一种液态有机肥在线和离线检测方法及系统

1.本发明是关于一种液态有机肥在线和离线检测方法及系统，属于液态有机肥在线和离线检测领域。


背景技术：

2.液态有机肥的施用可以增加土壤有机质，提高土壤透气性，缓解土壤疲劳，为农作物提供良好的生长环境，但是，液态有机肥的施用量一直是困扰粪肥还田的重要难题。现有技术中，采用近红外光谱的方式已经在粪肥养分速检上开展许多相关的研究，近红外光谱通过与液态有机肥中的养分(氮、磷、钾等)建立相关关系，实现液态有机肥中养分的快速分析，为粪肥还田前提供数据指导。
3.然而，目前基于粪水近红外光谱的研究大多集中于实验室层面，现场或在线的研究甚少，没有人提出适合液态有机肥的近红外信号的在线或离线的采集方法。


技术实现要素：

4.针对上述问题，本发明的目的是提供一种液态有机肥在线和离线检测方法及系统，适合液态有机肥近红外信号的在线或离线采集。
5.为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一方面，提供一种液态有机肥在线和离线检测方法，包括：
6.当液态有机肥处于在线动态下，近红外光谱仪采用列扫描模式采集液态有机肥的近红外信号；
7.当液态有机肥处于离线静态下，近红外光谱仪采用哈达玛模式采集液态有机肥的近红外信号。
8.进一步地，还包括：
9.在连接有机肥厂的液态有机肥传输管道的纵向管道和石英样品池内均配置近红外光谱仪。
10.进一步地，所述纵向管道呈垂直向下状态。
11.进一步地，所述近红外光谱仪采用漫反射方式采集液态有机肥的近红外信号。
12.进一步地，所述近红外光谱仪在列扫描模式和哈达玛模式下的扫描参数相同。
13.进一步地，所述扫描参数包括分辨率、扫描重复次数、采集点数和pga。
14.进一步地，所述近红外光谱仪采用ti仪器公司的dmd部件。
15.进一步地，所述近红外光谱仪的波长范围为900～1700nm。
16.另一方面，提供一种液态有机肥在线和离线检测系统，包括石英样品池、纵向管道和近红外光谱仪；
17.所述石英样品池用于放置液态有机肥；
18.所述纵向管道用于连接有机肥厂的液态有机肥传输管道，传输液态有机肥；
19.所述近红外光谱仪处配置所述石英样品池和纵向管道，配置所述石英样品池的所
述近红外光谱仪采用哈达玛模式采集液态有机肥的离线静态近红外信号，位于所述纵向管道内的所述近红外光谱仪采用列扫描模式采集液态有机肥的在线动态近红外信号。
20.进一步地，所述纵向管道呈垂直向下状态；所述石英样品池密接所述近红外光谱仪的镜头。
21.本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：
22.本发明针对液态有机肥的在线以及离线样品近红外信号采集信噪比差异的问题，通过采用近红外光谱仪的列扫描模式采集液态有机肥的在线信号，通过采用近红外光谱仪的哈达玛模式采集液态有机肥的离线信号，系统地解决了液态有机肥在不同状态下采集信号的问题。并通过实际数据分析得出采集液态有机肥的离线信号，哈达玛模式较列扫描模式信噪比更高，采集液态有机肥的在线信号，列扫描模式较哈达玛模式信噪比更高。综上所述，本发明可以广泛应用于液态有机肥在线和离线检测领域中。
附图说明
23.图1是本发明一实施例提供的离线静态下采用近红外光谱仪的哈达玛模式和列扫描模式下采集的液态有机肥数据示意图，其中，图1(a)为在哈达玛模式下采集的900～1700nm波段下液态有机肥样品离线信号，图1(b)为在哈达玛模式下采集的900～1350nm波段下液态有机肥样品离线信号，图1(c)为在哈达玛模式下采集的1350～1700nm波段下液态有机肥样品离线信号，图1(d)为在列扫描模式下采集的900～1700nm波段下液态有机肥样品离线信号，图1(e)为在列扫描模式下采集的900～1350nm波段下液态有机肥样品离线信号，图1(f)为在列扫描模式下采集的1350～1700nm波段下液态有机肥样品离线信号；
24.图2是本发明一实施例提供的在线动态下采用近红外光谱仪的哈达玛模式和列扫描模式下采集的液态有机肥数据示意图，其中，图2(a)为在哈达玛模式下采集的900～1700nm波段下液态有机肥样品在线信号，图2(b)为在哈达玛模式下采集的900～1350nm波段下液态有机肥样品在线信号，图2(c)为在哈达玛模式下采集的1350～1700nm波段下液态有机肥样品在线信号，图2(d)为为在列扫描模式下采集的900～1700nm波段下液态有机肥样品在线信号，图2(e)为在列扫描模式下采集的900～1350nm波段下液态有机肥样品在线信号，图2(f)为在列扫描模式下采集的1350～1700nm波段下液态有机肥样品在线信号。
25.图1和图2中各图的横坐标均为波长，纵坐标均为吸光度。
具体实施方式
26.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
27.应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操
作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。
28.本发明实施例提供的液态有机肥在线和离线检测方法及系统，针对液态有机肥的在线以及离线样品近红外信号采集信噪比差异的问题，在现场研究的基础上，采用近红外技术对液态有机肥进行离线和在线检测。本发明中的近红外仪器采用ti(texas instrument)仪器公司的dmd(digital micromirror device，数字微镜器件)，可以实现光谱的复用解码。dmd是集光处理与mems(微机电系统)于一体的部件，因具有高分辨率、高亮度、高对比度、高可靠性、数字控制和响应时间短等优点，广泛应用于数字光处理(digital light procession，dlp)系统中。
29.近红外光谱仪在列扫描模式下信噪比(snr)的计算公式为：
[0030][0031]
其中，d为光源的相对功率强度；η为比例系数；δ为检测器电路噪声。
[0032]
近红外光谱仪在哈达玛模式下信噪比(snr)的计算公式为：
[0033][0034]
其中，n为hadamard矩阵的阶数。
[0035]
从上述公式(1)和(2)可以看出，哈达玛模式下的信噪比是列扫描模式下信噪比的一般hadamard矩阵的阶数n取值为几百。
[0036]
在实际过程中，如图1和图2所示，分别为离线静态和在线动态下，近红外光谱仪在哈达玛模式和列扫描模式下采集液态有机肥的近红外信号。可以看出，在样品的离线静态下，哈达玛模式下的信噪比高于列扫描模式下的信噪比，但是在样品的在线动态下，列扫描模式下的信噪比高于哈达玛模式下的信噪比。
[0037]
实施例1
[0038]
因此，基于上述问题发现和说明，本实施例提供一种液态有机肥在线和离线检测方法，包括以下步骤：
[0039]
1)在连接有机肥厂的液态有机肥传输管道的纵向管道和石英样品池内均配置近红外光谱仪，近红外光谱仪采用漫反射方式采集液态有机肥的近红外信号。近红外采集信号分为漫反射、透射和透反射三种方式，其中，针对液态有机肥样品只能采用漫反射方式获取近红外信号。
[0040]
优选地，近红外光谱仪采用ti仪器公司的dmd部件，近红外光谱仪的波长范围为900～1700nm。
[0041]
更优选地，纵向管道呈垂直向下状态，以减少管道中空气对信号采集的不利影响。离线静态下的液态有机肥放置在石英样品池中，在线动态下的液态有机肥在纵向管道内流动。
[0042]
2)当液态有机肥处于在线动态下，近红外光谱仪采用column(列扫描)模式采集液态有机肥的近红外信号。
[0043]
3)当液态有机肥处于离线静态下，近红外光谱仪采用hadamard(哈达玛)模式采集液态有机肥的近红外信号。
[0044]
具体地，近红外光谱仪在列扫描模式和哈达玛模式下的扫描参数相同，其中，扫描参数包括分辨率、扫描重复次数、采集点数和pga(可编程增益放大器)。
[0045]
例如分辨率为10nm，扫描重复次数50次，采集点数228，pga＝64。
[0046]
下面通过具体实施例详细说明本发明的液态有机肥在线和离线检测方法：
[0047]
步骤1：在有机肥厂的液态有机肥传输管道上设置近红外光谱仪采集液态有机肥在线动态下的近红外信号，采用石英样品池采集液态有机肥离线静态状态下近红外信号。优选地，近红外光谱仪采用漫反射方式采集信号。
[0048]
步骤2：在有机肥厂的正常生产时间，液态有机肥传输管道上的近红外光谱仪分别在列扫描模式和哈达玛模式下采集液态有机肥的近红外信号，以待后期数据处理，比较两者的信噪比差异。
[0049]
步骤3：同时，获取22个离线静态下的液态有机肥样品，并放置在石英样品池中，采用近红外光谱仪，分别在列扫描模式和哈达玛模式下采集液态有机肥的近红外信号，以待后期数据处理，比较两者的信噪比差异。
[0050]
上述步骤2和3采集的液态有机肥的近红外数据如图1和图2所示。
[0051]
图1(a)为离线静态的哈达玛模式下900～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图1(b)为离线静态的哈达玛模式下900～1350nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图1(c)为离线静态的哈达玛模式下1350～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图1(d)为离线静态的列扫描模式下900～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图1(e)为离线静态的列扫描模式下900～1350nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图1(f)为离线静态的列扫描模式下1350～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值。
[0052]
如图1(a)所示，在连续22个周期的监测，可以看出，光谱在900～1700nm范围内整体呈平滑状态，无明显噪声。如图1(b)和(c)所示，在900～950nm和1650～1700nm内噪声主要由于检测器内部固有噪声引起。
[0053]
如图1(d)所示，在连续22个周期的监测，可以看出，光谱在900～1700nm范围的两端出现明显噪声，1300～1450nm范围光谱整体呈平滑状态。结合图1(e)和(f)中，噪声主要出现在900～1300nm和1450～1700nm范围，此部分噪声大的主要是列扫描模式在此范围的信噪比较哈达玛模式低，导致采集的液态有机肥样品噪音大。综上，离线静态下哈达玛模式比列扫描模式的噪音小，哈达玛模式更适合液态有机肥离线信号的采集。
[0054]
图2(a)为在线动态的哈达玛模式下900～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图2(b)为在线动态的哈达玛模式下900～1350nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图2(c)为在线动态的哈达玛模式下1350～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图2(d)为在线动态的列扫描模式下900～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图2(e)为在线动态的列扫描模式下900～1350nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值；图2(f)为在线动态的列扫描模式下1350～1700nm波长范围液态有机肥样品的吸光度值。
[0055]
如图2(a)所示，在连续22个周期的监测，可以看出，光谱在900～1700nm范围内整体都有明显噪声，噪音呈锯齿状。此范围噪声主要是由于液态有机肥样品的运动干扰因素，对光谱产生严重的噪声干扰。进一步地，在图2(b)和(c)中可以看出，在这两波段范围出现
明显的不规则噪声信号，运动状态对哈达玛模式信号采集影响显著。
[0056]
如图2(d)所示，在连续22个周期的监测，可以看出，光谱在900～1700nm范围的两端出现明显噪声，1300～1450nm范围光谱整体呈平滑状态。结合图2(e)和(f)中，噪声主要出现在900～1300nm和1450～1700nm范围，此范围噪声主要是由于液态有机肥样品的运动干扰因素。综上，在线动态下列扫描模式比哈达玛模式的噪音小，列扫描更适合液态有机肥在线信号的采集。
[0057]
实施例2
[0058]
本实施例提供一种液态有机肥在线和离线检测系统，包括石英样品池、纵向管道和近红外光谱仪。
[0059]
石英样品池用于放置液态有机肥，此时石英样品池内的液态有机肥处于离线静态。
[0060]
纵向管道用于连接有机肥厂的液态有机肥传输管道，传输液态有机肥，此时管道中液态有机肥是流动的，处于在线动态。
[0061]
所述近红外光谱仪处配置石英样品池和纵向管道，配置石英样品池的近红外光谱仪采用哈达玛模式采集液态有机肥的离线静态近红外信号，位于纵向管道内的近红外光谱仪采用列扫描模式采集液态有机肥的在线动态近红外信号。
[0062]
在一个优选的实施例中，纵向管道呈垂直向下状态；石英样品池密接近红外光谱仪的镜头。
[0063]
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。