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土壤粒径粒形测量系统
1引言
土壤是由液体、气体、固体三相组成，不同粒径粒形的土壤颗粒是土壤的重要组成部分。土壤的粒径粒形分析的目的是为了测定不同粒径粒形土壤颗粒的组成，并进行土壤质地的确定。而土壤质地则是土壤*基本的特征，是土壤分类的重要依据，对土壤肥力、土壤养分运移、土壤水分特征曲线及土壤可蚀性等具有重要影响。
目前测量土壤粒径粒形的方法很多，有筛分法，沉降法，激光衍射法，电阻法以及静态图像法等。关于这些方法的详细介绍可以参考有关书籍，这里就不赘述了。值得指出的是在激光衍射法中，其理论基础是FRAUNHOFF衍射或者MIE散射理论，这两种方法都是根据在颗粒在焦平面上形成的衍射以及散射信号的强弱来推算颗粒的大小。而传统的图像法中，是借助显微镜、摄像头或数码像机和图形采集卡利用计算机软件对采集的图像进行处理和计算，从而得到颗粒的大小以及形状参数。考虑到这种方法单次所测到的颗粒个数较少，一般采用通过更换视场的方法进行多次测量来提高测试结果的真实性。
2 测量系统设计
2.1 目标
AZ-S0300土壤粒径粒形测量系统采用独特的双通道技术，进行土壤、污泥、河床沉积物、飞灰、水泥等样品中颗粒粒径粒形分布的研究。其激光通道应用符合ISO标准的激光光阻法（也叫时间转换理论或者激光脉冲分析法），克服了传统激光粒度仪只适合于分析纯净物的缺点（传统激光衍射法必须要知道样品的光学特性，而大部分环境样品成分复杂，光学特性不固定），测量过程对于样品的任何物理特性都没有依赖型，实现了物性无关的检测；此外，其Video通道应用动态粒形分析技术，在很大程度上提高了分析的精度并且缩短了分析所需的的时间。AZ-S0300土壤粒径粒形观测系统通过灵活的模块化配置，可满足不同类型的干法及湿法检测需求，也可实现液体、乳剂、膏状、薄膜、气溶胶等样品的测量需求。
2.2 土壤样品采集
自然条件下，选取具有代表性的典型区域作为取样样地；实验研究条件下，根据研究目的选取特定区域作为取样样地。根据样地类型、开阔平坦程度、土壤匀质程度等条件可选择“梅花形”“棋盘式”“S形”“网格法”进行布点，同一类型的土壤样品，至少取3个土样作为重复。样品采集的时间和频率根据研究对象和目的决定。具体操作和细节可参照《土壤理化分析》中相关部分。
2.3 测量指标
AZ-S0300土壤粒径粒形测量系统采用独特的激光、视频双通道检测技术，在进行激光粒度检测的同时能够得到颗粒的形貌和样品分散信息，而且能够对于得到的图像进行定量的粒形分析。可以得到近40个参数：
颗粒数量分布、D10/D50/D90颗粒度分布、颗粒表面积分布、颗粒体积分布、平均颗粒粒径、体积平均粒径、表面积平均粒径、数量平均粒径、等效面积直径、弗雷特（Feret）直径及其/*小/平均值、长细比、圆度、周长、分形维数、形状因子、凹凸度和椭圆度等。
2.4 测量系统组成
AZ-S0300土壤粒径粒形测量系统由土壤取样单元、激光粒度仪主机、激光测量头、视频显微镜、测量池模块（有磁力扰动测量池、机械扰动测量池、液体流动测量池、流动式液体测量池、纤维测量池、气溶胶测量池、微流量测量池、加热测量池、自由落体测量池、薄层测量池等可选）、粒形分析软件等组成。
3 数据处理
激光和视频分析产生的信息，很容易通过直观的数据报表软件得到。测量结果可以各种表格和图显示出来，这些表格和图可以由用户选择，以便正确显示需要的信息。通过数据挖掘技术，很容易实现数据比较和分析，允许对覆盖图和比较表进行编辑。轻点一下鼠标，就能生成word格式的样品分析报告，该文件包括样品制备，粒径和粒形结果，还带有图形和视频信息。
3.1 用颗粒的形状信息补充尺寸信息
形状信息是对粒径分布的二维的补充，比如大小相识的颗粒可能在形状上大相径庭。对非球形颗粒的定性，两维的形状信息是必需的。形状的差异可从粒形分布反映出来。动态图像分析使用数码摄像机抓取的颗粒图像进行处理。得到的图像可经过复杂的图像分析程序分析，得到图像信息；亦可存储起来，以后分析。
3.2 了解颗粒系统
通过动态图像分析得到的形状和尺寸相关数据提供了每个颗粒的丰富信息，这些信息可以展示在散点图以观察样品的颗粒尺寸—形状趋势。
形状过滤器具有与光学过滤器相同的功能，用户可以根据尺寸或形状特性在样品中放大观察样品的特定部分。
3.3 检测微小部分
激光通道使用的激光光阻法在特殊的应用中有着明显的优势，例如检测只占样品体积1％或更少的微小部分，或者以更高分辨率来分析样品中的非常大的颗粒部分。
4 应用案例
4.1 AZ-S0300土壤粒径粒形测量系统在屋面径流颗粒分布研究中的应用
同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室科研人员应用AZ-S0300土壤粒径粒形观测系统，对上海市交通干道旁一处混凝土屋面的6次降雨径流进行监测，分析了屋面径流中颗粒粒径的分布，结果表明：颗粒物粒径分布变化过程与流量过程密切相关，径流初期小颗粒数目比例逐步上升，而当再次遇到较大降雨强度时，屋面在较强冲刷作用下产生较多大颗粒，使大颗粒所占比例上升，然后随着径流的继续进行，小颗粒数目比例迅速上升。
4.2 AZ-S0300土壤粒径粒形测量系统在垃圾焚烧飞灰物理化学性质研究中的应用
北京科技大学的科研人员应用AZ-S0300土壤粒径粒形观测系统，对国内2种垃圾焚烧飞灰的物理性质进行了详细研究，结果表明：2种飞灰颗粒直径的数量微分分布非常接近，它们的中间粒径分别为0.84μm和0.85μm，平均粒径分别为1.10μm和1.15μm，2种飞灰中基本没有超过40μm的颗粒。
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