CN102706854A - 一种便携式化肥快速识别系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种便携式化肥快速识别系统，包括计算机终端、拉曼光谱仪和数据库服务器，所述的计算机终端分别与拉曼光谱仪、数据库服务器连接，数据库服务器中设有标准光谱图数据；拉曼光谱仪采集待测样品的拉曼光谱图数据，并将其传给计算机终端，计算机终端对采集的拉曼光谱图数据与数据库服务器中的标准光谱图数据进行比对来识别。与现有技术相比，本发明具有适用范围广、测量精度高、测量效率高等优点。

Description

一种便携式化肥快速识别系统

技术领域

本发明涉及一种化肥识别系统，尤其是涉及一种便携式化肥快速识别系统。

背景技术

肥料是提供一种或一种以上植物必需的营养元素，改善土壤性质、提高土壤肥力水平的一类物质。农业生产的物质基础之一。中国早在西周时就已知道田间杂草在腐烂以后，有促进黍稷生长的作用。《齐民要术》中详细介绍了种植绿肥的方法以及豆科作物同禾本科作物轮作的方法等；还提到了用作物茎秆与牛粪尿混合，经过践踏和堆制而成肥料的方法。肥料的真伪是影响作物生长的重要因素，与农民的利益息息相关。

通常辨别肥料的真伪仅是的利用一些简单的方法，如：尿素的一般简易识别方法：1、外观：尿素为颗粒状固体，分为大颗粒和小颗粒两种；2、颜色：尿素一半呈白色，含有杂质的出现微黄色；3、气味：尿素没有任何气味；4、水溶性：尿素溶解于水，溶解时从外界吸收热量，用手触摸于溶解尿素的玻璃杯，手有冷或凉的感觉；5、灼烧反应：把铁片烧红后，将待定的氮肥少量放在其上，肥料边熔化边冒白烟(不燃烧)，并放出刺激性氨味，熔化完后铁板上无残烬，那么该肥料是尿素。

然而，若需从本质上识别肥料的真伪，需依赖于以下的便携式快速识别系统。该系统的建立是以拉曼光谱技术为核心的定性识别分析技术。

由于拉曼光谱具有：

1、光源采用激光器，由于激光的单色性很好，激光拉曼光谱峰尖锐、分辨性高。

2、拉曼光谱制样简单，不破坏样品，对于固体样品可直接通过固体支架测定，液体样品可盛放在比色皿中测定，而固体粉末可以放在透明的塑料袋中在固体支架上直接测定或者采用比色皿测定。

3、适用于水溶液体系的测量，由于水分子的不对称性，在拉曼光谱上没有伸缩振动频率带，而且其他的变形，剪切等振动频率的谱带很弱，因而水的拉曼光谱很简单。这是拉曼光谱与红外光谱相比最显著的优点之一。

4、拉曼活性的谱线是基团极化率随简正振动改变的关系，故拉曼光谱中只有少量的倍频及组频。所以，在激光拉曼谱图上谱峰清楚，线数较少，往往仅出现基频谱线，易于分析和辨认。

5、检测范围广，包括常见的无机物和有机物，能对生物大分子、天然与合成材料(如碳纳米管、光子晶体等)、矿石、活体动植物组织、水污染样品、化学反应催化剂等等实现检测。

6、可以实时、实地检测，测定速度快，操作方便简单。光谱仪可以采用CCD作为光谱探测器，利用CCD能实现高速的全波段光谱扫描特性，可将光谱扫描时间缩短至几秒甚至更短。

但现有肥料样品拉曼光谱存在着光谱库有限；无法进行远程、现场抽样比对识别等不足。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种适用范围广、测量精度高、测量效率高的便携式化肥快速识别系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，包括计算机终端、拉曼光谱仪和数据库服务器，所述的计算机终端分别与拉曼光谱仪、数据库服务器连接，数据库服务器中设有标准光谱图数据；

拉曼光谱仪采集待测样品的拉曼光谱图数据，并将其传给计算机终端，计算机终端对采集的拉曼光谱图数据与数据库服务器中的标准光谱图数据进行比对来识别。

所述的待测样品为通过制样附件将颗粒状化肥压成片状样品，便于拉曼光谱仪进行光谱采集。

所述的制样附件设有将颗粒状化肥压成片状的压片模具。

所述的计算机终端通过USB连线与拉曼光谱仪连接。

所述的拉曼光谱仪包括激光发生端、激光接收端和拉曼探头，所述的拉曼探头分别与激光发生端、激光接收端连接，并对准待测样品。

所述的计算机终端对采集的拉曼光谱图数据与数据库服务器中的标准光谱图数据进行比对来识别具体为：

计算机终端对接收到的待测样品的拉曼光谱图数据与标准光谱图数据进行比对，即计算其相关命中率指数H.Q.I.，并判断该相关命中率指数H.Q.I.是否小于设定阈值，若为是，则判定为同类物质，若为否，则判定为非同类物质。

所述的相关命中率指数H.Q.I.：

$H.Q.I.=1-\frac{{({\mathrm{Lib}}_m\×{\mathrm{Un}}_m)}^2}{({\mathrm{Lib}}_m\×{\mathrm{Lib}}_m)({\mathrm{Un}}_m\×{\mathrm{Un}}_m)}$

其中，

${\mathrm{Lib}}_m=\mathrm{Lib}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Lib}}_i}{n},$ ${\mathrm{Un}}_m=\mathrm{Un}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Un}}_i}{n}.$

式中：Lib_m(Lib)为数据库服务器中的标准光谱图数据；Un_m(Un)为待测样品的拉曼光谱图数据；m为标识符，表示mean的意思，表示中心化处理后的光谱；n为光谱的数据点数，比如2048个点；i为下标，从1开始，到n结束。

所述的阈值为0～0.2。

所述的数据库服务器中的标准光谱图数据可根据需要进行扩充。

所述的计算机终端通过无线网络与数据库服务器连接，并采用WCF协议进行通讯。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1)适用范围广，所建拉曼光谱可根据需要无限扩充；

2)测量精度高、安全性高，计算机终端可通过无线网络进行远程操作，将现场采集光谱、对比识别都通过服务器上进行，保证数据的安全性；

3)测量效率高，整个采集光谱、比对识别过程可在短时间内完成。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的制样附件结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1、图2所示，一种便携式化肥快速识别系统，包括计算机终端1、拉曼光谱仪6和数据库服务器7，所述的计算机终端1分别与拉曼光谱仪6、数据库服务器7连接，数据库服务器7中设有标准光谱图数据；所述的制样附件8设有将颗粒状化肥9压成片状的压片模具10。所述的计算机终端1通过USB连线2与拉曼光谱仪6连接。所述的拉曼光谱仪6包括激光发生端3、激光接收端4和拉曼探头5，所述的拉曼探头5分别与激光发生端3、激光接收端4连接，并对准待测样品。

拉曼光谱仪6采集待测样品的拉曼光谱图数据，并将其传给计算机终端1，计算机终端1对采集的拉曼光谱图数据与数据库服务器7中的标准光谱图数据进行比对来识别。

计算机终端1基于NET4.0环境，运行于windows xp系统上。计算机终端1主要功能是通过控制拉曼光谱仪6进行样品的光谱采集，通过WCF协议和数据库服务器7进行通讯，进行相应的建库、抽样检测、光谱鉴定以及服务器之间的信息调用等功能，除了光谱采集需要本地设备进行，其他的功能基本上都是依托数据库服务器7的强大处理能力来完成的。

数据库服务器7采用IIS 7.0架设，与计算机终端1采用WCF协议进行通讯。数据库服务器7为计算机终端1提供拉曼光谱处理鉴定等功能。数据库服务器7通过IIS提供WCF服务，使用MS SQL Server 2005数据库为拉曼服务提供数据存取功能，数据库和IIS使用不同的服务器来运行。该拉曼光谱识别系统利用以下匹配度计算方法：

选取样品测得其拉曼谱图，建立数据库，再检测未知样品的拉曼谱图，采用谱图比对的方法，与标准谱图相比较，计算其相关命中率指数H.Q.I.(Hit QualificationHit)，H.Q.I.越接近于0，表明两个光谱之间匹配关系约好，即样品有更大可能与库中相应成分一致。通过设定较为严格的阈值，可对化学品进行准确的定性判别，无需采用更为复杂的基于模型的判别方法。

相关命中率指数法是数字评判的一个重要方法，它将光谱与源机光谱在所有波长点处进行比较。通常采用Correlation Search方法，可通过下式计算其相关命中率指数H.Q.I.：

$H.Q.I.=1-\frac{{({\mathrm{Lib}}_m\×{\mathrm{Un}}_m)}^2}{({\mathrm{Lib}}_m\×{\mathrm{Lib}}_m)({\mathrm{Un}}_m\×{\mathrm{Un}}_m)}$

其中，

${\mathrm{Lib}}_m=\mathrm{Lib}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Lib}}_i}{n},$ ${\mathrm{Un}}_m=\mathrm{Un}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Un}}_i}{n}.$

式中：Lib_m为光谱数据库中的数据；Un_m为未知物质的光谱数据。

需设定判别阈值(通常设为0.2)，计算所得的指数值与此阈值相比较，若小于此阈值，则判断为同类物质，否则判别为未知。为验证拉曼光谱识别系统的可行性，选取以下样品现入库，再进行识别，计算的HQI值均小于0.2。

Claims (10)

1.一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，包括计算机终端、拉曼光谱仪和数据库服务器，所述的计算机终端分别与拉曼光谱仪、数据库服务器连接，数据库服务器中设有标准光谱图数据；

拉曼光谱仪采集待测样品的拉曼光谱图数据，并将其传给计算机终端，计算机终端对采集的拉曼光谱图数据与数据库服务器中的标准光谱图数据进行比对来识别。

2.根据权利要求1所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的待测样品为通过制样附件将颗粒状化肥压成片状样品，便于拉曼光谱仪进行光谱采集。

3.根据权利要求2所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的制样附件设有将颗粒状化肥压成片状的压片模具。

4.根据权利要求1所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的计算机终端通过USB连线与拉曼光谱仪连接。

5.根据权利要求1所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的拉曼光谱仪包括激光发生端、激光接收端和拉曼探头，所述的拉曼探头分别与激光发生端、激光接收端连接，并对准待测样品。

6.根据权利要求1所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的计算机终端对采集的拉曼光谱图数据与数据库服务器中的标准光谱图数据进行比对来识别具体为：

计算机终端对接收到的待测样品的拉曼光谱图数据与标准光谱图数据进行比对，即计算其相关命中率指数H.Q.I.，并判断该相关命中率指数H.Q.I.是否小于设定阈值，若为是，则判定为同类物质，若为否，则判定为非同类物质。

7.根据权利要求6所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的相关命中率指数H.Q.I.：

$H.Q.I.=1-\frac{{({\mathrm{Lib}}_m\×{\mathrm{Un}}_m)}^2}{({\mathrm{Lib}}_m\×{\mathrm{Lib}}_m)({\mathrm{Un}}_m\×{\mathrm{Un}}_m)}$

其中，

${\mathrm{Lib}}_m=\mathrm{Lib}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Lib}}_i}{n},$ ${\mathrm{Un}}_m=\mathrm{Un}-\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{Un}}_i}{n}.$

式中：Lib_m为数据库服务器中的标准光谱图数据；Un_m为待测样品的拉曼光谱图数据；m为标识符，表示中心化处理后的光谱；n为光谱的数据点数；i为下标，从1开始，到n结束。

8.根据权利要求6所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的阈值为0～0.2。

9.根据权利要求1所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的数据库服务器中的标准光谱图数据可根据需要进行扩充。

10.根据权利要求1所述的一种便携式化肥快速识别系统，其特征在于，所述的计算机终端通过无线网络与数据库服务器连接，并采用WCF协议进行通讯。

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