土壤重金属激光快速检测仪器设计说明书

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY本 科 毕 业 论 文（设 计）题目： 土壤重金属激光快速检测仪器设计 学 院： 姓 名： 学 号： 专 业：年 级：指导教师二 0 一四 年 五 月I摘 要随 着 现 代 社 会 的 发 展 ， 土 壤 重 金 属 污 染 越 来 越 严 重 ， 给 生 态 环 境 和 人 健康 造 成 很 大 危 害 ， 因 此 ， 对 土 壤 重 金 属 污 染 物 进 行 快 速 定 量 检 测 意 义 重 大 。 本设 计 主 要 是 应 江 西 农 业 大 学 工 学 院 生 物 光 电 实 验 室 的 土 壤 重 金 属 激 光 快 速 检 测仪 而 设 计 的 ， 主 要 是 为 土 壤 重 金 属 激 光 快 速 检 测 仪 系 统 提 供 机 械 装 置 ， 使 其 适应 实 验 室 试 验 又 能 便 捷 的 完 成 简 单 户 外 试 验 ， 本 装 置 主 要 包 括 运 动 部 分 工 作 部分 ， 运 动 部 分 主 动 要 是 框 架 底 部 的 万 向 轮 是 整 个 装 置 能 够 便 捷 的 便 捷 移 动 和 框架 每 层 层 板 的 高 度 调 节 ， 工 作 部 分 主 要 是 实 验 室 升 降 台 ， 光 学 平 台 以 及 光 学 镜片 保 持 架 的 高 度 角 度 的 调 节 ， 从 而 达 到 对 被 测 物 的 快 速 检 测 。关 键 词 ： 万 向 轮 ； 型 材 ； 光 学 平 台 ， 实 验 室 升 降 台 ； 光 学 镜 片 保 持 架IIAbstractWith the development of modern society, the soil heavy metal pollution is more and more serious, the ecological environment and human health caused great harm, therefore, for the rapid quantitative detection of great significance to soil heavy metal pollutants. This design is mainly designed for heavy metals in the soil should be laser engineering college in Jiangxi Agricultural University Biological photoelectric laboratory detection, mainly provide machinery for soil heavy metal laser rapid detection system, which can adapt to the laboratory test and convenient to do simple outdoor test, the device mainly consists of moving part work, part of the active if movement universal wheel at the bottom of the frame is the whole device to be highly mobile and convenient framework convenient each layer of regulation, work is a major part of the laboratory platform, optical platform as well as the optical lens to maintain height adjustment angle frame, so as to achieve the rapid detection of analyzes.Keywords: universal wheel; profile; optical platform, laboratory platform; optical lens holder目 录摘 要 .IAbstract.II绪 论 .11. 设计方案的确定 .31.1 总体要求 .31.2 设计方案的评价 .31.3 方案的确定 .42. 装置的设计 .52.1 车架的设计 .52.2 运动部分的设计 .82.3 升降台的设计 .92.4 光学平台的选择 .102.5 光学镜片保持架的选择 .103. 总 结 .12参考文献 .13致 谢 .141绪 论目前常用的土壤重金属检测分析方法是火焰式原子吸收光谱法(FLAA)、石墨炉原子吸收光谱法(GFAA)、电感耦合等离子体质谱法 (ICP-MS)等 2-5，这些检测方法虽然有较高的检测灵敏度，但其样品预处理相当繁琐、分析周期长，不能实现原位检测，使其难以大量推广应用。因此，发展一种能快速、原位、多元素实时检测土壤污染物的检测技术对环境治理有着相当重要的意义。激光诱导击穿光谱技术正在处于推广阶段，其应用领域也在不断扩大，江西农业大学工学院生物光电实验室承担了省重点科研项目，主要研究激光检测技术环境监测中的应用。激光诱导击穿光谱技术是近些年随着激光技术和光谱仪器的发展而兴起的对元素定性和定量分析的一种光谱技术，具有快速、原位、操作便捷和多元素同时分析等特点，在国内外 LIBS 技术的研究已形成了一个完整的体系。激光诱导无损检测是激光单色性特征，投到被测物体上，并收集反射回的光线，进行光谱分析，从而确定被测物体某种物质的含量成分，目前生物光电实验室要将研究该技术在农产品，土壤检测上的应用。比如农产品中的农药是否超标，土壤中重金属的含量是否超标等等。而我所设计的激光检测装置是系统的机械部分，装置主要包括运动部分和工作部分。装置要求灵活移动，高度可调，包括光学平台上的各个光学仪器可以灵活的定位，样品在工作台进行可控的升降，从而对样品进行检测。2图 1 整 体 装 配 图图 中 左 边 部 分 是 设 备 仪 器 安 放 装 置 ， 可 以 根 据 仪 器 设 备 的 大 小 调 节 每 层层 板 的 高 度 ， 底 部 安 装 四 个 万 向 轮 ， 方 便 试 验 进 行 的 随 地 点 性 ， 右 边 是 一 个 光学 平 台 ， 平 台 上 有 调 节 样 品 高 度 的 升 降 台 和 光 学 镜 片 保 持 架 ， 从 而 达 到 实 验 的要 求 功 能 。31 设计方案的确定1.1 总体要求激 光 检 测 装 置 ， 主 要 是 包 括 整 个 车 体 部 分 ， 车 体 的 运 动 及 升 降 台 部 分 ， 为达 到 实 验 的 方 便 可 靠 进 行 ， 先 拟 定 几 个 方 案 供 选 择 ：车 体 部 分 ， 1、 整 个 小 车 框 架 采 用 角 钢 的 焊 接 形 成 ， 根 据 设 备 仪 器 的 大 小固 定 每 层 的 空 间 ， 2、 同 样 是 采 用 角 钢 ， 角 钢 上 面 按 照 一 定 的 距 离 等 距 离 打 孔 ，通 过 螺 栓 与 角 钢 的 固 定 形 成 可 调 每 层 空 间 大 小 的 主 题 ， 车 体 还 可 以 随 时 拆 装 。3、 用 市 场 上 的 合 金 型 材 以 及 配 套 的 螺 栓 角 码 对 车 体 进 行 组 装 。车 体 的 运 动 ： 1、 采用小型直流电动机驱动，电动机经一级涡轮杆转动减速，将转动传替给链轮，经挠性链轮传动驱动车轮，从而实现运动。2、采用小型柴油机电组驱动，传动与上述方案类似。3、人力推动，在车体底部安装万向轮。实 验 室 升 降 台 ： 1、 采 用 螺 旋 连 杆 机 构 ， 连 杆 下 端 保 持 水 平 而 做 平 面 运 动 ，另 一 端 其 上 下 运 动 分 量 推 动 工 作 台 面 的 升 降 。 2、 采 用 齿 轮 齿 条 机 构 ， 齿 条 固定 在 机 架 ， 使 工 作 台 面 与 齿 轮 相 连 ， 经 齿 轮 转 动 而 获 得 线 性 位 移 带 动 工 作 台 面的 上 下 运 动 。 3、 采 用 液 压 、 气 压 等 其 他 机 构 。1.2 设计方案的评价针 对 以 上 几 种 方 案 的 ， 现 予 简 单 点 评 ， 已 经 确 定 较 为 合 理 ， 或 当 前 设 计 条件 下 较 为 合 适 较 为 可 行 的 方 案 。车 体 部 分 的 方 案 ： 选 用 市 场 上 的 合 金 型 材 以 及 配 套 的 螺 栓 角 码 进 行 组 装 。型 材 它 重 量 轻 ， 承 重 范 围 在 要 求 之 内 ， 而 且 它 具 有 配 套 的 角 码 和 螺 栓 ， 拆 装 方便 ， 而 且 每 层 空 间 可 以 不 受 约 束 的 调 节 ， 采 购 方 便 ， 减 少 一 定 的 费 用 以 及 用 角钢 带 来 的 加 工 人 力 物 力 。车 体 运 动 方 案 ： 车体运动方案较为合理是直流电动机驱动，配备一个4200W 左右的直流电动机即可实现较为稳定的运动。再加以配置 24V 蓄电池组，就可获得较持久的航行。配以小型内燃机发电机组驱动，不仅可以实现持久续航，又能为各实验仪器提供电源，但造价较为巨大。最为原始的是人力推动或推动，但其运动最为平稳，最容易控制能最大限度地保护实验仪器。柴油机电组运动方案系统复杂，设计难度大，周期长，个人无法在有限工程期限内完成。蓄电池方案虽然可持久续航，但并没有办法为激光器，光谱仪，冷却器，计算机提供交流电，故而流方案优势并不明显，本实验目前主要从事室内实验活动，对野外作业要求不高，故不可以提供自身动力源，而是车体底部安装万向轮，采用人力推动。试 验 升 降 台 的 方 案 ： 选 用 螺 旋 连 杆 机 构 ， 螺 栓 升 降 机 构 ， 可 以 实 现 很 好 平稳 升 降 ， 具 有 自 锁 性 ， 能 使 工 作 台 平 稳 的 停 留 在 某 一 高 度 ， 其 他 方 案 要 么 太 复杂 要 么 质 量 太 重 价 格 高 即 不 给 予 采 纳 。1.3 方案的确定型 材 +万 向 轮 +螺 旋 连 杆 机 构 升 降 台 。52 装置的设计2.1 车架的设计车 架 采 用 型 材 SY-6-3030 通 过 角 码 螺 栓 的 连 接 而 成 。图 2 整 体 车 架图 3 型 材 以 及 连 接 示 意 图6初 步 代 计 算 载 荷 ， 并 考 虑 安 全 域 度 ， 进 行 选 择 方 钢 型 材 定 载 荷 为800N 车 ， 现 根 据 抗 弯 强 度 理 论 进 行 设 计 ， 车 架 规 格 为600*400*600mm。 右 边 凸 台 工 作 部 分 规 格 为 400*400。图 4 受 力 状 态 图 表计 算 车 体 部 分 最 大 载 荷 时 的 型 材 变 形 量 ：= mm (一 )431092IELF43102.57862.可 以 视 为 没 有 影 响 。由 图 4 也 可 以 得 出 型 材 主 体 部 分 的 强 度 符 合 实 验 进 行 的 要 求 。计 算 右 边 凸 台 静 载 荷 时 的 最 大 变 形 量 ， 根 据 实 验 情 况 ， 右 边 的 最 大 载 荷为 200N， 校 核 如 下 ：7最 大 变 形 量 ： (二 ）02.1.57034213434 IELF可 以 视 为 没 有 影 响 。计 算 连 接 螺 栓 的 强 度 ：有 车 体 结 构 可 以 看 出 最 下 面 一 层 螺 栓 受 到 的 拉 应 力 最 大 但 是 由 八 个 连 接 螺 栓 等分 ， 查 钢 号 手 册 得 出 螺 栓 的 屈 服 极 限 是 345Mp， 所 以 最 大 拉 应 力（ 三 ）5.184.32pdF所 有 的 型 材 都 是 通 过 角 码 螺 栓 以 及 M8 的 螺 母 连 接 而 成 ， 如 图 所 示 ：图 5 角 码8图 6 连 接 螺 栓2.2 运动部分的设计激 光 检 测 装 置 主 要 是 在 实 验 室 工 作 ， 随 着 生 物 光 电 实 验 室 科 研 工 作 的 突 破 奖 来 要 适 应 室 外 的 要 求 ,而 且 要 求 其 工 作 时 稳 定 不 动 ， 所 以 选 择 带 刹 车的 橡 胶 轮 万 向 轮 。 车 体 部 分 安 装 了 4 个 万 向 轮 ， 根 据 实 验 仪 器 的 重 量 ， 并 且考 虑 留 出 一 定 的 安 全 域 ， 核 定 载 200Kg， 每 只 轮 子 承 载 50Kg。万向工业脚轮安装在车体底部，采用万向脚轮可以实现灵活转向，适应运动的要求，万向脚轮已经标准化生产的工业产品，根据设计的要求及承载尺寸参数，选定型号，从专业的生产厂家订购。每只轮子承载 W=500N，高度要求 H=100mm，选定万向脚轮主要参数为：轮子高度 H=100mm，载荷为 500N，螺栓安装。据此参阅相关行业标准选定使用型号。图 7 万 向 轮92.3 升降台的设计根 据 激 光 检 测 实 验 要 求 ， 样 品 在 光 学 平 台 上 要 上 下 移 动 ， 所 以 根 据 实 验要 求 设 计 一 个 实 验 室 升 降 平 台 ，图 8 升 降 台1-顶 板 ； 2-螺 钉 ； 3-螺 母 ； 4-连 接 角 铁 ； 5-支 板 ； 6-双 向 螺 杆 ； 7 连 接 角 铁 ；8-底 板 ； 9-连 杆 10-传 动 杆 杆架的连接：连杆螺旋机构包括 8 片连杆，2 个滑杆，2 个传动杆，1 个双螺旋螺杆，连杆之间主要是螺钉螺母连接，连杆与滑杆也是螺母连接，传动杆与螺杆之间是螺纹副联接，上下滑杆安装在上下支座的壁槽中可自由滑动，通过螺杆的旋钮转动，带动升降台内部的支板拉伸和收缩，从而起到上下升降的作用。连杆长度设计：根据要求实现 120mm 的往复运动行程，进行连杆长度和设计，设连杆转动中起始度 ，终始角度 ，其升降行程为：201602mm (四）1)sin6(iL计算得 L115.38，现将 L 圆整到 120，设计连杆的有效长度为 120mm， （有效长度是指两端铰按中心的距离） 。10设计螺杆长度：螺杆是异攻双头螺纹，为了留有余地。左端为 M4 60 左旋螺纹右端为 M4 60 右旋螺纹，中间 10mm 不攻纹长度，30mm 长度安装旋转手轮，螺杆的长度为 L 单位(mm）L=60+60+10+30=160mm2.4 光学平台的选择激光检测装置中，车体右边凸台部分为实验主要操作部分，需要对各个光学设备或者仪器进行固定，所以需要光学平台，考虑到凸台的载荷量以及凸台平面的大小，最后选择一个材质为铝合金的光学平板，10mm 厚，标准的 M6 螺纹孔，孔间距为 20mm 阵列，如图所示：图 9 光学平板2.5 光学镜片保持架的选择在整个激光检测实验中，镜片是必不可少的，如何调整镜片的高度以及镜片的角度，就需要一个光学镜片保持架，查阅资料得知此类组件也是经标准化批量生产的通用产品，根据实验要求，调节高度为 400mm，质量不超过1110Kg，选定使用型号。图 10 光学镜片保持架 123 总 结至此毕业设计工作业已结束。笔者已经完成了土壤重金属激光快速检测仪器（机械部分） 相关工作量。即将迎来 5 月 18 日毕业设计答辩，此做一简短总结。我 校 根 据 机 械 工 程 专 业 特 点 ， 要 求 学 生 针 对 某 一 课 题 ， 综 合 运 用 本 专 业 有 关课 程 的 理 论 和 技 术 ， 作 出 解 决 实 际 问 题 的 设 计 。 毕 业 设 计 是 高 等 学 校 教 学过 程 的 重 要 环 节 之 一 。 相 当 于 一 般 毕 业 论 文 ， 是 总 结 检 查 学 生 在 校 期 间 的学 习 成 果 ， 是 评 定 毕 业 成 绩 的 重 要 依 据 ； 同 时 ， 通 过 毕 业 设 计 ， 也 使 学 生 对某 一 课 题 作 专 门 深 入 系 统 的 研 究 ， 巩 固 、 扩 大 、 加 深 已 有 知 识 ， 培 养 综 合 运用 已 有 知 识 独 立 解 决 问 题 的 能 力 。 毕 业 设 计 也 是 我 们 学 生 走 上 国 家 建 设 岗位 前 的 一 次 重 要 的 实 习 。经过这次毕业设计的时间对工程问题有了跟深入的认识体会，为即将走上工作岗位的我添加了信心，添加了知识能量。也体会到了现代的毕业设计。跟学长们交流发现了变化中的毕业设计，现代化的毕业设计。随心所欲翻手册。做毕业设计时，我们很少翻阅厚达数千页的设计手册，取而代之的是电子版机械设计手册。这使不可能“人手一册”变为现实，而且查阅起来更便捷。绘图工具不同了，三角板，丁字尺虽没睡觉，但他们只做了初期的草图绘制。AutoCAD，PRO/E，等工具效率又高，制图又准确，简直是延长了我们的手臂，想要的标准零件，总能顺手拈来。又不仅限于制图工具，MATLAB 计算软件也是我们必不可少的硬件装备，它的强大计算功能以及程序的重复利用，是我们的设计很快到达最优。足不出户做调研，鼠标一点查资料。访问网站查产品，了解某项产品阶段，查看陌生零件的实物图片，而查阅技术资料也可以登陆网上图书馆在线阅读，并即时记录、