基于超光谱检测技术的广域土壤肥力参数集成评价系统的制作方法
【专利摘要】本实用新型提供一种基于超光谱检测技术的广域土壤肥力参数集成评价系统，包括近红外和紫外/可见光谱发生装置、样品室、检测器、控温及测温装置、控制及数据传输装置、电源。近红外光谱发生装置包括近红外光谱光源、前置和后置光学装置、AOTF；紫外/可见光谱发生装置包括紫外/可见光谱光源和单色器；近红外、紫外/可见光谱发生装置、检测器与控制及数据传输装置电连接。本实用新型具有同时获得样品多个参数的数据，达到多参数同时测定；分析测定速度快，一次光谱扫描的时间1-10s，完成一个样品参数评价只需1分钟；自动化程度高，大多数步骤由系统自动完成；通过采用新技术和特别设计，使系统具备车载便携的能力；无需在特定的实验室环境操作等优点。
【专利说明】基于超光谱检测技术的广域土壤肥力参数集成评价系统
【技术领域】
[0001]本实用新型属于超光谱检测【技术领域】，涉及一种基于超光谱检测技术的广域土壤肥力参数集成评价系统。
【背景技术】
[0002]土壤肥力参数的快速测定对农业科学发展具有重要意义。种植业和养殖业的土壤安检是减少食品产品食源性疾病的基础。而对于我国的大多数城市而言，比如天津市，现有粮食播种面积约480万亩，在年产约16亿公斤粮食的背后，因化肥和农药使用过量造成的食品安全压力十分巨大:每年因土壤性病害造成的蔬菜减产高达20%-50% ;种植5年以上耕地盐溃化造成减产10%以上。急需一套先进的、数字化的物理化土壤安全检测系统。
[0003]在传统土壤氮、磷、钾等肥效元素分析方法中，需要使用强酸消煮或者强碱烧熔土壤样品，然后采用化学滴定定量法或火焰分光光度法等方法来确定样品中元素的含量。比如 NY/T 889-2004 ；GB 9837-88 文献所披露。
[0004]传统的测定土壤肥力参数的方法多为通过化学反应的方法来提取和检测样品中的被检测元素，具有以下几种缺陷:
[0005]1、分析效率低，样品消耗量大:化学反应需要消耗大量样品，且每一份样品只能进行一种元素的含量测定。
[0006]2、操作步骤繁琐，分析耗时长:传统方法中样品成分的提取、分析步骤均需要较长时间，且方法中涉及的部分化学试剂需要现用现配，导致操作繁琐耗时长，难以应用于大批量样品的检测分析工作。
[0007]3、要求操作人员具备较高的专业素质，受人为因素影响大:传统方法中的大多数步骤均需要由人进行实际操作，除导致对操作人员专业水平的高要求外，整个过程中极易因人为因素造成分析结果的误差。
[0008]4、传统方法需要在实验室环境下方可实现。
实用新型内容
[0009]本实用新型提供一种基于超光谱技术对土壤多个肥力参数进行同时、快速分析测定的系统，以解决传统测定方法无法做到多参数同时测定，分析效率低、时间长，难以应用于大批量样品分析，以及受人为因素影响大，结果准确性、重现性低的问题。
[0010]为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是:基于超光谱检测技术的广域土壤肥力参数集成评价系统，包括壳体，以及置于壳体内的
[0011]一样品室，样品室内容置一样品台，样品台用于置放装有样品土壤的容器；
[0012]一近红外光谱发生装置，置于样品台一侧，用于输出波长范围在780?2500nm的光扫描样品土壤；
[0013]一紫外/可见光谱发生装置，置于样品台一侧，用于输出波长范围在220?780nm的光扫描样品土壤；[0014]所述近红外光谱发生装置和紫外/可见光谱发生装置的光路相互垂直；
[0015]若干个检测器，置于样品台周围，用于接收各光谱产生装置产生的光扫描样品土壤后的透射及反射光，并将光信号转化为电信号传输给控制及数据传输装置。
[0016]一控制及数据传输装置，接收系统运行参数设定，并根据设定控制光谱产生装置的输出波长范围以及扫描间隔和扫描时间，还可接收和发送分析数据；
[0017]一电源单元，为各装置提供电源；
[0018]进一步，还包括一测温及控温装置，测定和控制壳体内和样品室的温度。
[0019]本实用新型具有的优点和积极效果是:
[0020]1.土壤多肥力参数的同时分析测定
[0021]通过超光谱扫描可以同时获得样品中多个参数的数据，达到多参数同时测定的目的。
[0022]2.分析测定速度快
[0023]进行一次光谱扫描的时间只需要1-lOs，完成一个样品参数评价只需I分钟，与传统方法相比极大地缩短分析所用时间，方便应用于大批量样品的分析测定。
[0024]3.大多数步骤由系统自动完成
[0025]系统采用微机自动化控制，运行参数设定后由系统自动完成，极大地减少了人为因素对过程的影响，提高结果的准确性和重现性。
[0026]4.通过使用新技术，使系统具备车载便携的能力，无需在特定的实验室环境操作，近红外光谱发生装置中采用AOTF作为分光器件，具备体积小、重量轻、全固态分光器件、无移动部件、全密封设计的特点，使系统达成小型化的目的的同时具备抗震性能好、抗干扰能力强、工作稳定的优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1是本系统的结构原理示意图
[0028]图2是前置光学装置的一种实施例的结构示意图
[0029]图3是后置光学装置的一种实施例的结构示意图
[0030]图4是AOTF的一种实施例的结构示意图
[0031]图中:
[0032]1、卤素钨灯(近红外光谱光源)；2、前置光学装置；3、声光可调滤光器(A0TF，近红外光谱分光器)；4、后置光学装置；5、脉冲氙灯(紫外光谱光源)；6、单色器；7、8、9、检测器；
10、样品室；11、样品台；12、测温及控温装置；13、控制及数据传输装置；14、电源
【具体实施方式】
[0033]以下结合附图对本实用新型进行详细说明:
[0034]为解决传统测定方法无法做到多参数同时测定，分析效率低、时间长，难以应用于大批量样品分析，以及受人为因素影响大，结果准确性、重现性低的问题，如图1所示，本实用新型的基于超光谱检测技术的广域土壤肥力参数集成评价系统，包括壳体，以及置于壳体内的
[0035]一样品室10，样品室10内容置一样品台11，样品台用于置放装有样品土壤的容器；此容器可选用常见的比色皿。
[0036]一近红外光谱发生装置，置于样品台一侧，用于输出波长范围在780~2500nm的光扫描样品土壤；
[0037]—紫外/可见光谱发生装置，置于样品台一侧，用于输出波长范围在220~780nm的光扫描样品土壤；
[0038]所述近红外光谱产生单元和紫外/可见光谱发生装置的光路相互垂直；
[0039]若干个检测器，置于样品台周围，用于接收各光谱产生装置产生的光扫描样品土壤后的透射及反射光，并将光信号转化为电信号传输给控制及数据传输装置13。
[0040]一控制及数据传输装置13，接收系统运行参数设定，并根据设定控制光谱产生装置的输出波长范围以及扫描间隔和扫描时间，还可接收和发送分析数据；
[0041]一电源单元14，为各装置提供电源，采用直接接220V交流电源和高能电池电源并存的形式，以便本系统在户外也可工作；
[0042]另，上述各检测器为二极管阵列检测器，用于接收从样品透射光或从样品表面产生的反射(包括漫反射和镜面反射)光信号，其中包含了样品内部成分的各种反馈信息，并将光信号转化为电信号传输给控制及数据传输装置13。
[0043]进一步，还包括一测温及控温装置12，测定和控制壳体内和样品室的温度，用于获得样品土壤温度参数，控制系统运行温度。
[0044]进一步，所述近红外光谱产生装置在本实施例中采用的结构形式为:包括沿光路依次设置的近红外光谱光源1、前置光学装置2、近红外光谱分光器3和后置光学装置4。
[0045]其中，前置光学装置2和后置光学装置4在本实施例中采用以CaF2和石英为材料的透镜组。前置光学装置2将光源传输过来的发散光转换为平行光，能实现此功能的有多种结构形式，本文举出一种实现方式如图2所示，后置光学装置4将从AOTF传输来的光线转换为平行光，同样能实现此功能的有多种结构形式，本文举出一种实现方式如图3所示。
[0046]优选的，所述近红外光谱光源I可采用卤素钨灯。
[0047]优选的，所述近红外光谱分光器3为A0TF。
[0048]其中，AOTF是一种已知的电光调制器件。其工作原理主要是利用了声波在各向异性介质中传播时对入射到传播介质中的光的布拉格衍射作用。本文列举了一种能实现该功能的具体结构，如图4所示，声光可调谐滤光器由单轴双折射晶体(本实施例中选用材料为Te02，本领域人员已知能实现该功能的其他材料也还有很多种，本文不再列举)，粘合在单轴晶体一侧的压电换能器，以及作用于压电换能器的高频信号源组成。当输入一定频率的射频信号时，AOTF会对入射多色光进行衍射，从中选出波长为\的单色光。单色光的波长λ与射频频率f有一一对应的关系，只要通过电信号的调谐即可快速、随机改变输出光的波长。不需要传递给后置光学装置4的光均被挡光板所遮挡。
[0049]进一步，所述紫外/可见光谱产生装置在本实施例中采用的结构形式为:包括沿光路依次设置的紫外光谱光源5、单 色器6。紫外光谱光源5产生的光的波长范围为220至780nm,单色器6对入射来的光线进行波长选择，控制输出的光线波长在控制及数据传输装置15设定的所需光线，并且将其转换为平行光。
[0050]优选的，所述紫外光谱光源5可选用脉冲氙灯。
[0051]优选的，所述单色器6中主要由入射、出射狭缝、透镜系统和光栅组成，光栅作为分光器件。入射、出射狭缝用来限制通过光线的宽度，光栅实现波长的选择，透镜系统实现平行光的转换。实现所述功能的单色器是本领域人员所知晓的，本文不再累述其具体结构形式。
[0052]本系统进行土壤检测的流程步骤为:
[0053]先对样品土壤进行风干、粉碎、过筛等预处理，然后置于比色皿等透光容器中；
[0054]将容器置放于样品台上；
[0055]将所需参数通过控制及数据传输装置15输入，并由其控制本系统对样品进行光照扫描；
[0056]各个检测器接收透射光和反射光，并将光信号转化为电信号传递给控制及数据传送装置；
[0057]控制及数据传送装置将数据可通过USB数据线的有线传输方式或者是无线传输方式传递给电脑，电脑将数据形成原始图谱，同时通过专用软件的分析计算和与数据库的比对分析，得到样品成分含量数据，并可生成样品成分图谱和土壤肥力参数评价报告。
[0058]还可以增设一显示屏，将一些可简单处理的数值直接通过显示屏显示，在土壤现场即可得出一些简单的数据结果。
【权利要求】
1.基于超光谱检测技术的广域土壤肥力参数集成评价系统，其特征在于:包括壳体，以及置于壳体内的 一样品室，样品室内容置一样品台，样品台用于置放装有样品土壤的容器； 一近红外光谱发生装置，置于样品台一侧，用于输出波长范围在780?2500nm的光扫描样品土壤； 一紫外/可见光谱发生装置，置于样品台一侧，用于输出波长范围在220?780nm的光扫描样品土壤； 所述近红外光谱发生装置和紫外/可见光谱发生装置的光路相互垂直； 若干个检测器，置于样品台周围，用于接收各光谱发生装置产生的光扫描样品土壤后的透射及反射光，并将光信号转化为电信号传输给控制及数据传输装置； 一控制及数据传输装置，接收系统运行参数设定，并根据设定控制光谱产生装置的输出波长范围以及扫描间隔和扫描时间，还可接收和发送分析数据； 一电源单元，为各装置提供电源。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:还包括一测温及控温装置，测定和控制壳体内和样品室的温度。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述近红外光谱发生装置包括沿光路依次设置的近红外光谱光源(I)前置光学装置(2)、近红外光谱分光器(3)和后置光学装置(4)，前置、后置光学装置将前方输送来的光线转换为平行光。
4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于:所述近红外光谱光源(I)为卤素钨灯。
5.根据权利要求3所述的系统，其特征在于:所述近红外光谱分光器(3)为AOTF。
6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于:所述紫外/可见光谱发生装置包括沿光路依次设置的紫外光谱光源(5 )、单色器(6 )。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于:所述紫外光谱光源(6)为脉冲氙灯。
8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于:所述单色器(6)主要由入射、出射狭缝、透镜系统和光栅组成。
【文档编号】G01N21/27GK203455271SQ201320561095
【公开日】2014年2月26日 申请日期:2013年9月10日 优先权日:2013年9月10日
【发明者】侯玉文, 薛志孝, 康孟珍, 刘子毓, 朱晓峰, 韩承启, 刘东培, 杨洪, 宋新平, 傅川 申请人:国麒光电科技（天津）有限公司