(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210975446.0 (22)申请日 2022.08.15 (71)申请人 南京信息 工程大学 地址 210000 江苏省南京市宁六路219号 (72)发明人 于玮　刘玉柱　张兴龙　孙仲谋　 万恩来　葛一凡　 (74)专利代理 机构 北京众合诚成知识产权代理 有限公司 1 1246 专利代理师 陈国强 (51)Int.Cl. G01N 21/25(2006.01) G01N 21/84(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G06N 20/00(2019.01) (54)发明名称 一种智能土 壤快速分辨系统 (57)摘要 本发明公开了一种智能土壤快速分辨系统， 包括样品处理单元、 控制单元、 光谱采集单元、 分 析单元和显示输出单元， 所述样品处理单元包括 干燥装置和压片装置， 所述光谱采集单元包括样 品池、 Nd‑YAG激光器、 聚焦透镜、 光纤探头、 ICCD 探测器和光谱仪， 所述控制单元和分析单元采用 数据处理和控制单片机， 所述控制单元包括外部 控制模块和内部控制模块， 所述显示输出单元包 括显示器和USB等外接数据连接模块。 本发明将 光谱技术和机器学习算法相结合， 实现了土壤检 测的智能化、 一体化、 自动化， 极大地提高了土壤 检测的效率和准确率； 对土壤样品进行系统化的 预处理， 减少人工操作， 方便使用； 可将数据导 出， 方便在其 他外部设备进行 数据处理。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 115372276 A 2022.11.22 CN 115372276 A 1.一种智能土壤快速分辨系统， 包括样品处理单元、 控制单元、 光谱采集单元、 分析单 元和显示输出单元， 其特征在于， 所述样品处理单元包括干燥装置(1)和压片装置(2)， 且干 燥装置(1)和压片 装置(2)相连， 所述光谱采集单元包括样品池(5)、 Nd ‑YAG激光器(3)、 聚焦 透镜(4)、 光纤探头(8)、 ICCD探测器(9)和光谱仪(10)， 所述控制单元和分析单元采用数据 处理和控制单片机(11)， 所述控制单元包括外部控制模块(14)和内部控制 模块， 所述显示 输出单元包括显示器(12)和USB等外接数据连接模块(13)， 所述显示器(12)和USB等外接数 据连接模块(13)均设置在数据处 理和控制单片机(1 1)上。 2.根据权利要求1所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述干燥装置(1) 采用一个电热鼓风干燥箱。 3.根据权利要求1所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述压片装置(2) 包括机体(15)， 所述机体(15)内部的中部安装有基座(19)， 所述基座(19)上安装有旋转机 构(17)， 所述旋转机构(17)的出料口安装有导料板(18)， 所述机体(15)顶部安装于加料斗 (16)， 所述加料斗(16)底部对准旋转机构(17)， 所述机体(15)内位于导料板(18)的出料端 安装有接收漏斗(20)， 所述接收漏斗(20)的底部连通有输出管道(21)， 所述输出管道(21) 和样品池(5)连通。 4.根据权利要求1所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述样品池(5)上 放置有待测土壤样品(6)， 所述Nd ‑YAG激光器(3)发射激光光束(7)， 所述Nd ‑YAG激光器(3)、 聚焦透镜(4)和IC CD探测器(9)均对准样品池(5)上的待测土壤样品(6)。 5.根据权利 要求4所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述Nd ‑YAG激光器 (3)采用1064nm的调Q脉冲Nd ‑YAG激光器， 脉冲宽度为6ns， 调Q时间为1.5 μs， 脉冲重复频率 为10Hz， 测量时将激光脉冲能量调到 50.676mJ。 6.根据权利要求4所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述聚焦透镜(4) 选用焦距为150mm的聚焦透镜， 所述光谱仪(10)采用波长范围为200 ‑890nm的四通道光谱 仪， 所述USB等外 接数据连接模块(13)采用USB3.0的接口以及Type ‑C接口。 7.根据权利要求1所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述控制单元的内 部控制模块负责连接样品处理单元、 光谱采集单元、 显示输出单元等， 对它们进行分别控 制。 8.根据权利要求7所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述控制单元的外 部控制模块(14)连接内部控制模块， 工作人员通过在外部控制模块(14)操作即可对整个系 统的仪器进行控制， 输出 结果可在显示器(12)终端 进行显示。 9.根据权利要求1所述的一种智能土壤快速分辨系统， 其特征在于， 所述数据处理和控 制单片机(11)内置有机器学习算法和芯片， 且芯片中存储了大量的土壤光谱信息， 结合机 器学习算法对土壤光谱信息进行处理并分类， 这些信息作为一个内置的数据库， 用于后期 测量数据的比对分析。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115372276 A 2一种智能土壤快速分辨系统 技术领域 [0001]本发明涉及土壤 检测技术领域， 尤其涉及一种智能土壤快速分辨系统。 背景技术 [0002]土壤是地球上整个陆地生态系统的重要组成部分， 是人类赖以生存的最基本的自 然资源。 随着社会的快速发展建设， 工业及 城镇规模逐渐扩大， 工业材料的大量使用及生活 污水的大量排放造成了严重的土壤重金属污染， 而土壤中的重金属元素难降解， 容易被生 物富集， 可通过食物链进入人体， 对人体健康有很大的潜在危害。 因此， 探究快速简单又准 确的土壤 检测技术和分类技 术具有重要意 义。 [0003]目前， 常用的土壤元素检测方法主要以化学试验分析为主， 包括原子吸收光谱法 (AAS)、 电感耦合等离子体质谱法(ICP ‑MS)、 电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP ‑AES)。 以上方法虽然检测准确度高， 但需要消耗较多的化学试剂， 会造成环境污染， 同时需要较多 的人力物力， 耗费资源， 与快速智能化的检测要求存在较大差距。 [0004]激光诱导击穿光谱技术(LIBS)作为一种原子发射光谱检测技术， 具有原位在线、 检测速度快、 多元素同时测 量及无损检测等众多优点； 机器学习在大数据的环境下被用来 研究如何有效利用信息， 它可以从巨量数据中获取隐藏的、 有效的、 可理解的知识。 土壤中 的元素多且复杂， 元素 的多少一方面是继承了地壳化学中组成的特点， 另一方面是在成土 过程中会有元素的增减， 因此用LIBS测量土壤样品可以得到大量复杂的光谱信息， 将LIBS 和机器学习相结合， 可以从大量光谱信息中提取有效信息， 建立模型， 帮助高效地 实现土壤 的识别和分类。 发明内容 [0005]本发明公开 一种智能土壤快速分辨系统， 旨在解决背景技 术中的技 术问题。 [0006]为了实现上述目的， 本发明采用了如下技 术方案： [0007]一种智能土壤快速分辨系统， 包括样品处理单元、 控制单元、 光谱采集单元、 分析 单元和显示输出单元， 所述样品处理单元包括干燥装置和压片装置， 且干燥装置和压片装 置相连， 所述光谱采集单元包括样品池、 Nd ‑YAG激光器、 聚焦透镜、 光纤探头、 ICCD 探测器和 光谱仪， 所述控制单元和分析单元采用数据 处理和控制单片机， 所述控制单元包括外部控 制模块和内部控制模块， 所述显示输出单元包括显示器和USB等外接数据连接模块， 所述显 示器和USB等外 接数据连接模块均设置在数据处 理和控制单片机上。 [0008]在一个优选的方案中， 所述干燥装置采用一个电热鼓风干燥箱。 [0009]在一个优选的方案中， 所述压片装置包括机体， 所述机体内部的中部安装有基座， 所述基座上安装有旋转机构， 所述旋转机构的出料 口安装有导料板， 所述机体顶部安装于 加料斗， 所述加料斗底部对准旋转机构， 所述机体内位于导料板的出料端安装有接收漏斗， 所述接收漏斗的底部连通有输出 管道， 所述输出 管道和样品池连通。 [0010]通过设置有干燥装置和压片装置， 打开设备开关， 根据检测需求， 选取待测的土壤说　明　书 1/4 页 3 CN 115372276 A 3