CN106872440A - 基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，包括控制模块、传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、显示模块、GPS模块、报警模块、电源模块、激光器、拉曼探头、光谱仪和样品架。传感器模块包括CCD光纤传感器、水分传感器、温度传感器和pH传感器。电源模块用于为控制模块、传感器模块、显示模块、GPS模块和报警模块供电。探头安装在样品架上。激光器和光谱仪相连。样品架包括样品架本体和覆盖在样品架本体上表面的贵金属纳米层。本发明实现土壤养分的实时、快速以及高灵敏度检测，还能对被检测土壤进行准确定位，为实时指导农民施肥和田间管理提供便利。

Description

基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪

技术领域

本发明涉及土壤养分检测技术领域，具体涉及一种基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪。

背景技术

精准农业是近年来备受关注而又迅速发展的现代农业技术体系，也是现代信息技术和传统农业紧密结合的产物。它是对农业所涉及的对象和过程，进行精确设计、控制和实现，减少资源投入，提高农业的生产效能，降低环境污染。在田间无损检测土壤的水分、温度、pH和养分等，以实时、快速、准确获取有关信息，是实现精准农业的必要条件。

目前，用于土壤养分检测的传统方法都是以实验室化学分析方法为主，该方法前处理过程繁琐，检测周期长，耗费大量的人力、财力和物力，而且土壤分析的结果无法从实时和实用性上指导农民施肥或田间管理。另外，在样品的处理出过程中会大量使用酸碱等化学试剂，对环境造成一定程度的污染。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，该土壤养分速测仪能够解决现有技术中存在的不足，实现土壤养分的实时、快速以及高灵敏度检测，而且还能对被检测土壤进行准确定位，为实时指导农民施肥和田间管理提供便利。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，包括控制模块、传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、显示模块、GPS模块、报警模块、电源模块、激光器、拉曼探头、光谱仪和样品架。所述传感器模块包括CCD光纤传感器、水分传感器、温度传感器和pH传感器，每个传感器使用前参数的设置通过设置键完成。所述电源模块用于为控制模块、传感器模块、显示模块、GPS模块和报警模块供电；所述拉曼探头安装在样品架上；所述激光器与光谱仪相连；所述样品架包括样品架本体和覆盖在样品架本体上表面的贵金属纳米层。所述GPS模块的输入端接天线，输出端接控制模块的输入端，用于获取待测土壤的经纬度、时间及高度等位置信息。所述GPS模块采用单模定位模块，GPS模块的串口与控制模块的串口相连，而且增加一级前置放大器使定位模块与天线进行连接。所述显示模块，用于接收并显示控制模块输送的当前待测土壤的养分（有机质、氮、磷等）、水分、温度、pH和GPS定位等参数。所述数据采集模块采用具有多路模拟信号和数字信息输入接口的数据采集卡，实现传感器模拟信号的电流/电压转换、模拟/数字信号转换采集以及数字传感器信号的直接读取。

将水分传感器、温度传感器和pH传感器插入待测土壤中，同时取一部分该待测土壤作为待测土壤样品平铺在样品架上。打开激光器，激光器发出的激发光照射在待测土壤样品上。

所述激光器，用于发出激发光。所述探头，用于将激发光照射至样品架上的待测土壤样品上，同时收集待测土壤样品的散射光信号。

所述控制模块通过数据采集模块采集CCD光纤传感器、水分传感器、温度传感器和pH传感器的实时检测数据；控制模块通过光谱仪对CCD光纤传感器的检测数据进行分析，得出待测土壤的养分谱图，并将待测土壤的养分谱图与标准养分谱图对比，从而获取待测土壤中各养分的含量；控制模块对各传感器实时检测数据进行分析，通过报警模块对异常数据进行报警；控制模块通过GPS模块读取当前待测土壤数据采集点的位置信息，并将位置信息与各传感器的实时检测数据进行对应；控制模块通过数据存储模块对各传感器的实时检测数据及相应的位置信息进行存储，用于后期导出、分析和数据归档；控制模块通过显示模块实时显示待测土壤的数据信息。

进一步的，所述样品架，用于承载待测土壤样品，样品架的表面经过特殊的化学处理，覆盖有粗糙的贵金属纳米材料，即贵金属纳米层。所述贵金属纳米层为若干均匀分布的直径为40nm的金纳米球或者若干均匀分布的直径为500nm的金纳米锥或者若干均匀分布的顶端分叉的微米柱；相邻金纳米锥之间的间距为100nm；所述微米柱的直径为1μm，分叉的直径为100nm。所述贵金属纳米层用于对待测土壤中的氮、磷、有机质等养分的信号进行增强。

进一步的，所述激光器的激发波长为785nm。

进一步的，所述电源模块采用7.2V直流电压源经过LM2940稳压芯片调整后输出5V直流电压。

进一步的，所述报警模块采用大功率蜂鸣器。报警模块受控制模块发出的报警指令驱动，根据报警指令发出警报。

由以上技术方案可知，本发明所述的土壤养分速测仪，实现了土壤养分的快速、无损、高灵敏度检测；通过设置CCD光纤传感器、水分传感器、温度传感器和pH传感器，能够实时获取土壤的物理性质和养分信息；通过在样品架的表面设置粗糙的贵金属纳米层，能够大大提高测量的灵敏度。本发明具有重量轻、体积小、便于携带等特点，能够满足田间土壤养分快速测量的需求。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的原理框图；

图3、图4和图5是样品架的结构示意图。

其中：

1、开关，2、显示模块，3、设置键，4、CCD光纤传感器，5、水分传感器，6、温度传感器，7、pH传感器，8、拉曼探头，9、样品架，90、样品架本体，91、金纳米球，92、金纳米锥，93、顶端分叉的微米柱，10、激光器，11、光谱仪，12、控制模块，13、数据采集模块，14、数据存储模块，15、GPS模块，16、报警模块，17、电源模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1-图3所示的一种基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，包括控制模块12、传感器模块、数据采集模块13、数据存储模块14、显示模块2、GPS模块15、报警模块16、电源模块17、激光器10、拉曼探头8、光谱仪11和样品架9。所述传感器模块包括CCD光纤传感器4、水分传感器5、温度传感器6和pH传感器7，每个传感器使用前参数的设置通过设置键完成。所述电源模块17用于为控制模块12、传感器模块、显示模块2、GPS模块15和报警模块16供电；所述拉曼探头8安装在样品架9上；所述CCD光纤传感器4设置在激光器10与拉曼探头8之间；所述激光器10和光谱仪11相连；光谱仪11是用来接收和处理拉曼信号的。所述样品架9包括样品架本体90和覆盖在样品架本体90上表面的贵金属纳米层。所述GPS模块15的输入端接天线，输出端接控制模块12的输入端。GPS模块15用于获取待测土壤的经纬度、时间及高度等位置信息。所述GPS模块15采用单模定位模块，GPS模块15的串口与控制模块12的串口相连，而且增加一级前置放大器使定位模块与天线进行连接。所述显示模块2，用于接收并显示控制模块输送的当前待测土壤的养分（有机质、氮、磷等）、水分、温度、pH和GPS定位等参数。所述数据采集模块13采用具有多路模拟信号和数字信息输入接口的数据采集卡，实现传感器模拟信号的电流/电压转换、模拟/数字信号转换采集以及数字传感器信号的直接读取。

将水分传感器5、温度传感器6和pH传感器7插入待测土壤中，同时取一部分该待测土壤作为待测土壤样品平铺在样品架9上。打开激光器10，激光器10发出的激发光照射在待测土壤样品上。所述激光器10，用于发出激发光。所述拉曼探头8，用于将激发光照射至样品架9上的待测土壤样品上，同时收集待测土壤样品的散射光信号。

打开仪器总电源开关1，所述控制模块12通过数据采集模块13采集CCD光纤传感器4、水分传感器5、温度传感器6和pH传感器7的实时检测数据；控制模块12通过光谱仪11对CCD光纤传感器4的检测数据进行分析，得出待测土壤的养分谱图，并将待测土壤的养分谱图与标准养分谱图对比，从而获取待测土壤中各养分的含量；控制模块12对各传感器实时检测数据进行分析，通过报警模块16对异常数据进行报警；控制模块12通过GPS模块15读取当前待测土壤数据采集点的位置信息，并将位置信息与各传感器的实时检测数据进行对应；控制模块12通过数据存储模块14对各传感器的实时检测数据及相应的位置信息进行存储，用于后期导出、分析和数据归档；控制模块12通过显示模块2实时显示待测土壤的数据信息。

本发明所述的土壤养分速测仪，通过CCD光纤传感器4、激光器10、拉曼探头8和光谱仪11，对待测土壤中各养分的拉曼光谱进行分析。在激光器10发出的激发光的作用下，待测土壤中的不同成分会出现不同的拉曼特征峰，通过与标准值相对比，即可确定待测土壤的成分及含量。通过在样品架9表面覆盖贵金属纳米层，能够使被吸附分子的拉曼光谱信号得到显著增强，极大的提高土壤养分检测的灵敏度。

进一步的，所述样品架9，用于承载待测土壤样品，样品架9的表面经过特殊的化学处理，覆盖有粗糙的贵金属纳米材料，即贵金属纳米层。所述贵金属纳米层为如图3所示的若干均匀分布的直径为40nm的金纳米球91，或者为如图4所示的若干均匀分布的直径为500nm的金纳米锥92，或者为如图5所示的若干均匀分布的顶端分叉的微米柱93。相邻金纳米锥之间的间距为100nm。所述微米柱的直径为1μm，分叉的直径为100nm。所述贵金属纳米层用于对待测土壤中的氮、磷、有机质等养分的信号进行增强。一般表面具有尖锐结构的贵金属纳米材料，表面增强效应越强；金纳米球是最常见的纳米材料，制备简便，而且很容易将其均匀单层平铺在基片上；纳米柱、纳米锥也能够利用微加工技术方便制备。

进一步的，所述激光器10的激发波长为785nm。

进一步的，所述电源模块17采用7.2V直流电压源经过LM2940稳压芯片调整后输出5V直流电压。

进一步的，所述报警模块16采用大功率蜂鸣器。报警模块16受控制模块12发出的报警指令驱动，根据报警指令发出警报。

上述土壤养分速测仪的检测过程为：

（1）将校准基片放于样品架9上，打开激光器10，上下调整拉曼探头8位置，不断采集校准基片的拉曼特征峰，直到特征峰达到最强即为最佳的位置，固定拉曼探头8的位置。

（2）将已知磷、氮、有机质等养分标准浓度的土壤样品平铺于样品架9上，样品架9上的贵金属纳米层能够使标准样品中的磷、氮、有机质等养分的拉曼特征峰得到增强，打开激光器10，采集相应养分的谱图，针对每种养分分别建立标准工作曲线。

（3）将待测土壤样品平铺于样品架9上，采集该待测土壤样品中相应养分的谱图，参照相应标准工作曲线，通过显示模块2显示相应养分的含量；

（4）将水分传感器5的电极、温度传感器6的电极和pH传感器7的电极分别插入待测地块中，电极插入土壤至少10 cm以上，并使其与土壤紧密接触，所检测的相应物理性质参数在显示屏显示。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (5)

1.基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，其特征在于：包括控制模块、传感器模块、数据采集模块、数据存储模块、显示模块、GPS模块、报警模块、电源模块、激光器、拉曼探头、光谱仪和样品架；所述传感器模块包括CCD光纤传感器、水分传感器、温度传感器和pH传感器；所述电源模块用于为控制模块、传感器模块、显示模块、GPS模块和报警模块供电；所述CCD光纤传感器设置在激光器与拉曼探头之间；所述激光器与光谱仪相连；所述拉曼探头安装在样品架上；所述样品架包括样品架本体和覆盖在样品架本体上表面的贵金属纳米层；

将水分传感器、温度传感器和pH传感器插入待测土壤中，同时取一部分该待测土壤作为待测土壤样品平铺在样品架上；

所述控制模块通过数据采集模块采集CCD光纤传感器、水分传感器、温度传感器和pH传感器的实时检测数据；控制模块通过光谱仪对CCD光纤传感器的检测数据进行分析，得出待测土壤的养分谱图，并将待测土壤的养分谱图与标准养分谱图对比，从而获取待测土壤中各养分的含量；控制模块对各传感器实时检测数据进行分析，通过报警模块对异常数据进行报警；控制模块通过GPS模块读取当前待测土壤数据采集点的位置信息，并将位置信息与各传感器的实时检测数据进行对应；控制模块通过数据存储模块对各传感器的实时检测数据及相应的位置信息进行存储，用于后期导出、分析和数据归档；控制模块通过显示模块实时显示待测土壤的数据信息。

2.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，其特征在于：所述贵金属纳米层为若干均匀分布的直径为40nm的金纳米球或者若干均匀分布的直径为500nm的金纳米锥或者若干均匀分布的顶端分叉的微米柱；相邻金纳米锥之间的间距为100nm；所述微米柱的直径为1μm，分叉的直径为100nm。

3.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，其特征在于：所述激光器的激发波长为785nm。

4.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，其特征在于：所述电源模块采用7.2V直流电压源经过LM2940稳压芯片调整后输出5V直流电压。

5.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼光谱的便携式多功能土壤养分速测仪，其特征在于：所述报警模块采用大功率蜂鸣器。