CN106092992B - 一种土壤氧气二维分布测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种土壤氧气二维分布测量装置，包括土壤培养箱、数码相机、LED光源、用于调控LED光源电流的控制开关和与控制数码相机电性连接的终端，所述土壤培养箱内设有土壤氧气传感器；所述数码相机正对土壤培养箱内的土壤氧气传感器方向处正面设置；所述LED光源设置于所述土壤培养箱的斜上方。本发明土壤氧气二维分布测量装置，结构简单，操作方便，能够在实验室进行实时的测量土壤氧气测量的二维分布，并且对土壤结构的破坏极小，测量数据能够真实地、实时地反映土壤氧气含量在时间和空间的变化。

Description

一种土壤氧气二维分布测量装置
技术领域
本发明涉及土壤氧气的实时测量，特别是高分辨率的土壤氧气的二维分布的测量装置，属于光学，化学和环境科学等技术领域。
背景技术
土壤中的氧气含量是调控土壤生物化学反应的关键因素之一。氧气的可利用性直接影响土壤微生物的组成与活性，还能改变土壤营养元素的可利用性以及利用效率(Silver et al.,1999；Teh et al.,2005)。到目前为止已有一系列技术用来测量氧气含量。气相色谱热导检测器(GC/TCD)已被用于在土壤氧气的含量分析。然而，该技术非常依赖于土壤空气取样装置并且不适合氧气的连续监测。测量氧气的另一广泛使用技术是Clark型电极(Clark et al.,1953)，利用铂表面催化来测量氧气。
Clark型电极具有高精度和快速响应的优势。此外，它的微型电极是测量土壤微环境中氧气含量的极佳工具(Markfoged et al.,2011).然而，Clark电极的主要缺点是部分氧气会消耗于传感器尖端，从而引起异常读数。此外，Clark微电极只能测量单独的点，或者是一维垂直剖面，这样的监测显然无法揭示自然土壤的真正复杂性。特别是在土壤，有肥料施加的情况下，异质性更高，这些技术的使用无法全面的表达土壤氧气含量的动态分布。
发明内容
本发明为克服现有技术的缺陷，本发明目的是为了一种土壤氧气二维分布测量装置，能够方便地在实验室进行实时的土壤氧气测量，测量数据能够真实地、实时地反映土壤氧气含量在时间和空间的变化。
本发明采用的技术方案是：一种土壤氧气二维分布测量装置，包括土壤培养箱、数码相机、LED光源、用于调控LED光源电流的控制开关和与控制数码相机电性连接的终端，所述土壤培养箱内设有土壤氧气传感器；所述数码相机正对土壤培养箱内的土壤氧气传感器方向处正面设置；所述LED光源设置于所述土壤培养箱的斜上方。
优选的，所述土壤氧气传感器为平面电极传感膜。
优选的，所述土壤培养箱由树脂玻璃拼接而成，其中一处于正面的树脂玻璃内嵌有普通玻璃；所述平面电极传感膜喷涂所述普通玻璃的内表面。
优选的，所述LED光源前置有长波滤光片
优选的，所述数码相机前置有短波滤光片。
优选的，所述LED光源以45度角照射于土壤培养箱的正面。
优选的，所述LED光源由7个蓝光组成。
由于上述技术方案的运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
本发明的一种土壤氧气二维分布测量装置，结构简单，操作方便，能够在实验室进行实时的测量土壤氧气测量的二维分布，并且对土壤结构的破坏极小，测量数据能够真实地、实时地反映土壤氧气含量在时间和空间的变化。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
附图1为本发明的土壤氧气二维分布测量装置的结构示意图；
附图2为本发明的土壤氧气二维分布测量装置中LED光源的结构示意图；
附图3为本发明的土壤氧气的二维分布示意图；
图中：1-土壤培养箱；2-LED光源；3-数码相机；4-LED光源的控制开关；5-终端；11-土壤氧气传感器；12-普通玻璃；21-散热器；22-集成蓝光；23-金属管；24-短波滤光片；25-电线；31-长波滤光片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
如附图1所示，本发明的土壤氧气二维分布测量装置，该装置可以实时测量培养箱中土壤氧气含量，具体包括：土壤培养箱1，LED光源2，数码相机3，LED光源的控制开关4，全面控制数码相机3的终端(笔记本电脑)5。土壤培养箱1内嵌有土壤氧气传感器11，传感器为荧光染料，被LED光源中的蓝光激发后发出红光，用于测量土壤中的氧气含量，数码相机3用于记录与氧气接触后的荧光强度，在数码相机3前置有长波滤光片31，用于过滤来自LED的光线干扰。土壤培养箱1由树脂玻璃拼接而成，其中一处于正面的树脂玻璃内嵌有普通玻璃12。
如图2所示，LED光源由以下部件组成：散热器21、7个LED组成的集成蓝光22、镂空的铝制金属管23、集成蓝光22前置有短波滤光片24和电线25。LED光源连接于LED光源的控制开关4，可以在电脑终端的交互软件上自由调控LED光强。
本发明的土壤氧气传感器11为采用平面电极传感膜喷涂在普通玻璃12的内表面直接接触于土壤，无氧气消耗，对土壤结构的破坏极小，测量数据能够真实地、实时地反映土壤中氧气在时间和空间上含量变化。
数码相机3正对土壤培养箱的正面，聚焦于其内嵌普通玻璃的平面电极传感膜喷涂处。数码相机3与土壤培养箱1的距离可自由调节，以聚焦清晰为准。LED光源2以45度角照射于培养箱的正面，距离为1米。
此装置在无外来光源的影响下，可以获取100微米清晰度的土壤氧气二维分布，成像响应时间小于10秒，可以持续在线测量。
下面通过实施例阐述本实验新型的工作原理和过程：
可以将待测土壤置于土壤培养箱1，与箱内的氧气传感器11直接接触。在暗室内，将全套装置连接在一起，如附图1所示。暗室可以排除其他光源对荧光反应的干扰。在电脑终端的交互软件上通过调节电流强度以设置LED光强(600-1000mA)，并设置适宜的单反相机参数(比如，AF 1.8和ISO 400)，单反相机的存照为TIFF格式的红绿蓝三通道的原始图片。打开LED光源，并用单反相机快速拍照三次，以三次拍照的平均值为一组采样图片。拍照借宿后关闭LED光源。在电脑的交互软件上可以事先设置好拍照序列从而实现无需值守的持续拍照测量。将红绿蓝三通道的原始图片通过图片处理软件计算处理，可以获得土壤氧气分布图如附图3所示：土壤氧气的二维分布(3×6cm)。土壤密度为1.5g/cm3，水分含量为27.4％。
本发明光化学氧气传感器利用特定荧光染料被光激发后，其发出的荧光强度与氧气浓度呈反比的特性，可以非常精确的测量氧气浓度。该方法灵敏度更高，选择性更强，并且具有数据可靠、校准频率低等特点。此外，在传感器尖端没有氧气消耗，响应时间短(毫秒)，无天线噪音，同时适用于气相、液相和固相中氧气的测量(Wolfbeis,2004；Papkovsky&Dmitriev,2013)。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种土壤氧气二维分布测量装置，其特征在于：包括土壤培养箱、数码相机、LED光源、用于调控LED光源电流的控制开关和与控制数码相机电性连接的终端，所述土壤培养箱内设有土壤氧气传感器；所述数码相机正对土壤培养箱内的土壤氧气传感器方向处正面设置；所述LED光源设置于所述土壤培养箱的斜上方；
所述土壤氧气传感器为平面电极传感膜；
所述土壤培养箱由树脂玻璃拼接而成，其中一处于正面的树脂玻璃内嵌有普通玻璃；所述平面电极传感膜喷涂所述普通玻璃的内表面；数码相机正对土壤培养箱的正面，聚焦于其内嵌普通玻璃的平面电极传感膜喷涂处。
2.根据权利要求1所述的一种土壤氧气二维分布测量装置，其特征在于：所述LED光源前置有长波滤光片。
3.根据权利要求1或2所述的一种土壤氧气二维分布测量装置，其特征在于：所述数码相机前置有短波滤光片。
4.根据权利要求1或2所述的一种土壤氧气二维分布测量装置，其特征在于：所述LED光源以45度角照射于土壤培养箱的正面。
5.根据权利要求4所述的一种土壤氧气二维分布测量装置，其特征在于：所述LED光源由7个蓝光组成。
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