水质重金属激光在线检测仪设计

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY

本 科 毕 业 论 文（设 计）

题目： 水质重金属激光在线检测仪设计

学 院：

姓 名：

学 号：

专 业：

年 级：

指导教师

二0 一 四 年 四 月

摘 要

随着现代社会的发展，水质重金属污染越来越严重，给生态环境和人类健康造成很大危害，因此，对水质重金属污染物进行快速定量检测意义重大。而常规的水质重金属检测方法如原子光谱法、紫外-可见分光光度法、质谱法、电化学分析法、基于QCM 技术的检测方法、基于纳米材料的检测方法等，这些方法虽然检测灵敏度高，但存在分析复杂、分析周期长等问题，不能进行实时在线和多元素同时测量。而采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对水质重金属污染物进行快速定量分析的新方法。LIBS 技术是一种基于原子发射光谱定性和定量的分析技术，具有分析周期短、结构简单、对分析对象破坏小、远距离非接触式分析及可多元素同步分析等特点，能适应各种恶劣环境，可实现实时在线检测，对实时监测环境质量有重大意义，在各大领域已展现了其巨大的应用潜力。

本设计是江西农业大学工学院生物光电实验室的水质重金属激光在线检测仪的要求而设计的，主要是为检测系统提供机械装置，使其适应实验室内实验，并且可以在实验室移动。本装置主要包括运动部分和工作部分，运动装置部分是用平机螺栓以及T 型螺母将工业万向车轮固定与框架结构上。工作装置部分，是由水泵、橡胶水管、安全阀和调速阀联接而成，保证工作部分水压过大时不会损坏工作部件和水的循环使用。

关键字：LIBS （激光诱导击穿光谱）技术；重金属

Abstract

With the development of modern society, the water heavy metal pollution is becoming more and more seriously,which has direct influence on the ecological environment and human health.Therefore, rapid quantitative detection the water metal pollutants in the soil is of great significance.And the common heavy metal detection methods such as Atomic spectroscopy, UV Vis spectrophotometry, mass spectrometry, electrochemical analysis, detection method based on QCM technology, detection method based on Nanometer materials and so on.Those methods have a number of weaknesses such as complicated analysis,a longer analyzing cycle,poor real-time measurement and long cycle analyzing and so on. this paper raised a method which rapid and quantitative analysis of heavy metal pollution in water using laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS is a qualitative and quantitative analytic technology based on atomic emission spectrum which has many advantages such as a shorter analyzing cycle,simple structure,little damage to the analysis objects, non-contact analysis over a long distance and multielement analyzing simultaneously,etc.It’s adaptive to various bad environments, available to real -time online detection which is of considerable significance in Real-time monitoring of the environmental quality as well as in other fields shows its great potential applications. The design is for the design quality of heavy metal online laser detecting instrument Jiangxi Agricultural University Institute of biological photoelectric laboratory requirements, is mainly a mechanical device for detecting system, which can adapt to the laboratory experiments, and can move in the laboratory. The device mainly comprises a moving part and working part, motion device part use flat machine bolt and T type nut to fix industry universal wheel with the frame structure. Working device, is composed of a water pump, rubber hose, safety valve and speed regulating valve together, when the water cycle work pressure is too high.guarantee the Part of the work would not be damaged

Key words : LIBS (laser induced breakdown spectroscopy) technique; heavy metal

目 录

中文摘要 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„I 英文摘要 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„II 绪论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 前沿及意义 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

一、 方案设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.1 功能分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.2 结构形式 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.3 机械结构设计特点 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.4 方案结构设计与分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3

二、承载结构部分设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

2.1 框架结构设计与选取„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4

2.2 螺栓的计算与设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5

2.3 强力角件的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6

2.4 工业车轮的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7

2.5 型材选择的校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8

三 、实验部分结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 14 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15

绪 论

前言及意义

水是人类的生命之源，在没有人为污染的情况，水中的重金属的含量取决于水与土壤、岩石的相互作用，其值一般很低，不会对人体健康造成危害。但随着工业的发展，工矿业废水、生活污水等未经适当处理即向外排放，污染了土壤，废弃物堆放场受流水作用以及富含重金属的大气沉降物输入，都使水中重金属含量急剧升高，导致水受到重金属污染。重金属通过直接饮水、食用被污水灌溉过的蔬菜、粮食等途径，很容易进入人体内，威胁人体健康。

目前常用的水质重金属检测方法如原子光谱法、紫外-可见分光光度法、质谱法、电化学分析法、基于QCM 技术的检测方法、基于纳米材料的检测方法等，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。

LIBS 技术首次是由Brech[28]等人在 1962 年报道出的，Brech 等人利用LIBS 技术检测固体、气体、液体基质中元素的含量，其研究工作的展开引起很多研究者的广泛兴趣，在1964年，Maker 等人发现当高功率脉冲激光聚焦到气体上时，在聚焦点处会闪现出明显的亮光，后来证实了那是形成的等离子体羽

[29]。自从1983年以后，激光诱导击穿光谱开始以“LIBS ”的缩写形式不断地出现在相关的文献报道中[30]。

近几十年来，研究者对LIBS 技术开展了很多研究工作，特别是针对目前全球各地日益严重的水质中重金属污染的实时检测研究[31-33]，尽管 LIBS技术所测得的检测精确度、灵敏度和检测限尚有待提高，但随着激光器及光谱仪等与LIBS 技术相关的器件的发展，其应用潜力巨大。

一、方案设计

1.1、功能分析

该机构是在实验室对水质中的重金属成分进行检测的，在其实验过程中其工作过程对学生应足够清晰，工作原理足够明朗。其机械装置部分的框架可以承受激光、发射仪检测仪等仪器以及实验部分的重量。该机构在实验室是可以移动。其实验部分中的光学仪器位置是将可以调节，实验所需检测的水是可以循环使用并且其管路能够在实验架上固定且在实验架上的位置可调。

1.2、结构形式

根据其功能要求，在设计研究是将其分为承载结构、实验部分。

承载结构用于承担各个仪器以及实验部分等重量，故承载结构的刚度应该足够好，在承载是其挠度变化可以忽略不计。并且承载结构在实验室是能自由移动，其下部连接工业车轮便于移动。

实验部分实现对水质中的重金属的检测，其承载不高，可以稳定的放在承载结构上。因其光学仪器的位置是可以调节及镜片位置可旋转，故光学仪器在实验架上应该可以上下移动和在所需位置保持稳定。实验水的循环则用液压泵以及保证工作部分的安全性的安全阀和可以调节水的流速的阀门调速阀使水流其保持循环状态。

1.3、机械结构设计特点

机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。

1.4、方案结构设计与分析

承载结构部件：

承载结构由铝合金的框架结构以及木板组成。铝合金的框架结构作用是用于承担各个仪器以及实验部分的重量，且激光发射位置以及实验部分的激光反射部分有位置要求，故框架结构应有足够的强度、刚度和承载能力。木板的作用是用于平均仪器作用在框架结构上的重量，使框架结构上的分布载荷均匀。 实验部分部件：

实验部分的部件包括实验架、光学仪器、水管、水泵、安全阀以及调速阀。实验架的底面以承载结构的板为安装基面，且光学仪器在实验架支柱固定架上是可以移动的，实验架必须能承担光学仪器的重量以及有足够的强度和刚度。 该机械结构总体组成如图1-1所示

图1-1总装图

二、承载结构部分设计

根据设计要求，初步对各个部分的结构以及强度进行计算与分析。

2.1、框架结构的设计与选取

承载结构部件由型材，木板，强力角件，T 型螺栓以及T 型螺母，强力角件用于两型材框架的直角连接，加强被连接型材点的支撑力，也可以用作需移动位置的型材连接方式。T 型螺栓直接放入型材槽内，安装过程中它能自动定位锁紧，是安装角件与铝型材框架连接的最常用配件。T 型螺母块既可从型材截面放入，也可以直接塞进型材槽坑内。通常配合螺栓使用，装配时，它会旋转90度，自动锁紧，此螺母块使用起来极为方便。根据老师所给要求与条件，假设选取SY 工业铝型材SY-8-5050W 的铝合金型材，即框架铝合金型材，此种型材的机械性能好，连接强度高，承载能力高，适用于机器框架即货架等，此型材的截面形状如图2-1所示：

图2-1截面形状

因本结构是在实验室内实验，并且可以在实验室移动的结构。学生在实验室做实验或都能观看到老师实验操作，根据老师所给资料，设框架的立柱长

1600mm ，框架的长支撑长700mm ，框架的短支撑长400mm 。框架的长、短支撑用于承载各个仪器的重量。假设木板刚好覆盖住用于承载的框架铝合金型材，则假设木板结构外形为如图所示2-2所示：

图2-2木板

设木板上最大承重为100kg ，其属于静载荷。木板的作用是使载荷能在型材上的载荷能均匀分布。设中间的铝型材所起的作用是防止木板中间承重产生过大的塑性变形而破裂，均布载荷全部都由与立柱接触的铝型材来承担，在中间的铝型材不受力。

2.2、螺栓的计算与设计

均布载荷： q =G 1000==454. 55N /m l (700+400) ⨯2

每个螺栓受到的横向载荷R ： R =q ⨯0. 7=318.182N

由于联接接合面是强力角件与铝型材的立柱的连接，即钢与铝的接触，则其联接接合面的摩擦系数f=0.17,摩擦传力的可靠性系数S=1.2，摩擦面数i =1，则需要的紧力Q p

fQ p i ≥1. 2R

Q p =1. 2R =2248.108N fi

选用T 型螺栓来紧固角件与立柱的连接，设选螺栓强度等级为4.6级，钢号为Q235的钢作为连接件。

σs =235MPa ，假设d=10mm,预紧力不控制，选用许用安全系数n=3。则有许用应力[σ]=σs

n =235=78.33MPa 3

螺栓的最小剖面面积A

A =1. 3Q p σ=1. 3⨯2248. 1082=37.311mm 78. 33

22查表得d=8mm时，A=32.9mm；d=16mm时，A=43.7mm. 故取M10的T

型螺栓，与原假设相同。

由此可查出T 型螺栓尺寸如图2-3所示：

图2-3 T型螺栓

2.3、强力角件的选择

根据T 型螺栓与T 型螺母的尺寸可以选出强力角件的形状及尺寸如图2-4：

JIANGXI AGRICULTURAL UNIVERSITY

本 科 毕 业 论 文（设 计）

题目： 水质重金属激光在线检测仪设计

学 院：

姓 名：

学 号：

专 业：

年 级：

指导教师

二0 一 四 年 四 月

摘 要

随着现代社会的发展，水质重金属污染越来越严重，给生态环境和人类健康造成很大危害，因此，对水质重金属污染物进行快速定量检测意义重大。而常规的水质重金属检测方法如原子光谱法、紫外-可见分光光度法、质谱法、电化学分析法、基于QCM 技术的检测方法、基于纳米材料的检测方法等，这些方法虽然检测灵敏度高，但存在分析复杂、分析周期长等问题，不能进行实时在线和多元素同时测量。而采用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对水质重金属污染物进行快速定量分析的新方法。LIBS 技术是一种基于原子发射光谱定性和定量的分析技术，具有分析周期短、结构简单、对分析对象破坏小、远距离非接触式分析及可多元素同步分析等特点，能适应各种恶劣环境，可实现实时在线检测，对实时监测环境质量有重大意义，在各大领域已展现了其巨大的应用潜力。

本设计是江西农业大学工学院生物光电实验室的水质重金属激光在线检测仪的要求而设计的，主要是为检测系统提供机械装置，使其适应实验室内实验，并且可以在实验室移动。本装置主要包括运动部分和工作部分，运动装置部分是用平机螺栓以及T 型螺母将工业万向车轮固定与框架结构上。工作装置部分，是由水泵、橡胶水管、安全阀和调速阀联接而成，保证工作部分水压过大时不会损坏工作部件和水的循环使用。

关键字：LIBS （激光诱导击穿光谱）技术；重金属

Abstract

With the development of modern society, the water heavy metal pollution is becoming more and more seriously,which has direct influence on the ecological environment and human health.Therefore, rapid quantitative detection the water metal pollutants in the soil is of great significance.And the common heavy metal detection methods such as Atomic spectroscopy, UV Vis spectrophotometry, mass spectrometry, electrochemical analysis, detection method based on QCM technology, detection method based on Nanometer materials and so on.Those methods have a number of weaknesses such as complicated analysis,a longer analyzing cycle,poor real-time measurement and long cycle analyzing and so on. this paper raised a method which rapid and quantitative analysis of heavy metal pollution in water using laser induced breakdown spectroscopy (LIBS). LIBS is a qualitative and quantitative analytic technology based on atomic emission spectrum which has many advantages such as a shorter analyzing cycle,simple structure,little damage to the analysis objects, non-contact analysis over a long distance and multielement analyzing simultaneously,etc.It’s adaptive to various bad environments, available to real -time online detection which is of considerable significance in Real-time monitoring of the environmental quality as well as in other fields shows its great potential applications. The design is for the design quality of heavy metal online laser detecting instrument Jiangxi Agricultural University Institute of biological photoelectric laboratory requirements, is mainly a mechanical device for detecting system, which can adapt to the laboratory experiments, and can move in the laboratory. The device mainly comprises a moving part and working part, motion device part use flat machine bolt and T type nut to fix industry universal wheel with the frame structure. Working device, is composed of a water pump, rubber hose, safety valve and speed regulating valve together, when the water cycle work pressure is too high.guarantee the Part of the work would not be damaged

Key words : LIBS (laser induced breakdown spectroscopy) technique; heavy metal

目 录

中文摘要 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„I 英文摘要 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„II 绪论 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 1 前沿及意义 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1

一、 方案设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.1 功能分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.2 结构形式 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.3 机械结构设计特点 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 2

1.4 方案结构设计与分析 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 3

二、承载结构部分设计 „„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

2.1 框架结构设计与选取„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 4

2.2 螺栓的计算与设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 5

2.3 强力角件的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 6

2.4 工业车轮的选择„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 7

2.5 型材选择的校核„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 8

三 、实验部分结构设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„9 总结„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 13 参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 14 致谢„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 15

绪 论

前言及意义

水是人类的生命之源，在没有人为污染的情况，水中的重金属的含量取决于水与土壤、岩石的相互作用，其值一般很低，不会对人体健康造成危害。但随着工业的发展，工矿业废水、生活污水等未经适当处理即向外排放，污染了土壤，废弃物堆放场受流水作用以及富含重金属的大气沉降物输入，都使水中重金属含量急剧升高，导致水受到重金属污染。重金属通过直接饮水、食用被污水灌溉过的蔬菜、粮食等途径，很容易进入人体内，威胁人体健康。

目前常用的水质重金属检测方法如原子光谱法、紫外-可见分光光度法、质谱法、电化学分析法、基于QCM 技术的检测方法、基于纳米材料的检测方法等，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。

LIBS 技术首次是由Brech[28]等人在 1962 年报道出的，Brech 等人利用LIBS 技术检测固体、气体、液体基质中元素的含量，其研究工作的展开引起很多研究者的广泛兴趣，在1964年，Maker 等人发现当高功率脉冲激光聚焦到气体上时，在聚焦点处会闪现出明显的亮光，后来证实了那是形成的等离子体羽

[29]。自从1983年以后，激光诱导击穿光谱开始以“LIBS ”的缩写形式不断地出现在相关的文献报道中[30]。

近几十年来，研究者对LIBS 技术开展了很多研究工作，特别是针对目前全球各地日益严重的水质中重金属污染的实时检测研究[31-33]，尽管 LIBS技术所测得的检测精确度、灵敏度和检测限尚有待提高，但随着激光器及光谱仪等与LIBS 技术相关的器件的发展，其应用潜力巨大。

一、方案设计

1.1、功能分析

该机构是在实验室对水质中的重金属成分进行检测的，在其实验过程中其工作过程对学生应足够清晰，工作原理足够明朗。其机械装置部分的框架可以承受激光、发射仪检测仪等仪器以及实验部分的重量。该机构在实验室是可以移动。其实验部分中的光学仪器位置是将可以调节，实验所需检测的水是可以循环使用并且其管路能够在实验架上固定且在实验架上的位置可调。

1.2、结构形式

根据其功能要求，在设计研究是将其分为承载结构、实验部分。

承载结构用于承担各个仪器以及实验部分等重量，故承载结构的刚度应该足够好，在承载是其挠度变化可以忽略不计。并且承载结构在实验室是能自由移动，其下部连接工业车轮便于移动。

实验部分实现对水质中的重金属的检测，其承载不高，可以稳定的放在承载结构上。因其光学仪器的位置是可以调节及镜片位置可旋转，故光学仪器在实验架上应该可以上下移动和在所需位置保持稳定。实验水的循环则用液压泵以及保证工作部分的安全性的安全阀和可以调节水的流速的阀门调速阀使水流其保持循环状态。

1.3、机械结构设计特点

机械结构设计的任务是在总体设计的基础上，根据所确定的原理方案，确定并绘出具体的结构图，以体现所要求的功能。是将抽象的工作原理具体化为某类构件或零部件，具体内容为在确定结构件的材料、形状、尺寸、公差、热处理方式和表面状况的同时，还须考虑其加工工艺、强度、刚度、精度以及与其它零件相互之间关系等问题。

1.4、方案结构设计与分析

承载结构部件：

承载结构由铝合金的框架结构以及木板组成。铝合金的框架结构作用是用于承担各个仪器以及实验部分的重量，且激光发射位置以及实验部分的激光反射部分有位置要求，故框架结构应有足够的强度、刚度和承载能力。木板的作用是用于平均仪器作用在框架结构上的重量，使框架结构上的分布载荷均匀。 实验部分部件：

实验部分的部件包括实验架、光学仪器、水管、水泵、安全阀以及调速阀。实验架的底面以承载结构的板为安装基面，且光学仪器在实验架支柱固定架上是可以移动的，实验架必须能承担光学仪器的重量以及有足够的强度和刚度。 该机械结构总体组成如图1-1所示

图1-1总装图

二、承载结构部分设计

根据设计要求，初步对各个部分的结构以及强度进行计算与分析。

2.1、框架结构的设计与选取

承载结构部件由型材，木板，强力角件，T 型螺栓以及T 型螺母，强力角件用于两型材框架的直角连接，加强被连接型材点的支撑力，也可以用作需移动位置的型材连接方式。T 型螺栓直接放入型材槽内，安装过程中它能自动定位锁紧，是安装角件与铝型材框架连接的最常用配件。T 型螺母块既可从型材截面放入，也可以直接塞进型材槽坑内。通常配合螺栓使用，装配时，它会旋转90度，自动锁紧，此螺母块使用起来极为方便。根据老师所给要求与条件，假设选取SY 工业铝型材SY-8-5050W 的铝合金型材，即框架铝合金型材，此种型材的机械性能好，连接强度高，承载能力高，适用于机器框架即货架等，此型材的截面形状如图2-1所示：

图2-1截面形状

因本结构是在实验室内实验，并且可以在实验室移动的结构。学生在实验室做实验或都能观看到老师实验操作，根据老师所给资料，设框架的立柱长

1600mm ，框架的长支撑长700mm ，框架的短支撑长400mm 。框架的长、短支撑用于承载各个仪器的重量。假设木板刚好覆盖住用于承载的框架铝合金型材，则假设木板结构外形为如图所示2-2所示：

图2-2木板

设木板上最大承重为100kg ，其属于静载荷。木板的作用是使载荷能在型材上的载荷能均匀分布。设中间的铝型材所起的作用是防止木板中间承重产生过大的塑性变形而破裂，均布载荷全部都由与立柱接触的铝型材来承担，在中间的铝型材不受力。

2.2、螺栓的计算与设计

均布载荷： q =G 1000==454. 55N /m l (700+400) ⨯2

每个螺栓受到的横向载荷R ： R =q ⨯0. 7=318.182N

由于联接接合面是强力角件与铝型材的立柱的连接，即钢与铝的接触，则其联接接合面的摩擦系数f=0.17,摩擦传力的可靠性系数S=1.2，摩擦面数i =1，则需要的紧力Q p

fQ p i ≥1. 2R

Q p =1. 2R =2248.108N fi

选用T 型螺栓来紧固角件与立柱的连接，设选螺栓强度等级为4.6级，钢号为Q235的钢作为连接件。

σs =235MPa ，假设d=10mm,预紧力不控制，选用许用安全系数n=3。则有许用应力[σ]=σs

n =235=78.33MPa 3

螺栓的最小剖面面积A

A =1. 3Q p σ=1. 3⨯2248. 1082=37.311mm 78. 33

22查表得d=8mm时，A=32.9mm；d=16mm时，A=43.7mm. 故取M10的T

型螺栓，与原假设相同。

由此可查出T 型螺栓尺寸如图2-3所示：

图2-3 T型螺栓

2.3、强力角件的选择

根据T 型螺栓与T 型螺母的尺寸可以选出强力角件的形状及尺寸如图2-4：