CN103091276B - 土壤养分传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种土壤养分传感器，包括集成在电路板卡上的电路系统和光路系统，所述的电路系统包括为电路系统和光路系统供电的电源模块、控制模块、数模转化模块、运算放大器；所述的电源模块为锂离子电池供电和市电变压稳压电路；所述的控制模块为DSP(微处理器芯片)或FPGA(可编程逻辑器件)等高速通用控制芯片的任意一种；所述的模数转化模块为高速24位A/D转化器；所述的光路系统包括光学芯片、校准模块及探测器，电路板卡不仅具有半导体工艺中常用的电路系统以外，还集成了光学芯片；本发明具有精密化、集成化，精度更高，便于携带，节省能耗在优点。

Description

土壤养分传感器

技术领域

本发明涉及传感谢器技术领域，具体涉及一种基于MEMS技术的土壤养分传感器。

背景技术

精准农业是指信息科学、控制科学、遥感科学、生命科学等多学科相互融合的农业综合系统工程，通过多种传感器系统获取土壤和作物水分、氮素、产量等信息，根据农业专家系统运算，实现精准播种、收割、平衡施肥、灌溉、作物动态监控技术等。

    目前，我国农业如何实现由传统农业向现代农业的转变，由粗放农业走向精准农业，从而走出一条具有中国特色的农业现代化之路，是一个亟待探索的重大课题；精准农业相对于传统农业的一个最大特点，是以高科技投入和管理获取资源的最大节约和农业产出的最佳效益。它的最重要的价值和意义就在于能够实现农业的科学化、标准化、定量化、高效化。它代表了我国农业发展的方向，是农业走低耗、高效、优质、可持续发展之路的必然选择。特别是我国化学品粗放投放导致农作物和土壤污染严重，精准农业有利于减少不必要化学药剂使用和减缓化学污染；因此，我们开发出基于MEMS技术的土壤养分传感器，它通过在田间实时在线获取土壤的近红外反射光谱，获取土壤中多种有机元素的光谱信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种精密化、集成化，精度更高，便于携带，节省能耗的土壤养分传感器。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，

一种土壤养分传感器，包括集成在电路板卡上的电路系统和光路系统，

所述的电路系统包括为电路系统和光路系统供电的电源模块、控制模块、数模转化模块、运算放大器； 

    所述的电源模块为锂离子电池供电和市电变压稳压电路；

所述的控制模块为DSP(微处理器芯片)或FPGA(可编程逻辑器件)等高速通用控制芯片的任意一种；

所述的模数转化模块为高速24位A/D转化器；

所述的光路系统包括光学芯片、校准模块及探测器，电路板卡不仅具有半导体工艺中常用的电路系统以外，还集成了光学芯片。

所述的光学芯片分为近红外光源和微机电分光系统，所述的光学芯片包括光学元件、光学平台、冷却平台、铜壳，再无尘条件下将所述的光学元件安装在光学平台上，所述的光学平台固定在冷却平台上以确保整个光学芯片稳定工作，然后用铜壳将光学元件、光学平台以及冷却平台封装，电路通过侧边的碟状引脚引出，焊接在电路板卡上。

所述的近红外光源采用可调谐超辐射发光二极管（SLED），该光源功率很高，而且功率可通过改变电流进行调节。

    所述的校准模块包括两块分光镜和两个探测器，并通过两块分光镜和两个探测器来实现波长和功率双校准功能，所述的分光镜一和分光镜二将该光分别提供给探测器一进行波长测量和探测器二进行功率测量，测量结果将反馈到控制模块，再通过改进参数实现光路模块进一步调整波长和功率，直至完成波长和功率校准。

    所述近红外光源发出的光通过透镜准直后形成平行光，经过45°起偏器P1起偏后，再经过补偿板和楔状双折射晶体RC1以及楔状双折射晶体RC2，再经过负45°检偏器P2；通过压电陶瓷控制楔状双折射晶体RC2移动，移动方向与楔状双折射晶体RC1斜边平行，实现光程的改变；氦氖激光器发出的光的传播方向与近红外光源传播的方向反向；所述氦氖激光器发出的光经过带通滤光片进入光电探测器；所述的带通滤波片将其他的光滤除，只让氦氖光通过；每当光电探测器探测到的信号为零时，则通过光电探测器感应氦氖激光强度来触发探测器的信号。

    所述的光学芯片采用MEMS（微机电系统）技术制作，以碟状封装芯片安装在电路板卡上，该光路系统没有移动部件，抗震动，抗干扰，并采用LIGA(深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制)加工技术实现光学芯片光学元件制作。

    所述光学元件通过X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤制造成型；X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使用深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制技术能够制造出高宽比达到500μm、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构，从而保证光学元件的高精密度。

    本发明通过光纤将光学系统发出的近红外光照射到土壤样品上，并通过探测器采集样品反射光获取样品的吸收谱，从而获取土壤养分信息。

本发明的有益效果是：

1、本发明可批量制作，集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统；

2、本发明通过MEMS技术可以将近红外光谱仪微型化、精密化、集成化，精度更高，便于携带，节省能耗。

附图说明

图1为本发明整体系统示意图；

图2为本发明光学芯片剖面结构示意图；

图3为本发明光学芯片的光路结构示意图；

图4为本发明校准模块光路结构图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种土壤养分传感器，包括集成在电路板卡1上的电路系统2和光路系统3，电路系统2包括为电路系统2和光路系统3供电的电源模块、控制模块、数模转化模块、运算放大器； 

    电源模块为锂离子电池供电21和市电变压稳压电路22；控制模块为DSP(微处理器芯片)或FPGA(可编程逻辑器件)等高速通用控制芯片的任意一种；模数转化模块为高速24位A/D转化器；

光路系统3包括光学芯片、校准模块及探测器15，电路板卡1不仅具有半导体工艺中常用的电路系统以外，还集成了光学芯片。

如图2所示，光学芯片分为近红外光源9和微机电分光系统20，光学芯片包括光学元件4、光学平台5、冷却平台6、铜壳7，再无尘条件下将所述的光学元件4安装在光学平台5上，光学平台5固定在冷却平台6上以确保整个光学芯片4稳定工作，然后用铜壳7将光学元件4、光学平台5以及冷却平台6封装，电路通过侧边的碟状引脚8引出，焊接在电路板卡1上。

近红外光源9采用可调谐超辐射发光二极管（SLED），该光源功率很高，而且功率可通过改变电流进行调节。

    如图4所示，校准模块包括两块分光镜和两个探测器，并通过两块分光镜和两个探测器来实现波长和功率双校准功能，分光镜一和分光镜二将该光分别提供给探测器一进行波长测量和探测器二进行功率测量，测量结果将反馈到控制模块，再通过改进参数实现光路模块进一步调整波长和功率，直至完成波长和功率校准。

    如图3所示，近红外光源9发出的光通过透镜10准直后形成平行光，经过45°起偏器P1 12起偏后，再经过补偿板13和楔状双折射晶体RC1 141以及楔状双折射晶体RC2 14，再经过负45°检偏器P2 121；通过压电陶瓷控制楔状双折射晶体RC2 14移动，移动方向与楔状双折射晶体RC1 141斜边平行，实现光程的改变；氦氖激光器19发出的光的传播方向与近红外光源9传播的方向反向；氦氖激光器19发出的光经过带通滤波片17进入光电探测器18；所述的带通滤波片17将其他的光滤除，只让氦氖光通过；每当光电探测器18探测到的信号为零时，则通过光电探测器18感应氦氖激光强度来触发探测器的信号。

光学芯片采用MEMS（微机电系统）技术制作，以碟状封装芯片安装在电路板卡1上，该光路系统没有移动部件，抗震动，抗干扰，并采用LIGA(深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制)加工技术实现光学芯片光学元件制作；光学元件4通过X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤制造成型；X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使用深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制技术能够制造出高宽比达到500μm、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构，从而保证光学元件的高精密度。

本发明的系统操作步骤如下：

1、通电后，电路为系统供电，控制模块启动，初始化系统参数；

2、读取设置测量参数，例如测量波长范围、光强、测量时间等，配置各个寄存器；

3、启动光路系统，等待2分钟，实现光路稳定；

4、启动校准模块，通过接受波长和能量反馈，调整光路系统参数，实现设定波长与功率双校准；

5、采集光谱数据：通过驱动压电陶瓷移动，实现不同波长的光的干涉，采集土壤样品反射的近红外光，经过放大和模数转换后，将结果与对应波长进行保存。

6、进行下一个测量过程，重复4-5次。

本发明通过光纤将光学系统发出的近红外光照射到土壤样品上，并通过探测器采集样品反射光获取样品的吸收谱，从而获取土壤养分信息。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种土壤养分传感器，其特征在于：包括集成在电路板卡上的电路系统和光路系统，所述电路系统包括为电路系统和光路系统供电的电源模块以及控制模块、数模转化模块和运算放大器；所述光路系统包括光学芯片、校准模块及探测器；

所述控制模块为微处理器芯片或可编程逻辑器件高速通用控制芯片的任意一种；

所述数模转化模块为高速24位A/D转化器；

所述光学芯片分为近红外光源和微机电分光系统，所述光学芯片包括光学元件、光学平台、冷却平台、铜壳，在无尘条件下将所述的光学元件安装在光学平台上，所述光学平台固定在冷却平台上以确保整个光学芯片稳定工作，然后用铜壳将光学元件、光学平台以及冷却平台封装，电路通过侧边的碟状引脚引出，焊接在电路板卡上；

所述近红外光源发出的光通过透镜准直后形成平行光，经过45°起偏器P1起偏后，再经过补偿板和楔状双折射晶体RC1以及楔状双折射晶体RC2，再经过负45°检偏器P2；通过压电陶瓷控制楔状双折射晶体RC2移动，移动方向与楔状双折射晶体RC1斜边平行，实现光程的改变；氦氖激光器发出的光的传播方向与近红外光源传播的方向反向；氦氖激光器发出的光经过带通滤光片进入光电探测器；所述的带通滤波片将其他的光滤除，只让氦氖光通过；每当光电探测器探测到的信号为零时，则通过光电探测器感应氦氖激光强度来触发探测器的信号；

所述校准模块包括分光镜一和分光镜二及探测器一和探测器二，并通过两块分光镜和两个探测器来实现波长和功率双校准功能，其中分光镜一和分光镜二将来自红外光源发出的光分别提供给探测器一进行波长测量和探测器二进行功率测量，测量结果将反馈到控制模块，再通过改进参数实现光路模块进一步调整波长和功率，直至完成波长和功率校准。

2.根据权利要求1所述的土壤养分传感器，其特征在于：所述的近红外光源采用可调谐超辐射发光二极管。

3.根据权利要求1所述的土壤养分传感器，其特征在于：所述的光学芯片采用微机电系统技术制作，以碟状封装芯片安装在电路板卡上。