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专利号: 2018114780172
申请人: 南通大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2025-12-17
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于,所述检测装置包括:传感器,放大器,以及单片微型计算机。

2.一种现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于,所述检测装置包括:

传感器,可编程信号发生器,电流采样器,电压采样器,仪用放大器I,仪用放大器V,A/D转换器I(即ADC-I),A/D转换器V(即ADC-V),接口电路,MCU(微控制单元,MicroController Unit;MCU,又称为单片微型计算机),输入设备,温度控制模块,电源模块;所述传感器还内置有电加热器和热电偶;在检测时,传感器中填装有采集得到的土壤试样;

所述输入设备电性连接至MCU,可编程信号发生器的受控输入端电性连接至MCU,可编程信号发生器的信号输出端电性连接至传感器,电流采样器,电压采样器分别与传感器电性连接,电流采样器与仪用放大器I的信号输入端电性连接,电压采样器与仪用放大器V的信号输入端电性连接,仪用放大器I的信号输出端电性连接至A/D转换器I(即ADC-I)的模拟信号输入端,仪用放大器V的信号输出端电性连接至A/D转换器V(即ADC-V)的模拟信号输入端,A/D转换器I的数字信号输出端和A/D转换器V的数字信号输出端均通过接口电路电性连接至MCU;

所述传感器包括一对平行的圆片状的金属板,每一片金属板均连接有交流电信号输入端,用于连接至可编程信号发生器的信号输出端;每一片金属板内部还均设有电加热器和热电偶,即所述传感器内置有两个电加热器和两个热电偶;电加热器和热电偶通过引线延伸出金属板外,电加热器及引线均与金属板电性绝缘,即电加热器及引线均设有绝缘套管;

电加热器和热电偶通过引线连接至温度控制模块,使得土壤试样的温度在检测时保持在由MCU预设的温度值;

输入设备用于向MCU输入预设的测量参数和检测指令;

可编程信号发生器可接收MCU发出的指令,按照MCU发出的指令产生频率和幅值由MCU预设的交流电信号;在检测时,预设产生的交流电信号为频率f随时间t变化、幅值保持不变的交流电信号;

可编程信号发生器输出所述交流电信号至传感器,对土壤试样进行检测;

在检测时,MCU还向温度控制器发出指令,使传感器内置的电加热器工作,控制所述传感器的温度值维持在预设的值;

经过传感器的交流电流信号经过电流采样器后输出至仪用放大器I进行放大,再由A/D转换器I将放大后的模拟信号转换为数字信号,得到经过传感器的交流电流信号的数字值;

传感器两端的交流电压信号经过电压采样器后输出至仪用放大器V进行放大,再由A/D转换器V将放大后的模拟信号转换为数字信号,得到传感器两端的交流电压信号的数字值;所述经过传感器的交流电流信号的数字值、传感器两端的交流电压信号的数字值通过接口电路实时地传输至MCU,由MCU实时地存储,MCU还根据经过传感器的交流电流信号和传感器两端的交流电压信号这两者的幅值、相位计算得到土壤试样的表观电容实部Cp、表观电容虚部Cp’、损耗角正切值Tan(Delta),同时将计算结果实时地存储;

在检测土壤试样的重金属含量时,由MCU将检测得到的土壤试样的表观电容实部-频率曲线即Cp-f曲线、损耗角正切值-频率曲线即Tan(Delta)-f曲线作归一化处理,对经过归一化的曲线进行曲线特征度识别,再与MCU中内设的存储器中预存的标准曲线库中的曲线作自动匹配运算,参照标准曲线库中的数值,得到所采集的土壤试样的重金属含量,所述标准曲线库记录有多个预先经过测量得到的、不同重金属含量的标准土壤试样的经过归一化处理的表观电容实部-频率曲线即Cp-f曲线、损耗角正切值-频率曲线即Tan(Delta)-f曲线。

3.一种如权利要求2所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于:

在受重金属污染的土壤试样中,重金属的种类、含量均影响着表观电容实部-频率曲线即Cp-f曲线、损耗角正切值-频率曲线即Tan(Delta)-f曲线的形状,曲线形状的畸变程度、畸变发生的位置,体现出土壤中不同成分的物质的权重。

4.一种如权利要求2或3所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于:交变信号源的输出交变电信号vt的频率f低至Hz量级,高至MHz量级;交变信号源的输出交变电信号vt的频率f随时间t作对数规律变化。

5.一种如权利要求2-4任一项所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于:所述传感器的圆片状金属板的尺寸为厘米级,厚度为毫米级。

6.一种如权利要求2-5任一项所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于:电源模块包括有AC-DC转换单元,DC-DC转换单元,隔离变压器,整流器,滤波器;电源模块实现检测装置与市电电路之间的电隔离,提高了安全性;AC-DC转换单元采用全桥整流器。

7.一种如权利要求2-6任一项所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于:所述传感器内置的两个电加热器串联地电连接至温度控制模块。

8.一种如权利要求2-7任一项所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于:可编程信号发生器采用AT89C51单片机为核心构成,AT89C51单片机的内部结构包括CPU、存储器、并行接口、串行接口、定时计/数器。

9.一种如权利要求2-8任一项所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置,其特征在于:标准曲线库中,每一条曲线还具有附加信息,所述附加信息包括:每一条经过归一化处理的表观电容实部-频率曲线、损耗角正切值-频率曲线的所有极值点、一阶导数曲线的零点、二阶导数曲线的零点。

10.一种如权利要求2-9任一项所述的现场快速检测土壤重金属含量的检测装置的应用,其特征在于:当检测的结果报告出土壤中重金属含量显著超标时,标记该取样片区的土壤受重金属污染,并采用紫外可分光光度法(UV)、原子吸收法(AAS)、原子荧光法(AFS)、电感耦合等离子体法(ICP)、X荧光光谱(XRF)、电感耦合等离子质谱法(ICP-MS)中的任一种方法,进一步进行重金属种类鉴别、含量精确测定。