[实用新型]基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及作物营养元素检测技术，特别涉及一种基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置。

背景技术

作物营养元素(氮、磷、钾等)与作物的生长状况以及产量密切相关。氮、磷、钾是作物三大主要营养元素。氮是色素的组成成分，能促进植物光合作用，增加作物产量；磷是作物多种化合物的组成元素，对作物品质具有重要影响；钾能促进作物光合作用，增强作物抗逆性。获取作物营养元素信息有利于了解作物的生长状况，根据作物的缺素情况实现早期定量施肥。目前，作物营养元素的检测方法主要有凯式定氮法、杜马氏燃烧法、比色法、火焰燃烧法等。然而，这些方法操作复杂、成本高，通常需要消耗大量化学试剂并造成环境污染，无法满足农田作物营养信息快速获取的要求。

激光诱导击穿光谱仪(Laser-Induced Breakdown Spectroscopy,LIBS)利用脉冲激光产生的等离子体烧蚀并激发样品(通常为固体)中的物质，并通过光谱仪获取激发等离子体原子所发射的光谱，以此来识别样品中的元素组成成分，进而可以进行材料的识别、分类、定性以及定量分析。该技术无需对样品进行预处理，能够快速实现远程、微损对样品元素(尤其是金属元素)进行检测，可用于固体、气体、液体样品的检测。近年来，激光诱导击穿光谱技术发展迅速，广泛应用于多个领域，如生物医学、考古学、环境监测、水中重金属检测以及爆炸物探测等。

应用激光诱导击穿光谱技术能快速获取作物营养信息，有利于实现农业精准化、智能化和信息化。然而，由于激光诱导击穿光谱分析量很小，基体效应对分析结果具有明显的影响。因此对于作物样本通常需要进行制样压片来保证检测的重复性。

实用新型内容

本实用新型提供了一种作物营养元素快速检测装置，实现了基于激光诱导击穿光谱对作物压片营养元素快速检测，能同时满足不同作物激光光谱的检测，具有系统调节方便，成本低，检测快速，微损等特点。

一种基于共线激光诱导击穿光谱作物营养元素快速检测的装置，包括用于产生共轴双脉冲激光的双脉冲固体激光器，所述的双脉冲固体激光器的重复频率为1～10Hz，激光532nm的能量为80～200mJ，激光1064nm的能量为80～300mJ，两束激光之间的间隔时间为200～2000ns；沿所述双脉冲固体激光器的光轴依次布置有能量衰减器、光路爬高系统和样品台，由光路爬高系统出射的激光垂直击打在样品表面产生等离子体；还包括信号采集和处理系统，采集等离子体冷却发出的特征谱线，并输入建立好的数据模型，计算出营养元素的含量。

优选的，所述的信号采集和处理系统包括：光纤收集系统，用于收集等离子体冷却发出的特征谱线；分光系统，用于对特征谱线进行分光；ICCD探测器，用于将分光系统的光信号转换为电信号；计算机，根据所述的电信号，输入建立好的数据模型，计算出营养元素的含量。

优选的，所述的分光系统为中阶梯光栅光谱仪。

中阶梯光栅光谱仪是以中阶梯光栅作为色散元件的光谱仪，无需光栅扫描即可一次性得到全谱数据，能避免普通光谱仪多通道首尾段拼接问题。中阶梯光栅光谱仪内部无机械部分，稳定性更高，分辨率能达到0.08nm，能满足谱线分光要求。

优选的，所述的光路爬高系统由依次布置的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜组成，所述第二反射镜位于第一反射镜的正上方，第三反射镜位于样品台的正上方。

光路爬高系统主要用于抬升光路，并将沿水平方向激光转化为沿垂直方向传播。应用光路爬高系统能有效避免升高激光器位置导致激光不稳定的因素。激光从样品正上方击打样品表面，有利于等离子体的有效激发，保证等离子体均匀对称分布。

优选的，所述的第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜均采用1英寸双频Nd：YAG激光反射镜，532nm、1064nm处的反射率在98％以上。

由于双脉冲固体激光器的激光波长为532nm和1064nm，为减少激光能量在光路系统的损失，保证激光能量的有效利用率，所述的反射镜均采用双频Nd：YAG激光反射镜，其在532nm、1064nm处的反射率在98％以上。

优选的，所述的样品台包括具有四自由度的电移台、活动安装在电移台上的升降板和滑动配合在电移台上的载物台；所述升降板上设有透明的约束窗口，激光透过约束窗口后击打样品；所述升降板的下方设有约束板，该约束板置于样品的正上方，约束板上分布有约束腔，该约束腔用于约束样品激发的等离子体。