土壤红外光声光谱快速测定仪及其土壤理化性质测定方法

摘要

土壤红外光声光谱快速测定仪及其土壤理化性质快速测定方法，设有光源发生器、光栅、单色仪与光学斩波器；特征是还设有光声附件或反射光纤附件，通过硬质胶管连接高纯氦气罐，光声附件的进光口与单色仪出光口位于同一光轴上；其输出与所述光学斩波器的输出均接锁相放大器，锁相放大器连接计算机。光声池中装入土壤样品，放入光声附件中，调至吹扫模式，打开高纯氦气阀门，吹扫后密封光声池，参数设定完成后即可开始采集土壤光谱。本发明与传统土壤分析方法相比，其优点在于能够同时对土壤中多种组分进行定性及定量分析，大幅度提高土壤分析的效率，对土壤样品不产生任何破坏，操作简单，灵敏度高，检测限低，对环境无污染，测定结果重现性好。

说明书

技术领域

本发明属于测量仪器技术领域，具体涉及一种土壤红外光声光谱快速测定仪。本发明还涉及该土壤红外光声光谱快速测定仪的土壤理化性质快速测定方法。

背景技术

土壤研究是一项重要但复杂的工作，传统的土壤理化性质分析都是利用化学方法，不仅费时费力，而且在一定程度上破坏了土壤样品，忽略了土壤作为一个整体其内部的复杂相互作用，从而导致测定结果与真实值之间存在一定偏差。为了更好的认识和利用土壤资源，需要应用以土壤整体为研究对象的分析方法，红外光谱技术的出现为土壤研究提供了有力支撑。红外光谱技术能够实现对土壤组分的测定是基于不同物质的功能基团对特定波长的吸收，结合不同基团的振动基频解析光谱，对土壤不同组分进行定性及定量分析。

红外透射光谱的出现最早，并逐渐得到了广泛的应用，它直接测量样品的红外吸收强度，较好的应用于土壤定性分析。但由于土壤的透射度很低，这种方法难以实现对土壤的定量分析，因此红外反射光谱技术又被进入到土壤研究领域。红外反射光谱又可以分为镜面反射光谱、漫反射光谱和衰减全反射光谱等不同技术，根据研究对象采用不同的红外反射光谱技术实现了对土壤肥力、有机质以及化学机理等多方面的研究分析，虽然红外反射光谱在土壤学中应用广泛，仍存在很多问题，例如灵敏度不高，准确度相对较低等。

红外光声光谱的出现克服了红外透射光谱和红外反射光谱技术中的许多困难，测定无需样品前处理，对样品不产生任何损耗，且测量灵敏度高，光谱稳定性好，能够同时分析多种物质，在土壤学研究领域有巨大的应用潜力。

红外光谱区根据波长可分为远红外、中红外和近红外不同区域，其中近红外区段的光谱能量高，对特征基团有较好的激发作用，因此在土壤肥力和结构性质研究中应用广泛。

利用近红外光声光谱技术，能够获得精密的土壤近红外光声光谱图，结合数学分析方法，从而实现对土壤多组分的定性和定量分析，是土壤研究中一项快速、准确、环保的技术手段。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量快速、灵敏度高、检测限低、对样品无破坏性的土壤红外光声光谱快速测定仪，能克服传统化学分析方法操作复杂、对样品有损分析的问题。本发明还涉及该土壤红外光声光谱快速测定仪的土壤理化性质快速测定方法。

 

完成上述发明任务的技术方案是，一种土壤近红外光声光谱快速测定仪，设有光源发生器、光栅、单色仪与光学斩波器；其特征在于，应用了光声附件（或反射光纤附件），该光声附件（或反射光纤附件）通过硬质胶管连接高纯氦气罐，同时，该光声附件（或反射光纤附件）的进光口与所述单色仪出光口位于同一水平面光轴上；该光声附件（或反射光纤附件）的输出与所述光学斩波器的输出均连接锁相放大器，锁相放大器连接计算机，进而通过斩波器调节入射光的调制频率，并结合入射光波长的选择与优化，实现不同土壤理化性质的快速测定。

换言之，本发明提出的一种土壤近红外光声光谱快速测定仪，主要包括光源发生器、光学斩波器、单色仪、光声附件、手动升降台、计算机、锁相放大器，光源发生器连接稳流电源，与单色仪固定于基座上；光声附件（或反射光纤附件）进光口与单色仪出光口位于同一水平面，通过硬质胶管连接高纯氦气罐，并与锁相放大器和计算机相连；锁相放大器连接计算机。

本发明中，光学斩波器包括光栅和脉冲控制器，光栅位于光源发生器的出光口，对准单色仪的进光口，脉冲控制器分别与光栅和锁相放大器相连。

本发明中，光声附件（或反射光纤附件）固定在手动升降台上面。

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述土壤近红外光声光谱快速测定仪的土壤快速测定方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.适量土壤样品放入光声池（光声池中装入不超过2/3高度且覆盖底部的土壤样品）；

⑵.若附件为光声附件，将光声附件调至吹扫模式，打开高纯氦气阀门，用高纯氦气吹扫，去除光声池内的水蒸气和二氧化碳；

若附件为光纤反射附件，则用高纯氮吹扫，去除光路中的水和二氧化碳；

⑶.随后立即密封光声池；

⑷.打开光源，其发出的白光在光学斩波器和光栅的作用下变为可调制的近红外光；

⑸.光声池内的土壤样品吸收特定波长的近红外光而产生热量，并传导给样品周围的氦气引起周期性的压力波动；

⑹.该周期性的压力波动经过锁相放大器显示为压力信号值后在计算机中以光谱的形式显示出来。

本发明与传统土壤分析方法相比，其优点在于能够同时对土壤中多种组分进行定性及定量分析，对高吸收的土壤样本，准确度和灵敏度显著提高，大幅度提高土壤分析效率，对土壤样品不产生任何破坏，操作简单，灵敏度高，检测限低，对环境无污染，测定结果重现性好。

附图说明

图1 为本光明的设计图。整套设备由光源模块、参考光路模块、检测模块（光声检测附件和反射检测附件）以及光谱显示和分析模块。由光谱分析借助软件土壤红外光谱信息系统。

图2 为本发明的结构示意图。

具体实施方式

实施例1，土壤近红外光声光谱快速测定仪，如图1、图2所示，本发明包括图中标号分别为：光源发生器1，光栅2，单色仪3，手动升降台4，光声附件或反射光纤5，计算机6，锁相放大器7，光学斩波器8，稳流电源9，高纯氦气罐10。

光源采用溴钨灯光源（或可调谐激光光源），溴钨灯光源价格便宜，采用的型号为北京卓立汉光LHT150 QTH，内置150W溴钨灯灯泡，该光源稳定性好，寿命长，是可见-近红外波段的理想光源，连接配套的LPT150 稳流电源。光栅固定于溴钨灯光源的出光口，调制盘采用30/25狭缝规格，连接型号为SR540的光学斩波器，调制频率可高达3.7 kHz。单色仪使用卓立汉光Omni-λ150,与溴钨灯光源固定于同一基座上，其进光口对准溴钨灯光源的出光口，并通过USB端口连接计算机。光声附件型号为美国METC公司生产的Model 300，固定于手动升降台上，调整高度使光声附件进光口与单色仪出光口位于同一平面，保证近红外光进入光声附件，同时光声附件吹扫进气口通过流量计连接高纯氦气罐。锁相放大器采用SR810，分别连接光学斩波器、计算机以及光声附件，光声池中压力变化信号依据光声转换原理通过锁相放大器转换成电信号，并在计算机上显示为光谱。

本发明采集土壤近红外光声光谱的原理如下：光声池中装入不超过2/3高度且覆盖底部的土壤样品，放入光声附件中，将光声附件调至吹扫模式，打开高纯氦气阀门，以0.5-2 mL/s的流量吹扫10 s后密封光声池，分别设定调制频率为20-100 Hz，分辨率为4-8 nm，波长范围400-2500 nm，参数设定完成后即可开始采集土壤光谱。

本发明设备的主要性能如下：

(1) 波长范围800-2500 nm，带宽最低可达0.3 nm； 

(2) 信号检测通道：1反射光通道和1个光声通道； 

(3) 反射光谱探测范围：400-1700 nm，最小探测精度达到0.1 nm，光纤探针与光纤联接；

完全数字化电子处理系统，分辨率达262,144道； 

(4) 光声检测灵敏度为 65 mV/Pa、5 Hz to 20 kHz，12倍增益；

(5) 锁相放大频率可调范围涵盖1 mHz-102.4 kHz，时间常数涵盖10 μs to 30 ks。

 

本设备能检测的土壤理化性质如下表：

土壤性质参数检测误差 RMSE线性相关性R²有机质（g kg^-1）<2.00>0.80pH<0.25>0.80矿物（%）<5.0>0.75全氮（g kg^-1）<0.20>0.80全磷（g kg^-1）<0.15>0.75

综上所述，本设备具有操作简单，测定快速，高灵敏度等优点，测定过程中对土壤样品不产生任何破坏，并可以同时对土壤中的多种组分进行分析，此外，在光谱采集过程中不适用任何化学物质，且不产生任何污染物，是一项高效、准确、环保的土壤分析手段。