2.如权利要求1所述的基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，其特征在于，所述脉冲激光器采用固体激光光源，工作时要预热15-30分钟，确保发出的激光信号稳定。
3.如权利要求1所述的基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，其特征在于，所述计算处理单元为触摸屏工作方式，自带锂电池供，可通过快速实现充电。
4.如权利要求1所述的基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，其特征在于，所述光纤与水平面呈45度，便于接收激光信号。
5.如权利要求1所述的基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，其特征在于，所述延时开关控制单元由软件自动控制。
6.如权利要求1所述的基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，其特征在于，所述的计算处理单元，用于分析激光光谱，计算土壤中重金属镉和铜含量。
【专利摘要】本实用新型公开了一种基于激光诱导光谱技术的土壤重金属镉和铜含量检测装置，包括：脉冲激光器，用于产生激光，反射镜，用于反射激光，凸透镜，用于聚焦激光，集中能量，样品平台，用于放置土样，光纤，用于反射激光的通路，光谱仪，用于产生激光光谱，计算处理单元，用于分析激光光谱，计算土壤中重金属镉和铜含量，延时开关控制单元，用于控制光谱仪接收激光时间。检测装置可以实现农田土壤镉和铜光谱采集和相应含量分析计算。本实用新型可以实现简单、快速的农田土壤镉和铜的同时检测，检测效率高。
【IPC分类】G01N21-63
【公开号】CN204287043
【申请号】CN201520000185
【发明人】章海亮, 刘雪梅
【申请人】华东交通大学, 刘雪梅, 章海亮
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2015年1月2日