CN101968443A - 反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置及方法，该装置包括：单片机、与单片机相连接的光源、检测器、显示器、键盘，以及与光源和检测器分别相连接的样品室；本发明采用反射法，使用波长处于短波近红外区域的LED光源、光频转换器、单片机系统，组成反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置，在叶片水分吸收的特征波长970nm和参比波长900nm处，测量植物叶片在此两个波长处的反射率，求得水分指数，利用最小二乘法确定植物叶片含水量与水分指数的定量关系，无损地检测植物叶片的含水量。该装置具有体积小、重量轻、携带方便，能快速、无损地检测植物叶片的含水量的特点。

Description

反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置及方法

技术领域

本发明涉及农业技术中农作物含水量检测技术领域，特别涉及一种反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置及方法。

背景技术

水是作物的主要组成部分，水分亏缺直接影响植物的生理生化过程和形态结构，从而影响植物的生长、产量和品质。作物含水量状况是一个十分重要的参数，农业生产者在决定是否需灌溉或何时灌溉时；作物育种工作者在进行抗旱作物育种时；农学家在研究水胁迫对作物生长和产量的影响时；以及生理生态学家在研究水胁迫对生理生化过程的影响时；都需要测定这一参数。定量快速获取植物含水量状况，对农业、园艺、森林水分管理及潜在火灾的评估有重要作用。

含水量测量的标准方法是烘干法，但烘干法是有损测量，需破坏样品，且测量时间很长，步骤繁琐。于是出现了含水量的仪器测量法，有微波水分法、电容水分法、中子水分法、电极水分法等等。对植物叶片含水量测量的一般方法是烘干法、电容法、电磁波法等，但是这些方法一般都有破坏性、非连续性，并且很费时间。

随着光谱技术的发展，用光谱法测量叶片含水量成为一个研究的热点。但用连续光谱(具有多个波长点)来分析叶片含水量，所用仪器体积大、重量重、价格昂贵，只适合在实验室使用。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种反射式近红外植物叶片含水量、体积小重量轻，而且携带方便的无损检测装置，以快速、无损地检测植物叶片的含水量。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供了一种反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置，包括：单片机、与单片机相连接的光源、检测器、显示器、键盘，以及与光源和检测器分别相连接的样品室；其中，

所述光源用于产生波长为970nm或900nm的单色光，作为作用光照射样品室中的样品，所述单色光的反射光成为承载样品信息的分析光；

所述检测器用于检测作用光或分析光的光强，并将检测到的作用光或分析光转换为频率与作用光或分析光的光强成正比关系的采集信号发送到单片机；

所述键盘用于控制单片机实现对采集信号的测量、存储和显示；

所述单片机用于根据采集信号计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率，根据叶片在970nm或900nm处的反射率计算叶片的水分指数，并根据叶片的水分指数计算叶片含水量；

所述显示器用于实现对采集信号检测结果的显示；

所述样品室用于放置待测叶片样品。

优选地，所述单片机进一步包括计数器T0和定时器T1，其中T0用于对光强转换成的采集信号频率进行计数；T1用于设定T0的计数时间。

优选地，所述键盘包括四个按键，其中，

按键一用于测量、存储和显示照射叶片前的光强计数值；

按键二用于测量、存储和显示经过叶片反射的光强计数值；

按键三用于计算、存储和显示本次测量的叶片含水量；

按键四用于显示上一次测量的叶片含水量。

优选地，所述光源为发光二极管LED；所述检测器为光频转换芯片TSL230；所述单片机为STC12C5A60S2。

本发明还提供了一种利用上述无损检测装置进行无损检测的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤A、检测器对照射叶片前和经过叶片反射的波长为970nm或900nm的单色光进行检测，并将检测到的光信号转换成频率与照射光的光强成正比关系的采集信号发送给单片机；

步骤B、单片机根据采集信号计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率；

步骤C、单片机根据叶片在波长为970nm或900nm处的反射率计算叶片的水分指数；

步骤D、单片机根据叶片的水分指数计算叶片含水量。

优选地，在所述步骤B中，

所述计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率的公式为：

R＝I/I₀＝f/f₀

其中，R为反射率，I为波长为970nm或900nm的单色光经过叶片反射的光强，I₀为波长为970nm或900nm的单色光照射叶片前的光强；f为与I成正比的采集信号频率；f₀为与I₀成正比的采集信号频率。

优选地，在所述步骤B中，

所述计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率的公式为：

R＝n/n₀

其中，n和n₀分别为f和f₀在同一时间内的计数值。

优选地，在所述步骤C中，

所述计算叶片的水分指数的公式为：

WI＝R₉₀₀/R₉₇₀

其中，WI为叶片的水分指数，R₉₇₀为叶片在波长为970nm处的反射率，R₉₀₀为叶片在波长为900nm处的反射率。

优选地，在所述步骤D中，

所述根据叶片的水分指数计算叶片含水量的公式为：

PWC＝k×WI+b

其中，PWC为叶片含水量，k、b为待定系数，通过下述方法确定WI、k、b：测量出多个叶片在波长为970nm或900nm处的反射率，并求出相应的水分指数WI；用标准法测量所述多个叶片各自的含水量，利用最小二乘法进行数据拟合，建立预测模型，得出系数k和b。

优选地，所述采集信号为方波或脉冲信号。

(三)有益效果

本发明采用反射法，使用波长处于短波近红外区域的LED光源、光频转换器、单片机系统，组成反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置，在叶片水分吸收的特征波长970nm和参比波长900nm处，测量植物叶片在此两个波长处的反射率，求得水分指数，利用最小二乘法确定植物叶片含水量与水分指数的定量关系，无损地检测植物叶片的含水量。该装置具有体积小、重量轻、携带方便，能快速、无损地检测植物叶片的含水量的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置结构示意图；

图2是本发明实施例的反射式近红外植物叶片含水量无损检测方法流程图；

图3是本发明实施例中利用最小二乘法进行数据拟合的示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

本发明的核心思想是采用反射法，使用波长处于短波近红外区域的LED光源、光频转换器、单片机系统，组成反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置，在叶片水分吸收的特征波长970nm和参比波长900nm处，测量植物叶片在此两个波长处的反射率，求得水分指数，利用最小二乘法确定植物叶片含水量与水分指数的定量关系，无损地检测植物叶片的含水量。

图1是本发明实施例的反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置结构示意图；参见图1，所述装置包括：单片机、与单片机相连接的光源、检测器、显示器、键盘，以及与光源和检测器分别相连接的样品室。

所述光源用于产生波长为970nm或900nm的单色光，作为作用光照射样品室中的样品，所述单色光的反射光成为承载样品信息的分析光，其可以为LED(Light Emitting Diode，发光二极管)。

所述检测器用于检测作用光或分析光的光强，并将检测到的作用光或分析光转换为频率与作用光或分析光成正比关系的采集(例如，方波或脉冲)信号发送到单片机，其可以为光频转换芯片TSL230。

所述键盘用于控制单片机实现对采集信号的测量、存储和显示。

键盘包括四个按键，按键一用于测量、存储和显示照射叶片前的光强计数值；按键二用于测量、存储和显示经过叶片反射的光强计数值；按键三用于计算、存储和显示本次测量的叶片含水量；按键四用于显示上一次测量的叶片含水量。

所述单片机用于根据采集信号计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率，根据叶片在970nm或900nm处的反射率计算叶片的水分指数，并根据叶片的水分指数计算叶片的含水量。其可以为STC12C5A60S2。

所述单片机进一步包括计数器T0和定时器T1，其中T0用于对光强转换成的采集信号频率进行计数；T1用于设定T0的计数时间。

所述显示器用于实现对采集信号检测结果的显示。

所述样品室用于放置待测叶片样品。

图2是本发明实施例的反射式近红外植物叶片含水量无损检测方法流程图。参见图2，所述方法包括：

步骤A、检测器对照射叶片前和经过叶片反射的波长为970nm或900nm的单色光进行检测，并将检测到的光信号转换成频率与照射光强度成正比关系的采集(例如方波或者脉冲)信号发送给单片机；

植被在970nm、1450nm和1940nm附近的光谱反射率吸收峰反映着植物的含水量状况。当选用LED作为光源时，可以选用970nm为测量波长。在900nm的波段，水分吸收较少，并且吸收曲线趋于平坦。因此，选用900nm作为参比波长。

为了得到叶片含水量，需要知道波长为970nm或900nm的单色光经过叶片反射的光强I和照射叶片前的光强I₀。

本步骤采用光频转换器TSL230作为检测器，对波长为970nm或900nm的单色光经过叶片反射的光强I和照射叶片前的光强I₀进行检测后，将上述光信号分别转换成频率与照射光强度成正比的采集(例如方波或者脉冲)信号发送给单片机。

步骤B、单片机根据采集信号计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率；

在本步骤中，反射率为：

R＝I/I₀＝f/f₀    (1)

其中，f，f₀为经过光频转换以后输出的采集信号的频率，分别与波长为970nm或900nm的单色光经过叶片反射的光强I及照射叶片前的光强I₀成正比关系。

在本步骤中，还可以利用单片机内部的计数器T0和定时器T1。T0用于对光强转换成的采集信号进行计数；T1用于设定T0的计数时间。因此，光频转换器输出的采集信号频率与在一定时间内T0的计数值成正比，而反射率为：

R＝n/n₀    (2)

其中，n、n₀分别为单片机对经过叶片反射以后与照射叶片前的光强经过光频转换以后，同一时间(例如50ms)内输出信号的计数值。

因此，只要测量出波长为970nm或900nm的单色光照射叶片前后的光强转换成的采集信号频率或光强转换成的采集信号频率的计数值，就可以分别根据公式(1)和(2)计算出叶片在上述两种不同波长单色光照射下的反射率R₉₀₀和R₉₇₀。

步骤C、单片机根据叶片在波长为970nm或900nm处的反射率计算叶片的水分指数；

在本步骤中，计算叶片的水分指数WI可以根据叶片在波长为970nm或900nm处的反射率由以下的公式(3)求得：

WI＝R₉₀₀/R₉₇₀    (3)

步骤D、单片机根据叶片的水分指数计算叶片的含水量。

在本步骤中，主要是根据计算得到的叶片水分指数利用最小二乘法建模，即：

PWC＝k×WI+b    (4)

其中，PWC为叶片的含水量，k、b为待定系数。通过建模可求得系数k、b。即，测量出多个(至少20～30个)叶片在970nm或900nm的反射率，并求出相应的水分指数WI；用标准法(烘干法)测量所述多个叶片各自的含水量。利用最小二乘法进行数据拟合，建立预测模型，得出系数k和b，将得到的系数k和b的值代人上述公式(4)中，则可以利用上述公式(4)直接计算叶片的含水量。

在本发明实施例中，所述装置的光源利用水分吸收特征波长970nm和吸收水分很少的波长900nm的单色光为作用光，建立反射指数WI和叶片含水量之间的数据关系模型。所述装置的检测器选用了把光强信号转换成采集信号频率的TSL230，从而可以用反射前后的光强计数值的比值来反映单色光的反射率，进而求得WI的值。

例如，采集一组植株叶片(30-40个)，用本装置测量叶片在970nm或900nm的反射率，则可求出水分指数WI；同时用标准法(烘干法)测量叶片的含水量。建立叶片含水量与水分指数的一阶方程，将解方程得到的系数k和b的值代人上述公式(4)中。此时可用此装置直接预测叶片的含水量。

本装置的键盘包括4个按键，按键一按下时，将光频转换器所采集到的光强计数值存储并显示。按键二的功能与按键一相同，只是计数值存在异于按键一的地方。因此，可用这两个按键来分别测量、存储和显示照射叶片前和经过叶片反射后的光强计数值。按键三按下时，单片机将根据测量的光强计数值来计算WI，并根据WI和含水量之间的已建好的数学模型来计算叶片含水量并将其显示。按键四具有上翻功能，即可以查看当前含水量预测值的前几个含水量预测值的记录。

例如，试验采集37个叶片。利用最小二乘法进行数据拟合，建立预测模型。数据拟合结果如图3所示，横轴为水分指数，纵轴为含水量。由图3可知，PWC＝88.3957×WI-11.3608。即k＝88.3957，b＝-11.3608，把k和b的值代入公式(4)，当用本发明所述装置测量出叶片的WI值之后，所述装置中的单片机可通过公式(4)直接求出叶片含水量PWC的预测值。

本发明上述实施例中，采用短波近红外发光二极管LED做光源，可降低能耗，减小体积。采用光频转换器TSL230作为检测器，直接将光强转换成频率送入单片机，可简化电路结果，提高抗干扰的能力。本发明采用反射测量法，能直接测量出植物叶片的含水量，具有便于携带、测量快速、使用简便、价格低廉等优点。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (10)

1.一种反射式近红外植物叶片含水量的无损检测装置，其特征在于，包括：单片机、与单片机相连接的光源、检测器、显示器、键盘，以及与光源和检测器分别相连接的样品室；其中，

所述光源用于产生波长为970nm或900nm的单色光，作为作用光照射样品室中的样品，所述单色光的反射光成为承载样品信息的分析光；

所述检测器用于检测作用光或分析光的光强，并将检测到的作用光或分析光转换为频率与作用光或分析光的光强成正比关系的采集信号发送到单片机；

所述键盘用于控制单片机实现对采集信号的测量、存储和显示；

所述单片机用于根据采集信号计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率，根据叶片在970nm或900nm处的反射率计算叶片的水分指数，并根据叶片的水分指数计算叶片含水量；

所述显示器用于实现对采集信号检测结果的显示；

所述样品室用于放置待测叶片样品。

2.如权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于，所述单片机进一步包括计数器T0和定时器T1，其中T0用于对光强转换成的采集信号频率进行计数；T1用于设定T0的计数时间。

3.如权利要求1所述的无损检测装置，其特征在于，所述键盘包括四个按键，其中，

按键一用于测量、存储和显示照射叶片前的光强计数值；

按键二用于测量、存储和显示经过叶片反射的光强计数值；

按键三用于计算、存储和显示本次测量的叶片含水量；

按键四用于显示上一次测量的叶片含水量。

4.如权利要求1-3中任一项所述的无损检测装置，其特征在于，所述光源为发光二极管LED；所述检测器为光频转换芯片TSL230；所述单片机为STC12C5A60S2。

5.一种利用如权利要求1-3中任一项所述无损检测装置进行无损检测的方法，其特征在于，该方法包括：

步骤A、检测器对照射叶片前和经过叶片反射的波长为970nm或900nm的单色光进行检测，并将检测到的光信号转换成频率与照射光的光强成正比关系的采集信号发送给单片机；

步骤B、单片机根据采集信号计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率；

步骤C、单片机根据叶片在波长为970nm或900nm处的反射率计算叶片的水分指数；

步骤D、单片机根据叶片的水分指数计算叶片含水量。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤B中，

所述计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率的公式为：

R＝I/I₀＝f/f₀

其中，R为反射率，I为波长为970nm或900nm的单色光经过叶片反射的光强，I₀为波长为970nm或900nm的单色光照射叶片前的光强；f为与I成正比的采集信号频率；f₀为与I₀成正比的采集信号频率。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤B中，

所述计算叶片在波长为970nm或900nm处的反射率的公式为：

R＝n/n₀

其中，n和n₀分别为f和f₀在同一时间内的计数值。

8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步骤C中，

所述计算叶片的水分指数的公式为：

WI＝R₉₀₀/R₉₇₀

其中，WI为叶片的水分指数，R₉₇₀为叶片在波长为970nm处的反射率，R₉₀₀为叶片在波长为900nm处的反射率。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤D中，

所述根据叶片的水分指数计算叶片含水量的公式为：

PWC＝k×WI+b

其中，PWC为叶片含水量，k、b为待定系数，通过下述方法确定WI、k、b：测量出多个叶片在波长为970nm或900nm处的反射率，并求出相应的水分指数WI；用标准法测量所述多个叶片各自的含水量，利用最小二乘法进行数据拟合，建立预测模型，得出系数k和b。

10.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述采集信号为方波或脉冲信号。

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