一種土壤表面氮元素分布的快速測量方法和系統的製作方法
2023-10-04 18:37:44
專利名稱：一種土壤表面氮元素分布的快速測量方法和系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及地球勘探技術領域，尤其涉及一種對土壤表面氮元素分布的快速測量的方法和系統。
背景技術：
土壤中一些元素的快速測量具有重要意義。一方面，土壤中元素含量的測定與資源勘探、考古等研究密不可分。快速、準確的測定可以為地質變遷、元素遷移規律研究提供有力的工具支持。另一方面，氮素等養分元素的測定對土壤養分的開發利用具有重要意義。土壤養分是作物營養的重要來源。對農田土壤中氮素進行測量，有助於指導科學施肥。因此，對土壤表面的氮素進行快速測量、並獲得氮素在土壤表面的分布圖像具有重要的科學價值和應用價值。傳統方法中，對土壤中氮素的測量較為複雜。需將土壤磨碎後，在實驗室內經煅燒等前處理後，再用色譜、原子吸收等方法進行測量。現有技術中公開了一種基於雷射誘導擊穿光譜原理的、對土壤中元素進行測量的方法。該專利提出了一種可以在田間應用的探頭，探頭可插入土壤中。探頭中內置了雷射器，在測量中將待測土壤表面激發至等離子態，再用探頭中的光纖收集等離子態信號，送至光譜儀中進行分光，進而利用偏最小二乘等化學計量學方法分析其中各元素含量。相對於本專利，該背景技術具有如下區別(I)背景技術只能分析待測物質某一位置的成分，而不能呈現土壤表面氮素的分布圖像；(2)背景技術所分析的是土壤中各種元素的含量，但一些元素的含量對土壤成分研究不夠，更多地去關注元素的存在形態。(3)空氣中的氮素對測量有一定程度的影響，背景技術未考慮空氣中氮素影響的消減問題，難以對氮素進行精確的測量。
發明內容
(一)要解決的技術問題本發明要解決的技術問題是提供一種土壤表面氮元素分布的快速測量方法和系統，從而獲得待測片狀土壤表面的有機態氮、速效氮的分布圖像。(二)技術方案為了解決上述技術問題，本發明提供一方面提供一種土壤表面氮元素分布的快速測量系統包括密閉負壓艙體和分析裝置以及設置於密閉負壓艙體內的二維運動樣本臺、雷射激發裝置和原子光譜收集裝置；所述分析裝置控制所述二維運動樣本臺的運動狀態，所述二維運動臺與雷射激發裝置、原子光譜收集裝置進行同步控制；雷射激發裝置和原子光譜收集裝置用於激發並獲取土壤表面的微量原子發射光譜，分析土壤表面被照射位置的氮素含量；分析裝置，用於承載控制、定標和定量化回歸算法，計算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，並自動繪製氮素分布圖。進一步地，所述密閉負壓艙體的一端設有負壓型進樣口，所述土壤樣本經進樣口置入密閉負壓艙體內。進一步地，還包括氣泵，所述氣泵用於抽取艙體內的氣體，形成負壓環境；所述密閉負壓艙體設有氣嘴，在氣泵抽動下形成約20%-50%大氣壓的內部氣壓條件。進一步地，所述二維運動樣本臺與雷射激發裝置聯動，二維運動樣本臺設有觸發模塊，雷射激發後，觸發模塊發出指令，控制二維運動臺進行二維運動。進一步地,所述二維運動樣本臺連接橫軸步進電機和縱軸步進電機,橫軸步進電機和縱軸步進電機通過脈衝信號控制，所述橫軸步進電機和縱軸步進電機分別通過絲槓傳動，帶動二維運動樣本臺進行二維運動。進一步地，雷射發射裝置包括兩套波長不同的雷射器，其中一套雷射器的波長為532nm,另一套雷射法的波長為1064nm ;所述波長為532nm的雷射器用於激發土壤中所有氮元素；所述波長為1064nm的雷射器用於激發土壤中的速效氮；兩束雷射器出射的雷射通過分束器的透射和反射聚焦到同一位置；雷射激發裝置由雷射器、聚焦鏡、光纖耦合器、出射光纖、分束器組成。進一步地，所述原子光譜收集裝置，用於獲取所激發等離子態信號的光譜，等離子態光信號通過一個與樣本臺形成45°傾角的光纖進行收集，採用凹面光柵、面陣電荷耦合元件對所收集的光進行波長分離，獲得720-770nm波段內的高解析度光譜。進一步地，所述的分析裝置由2片FPGA組成並行處理系統，承擔土壤樣本中速效氮計算、有機態氮計算、雷射激發和光譜收集之間延遲時間分析控制、樣本中氮素分布圖譜分析的功能。進一步地，所述二維運動樣本臺設有緊固結構來微調自身的高度。另一方面，本發明還提供一種土壤表面氮元素分布的快速測量方法，該方法包括步驟S1. 土壤樣本經進樣口置入密閉負壓艙體內；S2.雷射激發裝置的532nm和1064nm雷射依次擊打待測土壤樣本表面；S3.在雷射擊打之後，光纖依次收集兩次擊打後產生的等離子態光學信號，並傳輸至原子光譜收集系統；S4.原子光譜收集系統獲取原子發射光譜，通過分析裝置的計算獲得所激發位置的速效氮、有機態氮含量；S5.在分析裝置信號觸發下，二維運動臺土壤將樣本進行微小距離移動，從而測量另一位置的氮素含量；S6.重複上述過程，將預設的區域掃描完成後，分析裝置在獲得每一像素位置氮素含量的基礎上，繪製速效氮、有機態氮的分布圖。(三)有益效果本發明實施例提供的土壤表面氮元素分布的快速測量方法和系統，彌補了對比技術的不足，具體具有如下優點(I)可獲得土壤表面有機態氮、速效氮成分；(2)可獲得土壤樣本表面氮素的分布圖像；
(3)可有效消除空氣中氮素對測量結果的影響。
圖1為本發明實施例土壤表面氮元素分布的快速測量系統結構框圖；圖2為本發明實施例土壤表面氮元素分布的快速測量方法流程圖。其中1 :為氣泵；2 :532nm雷射器；3 :高解析度分光系統；4 :步進電機控制器，；5 :分析裝置，6 :橫軸步進電機；7 :縱軸步進電機；8 :負壓艙體；9 :氣嘴；10 :光纖；11 :步進電機傳動系統；12 :二維運動樣本臺；14 :樣本夾持裝置；15 :樣本進樣通道；16 :進樣口 ；17 :1064nm雷射器；18 :分束器。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式
作進一步詳細描述。以下實施例用於說明本發明，但不用來限制本發明的範圍。如圖1所示，本發明實施例提供的土壤表面氮元素分布的快速測量系統包括包括密閉負壓艙體和分析裝置以及設置於密閉負壓艙體內的二維運動樣本臺、雷射激發裝置和原子光譜收集裝置；分析裝置控制所述二維運動樣本臺的運動狀態，所述二維運動樣本臺與雷射激發裝置、原子光譜收集裝置進行同步控制；雷射激發裝置和原子光譜收集裝置用於激發並獲取土壤表面的微量原子發射光譜，分析土壤表面被照射位置的氮素含量；分析裝置，用於承載控制、定標和定量化回歸算法，計算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，並自動繪製氮素分布圖。具體為負壓艙體8為60cm*50cm*50cm的長方體，材料為合金鋁。艙體做氣密處理。系統工作時，氣泵I通過安裝在艙體一端的氣嘴9對艙體內部進行抽氣，並向外排氣，直到內部形成約20%-50%大氣壓(通過氣泵工作時間進行控制)。此時，空氣中氮素對測量結果的影響已經可以忽略。進樣口 16為以5cm為直徑的圓形孔洞。孔洞前方置有柔性片狀塑料作為遮擋，這樣可確保不會有外界氣體進入艙體內，進一步確認測量結果不會受外界空氣的影響。在測量時，將遮擋物用手打開，並將土壤樣本(5cm直徑的球形以內)按壓入進樣口16內。由於艙內的負壓狀態，土壤樣本可以順利進入樣本進樣通道15，併到達二維運動樣本臺12，採用樣本夾持裝置14加以固定。二維運動樣本臺12為鋼材料的80mm*80mm*10mm的平板，土壤樣本被固定在二維運動樣本臺12上。二維運動樣本臺12連接橫軸步進電機6和縱軸步進電機7，連接橫軸步進電機和縱軸步進電機分別通過兩個絲槓與二維運動樣本臺12連接，驅動樣本臺在兩個軸向運動。橫軸步進電機6、縱軸步進電機7均通過脈衝信號控制，其控制程序在分析計算系統中運行，根據系統的運行狀態實時發出控制指令和脈衝信號。步進電機連接步進電機控制器4，二維運動樣本臺12與雷射激發裝置聯動，二維運動樣本臺設有觸發模塊，雷射激發後，觸發模塊發出指令，控制二維運動臺進行二維運動。本實施例中雷射發射裝置包括兩套波長不同的雷射器，其中一套雷射器2的波長為532nm，另一套雷射器17的波長為1064nm ;所述波長為532nm的雷射器用於激發土壤中所有氮元素；所述波長為1064nm的雷射器用於激發土壤中的速效氮；兩個雷射器的出射光束在分束器18表面分別通過透射、反射擊打到樣本的同一位置；雷射激發裝置由雷射器、聚焦鏡、光纖稱合器、出射光纖、分束器組成。其中，雷射器為Nd =YAG的調Q雷射器，兩套雷射器採用各自的溫控系統，將基底的溫度控制在20°C。兩套雷射器相互垂直，兩束出射雷射均經過一個半透半反的分束器，從而實現了兩束雷射光路的同軸。通過順序控制兩個雷射器，兩個雷射器出射的光束將順序地聚焦、擊打在樣本的同一位置。本實施例採用一個與樣本臺12呈45度角的石英光纖10收集光信號。在本實施例中，雷射激發裝置和原子光譜收集裝置採集的時間間隔設置為4微秒。實施例中採用的高解析度分光系統3為凹面光柵結構，應用511單元的線陣CCD探測器。探測器材料為矽，採集波段為300-1100nm，解析度為O. 5nm。積分時間為1ms。該二維運動樣本臺12設有緊固結構來微調自身的高度(步進為100微米)，從而解決樣本厚度不同造成的聚焦點高度不一致的問題。分析裝置5由2片FPGA組成並行處理系統，承擔土壤樣本中速效氮計算、有機態氮計算、雷射激發和光譜收集之間延遲時間分析控制、樣本中氮素分布圖譜分析的功能。當樣本夾持在樣本臺，按動系統啟動按鈕，系統開始工作。兩臺步進電機首先帶動樣本臺到達零位。在分析裝置的控制下，532nm雷射器首先擊打土壤樣本零位，並採集光譜。2ms後，1064nm雷射器擊打同一位置土壤樣本，並採集光譜。接下來,橫軸步進電機帶動樣本臺向下一位置移動，並重複上述過程。第一行的100個點測試完成後。縱向步進電機帶動樣本臺向下一行移動，並重複上述過程，直到凝成100*100點的測試和數據採集。上述過程完成後，分析裝置根據得到的光譜數據計算土壤樣本中總氮、速效氮。並以氮素濃度為亮度，分別繪製總氮、速效氮在土壤樣本表面的分布圖像。如圖2所示，本發明實施例提供一種土壤表面氮元素分布的快速測量方法，其特徵在於，該方法包括步驟S1. 土壤樣本經進樣口置入密閉負壓艙體內；S2.雷射激發裝置的532nm和1064nm雷射依次擊打待測土壤樣本表面；S3.在雷射擊打之後，光纖依次收集兩次擊打後產生的等離子態光學信號，並傳輸至原子光譜收集系統；S4.原子光譜收集系統獲取原子發射光譜，通過分析裝置的計算獲得所激發位置的速效氮、有機態氮含量；S5.在分析裝置信號觸發下，二維運動臺土壤將樣本進行微小距離移動，從而測量另一位置的氮素含量；S6.重複上述過程，將預設的區域掃描完成後，分析裝置在獲得每一像素位置氮素含量的基礎上，繪製速效氮、有機態氮的分布圖。本發明實施例提供的土壤表面氮元素分布的快速測量方法和系統，彌補了對比技術的不足，具體具有如下優點(I)可獲得土壤表面有機態氮、速效氮成分；(2)可獲得土壤樣本表面氮素的分布圖像；
(3)可有效消除空氣中氮素對測量結果的影響。以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明技術原理的前提下，還可以做出若干改進和替換，這些改進和替換也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，包括:密閉負壓艙體和分析裝置以及設置於密閉負壓艙體內的二維運動樣本臺、雷射激發裝置和原子光譜收集裝置； 所述分析裝置控制所述二維運動樣本臺的運動狀態，所述二維運動樣本臺與雷射激發裝置、原子光譜收集裝置進行同步控制； 雷射激發裝置和原子光譜收集裝置用於激發並獲取土壤表面的微量原子發射光譜，分析土壤表面被照射位置的氮素含量； 分析裝置，用於承載控制、定標和定量化回歸算法，計算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，並自動繪製氮素分布圖。
2.如權利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，所述密閉負壓艙體的一端設有負壓型進樣口，所述土壤樣本經進樣口置入密閉負壓艙體內。
3.如權利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，還包括氣泵，所述氣泵用於抽取艙體內的氣體，形成負壓環境；所述密閉負壓艙體設有氣嘴，在氣泵抽動下形成約20%-50%大氣壓的內部 氣壓條件。
4.如權利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，所述二維運動樣本臺與雷射激發裝置聯動，二維運動樣本臺設有觸發模塊，雷射激發後，觸發模塊發出指令，控制二維運動樣本臺進行二維運動。
5.如權利要求4所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，所述二維運動樣本臺連接橫軸步進電機和縱軸步進電機，橫軸步進電機和縱軸步進電機通過脈衝信號控制，所述橫軸步進電機和縱軸步進電機分別通過絲槓傳動，帶動二維運動樣本臺進行二維運動。
6.如權利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，雷射發射裝置包括兩套波長不同的雷射器，其中一套雷射器的波長為532nm，另一套雷射法的波長為1064nm ;所述波長為532nm的雷射器用於激發土壤中所有氮元素；所述波長為1064nm的雷射器用於激發土壤中的速效氮；兩束雷射器出射的雷射通過分束器的透射和反射聚焦到同一位置； 雷射激發裝置由雷射器、聚焦鏡、光纖耦合器、出射光纖、分束器組成。
7.如權利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，所述原子光譜收集裝置，用於獲取所激發等離子態信號的光譜，等離子態光信號通過一個與二維運動樣本臺形成45°傾角的光纖進行收集，採用凹面光柵、面陣電荷耦合元件對所收集的光進行波長分離，獲得720-770nm波段內的高解析度光譜。
8.如權利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，所述的分析裝置由2片FPGA組成並行處理系統，承擔土壤樣本中速效氮計算、有機態氮計算、雷射激發和光譜收集之間延遲時間分析控制、樣本中氮素分布圖譜分析的功能。
9.如權利要求1所述的土壤表面氮元素分布的快速測量系統，其特徵在於，所述二維運動樣本臺設有緊固結構來微調自身的高度。
10.一種基於權利要求1-9任一項所述系統的土壤表面氮兀素分布的快速測量方法，其特徵在於，該方法包括步驟: S1.土壤樣本經進樣口置入密閉負壓艙體內；S2.雷射激發裝置的532nm和1064nm雷射依次擊打待測土壤樣本表面；S3.在雷射擊打之後，光纖依次收集兩次擊打後產生的等離子態光學信號，並傳輸至原子光譜收集系統；S4.原子光譜收集系統獲取原子發射光譜，通過分析裝置的計算獲得所激發位置的速效氮、有機態氮含量；S5.在分析裝置信號觸發下，二維運動樣本臺土壤將樣本進行微小距離移動，從而測量另一位置的氮素含量； S6.重複上述過程，將預設的區域掃描完成後，分析裝置在獲得每一像素位置氮素含量的基礎上，繪製速效氮、有機態氮的分布圖。
全文摘要
本發明涉及地球勘探技術領域，尤其涉及一種對土壤表面氮元素分布的快速測量的方法和系統。該系統包括密閉負壓艙體、分析裝置、二維運動樣本臺、雷射激發裝置和原子光譜收集裝置；分析裝置控制二維運動樣本臺的運動狀態，雷射激發裝置和原子光譜收集裝置用於激發並獲取土壤表面的微量原子發射光譜，分析土壤表面被照射位置的氮素含量；分析裝置，用於承載控制、定標和定量化回歸算法，計算土壤表面被照射不同位置的氮素的含量，自動繪製氮素分布圖。本發明實施例提供的土壤表面氮元素測量的方法和系統，可獲得土壤表面有機態氮、速效氮成分、土壤樣本表面氮素的分布圖像、有效消除空氣中氮素對測量結果的影響。
文檔編號G01N21/63GK103076309SQ20121055868
公開日2013年5月1日 申請日期2012年12月20日 優先權日2012年12月20日
發明者趙春江, 董大明, 鄭文剛, 趙賢德, 矯雷子, 鮑鋒, 吳文彪 申請人:北京農業信息技術研究中心