光电组合高能量激发土壤重金属原位检测设备的制作方法

1.本实用新型涉及土壤重金属现场检测技术领域，具体是一种光电组合高能量激发土壤重金属原位检测设备。


背景技术：

2.当前我国土壤重金属、有机污染物污染日益严重，对土壤污染进行有效的监管与治理已成为我国环境保护工作的重要内容。在长三角区域内土壤污染形势尤为严峻，且有随着经济发展，日益恶化的趋势。工业发达城市土壤污染现象突出，给农业生产、人居环境带来严重威胁。根据重金属在土壤中毒性的大小，关注较多的污染元素主要包括铜、铅、铬、汞、镍、镉等。重金属污染物随着污水灌溉、矿业活动、工业废渣的不当堆置等不当的人类活动累积至土壤、河流湖泊甚至地下水中，严重影响土壤、水体质量。土壤重金属被植物、动物吸收富集，通过食物链聚积至人体内部后，将会严重破坏人的身体健康。
3.目前我国土壤重金属的检测仍采用现场取样-离线分析的方式，在实验室经复杂的消解过程之后，再利用火焰原子吸收/发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法进行检测，检测速度慢，耗时费力，在监测过程中易发生二次污染，难以满足我国土壤质量普查、场地修复过程检测、精准农业实施等需求。
4.目前能够用于土壤重金属现场检测的技术主要有激光诱导击穿光谱(libs)分析和x射线荧光(xrf)分析技术，其中libs技术能够直接检测土壤中绝大多数元素，包括碳、磷等非金属元素及镉、铬、铅、铜等重金属元素，具有无需样品预处理、操作简便、检测速度快等优势。但是上述两种方法在应用中都存在一定的问题。例如，xrf的分析速度比较高，同时可用于固体、粉末、液体等不同形态样品的化学元素分析中。但是x射线对人有辐射作用，对原子序数较轻的测定不敏感，在常规分析中的检测灵敏度不如原子发射光谱法高。另外，libs分析技术存在低重复性和低探测精度等问题，限制了该技术的发展，增大了推动该技术实际应用的难度。针对不同的待测样品，系统中的激光能量密度是不同的，对激光器的性能要求极高。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本实用新型提供一种光电组合高能量激发土壤重金属原位检测设备，以解决上述背景技术中提出的问题，提高了等离子激发效率和稳定性，降低了检测系统的体积和光源高性能要求，消除了土壤样品非均一性，提高了整体探测系统信噪比。
6.为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：
7.一种光电组合高能量激发土壤重金属原位检测设备，包括：
8.系统控制处理模块，其包括光纤激光器、光谱探测器；
9.全光纤光电组合系统，其包括入射光纤模块、光电组合高能量激发模块、设于光电组合高能量激发模块下方的样品台以及探测光纤模块；
10.其中，所述光纤激光器与入射光纤模块耦合并产生入射光源，所述入射光源与光
电组合高能量激发模块同步启动对样品台处的样品进行激发，再通过探测光纤模块将光信号汇集至光谱探测器。
11.作为本实用新型进一步的方案：所述入射光源是由单点单色光源转变而成的面域单色光源。
12.作为本实用新型进一步的方案：所述样品台为三维转台，其运动轨迹为：沿所述三维转台轴线方向来回移动，同时，以该轴线为中心线发生周向转动。
13.作为本实用新型进一步的方案：所述入射光纤模块包括入射光纤模块本体、第一光纤跳线和第一多模光纤束；其中，所述入射光纤模块本体通过第一光纤跳线与光纤激光器耦合，所述第一多模光纤束的输出端连接至光电组合高能量激发模块的光纤入射端口。
14.作为本实用新型进一步的方案：所述探测光纤模块包括探测光纤模块本体、第二光纤跳线和第二多模光纤束；其中，所述探测光纤模块本体通过第二光纤跳线与光谱探测器耦合，所述第二多模光纤束的输入端连接至光电组合高能量激发模块的光纤入射端口。
15.作为本实用新型进一步的方案：所述系统控制处理模块还包括尖端放电组件，所述尖端放电组件包括两个相平行的金属尖端，两金属尖端之间的电压差为-kv；两金属尖端均连接至光电组合高能量激发模块的尖端放电端口。
16.与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
17.基于光电组合高能量激发采用宽动态范围全光纤探测方式实现对原位土壤样品表层的重金属元素种类和含量的检测，提高了等离子激发效率和稳定性，降低了检测系统的体积和光源高性能要求，消除了土壤样品非均一性，提高了整体探测系统信噪比。
18.利用光纤的独特性代替了传统自由空间复杂光学系统设计，消除了外界环境干扰提高了系统信噪比，由于结构简化及对激发光源的性能要求降低，也进一步的提高了产品的经济效益。
附图说明
19.图1为本实用新型结构示意框图；
20.1-系统控制处理模块、11-光纤激光器、12-光谱探测器、13-尖端放电组件、14-气泵组件、15-驱动电路、16-控制器、17-上位机软件系统、18-信号处理器、
21.2-全光纤光电组合系统、21-入射光纤模块、211-第一光纤跳线、212-第一多模光纤束、22-光电组合高能量激发模块、23-探测光纤模块、231-第二光纤跳线、232-第二多模光纤束、24-样品台。
具体实施方式
22.为了便于理解本实用新型，下面将结合具体的实施例对本实用新型进行更全面的描述。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施方式。相反地，提供这些实施方式的目的是使对本实用新型的公开内容理解的更加透彻全面。
23.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本实用新型。
24.参阅图1，本实用新型的实施例中，一种光电组合高能量激发土壤重金属原位检测
设备，包括两大部分，一个是系统控制处理模块1，另一个是全光纤光电组合系统2。其中，系统控制处理模块1包括光纤激光器11、光谱探测器12、尖端放电组件13、气泵组件14、驱动电路15、控制器16、上位机软件系统17和信号处理器18；全光纤光电组合系统2包括入射光纤模块21、第一光纤跳线211、第一多模光纤束212、光电组合高能量激发模块22、探测光纤模块23、第二光纤跳线231、第二多模光纤束232和样品台24。
25.基于上位机软件系统17的设置，通过控制器16控制系统控制处理模块1各组分部件进行动作，通过气泵组件14结合尖端放电组件13实现光电组合高能量激发模块22对样品台24上的样品进行高能量激发。其中，尖端放电组件13包括两根相互平行的金属尖端，二者间距为1-2cm，且该两根金属尖端之间的电压差在4-6kv范围内可调节。该两金属尖端均连接至光电组合高能量激发模块22的尖端放电端口。金属尖端距离样品表面距离为1-2cm。
26.系统控制处理模块1为对待测样品进行辐射提供入射光源，并能够对辐射产生的光谱信号进行探测分析功能。上位机软件系统17通过协议与控制器16连接并可对其参数写入。控制器16的输出端与驱动电路15的输入端连接；驱动电路15的输出端与光纤激光器11的输入端连接，将光纤激光器11产生的单点单色光源转变成面域单色光源。光纤激光器11通过第一光纤跳线211与入射光纤模块21的输入端连接，入射光纤模块21的输出端通过第一多模光纤束212与光电组合高能量激发模块22的入射光纤端口连接。光电组合高能量激发模块22的探测光纤端口通过第二多模光纤束232与探测光纤模块23的输入端连接，探测光纤模块23通过第二光纤跳线231与光谱探测器12进行连接。光谱探测器12的输出端经过信号处理器18与控制器16的输入端连接。上位机软件系统17的读取端与控制器16的传输断互联，用于展示数据模型、输出检测结果。上述的面域单色光源与光电组合高能量激发模块22同步对样品台24处的样品进行宽动态范围高能量激发，伴随着样品台24的三维运行模式，再通过探测光纤模块23将光信号汇集至光谱探测器12，经过信号处理器18的对光信号进行处理并传输到控制器16，再通过上位机软件系统17进行数据展示。
27.进一步的，该样品台24设置在光电组合高能量激发模块22的下方暗腔中，该样品台24为三维转台，其运动轨迹为：沿所述三维转台轴线方向来回移动，同时，以该轴线为中心线发生周向转动。
28.进一步的，所述第一多模光纤束211和第二多模光纤束232的材质相同，且第一多模光纤束212数目和截面积均不大于第二多模光纤束232的数目和截面积，可进一步加强对系统产生的光信号探测，通过降低激发入射光纤模块21的发射广角，以提高探测光纤模块22的探测广角。此外，利用光纤的独特性代替了传统自由空间复杂光学系统设计，消除了外界环境干扰并提高了系统信噪比，由于结构简化及对激发光源的性能要求降低，也进一步的提高了产品的经济效益。
29.进一步的，所述光纤入射端口与光纤探测端口呈立体垂直角度，以防止系统主光路对微弱光信号探测造成背景干扰。
30.本实用新型在进行检测时包括以下步骤：
31.s1、建立土壤基体类别数据库，所述土壤基体类别数据库中包含待测的各种元素的特征光谱分布数据；
32.s2、将待测样品压片后放置于样品台上，通过入射光纤模块和光电组合高能量激发模块共同辐射样品台，再通过探测光纤模块将样品台处产生的光信号传输至光谱探测
器，得到不同光波段的光谱分布；
33.s3、将s2获取的光谱分布数据与s1中的特征光谱分布数据通过叠加效应结合，以获得样品中重金属元素的种类数据以及样品所属土壤基体类别；该叠加效应具体为：
34.根据待测土样中单位浓度分配及各重金属元素自身光谱的叠加，利用最小二乘法获取各重金属元素数量及各元素光谱占比；通过占比数据等效计算占比浓度，反演出各重金属元素种类的浓度。
35.s4、根据样品所属土壤基体类别，针对性地分析s2中各个光波段的光谱分布数据，得到各重金属元素的光谱幅值，通过光谱区域积分分析法获得各重金属元素的含量数据；
36.s5、显示各重金属元素的种类数据和含量数据。
37.作为本实用新型进一步的方案：s1中具体包括以下步骤：
38.s11、获取全国不同地区的代表性土壤基体，制成标准土壤样片；
39.s12、通过国际标准icp-oes法获取标准土壤样片中主要元素含量占比；所述主要元素包括si、al、fe、ca；
40.s13、通过所述主要元素占比关系划分得到包含不同类别土壤基体类别的土壤基体类别数据库；每种类别的土壤基体还包括各种重金属光谱分布数据；
41.s14、对每种重金属元素进行光谱数据分析，得到每种重金属元素对应的特征荧光光谱分布数据；
42.s15、根据s14中获得的特征荧光光谱分布数据确定单位浓度下的特征光谱分布数据。
43.作为本实用新型进一步的方案：s2中获取不同光波段光谱分布的方法具体包括以下步骤：
44.s21、提取待测样品中主要元素的含量占比数据，确定所属土壤基体类别；
45.s22、通过光谱探测器探测待测土样中不同光波段的光谱分布，经过信号处理后，利用nist数据库分析得到各重金属元素的特征光谱数据。
46.虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
47.故以上所述仅为本技术的较佳实施例，并非用来限定本技术的实施范围；即凡依本技术的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本技术权利要求的保护范围。