专利名称：一种土壤总含氮量检测装置以及方法
技术领域：
本发明涉及土壤检测领域，具体涉及一种土壤总含氮量检测装置以及方法。
背景技术：
土壤总含氮量是鉴别土壤肥力的重要指标，氮是植物生长发育所必需的营养元素。土壤中的氮分为无机氮和有机氮，土壤中的有机含氮化合物主要为蛋白质、多肽、核酸、肽聚糖、几丁质等，也有少量水溶性有机含氮化合物，如氨基酸、氨基糖和尿素等。蛋白质及多肽通常占有机含氮化合物总量的20 50%，氨基糖占5 10%，除可溶性氨基酸夕卜，其余有机含氮化合物都不能被植物直接吸收，必须经过微生物分解，将氨释放出来，才 能供植物利用。微生物分解有机含氮化合物是由分泌在体外的水解酶将大分子水解成小分子，例如蛋白质被分解时，先由分泌至胞外的蛋白酶将蛋白质水解成氨基酸；核酸被分解时，由核酸水解酶降解为氨基酸、磷酸、尿素和氨，尿素再由脲酶分解为氨和二氧化碳。申请号为200910083480. I的发明公开了一种土壤无机氮含量的测定法，所述测定法包括以下步骤(1)浸提往土壤样品中加入浸提液，浸提出土壤中的硝态氮和铵态氮，过滤后得到过滤液；(2)氧化往步骤(I)得到过滤液中加入氧化试剂，将铵态氮氧化成硝态氮，得到土壤总硝态氮溶液；(3)将土壤总硝态氮溶液进行双波长进行比色测定，根据比色得到的吸光值计算出土壤无机氮含量。申请号为200810012906. X的发明公开了一种土壤全氮全磷联合测定的方法，包括如下步骤(1) 土壤同步消煮预处理称取风干过筛土壤样品于消煮管内，加入加速剂，再加入浓硫酸溶液，置于高温条件下消煮；(2) 土壤待测液制备消煮完毕的消煮液，冷却后加入蒸馏水定容，即可用于土壤全氮含量测定；吸取土壤全氮待测液，通过碱液调整溶液PH值，即可用于土壤全磷含量测定；(3) 土壤全氮全磷含量测定分别利用连续流动注射分析仪自动测定。测量土壤的总氮含量是了解土壤肥力的重要途径，获取土壤总氮含量信息对于农业和环境等方面的研究很有意义。现有技术中测量含氮量方法为凯氏定氮法或杜马斯燃烧定氮法，测量过程费时、费力、耗材成本高，且中间过程容易产生化学污染。因此，需要提供一种能够快速、准确地检测土壤中总氮含量的方法。
发明内容
本发明提供了一种土壤总含氮量检测方法，操作简单，能够快速准确地实现土壤样品中总含氮量的检测。一种土壤总含氮量检测装置，包括用于放置土壤样品的暗箱；用于向暗箱中的土壤样品发射检测光的光照模块；
用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块；用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块；所述光照模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列、反射盖、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及输出光纤，所述LED点光源阵列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED点光源各一盏，所有LED点光源呈圆环形排列且均匀分布。土壤样品置于所述暗箱中，所述光照模块向暗箱中的土壤样品发射特定波长的检测光，所述光谱采集模块采集不同波长处土壤样品的反射光，所述光谱处理模块接收所述的反射光，提取不同波长的反射光的反射率，利用式Y = 783. 5^-261. 1X2_182. 8X3+806. 9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 计算得到土壤样品总含氮量。土壤样品置于所述暗箱内，隔离外界光线，避免外界光线对土壤样品反射光的采集形成干扰，提高土壤样品总含氮量检测结果的准确性。所述LED点光源发出特定波长的光，经反射盖反射后，由第一聚焦透镜变为平行光，该平行光经第二聚焦透镜聚焦后，进入输出光纤，由输出光纤传递至暗箱中所述土壤样品的上方。作为优选，每盏LED点光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成45度夹角。所述每盏LED点光源的光轴与所述圆环形的轴线成45度夹角，所述每盏LED点光源发出的光经所述反射盖反射后进入第一聚焦透镜，变为平行光。作为优选，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接收该接收光 纤所传送信号的光敏传感器。所述光敏传感器相对应不同波长的检测光设置，即相对应波长383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm分别设有光敏传感器,所述光敏传感器接收来自土壤样品的不同波长的反射光。作为优选，所述输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端均位于所述暗箱内。所述光照模块的输出光纤将LED点光源阵列发出的光传递至输出光纤位于暗箱内的发射端，向土壤样品发射不同波长的检测光，检测光经土壤样品反射后得到反射光，反射光由所述接收光纤的采集端采集后，由接收光纤传输至光谱处理模块，由光谱处理模块处理得到土壤样品总氮含量。作为优选，设有调节输出光纤以及第二聚焦透镜间距的伸缩机构。所述伸缩机构可以调节所述输出光纤与第二聚焦透镜间的距离，即调节输出光纤接受到的第二聚焦透镜输出的检测光光强大小，经过土壤样品反射后，得到合适的反射光光强，用于计算土壤样品总氮含量。作为优选，设有与所述暗箱固定连接的光纤支架，该光纤支架上设有由暗箱顶部插入暗箱内的光纤套管，所述输出光纤以及接收光纤沿所述光纤套管延伸入暗箱内。所述光纤套管可以对输出光纤以及接收光纤起到一定的保护作用。为了调整所述输出光纤以及接收光纤与土壤样品的距离，优选地，所述光纤支架上设有紧固夹，所述光纤套管竖直的夹持在紧固夹中。本发明还公开了一种利用所述的土壤总含氮量检测装置检测土壤含氮量的方法，包括如下步骤(I)将土壤样品放入所述暗箱中，利用光照模块向土壤样品发射波长为383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的检测光；(2)利用光谱采集模块采集土壤样品的反射光，利用光谱处理模块提取土壤样品在不同波长处的反射率；(3)利用光谱处理模块将所得反射率依据方程Y = 783. 5X^261. 1Χ2_182· 8Χ3+806.9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 计算得到土壤样品总含氮量；其中，Y为土壤样品总含氮量；X1 X8 分别为土壤样品在波长 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm处检测光的反射率。通过向土壤样品发射不同波长的光，采集土壤样品的反射光信息，提取不同波长 处土壤样品的反射率，计算得到土壤中总含氮量。本发明所选定的特征波长仅针对土壤总含氮量的检测，不适用于土壤其他指标的检测，如果需要检测土壤样品的其他指标，需重新选定特征波长，通过多元线性回归建立模型，得到相应的计算公式。本发明土壤总含氮量检测装置结构简单，可以根据需要选择不同的特定波长的滤光片，利用多元线性回归建立模型，用于测量土壤样品的不同指标，检测过程简便快捷、检测结果准确可靠、检测成本低、无污染。
图I为本发明一种土壤总含氮量检测装置示意图；图2为本发明一种土壤总含氮量检测装置光照模块示意图；图3为图2的侧视图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明一种土壤总含氮量检测装置做详细描述。一种土壤总含氮量检测装置，包括用于放置土壤样品的暗箱、用于向暗箱中的土壤样品发射检测光的光照模块2、用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块、用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块3。暗箱设有推拉门，土壤样品放入暗箱后，关闭推拉门，防止外界光线对光谱采集模块采集土壤样品反射光的干扰。光照模块2包括在光路上依次布置的LED点光源20阵列、反射盖24、第一聚焦透镜21、第二聚焦透镜16以及输出光纤，LED点光源20阵列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED点光源各一盏，所有LED点光源呈圆环形排列且均匀分布，每盏LED点光源的光轴沿光路方向与圆环形的轴线成45度夹角。光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接收该接收光纤所传送信号的光敏传感器，光敏传感器相对应LED点光源20不同波长的检测光设置，即相对应波长383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 分别设有光敏传感器，光敏传感器接收来自土壤样品的不同波长的反射光。输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端均位于暗箱内，光照模块2的输出光纤将LED点光源20阵列发出的光传递至输出光纤位于暗箱内的发射端，向土壤样品发射不同波长的检测光，检测光经土壤样品反射后得到反射光，反射光由接收光纤的采集端采集后，由接收光纤传输至光谱处理模块3，由光谱处理模块3处理得到土壤样品总氮含量。设有调节输出光纤以及第二聚焦透镜16间距的伸缩机构15，伸缩机构15可以调节输出光纤与第二聚焦透镜16间的距离，即调节输出光纤接受到的第二聚焦透镜16输出的检测光光强大小，经过土壤样品反射后，得到合适的反射光光强，用于计算土壤样品总氮含量。设有放置光照模块2，光谱采集模块以及光谱处理模块3的支架1，支架I上还设有显示光谱处理模块3处理结果的显示屏4、光谱采集模块开关6以及电源开关5。设有与暗箱10固定连接的光纤支架12，该光纤支架12上设有由暗箱10顶部插入暗箱10内的光纤套管13，输出光纤以及接收光纤沿光纤套管13延伸入暗箱10内，光纤支架12上设有紧固夹，光纤套管13竖直的夹持在紧固夹中，通过调节紧固夹的夹持位置，可以调节光纤套管13深入暗箱10中的长度，从而使输出光纤的发射端以及接收光纤的采集 端与土壤样品9紧密接触。本发明所述的光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3均为用电部件，为了保证光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3的正常工作，在没有特殊说明的前提下应当理解为光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3均连接有相匹配的电源，光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3可以采用同一总电源，也可以根据实际需要单独设置电源，或者是通过光照模块2、光谱采集模块以及光谱处理模块3之间的电路实现电源信号的传递。各用电部件之间的空间位置关系没有严格限制，但为了便于加工和安装尽可能的采用集成度较高的电路布置。本发明土壤含氮量检测装置工作时，将土壤样品9放入暗箱10内，关闭推拉门8，通过光纤支架12紧固夹，调节光纤套管13插入暗箱10的高度，使输出光纤14的发射端以及接收光纤的采集端紧贴土壤样品9，打开电源开关5，光照模块22发出383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm波长的光,经输出光纤14的发射端照射至土壤样品9，打开光谱采集模块开关6，土壤样反射后，经接收光纤的采集端采集，传递至光谱处理模块3，经光谱处理模块3处理后，将土壤样品9总氮含量显示在显示屏4上。土壤氮含量单位为mg/kg。利用所述的土壤总含氮量检测装置检测土壤总含氮量的方法，包括如下步骤(I)将土壤样品放入所述暗箱中，利用光照模块向土壤样品发射波长为383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的检测光；(2)利用光谱采集模块采集土壤样品的反射光，利用光谱处理模块提取土壤样品在不同波长处的反射率；(3)利用光谱处理模块将所得反射率依据方程Y = 783. 5X^261. 1Χ2_182· 8Χ3+806.9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 计算得到土壤样品总含氮量；其中，Y为土壤样品总含氮量；X1 X8 分别为土壤样品在波长 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm处检测光的反射率。本发明所选定的特征波长(其中有一个作为参照波长，其余7个参与计算)仅针对土壤总氮含量的快速检测，如果需要测量土壤的其他指标，需要重新选定特定波长，通过多元线性回归，建立模型，计算得到相应的指标值。利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，建模集表示建立模型时，利用土壤样品的反射率以及现有方法测试得到的总含氮量拟合得到模型方程，预测集表示，建立完模型后，使用土壤样品依据模型方程得到的总含氮量拟合得到标准曲线。表I
权利要求
1.一种土壤总含氮量检测装置，其特征在于，包括 用于放置土壤样品的暗箱； 用于向暗箱中的土壤样品发射检测光的光照模块； 用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块； 用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块； 所述光照模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列、反射盖、第一聚焦透镜、第二聚焦透镜以及输出光纤，所述LED点光源阵列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED点光源各一盏，所有LED点光源呈圆环形排列且均匀分布。
2.如权利要求I所述的土壤总含氮量检测装置，其特征在于，每盏LED点光源的光轴沿光路方向与所述圆环形的轴线成45度夹角。
3.如权利要求2所述的土壤总含氮量检测装置，其特征在于，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的接收光纤以及接收该接收光纤所传送信号的光敏传感器。
4.如权利要求3所述的土壤总含氮量检测装置，其特征在于，所述输出光纤的发射端以及接收光纤的采集端均位于所述暗箱内。
5.如权利要求4所述的土壤总含氮量检测装置，其特征在于，设有调节输出光纤以及第二聚焦透镜间距的伸缩机构。
6.如权利要求5所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，设有与所述暗箱固定连接的光纤支架，该光纤支架上设有由暗箱顶部插入暗箱内的光纤套管，所述输出光纤以及接收光纤沿所述光纤套管延伸入暗箱内。
7.如权利要求6所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，所述光纤支架上设有紧固夹，所述光纤套管竖直的夹持在紧固夹中。
8.利用如权利要求I 7任一所述的土壤总含氮量检测装置检测土壤含氮量的方法，其特征在于，包括如下步骤 (1)将土壤样品放入所述暗箱中，利用光照模块向土壤样品发射波长为383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的检测光； (2)利用光谱采集模块采集土壤样品的反射光，利用光谱处理模块提取土壤样品在不同波长处的反射率； (3)利用光谱处理模块将所得反射率依据方程Y= 783. 5Xr261. 1X2-182. 8X3+806. 9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7-307. 1X8+156. 5 计算得到土壤样品总含氮量； 其中，Y为土壤样品总含氮量； X1 X8 分别为土壤样品在波长 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm处检测光的反射率。
全文摘要
本发明公开了一种土壤总含氮量检测装置，包括用于放置土壤样品的暗箱；用于向暗箱中的土壤样品发射检测光的光照模块；用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块；用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块。本发明还公开了一种利用所述土壤总含氮量检测装置检测土壤总含氮量的方法。本发明土壤总含氮量检测装置结构简单，可以根据需要选择不同的特定波长的滤光片，利用多元线性回归建立模型，用于测量土壤样品的不同指标，检测过程简便快捷、检测结果准确可靠、检测成本低、无污染。
文档编号G01N21/25GK102798597SQ20121028635
公开日2012年11月28日 申请日期2012年8月13日 优先权日2012年8月13日
发明者何勇, 章海亮 申请人:浙江大学