CN100462712C - 便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，该系统包括4波长光谱测量装置，其中4波长光谱测量装置中光源和检测器相对设置，并在光源和检测器之间放置中性参比样或待测叶片，光源和检测器分别与微控制器电联接，微控制器与串行口电路相连接，还分别与显示器和键盘相连接。该检测方法利用所检测的数据I0与I，计算出I0与I各波长检测光对鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用化学计量算法计算出叶片中的叶绿素、水分和反映氮素水平的相对含量值NI。本发明相比传统测定方法提高效率数十倍，而且不产生对环境有害的物质，并可以实现大面积、快速、无损田间测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种植物营养状态检测的系统，特别是涉及便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器。
背景技术
氮素是作物生长发育必不可少的营养元素，它是植物体内叶绿素、蛋白质、核酸的组成部分，又是许多内源激素的组成部分，占植物干重的1％～7％。氮化物主要集中在作物生命活动旺盛的区域如叶片、分生组织等，它是作物生长发育必不可少的营养元素，对作物的生命活动具有重要意义。在生产实际和科学研究中，我们需要使作物保持适宜的氮素水平，需要分析作物植株含氮量。现有分析作物氮素水平的方法有很多，如浓硫酸硝煮法、蒸馏法、扩散法等。这些方法精度较高，但都是对植株有破坏性的，且耗时、花费都很大。在需要实时监测作物含氮水平时，这些方法的实际应用价值不高。叶绿体是作物进行光合作用的场所，它具有截获光能的作用。叶绿素含量的高低，直接影响着作物光合作用的大小，并在一定的程度上反映了叶片含氮水平。可结合叶片水分含量和叶绿素含量建立关联关系反映氮素水平。
发明内容
本发明的目的在于：克服原有的用化学方法、可见光谱或液相色谱的方法测定植物叶片中氮素含量时，其测定速度慢，测定过程需要消耗试剂、还会产生废液、对环境造成污染的缺陷；更主要的是在测定植物叶片中氮素含量时造成作物叶片破坏的缺陷；为了实现无损检测在田间生长过程中的作物叶片中的氮素的含量；从而提供一种利用多波长校正背景、去除背景成份影响，来实现无损检测作物叶片中的色素含量的便携式无损检测田间植物氮素营养状态的系统和方法。
本发明的目的是这样实现的：
本发明提供的用于便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法，包括：在本发明的用于田间植物色素无损检测系统中按以下步骤进行：
1、首先，启动电源。通过移动滑动夹4将中性参比样13置入光源5和检测器6之间；
2、操作键盘，微控制器7分别控制4波长光谱测量装置中LED光源5分时输出检测光的波长，其波长为λ1＝650～690nm，λ2＝740～760nm，λ3＝890～920nm，λ4＝960～980nm，检测光透过中性参比样后由光电检测器6接收各波长光的原始强度I01、I02、I03 I04，经前置放大器15和微控制器内部所设置的A/D模拟数字转换器，输入微控制器7；
3、将中性参比样13退出，改换待测的植物鲜叶片13；将该待测叶片放在所述的4波长光谱测量装置的上臂2和下臂3夹子中，测定时人工打开夹入叶片后借助弹簧的力量自动夹紧；重复测定中性参比样的步骤，测定透过植物鲜叶片的各波长光强度I，分别4个波长为I1、I2、I3、I4，该输出光经前置放大器和模拟数字转换器，输入微控制器；
4、微控制器利用检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对植物鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用下述多元线性方程组计算出叶片中植物的氮素水平，结果由显示屏显示，其系统检测流程如图4所示。
所述的方程组如下：
用叶片对1号波长λ1和2号波长λ2的吸收光度差可算出叶片中叶绿素的含量；用叶片对3号波长λ3和4号波长λ4的吸收光度差可算出叶片中水分的含量：
叶片中叶绿素含量Cch1(μg/cm2)
Cch1＝K1(A1-A2)+E1
其中A1为叶片对λ1的吸光度，A2为叶片对λ2的吸光度，K1为系数，K1等于10～40，E1为误差项。
叶片中水分含量Cx(mg/cm2)
Cx＝K2(A4-A3)+E2
其中A4为叶片对λ4的吸光度，A3为叶片对λ3的吸光度，K2为系数，K2等于20～80，E2为误差项。
由叶片中叶绿素的含量CCh1与水分的含量Cx可计算出植物氮素水平NI：
NI＝A×CCh1+B×Cx
NI为植物氮素水平；A为叶绿素相关系数(如1～1.5)；B为水分相关系数(如0.5～0.8)。
也可以用多元线性回归建立叶片对四个波长的吸光度与叶片中含氮素营养水平间的关系式，从而由四个波长的吸光度计算叶片的氮素营养水平。
本发明提供的便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，包括：光谱测量装置，其特征在于：还包括一外壳12、外壳12上安装有键盘8和液晶显示器9；外壳12内设置一用以安放本机工作电池的电池槽11；以及安装系统电路板16，该系统电路板16由4路LED驱动电路14分别与微控制器7电连接，电池与4路LED驱动电路14电连接；微控制器7通过串行口电路10传送数据；微控制器7与安装在外壳12上的键盘8和液晶显示器9电连接；微控制器7与光谱测量装置中的光源5电连接；还通过前置放大器15与光电检测器6电连接；所述的光谱测量装置是具有4波长的；还包括：用于夹持待测叶片的叶片夹1，叶片夹1安装在外壳12上；叶片夹的上臂2和下臂3内相对设置分析用的4种波长光源5和分析用的光电检测器6、其叶片夹上带有滑道，滑道中安装一用于固定中性参比样的滑动夹4，测量时将一待测叶片放置在叶片夹的光源和检测器之间。
还包括一计算机，微控制器7与计算机通过串行口电路10电联接。
在上述的技术方案中，所述的4种波长单色光源5采用具有4种波长LED，其波长范围为650nm～1100nm；包括：单波长LED灯组合形成，也可以是一个包含至少4个波长的复合LED灯；并由微控制器7控制其工作。
所述的系统驱动电路可以与微控制器、串行口电路做成一块系统电路板，该系统驱动电路为光源提供电源、控制光源的工作、采集检测器的检测信号并对信号处理确定叶片中待测量，测量结果由显示器9显示；驱动电路板的工作由键盘8来控制，并带有串行口电路10还便于和外部计算机进行通讯连接；所述的微控制器内部设置模拟数字转换器(A/D转换器)。
在上述的技术方案中，所述的中性参比样是对各波长近红外光有相同吸收作用的材料制成(如陶瓷、聚四氟乙烯等)的薄片，用于检测光源各波长光的原始强度I0(4个波长分别为I01、I02、I03、I04)并传入微控制器(7)。当测定叶片时将中性参比样退出，改换植物鲜叶片并测定透过叶片得各波长光强度I(4个波长分别为I1、I2、I3、I4)并传入微控制器7，微控制器7利用各波长的I0、I计算出最终结果。
在上述的技术方案中，所述的检测器为半导体光电检测器，安置在叶片夹的下臂内，也可以安置在叶片夹上臂内，用以检测各波长分析光的原始强度I0及透过叶片后的强度I，检测的信号传送到微控制器，经处理确定叶片中待测量。
在上述的技术方案中，所述的显示器为液晶显示器或其它显示器，用以显示分析结果以及测试参数。
本发明的优点在于：
本发明的一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器测定活体叶片中氮素含量，比传统测定的化学方法提高效率数十倍，而且不产生对环境有害的物质；多波长校正了背景影响和背景成份干扰，解决了氮素含量无损、准确测量。可以广泛用于作物的诊断、育种、农业生产和科研。
1、本方法为田间活体叶片直接测定，不需采摘叶片和化学前处理，不产生污染，属于绿色测定方法。
2、本方法为快速测量，比传统测定的化学方法提高效率数十倍。
3、采用至少4个的多个波长组合，校正了背景影响和消除背景成份干扰。
4、能很好的消除田间杂散光对测量的影响。
5、系统采用低功耗设计，适于便携。
6、测量结构采用滑动叶片夹，使用方便。
7、选择了固体中性参比，解决了光源出射光强与检测器匹配的问题。
8、采用中文液晶便于使用，并可以直接显示出植物氮素水平。
9、可以将数据上传给PC机。
附图说明
图1是本发明的用于植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器组成示意图(图中虚线表示安装在外壳内的部件)
图2是本发明的系统中的4波长光谱测量装置组成示意图
图3是本发明的系统驱动电路装置框图
图4是本发明的系统检测流程框图
图面说明
1—叶片夹 2—叶片夹上臂 3—叶片夹的下臂
4—中性参比样滑动夹 5—光源 6—光电检测器
7—微控制器 8—键盘 9—显示器
10—串行口电路 11—电池槽 12—外壳
13—叶片或中性参比样 14—四路LED驱动电路 15—前置放大器
16—系统电路板
具体实施方式
参照附图1，研制一种便携式植物氮素和水分含量的无损测量仪器，包括：一外壳12，一安装在外壳12上的用于夹持待测叶片的叶片夹1；所述的叶片夹包括上臂2和下臂3两部分，两臂内相对设置分析用的光源5和分析用的光电检测器6，该光电检测器为市场上购买的PIN S6775型号的；其叶片夹1上带有滑道(图中未示出)，滑道中安装了中性参比样滑动夹4，两者滑动配合；外壳12一壁上安装有键盘8和液晶显示器9；外壳12内设有用以安放本机工作电池的电池槽11，和系统电路板16；检测时在两臂上安装的光源5和光电检测器6之间放置一待测叶片或中性参比样13。
参照附图2和3：所示的系统电路装置做成一块板，包括4路LED驱动电路14、串行口电路10，和一市场上购买的C8051F007型号的带A/D转换器的微控制器7做成一块驱动电路板16，微控制器7内还固化有系统检测运行程序，其检测运行流程图如图4所示；其中4路LED驱动电路14分别与C8051F007型号的微控制器7电连接；微控制器7通过串行口电路10传数据；微控制器7与安装在外壳12上的键盘8和液晶显示器9电连接；微控制器7与具有4种波长LED单色光源5，其波长范围为600nm～1000nm；(或者是包含至少4个波长的复合LED灯均可以)电连接；还通过一个TLC272型号的前置放大器15与PIN S6775光电检测器6电连接，电池槽11内安装的电池与4路LED驱动电路14电连接。
通过C805IF007微控制器7控制4种波长LED输出的检测光，该检测光为可见——近红外特征光作为检测光源位于植物叶片上面，PIN S6775光电检测器位于中性参比样或植物鲜叶片下面，用于检测透过中性参比样后的各波长检测光的强度I0(4个波长I01、I02、I03、I04)或透过鲜叶片后的各波长检测光的强度I(4个波长I1、I2、I3、I4)。在测量叶片前通过滑动夹将中性参比样置入光源和光电检测器之间，以检测各波长光的原始强度I0(4个波长I01、I02、I03、I04)，经前置放大器TLC272进入微控制器所带的模拟数字转换器输入端，转换为数字量并传入微控制器。测定叶片时将中性参比样退出，改换植物鲜叶片并测定透过叶片的各波长光强度I(4个波长I1、I2、I3、I4)并传入微控制器C8051F007。微控制器利用检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用化学计量算法计算出叶片中植物氮素的含量，计算结果由显示屏显示或通过串行口电路传送数据。
应用上述的便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，进行田间植物叶片包括油菜叶、白菜叶、杨树叶、架豆叶中叶绿素含量测定，其具体步骤如下：
1首先选择具有4个波长段特征光的LED光源5，安装在叶片夹1的上臂内，下臂内安装光电检测器6：该第一个波长段用λ1表示为650～690nm，第二个波长段用λ2表示为740～760nm，第三个波长段用λ3表示为890～940nm；第四个波长段用λ4表示为960～980nm。
2、启动电源。通过移动滑动夹4将中性参比样13置入光源5和检测器6之间；
3、微控制器7分别控制多波长光谱测量装置中的光源输出光的波长为λ1＝650～690nm，λ2＝740～760nm，λ3＝890～940nm，λ4＝960～980nm，当LED光源分别发出检测光，透过中性参比样后由光电检测器6接收，即定为各波长光的原始强度I0(4个波长I01、I02、I03)，经前置放大器15和模拟数字转换器，输入微控制器7；
4、将中性参比样13退出，改换待测的植物鲜叶片13；将该待测叶片放在所述的多波长光谱测量装置的上臂2和下臂3夹子中，测定时人工打开夹入叶片后借助弹簧的力量自动夹紧；测定透过叶片的各波长光强度I(4个波长I1、I2、I3、I4)经前置放大和模拟数字转换器，输入微控制器7；其中性参比样是对各波长近红外光有相同吸收作用的材料制成，用陶瓷或聚四氟乙烯的薄片制作的，用于检测光源5各波长光的原始强度I0(4个波长I01、I02、I03、I04)并输入微控制器7；
5、微控制器7利用检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用下述多元线性方程组，利用化学计量算法计算出叶片中植物氮素的水平，结果由显示屏显示。
所述的方程组如下：
用叶片对1号波长λ1和2号波长λ2的吸收光度差可算出叶片中叶绿素的含量；用叶片对3号波长λ3和4号波长λ4的吸收光度差可算出叶片中水分的含量：
叶片中叶绿素含量Cch1(μg/cm2)
Cch1＝K1(A1-A2)+E1
其中A1为叶片对λ1的吸光度，A2为叶片对λ2的吸光度，K1为系数，K1等于10～40，E1为误差项。
叶片中水分含量Cx(mg/cm2)
Cx＝K2(A4-A3)+E2
其中A4为叶片对λ4的吸光度，A3为叶片对λ3的吸光度，K2为系数，K2等于20～80，E2为误差项。
由叶片中叶绿素的含量CCh1与水分的含量Cx可计算出植物氮素水平NI：
NI＝A×CCh1+B×Cx
NI为植物氮素水平；A为叶绿素相关系数(如1～1.5)；B为水分相关系数(如0.5～0.8)。
也可以用多元线性回归建立叶片对四个波长的吸光度与叶片中含氮素营养水平间的关系式，从而由四个波长的吸光度计算叶片的氮素营养水平。
Claims (6)
1.一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：
A、首先，启动电源，移动滑动夹(4)，将中性参比样(13)置入光源(5)和光电检测器(6)之间；
B、微控制器(7)分别控制4波长光谱测量装置中光源(5)分时输出检测光的波长，其波长为λ1＝650～690nm，λ2＝740～760nm，λ3＝890～940nm，λ4＝960～980nm，检测光透过中性参比样后由光电检测器(6)接收各波长光的原始强度I01、I02、I03和I04，经前置放大器(15)和微控制器内部所设置的模拟数字转换器，输入微控制器(7)；
C、将中性参比样(13)退出，改换待测的植物鲜叶片(13)；将该待测叶片放在所述的4波长光谱测量装置的叶片夹(1)中夹紧，重复步骤B，测定透过待测的植物鲜叶片的各波长光强度I1、I2、I3和I4，经前置放大器和微控制器内部的模拟数字转换器，输入微控制器(7)；
D、微控制器(7)利用检测的数据I0与I，计算出各波长检测光对鲜叶片的透过率T＝I/I0，然后利用多元线性方程组计算出叶片中反映氮素水平的相对含量值NI，结果由显示屏显示；
E、用叶片对1号波长λ1和2号波长λ2的吸收光度差可算出叶片中叶绿素的含量；用叶片对3号波长λ3和4号波长λ4的吸收光度差可算出叶片中水分的含量：
叶片中叶绿素含量Cch1(μg/cm2)
Cch1＝K1(A1-A2)+E1
其中A1为叶片对λ1的吸光度，A2为叶片对λ2的吸光度，K1为系数，K1等于10～40，E1为误差项；
叶片中水分含量Cx(mg/cm2)
Cx＝K2(A4-A3)+E2
其中A4为叶片对λ4的吸光度，A3为叶片对λ3的吸光度，K2为系数，K2等于20～80，E2为误差项。
由叶片中叶绿素的含量Cch1与水分的含量Cx可计算出植物氮素水平NI：
NI＝A×CCh1+B×Cx
NI为植物氮素水平；A为叶绿素相关系数，其取值范围为1～1.5；B为水分相关系数，其取值范围为0.5～0.8；
或者用多元线性回归建立叶片对四个波长的吸光度与叶片中含氮素营养水平间的关系式，从而由四个波长的吸光度计算叶片的氮素营养水平。
2.一种应用权利要求1所述的便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法的测量仪，包括：光谱测量装置，其特征在于：还包括一外壳(12)，外壳(12)上安装有键盘(8)和液晶显示器(9)；外壳(12)内设置一用以安放本机工作电池的电池槽(11)；以及安装系统电路板(16)，该系统电路板(16)由4路LED驱动电路(14)分别与微控制器(7)电连接，电池与4路LED驱动电路(14)电连接；微控制器(7)通过串行口电路(10)传送数据；微控制器(7)与安装在外壳(12)上的键盘(8)和液晶显示器(9)电连接；微控制器(7)与光谱测量装置中的光源(5)电连接；还通过前置放大器(15)与光电检测器(6)电连接；所述的光谱测量装置是具有4波长的；还包括用于夹持待测叶片的叶片夹(1)，叶片夹(1)安装在外壳(12)上；叶片夹的上臂(2)和下臂(3)内相对设置分析用的4种波长光源(5)和分析用的光电检测器(6)、其叶片夹上带有滑道，滑道中安装一用于固定中性参比样的滑动夹(4)，待测叶或中性参比样(13)由上臂(2)和下臂(3)夹住，以便测定。
3.按权利要求2所述的测量仪，其特征在于：还包括一计算机，微控制器(7)与计算机通过串行口电路(10)电联接。
4.按权利要求2所述的测量仪，其特征在于：所述的中性参比样(13)是用对不同波长具有相同吸收作用的中性材料制成的薄片，该薄片由陶瓷或聚四氟乙烯构成。
5.按权利要求2所述的测量仪，其特征在于：所述的光源波长范围为600nm～1000nm，由4个单波长LED灯组合形成、或采用包含4个波长的复合LED灯。
6.按权利要求2所述的测量仪，其特征在于：所述的光电检测器为半导体光电检测器。
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