本发明专利技术公开了一种基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头及方法。聚醚醚酮绝缘棒和锥头同轴连接，镀金不锈钢探针镶嵌固定在聚醚醚酮绝缘棒外表面；聚醚醚酮绝缘棒和不锈钢探杆同轴连接，不锈钢探杆内部中空且在侧壁钻孔，钻孔处镶嵌氧化铝玻璃透镜，钻孔处的不锈钢探杆内部装有由内窥镜图像传感器、280nm波长紫外LED、325nm波长紫外LED及平面镜构成的多光谱检测模块；检测获得土壤介电常数、电导率等指标表征离子型污染物含量，325nm荧光强度、280nm荧光强度及土壤图片，表征腐殖酸、多环芳烃等污染物含量并反映土壤类别。本发明专利技术便于携带、快速获得多元污染物的含量信息，适用固体废物填埋场地等场景原位深层检测。测。测。
【技术实现步骤摘要】
基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头及方法
[0001]本专利技术涉及场地污染原位检测
的一种探头和探测方法，尤其是涉及一种基于多光谱和时域反射的检测土壤多元污染物的深层贯入触探设备和触探检测方法。
技术介绍
[0002]我国现存垃圾填埋场两万余座，包括早期无规范可依建设的2.7万座简易填埋场和按当时国家标准建设的1800余座卫生填埋场。这些填埋场大部分未达到我国现行标准的要求，易发生填埋体滑坡、渗滤液渗漏污染地下水土和填埋气溢散污染空气三大环境灾害。中国环境监测总站数据显示，345座垃圾填埋场中85％存在严重渗漏，以北京市北天堂填埋场为例，其地下水土污染范围达数平方公里，深度达30m。除生活垃圾填埋场地，我国工业固废遗留堆填场也普遍地下水土污染问题，我国81处工业堆填场污染调查显示，超标率达34.9％。这些固体废物填埋场普遍有着污染源强高、污染位置埋藏深、土壤和地下水污染并存、污染物种类多等复合污染特征，包括以氨氮、总磷、氯化物、重金属离子为代表的离子型污染物，以化学需氧量COD、挥发性有机物VOC、腐殖酸等有机类特征污染物，以及工业固废堆填场常见的以石油、农药为主的多环芳烃类污染物等。针对上述固体废物填埋场的严重环境问题，我国尚缺乏有效的针对场地多元污染物的原位深层检测设备及相关技术。
[0003]时域反射法(Time domain reflectometry,TDR)是一种远程遥感测试技术，其工作原理即是由信号发生器激发的电脉冲以电磁波的形式沿着同轴电缆进行传播，如果脉冲遇到传播介质特性阻抗的变化，就会产生波的反射，信号接收器获取经反射的脉冲信号，根据传播速度以及发射脉冲与反射脉冲的时间间隔，即可计算传播介质的介电常数及电导率。介电常数可以反映土壤与地下水的相对占比情况(即含水率)，电导率可以反映土壤被离子型污染物的污染程度，侧面表征氨氮、总磷、氯化物、重金属含量等污染指标。
[0004]激光诱导荧光检测技术(Laser induced fluorescence,LIF)目前主要应用于有机污染场地的现场原位测试，用以评价有机污染物种类等特性。含有特征官能团的有机污染物受到一定波长的激发光(如紫外光、可见光等)照射的时候，该物质会发射出波长大于照射光线的各种颜色和不同光强度的光线，而当照射光停止照射时，这种光线也随之很快消失，这种发射出的光线称为荧光。针对不同的有机污染物(腐殖酸、多环芳烃等)，其具有不同波长的特征激发光，也会产生不同效果的荧光，通过对荧光影像进行捕捉识别，可根据图像色谱可以确定该污染物的类型，根据不同色谱的色光强度确定污染物的含量。
[0005]国内外基于TDR技术检测离子型污染物的相关原位检测设备公开较多。Time
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domain reflective cone penetration device(TW92113188A)是目前应用较为广泛的三针式TDR原位检测探头，适用于离子型污染土的电导率检测；用于NAPLs污染砂性土场地勘察的原位连续贯入触探探头(CN201310022293.9)则采用四针式，进行了TDR检测有机型污染物的探索，但仅能实现定性识别，且在非饱和土中功能会得到部分限制；一种原位探测土体重金属污染成分及浓度的环境孔压静力触探探头(CN201710052441.X)采用缠绕式TDR探针，受探针刚度及敏感性影响，该类型更适合10m范围内的浅部土层。综上所述的设备TDR电
极尺寸均较大，在检测过程中不可避免会对土壤产生扰动，造成检测结果的变异性。
[0006]UVIF、UVOST等设备是国外最早出现的基于LIF原理检测轻型非水相液体(LNAPLs)的原位检测探头(Hosseini et al.,2010)，OIP则拓展了LIF原理，将绿色激发光引入，实现了煤油类重型非水相液体(DNAPLs)的检测(McCall et al.,2018)。一种基于激光荧光诱导技术的土壤污染实时原位检测装置(CN201811224897.0)是国内现有公开的探头检测产品，但该专利技术并未对污染物类型及含量进行明确界定，并未对荧光信号进行定量化分析，且目标污染物过于单一化。我国暂无授权的较为成熟的多光谱原位检测探头。
技术实现思路
[0007]为解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术提供了一种基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头及方法。
[0008]本专利技术适用于生活垃圾填埋场、建筑垃圾填埋场、工业固废堆填场等固体废物填埋场地的原位深层检测，本专利技术可测得土壤介电常数(间接表征体积含水率)、土壤电导率(间接表征氨氮、总磷、氯化物、重金属等离子型污染物含量)、280nm激发光下的荧光强度FI
280
(间接表征多环芳烃类污染物含量)、325nm激发光下的荧光强度FI
325
(间接表征腐殖酸等污染物含量)，实现多元污染物的定量检测。同时获得土壤图片，辅助判断土壤类别。
[0009]本专利技术解决该技术问题所采用的技术方案是：
[0010]一、一种基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头：
[0011]探头包括锥头、聚醚醚酮绝缘棒、镀金不锈钢探针、内窥镜图像传感器、氧化铝玻璃透镜、280nm波长紫外LED、325nm波长紫外LED、平面镜和不锈钢探杆；聚醚醚酮绝缘棒下端和锥头同轴连接，高强度镀金不锈钢探针镶嵌固定在聚醚醚酮绝缘棒外表面；聚醚醚酮绝缘棒上端和不锈钢探杆下端同轴连接，不锈钢探杆内部中空且在侧壁钻孔，钻孔处镶嵌氧化铝玻璃透镜，钻孔处的不锈钢探杆内部装有由内窥镜图像传感器、280nm波长紫外LED、325nm波长紫外LED及平面镜构成的多光谱检测模块，内窥镜图像传感器、280nm波长紫外LED、325nm波长紫外LED均接线引出。
[0012]所述的聚醚醚酮绝缘棒内部中空，同轴电缆穿入聚醚醚酮绝缘棒内部并穿出聚醚醚酮绝缘棒后焊接于高强度镀金不锈钢探针起始端部；内窥镜图像传感器、280nm波长紫外LED、325nm波长紫外LED均连接到控制电缆，控制电缆和同轴电缆在不锈钢探杆内集成为总线电缆，总线电缆尾端从不锈钢探杆上端穿出后再分出同轴电缆、控制电缆，并再分别焊接BNC接头、USB接头。
[0013]所述的镀金不锈钢探针分为外周探针、内周探针，沿贴合聚醚醚酮绝缘棒的圆柱曲面进行延展布置；所述的外周探针和内周探针均呈W形/M形，且拐点处均为U形直角拐点；所述的内周探针是由外周探针向内偏置固定距离而形成；所述的外周探针、内周探针均连接到同轴电缆，同轴电缆自内至外依次为内导体、绝缘层、编织层、外护套，内导体通过铜线与内周探针起始端部焊接，编织层通过铜线与外周探针起始端部焊接。
[0014]所述的内窥镜图像传感器带有光源，氧化铝玻璃透镜外表面是平面，内表面是凹面；280nm波长紫外LED和325nm波长紫外LED布设于平面镜两侧均朝向平面镜的中心，内窥镜图像传感器发出光线经平面镜反射后透过氧化铝玻璃透镜入射到不锈钢探杆外部的土体中产生反射和散射，或者是280nm波长紫外LED本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头，其特征在于：包括锥头(1)、聚醚醚酮绝缘棒(2)、镀金不锈钢探针(3)、内窥镜图像传感器(4)、氧化铝玻璃透镜(5)、280nm波长紫外LED(6)、325nm波长紫外LED(7)、平面镜(8)和不锈钢探杆(10)；聚醚醚酮绝缘棒(2)下端和锥头(1)同轴连接，高强度镀金不锈钢探针(3)镶嵌固定在聚醚醚酮绝缘棒(2)外表面；聚醚醚酮绝缘棒(2)上端和不锈钢探杆(10)下端同轴连接，不锈钢探杆(10)内部中空且在侧壁钻孔，钻孔处镶嵌氧化铝玻璃透镜(5)，钻孔处的不锈钢探杆(10)内部装有由内窥镜图像传感器(4)、280nm波长紫外LED(6)、325nm波长紫外LED(7)及平面镜(8)构成的多光谱检测模块，内窥镜图像传感器(4)、280nm波长紫外LED(6)、325nm波长紫外LED(7)均接线引出。2.根据权利要求1所述的一种基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头，其特征在于：所述的聚醚醚酮绝缘棒(2)内部中空，同轴电缆(21)穿入聚醚醚酮绝缘棒(2)内部并穿出聚醚醚酮绝缘棒(2)后焊接于高强度镀金不锈钢探针(3)起始端部；内窥镜图像传感器(4)、280nm波长紫外LED(6)、325nm波长紫外LED(7)均连接到控制电缆(22)，控制电缆(22)和同轴电缆(21)在不锈钢探杆(10)内集成为总线电缆(9)，总线电缆(9)尾端从不锈钢探杆(10)上端穿出后再分出同轴电缆(21)、控制电缆(22)，并再分别焊接BNC接头(23)、USB接头(24)。3.根据权利要求1所述的基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头，其特征在于：所述的镀金不锈钢探针(3)分为外周探针(25)、内周探针(26)，沿贴合聚醚醚酮绝缘棒(2)的圆柱曲面进行延展布置；所述的外周探针(25)和内周探针(26)均呈W形/M形，且拐点处均为U形直角拐点；所述的内周探针(26)是由外周探针(25)向内偏置固定距离而形成；所述的外周探针(25)、内周探针(26)均连接到同轴电缆(21)，同轴电缆(21)自内至外依次为内导体(11)、绝缘层(12)、编织层(13)、外护套(14)，内导体(11)通过铜线与内周探针(26)起始端部焊接，编织层(13)通过铜线与外周探针(25)起始端部焊接。4.根据权利要求1所述的基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头，其特征在于：所述的内窥镜图像传感器(4)带有光源，氧化铝玻璃透镜(5)外表面是平面，内表面是凹面；280nm波长紫外LED(6)和325nm波长紫外LED(7)布设于平面镜(8)两侧均朝向平面镜(8)的中心，内窥镜图像传感器(4)发出光线经平面镜(8)反射后透过氧化铝玻璃透镜(5)入射到不锈钢探杆(10)外部的土体中产生反射和散射，或者是280nm波长紫外LED(6)/325nm波长紫外LED(7)发出光线透过氧化铝玻璃透镜(5)入射到不锈钢探杆(10)外部的土体中产生反射和散射，不锈钢探杆(10)外部进来的光线透过氧化铝玻璃透镜(5)再经平面镜(8)反射后入射到内窥镜图像传感器(4)。5.根据权利要求4所述的基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头，其特征在于：所述的内窥镜图像传感器(4)包括光学成像芯片及其电路(18)、镜头(19)、可见光LED照明灯(20)，镜头(19)安装在光学成像芯片及其电路(18)上，可见光LED照明灯(20)共计八个，围绕镜头(19)在周围布设。6.根据权利要求1所述的基于多光谱和时域反射的土壤多元污染物识别探头，其特征在于：所述的280nm波长紫外LED(6)和325nm波长紫外LED(7)均由LED贴片式芯片(15)、散热板(16)、电路板(17)叠合而成。7.应用于权利要求1
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹良通，郭淇萌，穆青翼，王顺玉，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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