一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置的制作方法

本发明涉及土壤养分检测技术领域，具体是一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置。

背景技术：

土壤养分测定在精准农业和测土配方施肥中具有重要地位，国内外学者一直致力于其快速实时测定方法的研究。然而，目前土壤养分的测量主要是采用传统的化学测试，该方法费时、费力、成本高且难以实现土壤实时测量。由于土壤养分是化学物质，迄今尚无一种能直接检测出这些物质的传感器，这使得土壤养分高精度实时测定成为难题，并成为近年研究和关注的热点。可见/近红外光谱分析技术因其快速、简便、低成本、破坏性小和多组分同时测定等优点受到人们的青睐。

可见/近红外光谱分析技术是光谱学、化学计量学和计算机科学等多学科知识的一种现代分析技术。相对于传统的化学分析技术，可见/近红外光谱分析技术能够在较短的时间内获取待测样品中多种成分的含量，可以一次光谱采集，多种成分同时测量；同时无需对样品作任何预处理或作简单处理，可实现无损检测；无需化学试剂，对环境不会造成二次污染。因此，可见/近红外光谱分析技术是一种快速、无损、无污染的分析技术，具有能够定量反演被检测对象物理性质和组分含量的潜力，在很多领域得到广泛应用，将其应用于土壤养分检测领域具有重要意义。

目前，可见/近红外光谱土壤养分的研究主要是在实验室利用大型的傅里叶变化光谱仪进行的。然而，田间土壤光谱的测量对于土壤检测来说意义更大。田间土壤光谱的测量受到光谱仪器的限制。公开号为cn101408502a的发明专利申请公开了一种便携式植物土壤养分快速测定仪，实现了植物和土壤养分信息的非接触光谱测量和快速计算。但该测定仪波段覆盖范围仅为350nm～1050nm。美国asd公司的便携式地物谱仪能够覆盖近红外全波段（350nm～2500nm）。该仪器近红外波段采用光栅扫描方式进行分光，成本过高限制了其应用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，对土壤养分进行原位、快速检测。

本发明的技术方案为：

一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，该装置包括测量探头、微处理器、光谱采集单元、驱动单元、电源和平板电脑，所述测量探头包括探头本体、设置在探头本体内的光源、准直透镜、光学快门、参比物质、步进电机和聚焦透镜、开设在探头本体底部且位于光源正下方的窗口以及嵌在窗口上的窗片；

所述微处理器、光谱采集单元、驱动单元和电源均设置在机箱内，所述光谱采集单元包括波长范围为350nm～1000nm的第一微型光谱仪、波长范围为900nm～2000nm的第二微型光谱仪和波长范围为1700nm～2500nm的第三微型光谱仪，所述驱动单元包括光源驱动模块、光学快门驱动模块和步进电机驱动模块；

所述第二微型光谱仪和第三微型光谱仪均采用mems傅里叶变换红外光谱仪,所述mems傅里叶变换红外光谱仪采用迈克逊干涉仪分光并以单点铟镓砷作为探测器，所述迈克逊干涉仪所用光学元件运用mems技术刻蚀于一块硅片上，所述探测器集成有tec制冷片；

所述准直透镜和光学快门依次设置在光源正下方，所述准直透镜用于对光源发出的光进行准直，所述光学快门用于测量暗电流时遮挡光源发出的光进入光谱采集单元；所述参比物质紧贴探头本体底部设置，所述步进电机用于测量参比物质光谱时驱动参比物质至光源正下方以及测量完成后驱动参比物质退回原位；

所述聚焦透镜用于收集土壤样品的漫反射光并通过收集光纤输入光谱采集单元，所述光谱采集单元的输出端与微处理器的输入端连接，所述微处理器的输出端通过驱动单元分别与光源、光学快门和步进电机的输入端连接，所述微处理器与平板电脑交互式连接。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述电源采用12v锂离子充电电池。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述光学快门位于光源正下方5cm处。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述收集光纤包括第一光纤和设置在机箱内的第二光纤，所述第二光纤为一分三光纤，所述第一光纤的一端与设置在探头本体内且位于聚焦透镜后端的sam接头连接，另一端通过设置在机箱内的sam结合套管与第二光纤的一分端连接，所述第二光纤的三分端与第一微型光谱仪、第二微型光谱仪和第三微型光谱仪一一对应连接。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述参比物质为ptfe。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述微处理器与平板电脑通过无线通讯模块或接口电路连接，所述接口电路设置在机箱内，包括usb3.0和rs232。

本发明的有益效果为：

由上述技术方案可知，本发明有效结合三个微型光谱仪，波长覆盖近红外全波段（350nm～2500nm）；测量探头集成有光学快门和参考物质，可以自动实时测量光谱仪暗电流和参考光谱，提高了装置抗击环境温度变化、光源波动以及其他元件变化影响的能力；采用mems技术的傅里叶变换红外光谱仪，降低了装置的成本，使其更适用于土壤应用；本发明的装置集成度高、体积小、重量轻、成本低，便于携带，操作方便，可实现对土壤养分的原位、快速检测。

附图说明

图1是本发明的结构示意框图；

图2是本发明的测量探头的结构示意框图；

图3是本发明的测量探头的外形示意图；

图4是本发明的测量探头的立体结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，包括测量探头1、微处理器2、光谱采集单元3、驱动单元4、接口电路5、电源6、机箱7、第一光纤8、第二光纤9、sam结合套管10和平板电脑11。其中，微处理器2、光谱采样单元3、驱动单元4、接口电路5、电源6、第二光纤9和sam结合套管10均设置在机箱7内。第二光纤9为一分三光纤，一分端纤芯为1000um，三分端纤芯均为400um。

如图2～4所示，测量探头1为漫反射式，采用0/45发射采集方式。测量探头1包括探头本体1-0、光源1-1、准直透镜1-2、光学快门1-3、参比物质1-4、步进电机1-5、聚焦透镜1-6和sam接头1-7。其中，光源1-1、准直透镜1-2、光学快门1-3、参比物质1-4、步进电机1-5、聚焦透镜1-6和sam接头1-7均设置在探头本体1-0内，探头本体1-0底部位于光源1-1正下方处开设有一直径20mm的窗口1-8，窗口1-8内嵌有蓝宝石窗片。

探头本体1-0采用易散热铝合金材料制备，外形为圆柱形。光源1-1为末端集成有聚焦镜的小功率（6.25w）卤钨灯。准直透镜1-2用于对光源1-1发出的光进行准直。光学快门1-3位于光源1-1正下方5cm处，测量暗电流时，光学快门1-3开启，遮挡光源1-1发出的光进入光谱采集单元3。参比物质1-4为ptfe，紧贴探头本体1-0底部设置，用于参比物质漫反射光谱的测量。参比物质1-4由步进电机1-5驱动控制前进后退。测量参比物质漫反射光谱时，步进电机1-5驱动参比物质1-4至光源1-1正下方采集参比物质光谱，测量完成后参比物质1-4退回到原位。聚焦透镜1-6用于收集土壤样品0的漫反射光进入位于聚焦透镜1-6后端的sam接头1-7进而通过第一光纤8和第二光纤9进入光谱采集单元3。

光谱采集单元3包括第一微型光谱仪3-1、第二微型光谱仪3-2和第三微型光谱仪3-3，波长覆盖350nm～2500nm。其中，第一微型光谱仪3-1波长范围为350nm～1000nm，光学分辨率为3nm；第二微型光谱仪3-2波长范围为900nm～2000nm，光学分辨率为10nm；第三微型光谱仪3-3波长范围为1700～2500nm，光学分辨率为10nm。三个光谱仪均采用usb驱动。第一微型光谱仪3-1采用固定反射光栅分光，3648像元硅基线阵ccd作为探测器。第二微型光谱仪3-2和第三微型光谱仪3-3均采用mems傅里叶变换红外光谱仪，采用迈克逊干涉仪分光，迈克逊干涉仪所用光学元件运用mems技术刻蚀于一块硅片上，单点铟镓砷作为探测器，探测器集成有tec制冷片。

第一光纤8的一端与sam接头1-7连接，另一端通过sam结合套管10与第二光纤9的一分端连接，第二光纤9的三分端与第一微型光谱仪3-1、第二微型光谱仪3-2和第三微型光谱仪3-3一一对应连接。第一微型光谱仪3-1、第二微型光谱仪3-2和第三微型光谱仪3-3的输出端与微处理器2的输入端连接。

微处理器2用于整个装置的控制及数据处理。微处理器2的输出端通过驱动单元4分别与光源1-1、光学快门1-3和步进电机1-5的输入端连接。驱动单元4包括光源驱动模块4-1、光学快门驱动模块4-2和步进电机驱动模块4-3。其中，光源驱动模块4-1为恒定电流驱动，实现对光源1-1的控制；光学快门驱动模块4-2实现对光学快门1-3的控制；步进电机驱动模块4-3实现对步进电机1-5的控制。

微处理器2与平板电脑11通过无线通讯模块或接口电路5交互式连接。接口电路5包括usb3.0和rs232。平板电脑11用于光谱采集参数设置、光谱数据显示。电源6为整个装置供电，采用12v锂离子充电电池，可持续工作8小时。本发明可实现对土壤ph、总氮、总磷、交换性钾、有机质等养分的测量。

本发明的工作原理：

平板电脑11内置基于可见/近红外的土壤养分预测模型，可检测土壤ph、总氮、总磷、交换性钾、有机质等养分。本发明采用三个低成本微型光谱仪覆盖近红外全波段（350nm～2500nm）获取土壤近红外光谱。测量探头1内置的小功率卤素灯发出的光经准直透镜1-2准直后照射到土壤样品0表面，土壤样品0的漫反射光经聚焦透镜1-6收集后再通过第一光纤8和第二光纤9进入三个微型光谱仪，微型光谱仪将收集到的漫反射光经分光、探测、模数转换、放大后获得土壤样品0的可见/近红外光谱数据，经由usb线传输给微处理器2。微处理器2将获得的数据传输给平板电脑11，平板电脑11运用预测模型计算出土壤ph、总氮、总磷、交换性钾、有机质等养分的含量。

以上所述实施方式仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。