CN101387605B - 光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪，包括光路模块和与该光路模块相连的控制模块，其中，所述光路模块为包括光电探测器、光纤、探头、近红外发光二极管和驱动电路，所述光纤包括光输入端、反射光测量端和土壤探测端，光输入端为与光电探测器相连，反射光测量端则连接于光电探测器，土壤探测端则与探头连接；所述控制模块为包含信号放大单元、A/D转换单元、控制单元、显示单元及存储单元，信号放大单元分别连接光电二极管和A/D转换单元，控制单元亦分别连接A/D转换单元、显示单元和存储单元。本发明优点在于避免了天气等自然限制，且便于携带，并可实时、快速和准确的对土壤有机质含量进行测量及对大量数据进行快速存储。

Description

光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪

技术领域

本发明涉及一种检测装置，特别是涉及一种对土壤有机质进行检测的仪器。

背景技术

土壤有机质是土壤养分最重要的组成部分之一，因此，土壤有机质的含量是平衡施肥、测土配方施肥得以实现的一项关键指标。而土壤有机质含量能够反映在光谱反射率上，针对该点，较之实验室化学方法，利用光谱技术去测量土壤有机质含量具有分析速度快、样本制备简单，对于单个光谱可进行多种组分的分析、不消耗样品、没有化学污染等优点。

目前，美国ASD(Analytical Spectral Devices)公司、德国布鲁克公司等有生产用于测量地物光谱反射率的系列光谱辐射仪，且这些仪器包括全光谱便携式光谱分析仪(波长范围：350～2500nm)以及手持便携式光谱分析仪(波长范围：300～1100nm)等，这些仪器测量精度和光谱分辨率都很高，但它们的色散元件由于都是采用全息反射光栅或麦克尔逊干涉仪，因而使得仪器价格昂贵，并且由于它们是通用的精密仪器，只是适用于研究而并不适用于生产。

此外，一些研究机构和高校也开发了一些有针对性的且用于测量土壤参数的检测仪器，但其中只是很小一部分能够实现在田间进行实时测量的要求，而即便这小部分可以在现场进行测量的检测仪器，其结构也较复杂，体积和重量都比较大，极不适宜操作者在田间进行长时间的测量。

另外，现已开发的基于光谱原理的检测仪器基本是以太阳光作为入射光来测量经土壤表面反射得到的反射光，由于对于入射光光强的要求，检测仪器的使用也会受到天气等的限制；而且，目前尚没有一款针对土壤有机质的专用检测仪器。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的主要目的在于提供了一种光纤式，且自带光源、并可快速对作物根部土壤有机质进行含量检测的，便携式检测仪器。

为了达到上述目的，本发明采用了下述技术方案：

所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪包括对土壤有机质含量进行检测的光路模块和与该光路模块相连的且对该光路模块进行控制以及对检测的数据进行处理并对处理后的结果予以显示的控制模块，该其中所述光路模块为包括光电探测器、探头、光纤、近红外发光二极管以及该近红外发光二极管的驱动电路；所述控制模块为包含对光电探测器传输的电信号进行放大的信号放大单元、对信号进行杂信滤除的滤波电路、对信号进行A/D转换的转换单元、对检测的数据进行处理并对光路模块进行控制的控制单元、对检测的土壤有机质含量进行显示的显示单元以及具有USB数据存储功能的存储单元。

其中，所述光纤呈Y型，其包括光输入端、反射光测量端和具有照射和收集功能的土壤探测端，所述光输入端为与所述近红外发光二极管相连，以便于将近红外发光二极管发出的入射光自该光输入端进入并沿光纤照射到被测土壤表面；所述反射光测量端则是连接于所述光电探测器，以将自土壤表面反射回来的光传输给光探测器；以及所述土壤探测端是与所述探头连接，其主要便于近红外发光二极管发出的入射光照射到被测土壤表面和传输土壤表面反射的光传输至光电二极管。

另，所述近红外发光二极管的发光中心波长为850nm。

所述信号放大单元为与所述光电二极管和A/D转换单元分别相连，其主要用以接收来自光电探测器转换的电信号并将其扩大，并传输给滤波单元；所述滤波单元则亦与所述信号放大单元和A/D转换单元连接，以对自信号放大单元处传输的经过放大的电信号进行滤波，并将该滤波后的信号传输给A/D转换单元；以及所述控制单元为与所述A/D转换单元、显示单元和具有USB数据存储功能的存储单元分别连接，其对A/D转换单元转换后数字信号进行处理并得到实际检测到的土壤有机质含量，并将该过程中产生的数据传输至存储单元进行存储以及将检测出的土壤有机质含量传输至显示单元进行显示。

通过该光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪，其自带光源的特点避免了在对土壤有机质含量进行检测的时容易受到天气等限制的问题，且该检测仪体积小、重量轻也便于操作者携带进行长时间测量；并且其Y型光纤将光源的光导入地下以及将地下土壤漫反射光导入光电探测器，亦使得本发明所述检测仪可实时快速对土壤有机质含量进行测量；选定近红外发光二极管的发光中心波长为850nm，可以保证准确检测土壤有机质含量；同时，存储单元的USB数据存储功能也使得本发明所述检测仪实现大量数据的快速存储，并且方便快捷。

附图说明

图1为本发明所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪的功能模块图；

图2为本发明所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪中光路系统结构图；

图3为实际中，本发明所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施来对本发明所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪作进一步的详细说明。

本发明所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪以近红外发光二极管作为自带光源提供入射光，并利用光纤对光信号进行传输，且通过控制部分的处理得到被测土壤的反射率，以及通过内部处理模型得到土壤有机质含量值；其具体原理如下：

首先，本发明所述检测仪将自带光源发出的特定波长的光通过光纤导入地下作物根区，当入射光到达土壤表面之后，由于一部分被土壤吸收，一部分则在土壤表面产生漫反射；且由于光源的波长是土壤有机质的敏感波长，土壤吸收的光与土壤有机质含量成正比，换言之，来自于土壤的漫反射光的强度与土壤有机质的含量成反比，因此，通过对该土壤的漫反射率的测量，便可以间接的测量出土壤有机质的含量。

参照图1中所示，所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪包括对土壤有机质含量进行检测的光路模块和与该光路模块相连的且对该光路模块进行控制以及对检测的数据进行处理并对处理后的结果予以显示的控制模块，该其中所述光路模块为包括光电探测器20、光纤21、探头22、近红外发光二极管23以及该近红外发光二极管23的驱动电路24；所述控制模块为包含对光电探测器20传输的电信号进行放大的信号放大单元30、对信号进行杂信滤除的滤波电路31、对信号进行A/D转换的转换单元32、对检测的数据进行处理并对光路模块进行控制的控制单元33、对检测的土壤有机质含量进行显示的显示单元35以及具有USB数据存储功能的存储单元34。

其中，且参照图2所示，所述光纤21呈Y型，其包括光输入端600、反射光测量端601和具有照射和收集功能的土壤探测端602，所述光输入端为600与所述近红外发光二极管23相连，以便于将近红外发光二极管23发出的入射光B自该光输入端600进入并沿光纤21照射到被测土壤1表面；所述反射光测量端601则是连接于所述光电探测器20，以将自土壤1表面反射回来的反射光A传输给光探测器20；以及所述土壤探测端602是与所述探头22连接，其主要便于近红外发光二极管23发出的入射光B照射到被测土壤1表面和传输土壤1表面反射的光A传输至光电探测器20。

见图2，由于本发明采用的是Y型光纤，其可尽可能的减少入射光和反射光的损失，光输入端600接收近红外发光二极管23的入射光B，反射光测量端601连接光电探测器20接收来自土壤1表面的反射光A，且入射光纤束和反射光纤束在土壤探测端602聚成一束，从而可起到同时将入射光B传送到土壤1表面并将经过土壤1反射的反射光A传送到光电探测器20的要求，在此传输过程中损耗将达到最小。

实际应用中，所述光纤21可采用玻璃光纤，该玻璃光纤本身的柔软特性可适应分束且制作成Y型结构的要求；另外，由于在本发明中需要光电探测器20具有较快的响应时间和较高的灵敏度，且暗电流也要求尽量小，因此在实际实现中可选用光电二极管作为光电探测器20；以及由于土壤有机质的敏感波长一般在近红外区域，因此所述近红外发光二极管21选定为中心波长为850nm，半值带宽为20nm的发光二极管。

所述信号放大单元30为与所述光电探测器20和滤波单元31分别相连，其主要用以接收来自光电探测器20转换的电信号并将该电信号进行放大，并传输给滤波单元31；所述滤波单元31则亦与所述A/D转换单元32相连，以对自信号放大单元30处传输的经过放大的电信号进行滤波，并将该滤波后的信号传输给A/D转换单元32；以及所述控制单元33为与所述A/D转换单元32、显示单元35和具有USB数据存储功能的存储单元34分别连接，其主要对A/D转换单元32转换后的数字信号进行处理并取得实际的土壤有机质含量值，且将该处理过程中产生的数据传输至存储单元34进行存储以及将检测出的土壤有机质含量值传输至显示单元35进行显示。

此外，所述控制单元33亦对光路模块中的驱动电路24进行控制，从而实现对近红外发光二极管23的控制，实际应用中，该控制单元33为一单片机。所述探头22为由锥头、光纤端头和光纤导向接头依序相连接而成，且其中所述光纤导向接头为连接于所述土壤探测端相连接，并且在该光纤导向接头外表面径向设有凸台(图中未示)，在所述探头22旋入土壤中时，该凸台可遮挡住干扰光线，使得在土壤测试表面形成密闭的空间。

参照图3中所示，其为本发明实际应用中一光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪的结构示意图。

如图3中所示，所述光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪包括控制端42、装设于该控制端42两侧的手把41、设置于该控制端42一端面上的显示屏和按钮40、设置于控制端42另一端的空心支杆43、一端置设于该支杆43的Y型玻璃光纤60、以及连接该Y型玻璃光纤60另一端的探头22，在这实际应用中，且在离开探头22及该Y型玻璃光纤60土壤探测端602之间处的地方环设一挡板，以便于操作者可以知道探头22入土的深度，该地方的设置可根据作物的根系深度而定。

在该图3中，所述控制端42中为包含本发明所述信号放大单元30、滤波单元31、A/D转换单元32、存储单元34、显示单元35以及控制单元33，且于所述支杆43置放一些连接电缆，并且在该支杆43中且连接Y型玻璃光纤60反射光测量端601处设置光电探测器20。

此外，在所述Y型玻璃光纤60的光输入端600连接设置有一光源盒44，该光源盒44为用以置放近红外发光二极管23和驱动电路24，且该光源盒44为固定于支杆43上，其中，所述近红外发光二极管23为通过螺旋接头(图中未示)置设于光输入端600，以防止光源泄漏，使得入射光发出的光尽可能的通过Y型玻璃光纤60传输到土壤表面。。

Claims (1)

1.一种光纤式农田土壤有机质含量快速检测仪，其特征在于，该检测仪包括光路模块和与该光路模块相连的控制模块，其中，所述光路模块包括光电探测器、光纤、探头、近红外发光二极管以及该近红外发光二极管的驱动电路，且所述光纤为包括光输入端、反射光测量端和具有照射和收集功能的土壤探测端，且所述光输入端为与所述近红外发光二极管相连，所述反射光测量端则是连接于所述光电探测器，以及所述土壤探测端为与所述探头连接；所述光电探测器为光电二极管，所述控制模块包含信号放大单元、A/D转换单元、控制单元、显示单元以及具有USB数据存储功能的存储单元，所述信号放大单元分别与所述光电二极管和A/D转换单元相连，以及所述控制单元亦分别连接于A/D转换单元、显示单元和存储单元；所述控制模块还包括一滤波单元，其分别与所述信号放大单元和A/D转换单元连接；所述探头为由锥头、光纤端头和光纤导向接头依序相连接而成，且所述光纤导向接头连接于所述土壤探测端，所述控制单元为一单片机，所述光纤呈Y型，所述近红外发光二极管的发光中心波长为850nm，所述光纤导向接头外表面径向设有凸台，所述光纤为玻璃光纤。

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