一種土壤污染激光檢測裝置的制造方法
【專利摘要】本實用新型提出了一種土壤污染激光檢測裝置，包括：激光產(chǎn)生單元，包括激光電源、與所述激光電源連接的激光器、與所述激光器匹配的準直透鏡、與所述準直透鏡匹配的聚焦透鏡和與所述聚焦透鏡匹配的石英窗片；校準單元，包括與所述激光器匹配的分束鏡和與所述分束鏡匹配的激光功率計；檢測單元，包括與所述石英窗片匹配的光譜收集透鏡、與所述光譜收集透鏡匹配的光纖探頭和與所述光纖探頭連接的光譜儀。本實用新型有益效果：體積小，無需采樣和樣品預處理，從而避免二次污染，對土壤樣品幾乎無破壞；設置有校準單元，可以有效消除激光器波動帶來的影響，消除了每次激光激發(fā)過程中激光脈沖能量的抖動對測量精度的影響。
【專利說明】
一種土壤污染激光檢測裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及土壤修復領(lǐng)域，特別是指一種土壤污染激光檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]重金屬是環(huán)境中“一類污染物”，伴隨社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，其污染程度和污染面積都呈逐年增加趨勢。土壤一旦遭受重金屬污染，土壤中重金屬富集在植物體內(nèi)，通過食物鏈威脅人類身體健康，如日本發(fā)生的汞中毒導致的水俁病和食用“鎘米”引起的骨痛病，中國目前每年有10%的大米重金屬超標且重金屬污染事件時有發(fā)生，已造成了嚴重的經(jīng)濟損失。由于土壤重金屬污染具有隱蔽性、滯后性等特點，需要經(jīng)過較長時間才被人們所認識，同時，其污染基本為一不可逆過程，一般被重金屬污染的土壤需要100?200年時間才能恢復。
[0003]土壤重金屬元素種類多樣，它們在環(huán)境中的背景值以及在《中國土壤環(huán)境質(zhì)量標準》中所規(guī)定的臨界值都不盡相同，采用傳統(tǒng)方法對土壤重金屬進行同時分析非常困難，通常先到污染地點采集土壤樣品，然后返回實驗室應用原子吸收光譜、原子熒光光譜、等離子一一原子發(fā)射光譜或質(zhì)譜等進行化學分析，且不同重金屬分析方法存在差異，操作工序復雜、費時，不但耗費大量人力物力，對實驗人員的健康也有一定影響。激光誘導等離子體光譜技術(shù)是一項近年來快速發(fā)展的化學元素分析技術(shù)，具有實時、快速、現(xiàn)場探測和多元素同時探測的優(yōu)點，非常適合土壤重金屬污染監(jiān)測。
[0004]激光誘導等離子體光譜技術(shù)的工作機理為:高能脈沖激光束會聚于樣品表面，在會聚點處獲得兆瓦級的光子能量密度(單位平方厘米)，物質(zhì)吸收了高密度的光子發(fā)生“多光子吸收電離”，電離出的自由電子在激光電場的加速作用下與原子發(fā)生劇烈碰撞并使其電離而產(chǎn)生更多的自由電子，這些自由電子繼續(xù)參與到碰撞電離過程中，從而發(fā)生類似“鏈式反應”的“級聯(lián)電離”，當電子密度增加到一定程度，發(fā)生離解而形成高溫高能態(tài)的等離子體，同時伴有清脆的沖擊波響聲和強烈的閃光。激光脈沖持續(xù)時間通常在1ns以下，激光脈沖消失以后，等離子體逐漸冷下來，同時輻射出各種元素的原子光譜。這些原子譜線是物質(zhì)所含元素的“指紋”，其波長位置對應元素的種類，其信號強度對應元素的含量，這就是光誘導等離子體光譜技術(shù)定性、定量分析物質(zhì)元素組成的基礎。
[0005]目前，激光誘導等離子體光譜技術(shù)的定性分析能力已經(jīng)得到世界公認，但在定量分析方面需要進一步提升，主要是在利用激光誘導等離子體光譜技術(shù)進行定量分析時，由于采樣點尺寸很小(通常小于1mm)，從而被測樣本基質(zhì)的不均勻性很容易導致測量結(jié)果呈現(xiàn)較大的離散性，為了提高定量分析的精度和準確度，通常需要重復測量，在對大量數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎上給出較理想的結(jié)果，但每次測量過程中由于激光脈沖能量的不穩(wěn)定性往往引入較大的測量偏差，需要采取必要的措施消除掉這一影響。
【實用新型內(nèi)容】
[0006]本實用新型提出一種土壤污染激光檢測裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中上述的問題。
[0007]本實用新型的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的:
[0008]一種土壤污染激光檢測裝置，包括:
[0009]激光產(chǎn)生單元，包括激光電源、與所述激光電源連接的激光器、與所述激光器匹配的準直透鏡、與所述準直透鏡匹配的聚焦透鏡和與所述聚焦透鏡匹配的石英窗片；
[0010]校準單元，包括與所述激光器匹配的分束鏡和與所述分束鏡匹配的激光功率計；
[0011]檢測單元，包括與所述石英窗片匹配的光譜收集透鏡、與所述光譜收集透鏡匹配的光纖探頭和與所述光纖探頭連接的光譜儀。
[0012]進一步地，本實用新型所述的土壤污染激光檢測裝置，還包括:
[0013]分析單元，包括與所述激光功率計和所述光譜儀連接的分析電路，以及與所述激光電源、所述光譜儀和所述分析電路連接的時序控制電路。
[0014]優(yōu)選地，所述光譜收集透鏡的數(shù)量至少為兩組。
[0015]進一步地，所述檢測單元還包括:
[0016]角度調(diào)節(jié)器，與所述光譜收集透鏡連接。
[0017]進一步地，所述檢測單元還包括:
[0018]穿孔反射鏡，與所述石英窗片和所述光譜收集透鏡匹配。
[0019]進一步地，所述激光電源包括:
[0020]電源變換單元；
[0021 ]輸出電流處理單元，與所述電源變換單元連接；
[0022]輸出高壓處理單元，與所述電源變換單元連接；
[0023]功率校正變換控制單元，與所述電源變換單元和所述輸出電流處理單元連接；
[0024]控制單元，與所述輸出電流處理單元、所述輸出高壓處理單元和所述功率校正變換控制單元連接；
[0025]激光能量檢測放大單元，與所述控制單元連接；
[0026]通信控制單元，與所述控制單元連接；
[0027]外部控制信號處理單元，與所述功率校正變換控制單元連接。
[0028]進一步地，所述激光電源還包括:
[0029]可充電電池，與所述電源變換單元連接。
[0030]進一步地，所述激光電源還包括:
[0031]輔助顯示單元，與所述控制單元連接。
[0032]進一步地，所述控制單元括:
[0033]信號變換單元；
[0034]比較判斷單元，與所述信號變換單元連接；
[0035]存儲單元，與所述比較判斷單元連接；
[0036]通信單元，與所述比較判斷單元連接。
[0037]本實用新型的有益效果為:
[0038]本實用新型所述的土壤污染激光檢測裝置，體積小，無需采樣和樣品預處理，從而避免二次污染，對土壤樣品幾乎無破壞;設置有校準單元，可以有效消除激光器波動帶來的影響，消除了每次激光激發(fā)過程中激光脈沖能量的抖動對測量精度的影響;實現(xiàn)了激光電源輸出參數(shù)、控制信號、激光能量或激光電源輸出電流的反饋，和功率控制電壓比較實現(xiàn)了輸出參數(shù)的閉環(huán)控制，進一步提升了測量精度。
【附圖說明】
[0039]為了更清楚地說明本實用新型實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0040]圖1為本實用新型一種土壤污染激光檢測裝置一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0041 ]圖2為本實用新型一種土壤污染激光檢測裝置另一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0042]圖3為本實用新型一種土壤污染激光檢測裝置的光譜收集透鏡的數(shù)量為兩組的結(jié)構(gòu)框圖；
[0043]圖4為本實用新型一種土壤污染激光檢測裝置另一個實施例的結(jié)構(gòu)框圖；
[0044]圖5為本實用新型一種土壤污染激光檢測裝置的激光電源的結(jié)構(gòu)框圖。
[0045]圖中:
[0046]1、激光電源；101、電源變換單元；102、輸出電流處理單元；103、輸出高壓處理單元；104、功率校正變換控制單元；105、控制單元；106、激光能量檢測放大單元；107、通信控制單元；108、外部控制信號處理單元；109、可充電電池；110、輔助顯示單元;2、激光器;3、準直透鏡;4、聚焦透鏡;5、石英窗片;6、分束鏡;7、激光功率計;8、光譜收集透鏡;9、光纖探頭；
10、光譜儀;11、分析電路;12、時序控制電路;13、角度調(diào)節(jié)器;14、穿孔反射鏡；15、土壤;16、等離子體。
【具體實施方式】
[0047]下面將結(jié)合本實用新型實施例中的附圖，對本實用新型實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本實用新型保護的范圍。
[0048]如圖1-5所示，本實用新型所述的一種土壤污染激光檢測裝置，包括:
[0049]激光產(chǎn)生單元，包括激光電源1、與激光電源I連接的激光器2、與激光器2匹配的準直透鏡3、與準直透鏡3匹配的聚焦透鏡4和與聚焦透鏡4匹配的石英窗片5;
[0050]校準單元，包括與激光器2匹配的分束鏡6和與分束鏡6匹配的激光功率計7;
[0051]檢測單元，包括與石英窗片5匹配的光譜收集透鏡8、與光譜收集透鏡8匹配的光纖探頭9和與光纖探頭9連接的光譜儀10。
[0052]具體使用時，激光電源I供電給激光器2，使激光器2輸出脈沖激光束，脈沖激光束先通過分束鏡6，其中一部分脈沖激光能量被分束鏡6反射給激光功率計7，另外一部分脈沖激光能量經(jīng)準直透鏡3后傳輸至聚焦透鏡4，然后穿過石英窗片5聚焦到土壤15表面，激光脈沖聚焦在土壤15表面時，土壤15瞬時被燒蝕形成高溫、高密度等離子體16;高溫、高密度等離子體16中的元素發(fā)射特征光譜穿過石英窗片5照射在光譜收集透鏡8上，再由光譜收集透鏡8聚焦到光纖探頭9上，聚焦到光纖探頭9上的光束經(jīng)過光纖傳輸給光譜儀10中的分光系統(tǒng)進行分光，再由光譜儀10中的CCD進行光電轉(zhuǎn)換完成數(shù)據(jù)采集。
[0053]其中，本實用新型所述的土壤污染激光檢測裝置，還可以包括:
[0054]分析單元，包括與激光功率計7和光譜儀10連接的分析電路11，以及與激光電源1、光譜儀1和分析電路11連接的時序控制電路12。
[0055]具體使用時，分析電路11以激光功率計7測得的激光能量作為參考值，分析電路11將光譜儀10信號與激光功率計7信號進行比較運算以消除激光器2光源波動帶來的影響;時序控制電路12控制激光電源I和光譜儀10的工作時序關(guān)系。在激發(fā)等離子體16后的幾十微秒之內(nèi)，打開光譜儀10，就可以采集到等離子體16的光譜，通過分析電路11對等離子體16的光譜進行分析，實時得出樣品的組分含量。
[0056]其中，本實用新型所述的土壤污染激光檢測裝置，分析單元還可以包括:
[0057]報警裝置，與所述分析電路11連接。報警裝置的設置，可以實現(xiàn)聲光提醒，避免誤讀等情況的發(fā)生。
[0058]其中，優(yōu)選地，所述光譜收集透鏡8的數(shù)量至少為兩組。光譜收集透鏡8設置在聚焦透鏡4周圍，光譜收集透鏡8的數(shù)量可以為兩組、三組等，主要是為了防止光譜收集透鏡8只有一組時出現(xiàn)損壞，從而在檢測現(xiàn)場無法使用，另一方面高溫、高密度等離子體16中的元素發(fā)射特征光譜的時間也非常短，設置兩組或兩組以上光譜收集透鏡8也可以提升測量精度和穩(wěn)定性。
[0059]其中，所述檢測單元還可以包括:
[0060]角度調(diào)節(jié)器13，與光譜收集透鏡8連接。角度調(diào)節(jié)器13可以配合光譜收集透鏡8在O?90°范圍內(nèi)調(diào)整，以保證光譜收集透鏡8收集到等離子體16中的元素發(fā)射的特征光譜。
[0061]其中，所述檢測單元還可以包括:
[0062]穿孔反射鏡14，與石英窗片5和光譜收集透鏡8匹配。穿孔反射鏡14的設置，可以降低本實用新型所述的土壤污染激光檢測裝置的復雜性，進一步減小體積。
[0063]其中，所述激光電源I可以包括:
[0064]電源變換單元101;
[0065]輸出電流處理單元102，與電源變換單元101連接；
[0066]輸出高壓處理單元103，與電源變換單元101連接；
[0067]功率校正變換控制單元104，與電源變換單元101和輸出電流處理單元102連接；
[0068]控制單元105，與輸出電流處理單元102、輸出高壓處理單元103和功率校正變換控制單元104連接；
[0069]激光能量檢測放大單元106，與控制單元105連接；
[°07°] 通信控制單元107，與控制單元105連接；
[0071]外部控制信號處理單元108，與功率校正變換控制單元104連接。
[0072]其中，電源變換單元101用于從市電到直流高壓恒流源或者從直流低壓恒流源到直流高壓恒流源的變換;輸出電流處理單元102用于電源變換單元101輸出電流的檢測、濾波和放大;輸出高壓處理單元103用于電源變換單元101輸出高壓的檢測和濾波;功率校正變換控制單元104用于主要完成功率變換的PffM控制、響應電流反饋、保護聯(lián)鎖等，滿足直流母線電壓預穩(wěn)、實現(xiàn)功率因數(shù)校正有關(guān)控制等;控制單元105用于完成多路A/D轉(zhuǎn)換、邏輯判斷、比較、控制、存儲等功能，并完成與上位機、時序控制電路12和下述的輔助顯示單元110等設備、單元之間的通信，在判斷出電源變換單元101輸出開路、高壓放電、激光器2損壞的情況下，及時關(guān)閉電源變換單元101輸出，避免因為長時間的高壓輸出而可能產(chǎn)生的高壓放電，損壞電源變換單元101等;激光能量檢測放大單元106用于激光能量的檢測和放大;通信控制單元107用于與上位機、時序控制電路12和下述輔助顯示單元110等設備、單元之間的通信;外部控制信號處理單元108用于檢測外部控制開關(guān)量信號的有無，模擬信號的大小。
[0073]其中，所述激光電源還可以包括:
[0074]可充電電池109，與電源變換單元101連接?？沙潆婋姵?09的設置，可以大大提升本實用新型所述的土壤污染激光檢測裝置的便利性，使得檢測不受限于電源，避免了需要在檢測現(xiàn)場尋找市電電源、牽扯電源線等問題。
[0075]其中，所述激光電源還可以包括:
[0076]太陽能電池，與電源變換單元連接。太陽能電池的設置，可以進一步提升使用的便利性，并且節(jié)能環(huán)保。
[0077]其中，所述激光電源還可以包括:
[0078]輔助顯示單元110，與控制單元105連接。通過輔助顯示單元110可以顯示運行參數(shù)，如:輸出電壓、電流，電源工作狀態(tài)正常與否，外部輸入信號狀態(tài)或大小，故障信息和故障定位點等。
[0079]其中，所述控制單元105可以包括:
[0080]信號變換單元；
[0081 ]比較判斷單元，與信號變換單元連接；
[0082]存儲單元，與比較判斷單元連接；
[0083]通信單元，與比較判斷單元連接。
[0084]本實用新型所述的土壤污染激光檢測裝置，體積小，無需采樣和樣品預處理，從而避免二次污染，對土壤樣品幾乎無破壞;設置有校準單元，可以有效消除激光器2波動帶來的影響，消除了每次激光激發(fā)過程中激光脈沖能量的抖動對測量精度的影響;實現(xiàn)了激光電源輸出參數(shù)、控制信號、激光能量或激光電源輸出電流的反饋，和功率控制電壓比較實現(xiàn)了輸出參數(shù)的閉環(huán)控制，進一步提升了測量精度。
[0085]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，包括: 激光產(chǎn)生單元，包括激光電源(I)、與所述激光電源(I)連接的激光器(2)、與所述激光器(2)匹配的準直透鏡(3)、與所述準直透鏡(3)匹配的聚焦透鏡(4)和與所述聚焦透鏡(4)匹配的石英窗片(5); 校準單元，包括與所述激光器(2)匹配的分束鏡(6)和與所述分束鏡(6)匹配的激光功率計(7); 檢測單元，包括與所述石英窗片(5)匹配的光譜收集透鏡(8)、與所述光譜收集透鏡(8)匹配的光纖探頭(9)和與所述光纖探頭(9)連接的光譜儀(10)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，還包括: 分析單元，包括與所述激光功率計(7)和所述光譜儀(10)連接的分析電路(11)，以及與所述激光電源(I)、所述光譜儀(10)和所述分析電路(11)連接的時序控制電路(12)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，所述光譜收集透鏡(8)的數(shù)量至少為兩組。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，所述檢測單元還包括: 角度調(diào)節(jié)器(13)，與所述光譜收集透鏡(8)連接。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，所述檢測單元還包括: 穿孔反射鏡(14)，與所述石英窗片(5)和所述光譜收集透鏡(8)匹配。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，所述激光電源(I)包括: 電源變換單元(101); 輸出電流處理單元(102)，與所述電源變換單元(101)連接； 輸出高壓處理單元(103)，與所述電源變換單元(101)連接； 功率校正變換控制單元(104)，與所述電源變換單元(101)和所述輸出電流處理單元(102)連接； 控制單元(105)，與所述輸出電流處理單元(102)、所述輸出高壓處理單元(103)和所述功率校正變換控制單元(104)連接； 激光能量檢測放大單元(106)，與所述控制單元(105)連接； 通信控制單元(107)，與所述控制單元(105)連接； 外部控制信號處理單元(108)，與所述功率校正變換控制單元(104)連接。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，所述激光電源還包括: 可充電電池(109)，與所述電源變換單元(101)連接。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，所述激光電源還包括: 輔助顯示單元(110)，與所述控制單元(105)連接。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的土壤污染激光檢測裝置，其特征在于，所述控制單元(105)包括: 信號變換單元； 比較判斷單元，與所述信號變換單元連接； 存儲單元，與所述比較判斷單元連接； 通信單元，與所述比較判斷單元連接O
【文檔編號】G01N21/01GK205607864SQ201620396144
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年5月5日
【發(fā)明人】孫銘, 孫一銘
【申請人】孫銘, 孫一銘