CN107884358B - 一种便携式土壤养分检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携式土壤养分检测装置，包括粉碎机构、烘干机构、检测光声池和采集分析机构，粉碎机构和烘干机构分别包括粉碎壳体和烘干壳体，粉碎壳体底部和烘干壳体顶部分别设置有粉碎出口管和烘干入口管，粉碎出口管外壁和烘干入口管内壁分别设置有外螺纹和内螺纹，且外螺纹和内螺纹匹配，烘干壳体底部连接有烘干出口管，检测光声池两端分别设置有检测入口和微音处理装置，检测入口和烘干出口管通过便拆连接机构连接，微音处理装置与采集分析机构电气连接，该装置结构更精简、便于拆卸，适合在野外进行及时的土壤养分检测，同时能够去除土壤颗粒大小和水分对检测过程的影响，使检测的结果更精准，值得推广。
Description
技术领域
本发明涉及土壤养分检测技术领域，具体为一种基于红外光声光谱技术的便携式土壤养分检测装置。
背景技术
土壤养分测定在精准农业和测土配方施肥中具有重要地位，国内外学者一直致力于其快速实时测定方法的研究。然而，目前土壤养分的测量主要是采用传统的化学测试，该方法费时、费力、成本高且难以实现土壤实时测量。由于土壤养分是化学物质，迄今尚无一种能直接检测出这些物质的传感器，这使得土壤养分高精度实时测定成为难题，并成为近年研究和关注的热点。光谱分析技术因其快速、简便、低成本、破坏性小和多组分同时测定等优点受到人们的青睐。
光谱分析技术是光谱学、化学计量学和计算机科学等多学科知识的一种现代分析技术。相对于传统的化学分析技术，光谱分析技术能够在较短的时间内获取待测样品中多种成分的含量，可以一次光谱采集，多种成分同时测量；同时无需对样品作任何预处理或作简单处理，可实现无损检测；无需化学试剂，对环境不会造成二次污染。因此，光谱分析技术是一种快速、无损、无污染的分析技术，具有能够定量反演被检测对象物理性质和组分含量的潜力，在很多领域得到广泛应用，将其应用于土壤养分检测领域具有重要意义。
现有的利用光谱技术的土壤养分检测装置多是利用不同波长范围的光谱采集单元对土壤的成分进行测定，如申请号为201710115084.7的名称为一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，该装置包括测量探头、平板电脑以及设置在机箱内的微处理器、光谱采集单元、驱动单元和电源，所述测量探头包括探头本体、设置在探头本体内的光源、准直透镜、光学快门、参比物质、步进电机和聚焦透镜、开设在探头本体底部且位于光源正下方的窗口以及嵌在窗口上的窗片，所述光谱采集单元包括波长范围为350nm～1000nm的第一微型光谱仪、波长范围为900nm～2000nm的第二微型光谱仪和波长范围为1700nm～2500nm的第三微型光谱仪。该发明集成度高、体积小、重量轻、成本低，便于携带，操作方便，可实现对土壤养分的原位、快速检测。
但是，现有的利用红外光声光谱技术的土壤养分检测装置存在以下缺陷：
(1)待检测的土壤多是远离居住区，而现有的土壤养分检测装置虽然精简便携了很多，但仍不适合在野外工作，使得土壤的检测不及时且步骤繁多，耗时耗力；
(2)在土壤养分检测时，土壤颗粒的大小不尽相同，使得土壤的光谱反射率也不相同，使土壤养分检测的结果误差较大；
(3)根据地形的不同，待测土壤中的水分也不同，使得光谱的检测分析受到影响，使检测的结果不准确，影响土壤养分的判断。
为了解决这些问题，因而设计了一种基于红外光声光谱技术的便携式土壤养分检测装置。
发明内容
为了克服现有技术方案的不足,本发明提出一种便携式土壤养分检测装置，其基于红外光声光谱技术原理，该装置的结构更精简、且便于拆卸和安装，适合在野外进行及时的土壤养分检测，同时能够去除土壤颗粒大小和水分对检测过程的影响，使检测的结果更精准，值得推广。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种便携式土壤养分检测装置，包括粉碎机构、烘干机构、检测光声池和采集分析机构，所述粉碎机构和烘干机构分别包括粉碎壳体和烘干壳体，且在粉碎壳体的底部和烘干壳体的顶部分别设置有粉碎出口管和烘干入口管，所述粉碎出口管的外壁和烘干入口管的内壁分别设置有外螺纹和内螺纹，且外螺纹和内螺纹匹配，所述烘干壳体的底部连接有烘干出口管；
所述检测光声池的两端分别设置有检测入口和微音处理装置，且检测入口和烘干出口管之间通过便拆连接机构连接，所述微音处理装置与采集分析机构电气连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述粉碎壳体的顶端设置有粉碎入口，且在粉碎入口的正下方设置有与粉碎壳体内壁紧密连接的承载板，所述承载板的表面设置有均匀分布的过滤筛孔，所述粉碎入口的侧边安装有步进电机，且步进电机连接有切割动力轴，所述切割动力轴穿过粉碎壳体，且延伸至承载板与粉碎壳体顶壁之间，所述切割动力轴的底部连接有切刀板，且在切刀板的底部连接有5至10把切刀。
作为本发明一种优选的技术方案，所述粉碎壳体的侧壁固定安装有驱动电机，且驱动电机连接有粉碎动力轴，所述粉碎动力轴穿过粉碎壳体，且延伸至承载板与粉碎出口管之间，所述粉碎动力轴的表面连接有6至10个螺旋粉碎刀。
作为本发明一种优选的技术方案，所述烘干壳体的内部安装有5至8块以10°-20°交替向左下和右下倾斜设置的烘干板，且在烘干壳体的表面设置有均匀分布的水蒸气出口，所述烘干板的底面均连接有电加热块，且在烘干板的底端均设置有土壤导流口。
作为本发明一种优选的技术方案，所述检测光声池的侧壁均安装有绝缘层，且在检测光声池的顶部安装有盐窗，所述检测光声池的顶面侧边固定连接有以45°倾角倾斜向上设置的导光板，且在导光板的底面安装有反射镜，所述导光板的底面顶端连接有竖直设置的载物架，且在载物架上放置有红外发生装置。
作为本发明一种优选的技术方案，所述检测光声池的侧壁设置有氦气入口，且氦气入口通过导气管连接有氦气发生装置，所述导气管与氦气入口的连接处安装有导气阀。
作为本发明一种优选的技术方案，所述采集分析机构包括电流采集模块，且电流采集模块的输入端与微音处理装置连接，所述电流采集模块的输出端连接有前置放大模块，且前置放大模块连接有光谱采集模块，所述光谱采集模块通过光谱分析模块连接有光谱显示模块，且光谱显示模块与笔记本电脑连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述便拆连接机构包括烘干出口管前端呈线性逐渐减小的插入头，且在插入头与烘干出口管的连接处设置有螺栓座，所述检测入口的周围设置有2至4个螺栓孔，且螺栓座和螺栓孔通过便拆螺栓连接。
作为本发明一种优选的技术方案，所述烘干壳体的底部设置有支架，且在支架上设置有电源座，所述电源座内放置有蓄电池。
作为本发明一种优选的技术方案，所述粉碎入口呈漏斗状，且在粉碎入口设置有过滤纱网。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明通过设置粉碎机构，使得土壤样本在进行红外光照射之前能够先被切割并粉碎成大小接近的小颗粒，使得土壤颗粒的大小不会对检测的结果造成影响，使检测误差更小。
(2)本发明通过设置有烘干机构，使得土壤样本中的水分被蒸发出去，使得水分不会成为影响检测结果的因素，使得检测结果更精准，能够对土壤的养分进行正确的评估。
(3)本发明通过在粉碎壳体的底部和烘干壳体的顶部分别设置粉碎出口管和烘干入口管，粉碎出口管的外壁和烘干入口管的内壁分别设置有外螺纹和内螺纹，且外螺纹和内螺纹匹配，同时检测入口和烘干出口管之间通过便拆连接机构连接，微音处理装置与采集分析机构电气连接，使得装置的结构更精简，且便于拆卸和组合，能够分开携带和搬运，适合在野外进行及时的土壤养分检测，同时减少了检测步骤，提高了检测的效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的粉碎机构结构示意图；
图3为本发明的烘干机构结构示意图；
图4为本发明的检测光声池结构示意图；
图5为本发明的便拆连接机构结构示意图；
图6为本发明的采集分析机构流程示意图。
图中：1-粉碎机构；2-烘干机构；3-检测光声池；4-采集分析机构；5-便拆连接机构；6-支架；7-电源座；8-蓄电池；101-粉碎壳体；102-粉碎出口管；103-外螺纹；104-粉碎入口；105-承载板；106-过滤筛孔；107-步进电机；108-切割动力轴；109-切刀板；110-切刀；111-驱动电机；112-粉碎动力轴；113-螺旋粉碎刀；114-过滤纱网；201-烘干壳体；202-烘干入口管；203-内螺纹；204-烘干出口管；205-烘干板；206-水蒸气出口；207-电加热块；208-土壤导流口；301-检测入口；302-微音处理装置；303-绝缘层；304-盐窗；305-导光板；306-反射镜；307-载物架；308-红外发生装置；309-氮气入口；310-导气管；311-氮气发生装置；312-导气阀；401-电流采集模块；402-前置放大模块；403-光谱采集模块；404-光谱分析模块；405-光谱显示模块；406-笔记本电脑；501-插入头；502-螺栓座；503-螺栓孔；504-便拆螺栓。
具体实施方式
如图1至图6所示，本发明提出了一种便携式土壤养分检测装置，其基于红外光声光谱技术原理，包括粉碎机构1、烘干机构2、检测光声池3和采集分析机构4，粉碎机构1能够使待测土壤在进行检测之前，先被切割粉碎成大小接近的小块，使得土壤颗粒的大小不会影响土壤养分的检测，使检测结果的误差范围更小，烘干机构2能够使各个待测土壤中的水分都被蒸发出去，使得水分的多少不会成为影响检测结果的因素，使得检测的结果更准确，使得对土壤养分的评估更精准，检测光声池3用于对待测土壤进行红外光声光谱检测，而采集分析机构4用于对检测的结果进行采集和分析，从而得出土壤养分检测的结果。
如图1至图3所示，所述粉碎机构1和烘干机构2分别包括粉碎壳体101和烘干壳体201，且在粉碎壳体101的底部和烘干壳体201的顶部分别设置有粉碎出口管102和烘干入口管202，粉碎出口管102用于导出粉碎之后的待测土壤，烘干入口管202用于将待测土壤倒入烘干壳体201中，所述粉碎出口管102的外壁和烘干入口管202的内壁分别设置有外螺纹103和内螺纹203，且外螺纹103和内螺纹203匹配，使得可以在装置使用时将粉碎壳体101和烘干壳体201通过外螺纹103和内螺纹203连接在一起，而装置不用或搬运时，将粉碎壳体101和烘干壳体201分隔开，便于搬运和携带，所述烘干壳体201的底部连接有烘干出口管204，烘干出口管204用于导出烘干水分之后的待测土壤。
值得一提的是，粉碎机构1和烘干机构2的先后顺序是固定的，因为经过粉碎机构1粉碎后的待测土壤能够更快速的在烘干机构2中除去水分，使得检测的效率更高且节约了资源。
如图1和图4所示，所述检测光声池3的两端分别设置有检测入口301和微音处理装置302，检测入口301用于向检测光声池3中送入待测土壤，微音处理装置302能够将声音转换为电能，且检测入口301和烘干出口管204之间通过便拆连接机构5连接，使得烘干机构2和检测光声池3能够快速的拆卸和安装，所述微音处理装置302与采集分析机构4电气连接，使得检测光声池3和采集分析机构4不必连接在一起，使得装置能够被拆卸为几个部分，便于搬运，适合在野外进行检测，使得土壤检测更为及时，且减少了检测步骤，通过了检测效率，能够大范围的检测不同的土壤样品。
另外，检测光声池3的原理是当红外光照射到待测土壤后，待测土壤吸收红外光，并将大部分光能转化为热能散发出去，而检测光声池3是密闭空间，使得检测光声池3内的气体吸收热能膨胀或收缩，造成检测光声池3内压力波动，而这些频率不同的波动声音信号能够被微音处理装置302接收，并将声音信号转化为电能信号，被采集分析机构4接收，获得单光束光谱，从而可以根据光谱得出检测结果。
如图1和图2所示，所述粉碎壳体101的顶端设置有粉碎入口104，粉碎入口104用于向粉碎机构1加入待测土壤样品，所述粉碎入口104呈漏斗状，且在粉碎入口104设置有过滤纱网114，将粉碎入口104设置成漏斗状可以方便待测土壤的加入，过滤纱网114可以过滤掉待测土壤中的石块、树枝、草根等大块杂质，防止这些杂质对检测结果产生影响，使检测结果更符合实际情况，所述粉碎入口104的正下方设置有与粉碎壳体101内壁紧密连接的承载板105，承载板105用于暂时盛放大块的待测土壤，所述承载板105的表面设置有均匀分布的过滤筛孔106，过滤筛孔106用于过滤小颗粒的待测土壤样品。
如图2所示，所述粉碎入口104的侧边安装有步进电机107，且步进电机107连接有切割动力轴108，所述切割动力轴108穿过粉碎壳体101，且延伸至承载板105与粉碎壳体101顶壁之间，所述切割动力轴108的底部连接有切刀板109，且在切刀板109的底部连接有5至10把切刀110，使得切刀板109和切刀110能够在步进电机107和切割动力轴108的带动下上下移动，将承物板105上的大块待测土壤切割成若干个小块，并能顺利从过滤筛孔106落下。
如图2所示，所述粉碎壳体101的侧壁固定安装有驱动电机111，且驱动电机111连接有粉碎动力轴112，所述粉碎动力轴112穿过粉碎壳体101，且延伸至承载板105与粉碎出口管102之间，所述粉碎动力轴112的表面连接有6至10个螺旋粉碎刀113，使得螺旋粉碎刀113能够在驱动电机111和粉碎动力轴112的带动下旋转，并将小块的待测土壤粉碎成小颗粒，使得待测土壤的大小不会对土壤养分检测的结果造成影响。
如图3所示，所述烘干壳体201的内部安装有5至8块以10°-20°交替向左下和右下倾斜设置的烘干板205，烘干板205用于对待测土壤进行烘干，而烘干板205的结构设计使得待测土壤能够沿着一个个烘干板205不断的滑下，使得待测土壤与烘干板205的接触时间更长，使得烘干的效果更好，防止水分对检测结果产生影响，所述烘干壳体201的表面设置有均匀分布的水蒸气出口206，水蒸气出口206用于排出蒸发的水蒸气，防止水蒸气重新回到待测土壤中，所述烘干板205的底面均连接有电加热块207，电加热块207用于对烘干板205进行加热，所述烘干板205的底端均设置有土壤导流口208，土壤导流口208使得待测土壤从一个烘干板205滑下后，能够落入下一个烘干板205上。
如图1和图4所示，所述检测光声池3的侧壁均安装有绝缘层303，绝缘层303可以防止外界环境对检测光声池3产生影响，使得土壤养分检测的结果更精准，所述检测光声池3的顶部安装有盐窗304，盐窗304由溴化钾晶体制成，既能够使红外光穿透盐窗304照入到检测光声池3内的待测土壤上，又能防止对样品信号产生干扰，使检测结果更精准。
如图1和图4所示，所述检测光声池3的顶面侧边固定连接有以45°倾角倾斜向上设置的导光板305，且在导光板305的底面安装有反射镜306，导光板305和反射镜306用于反射红外光，使得红外光能够穿过盐窗304并照射到待测土壤上，所述导光板305的底面顶端连接有竖直设置的载物架307，且在载物架307上放置有红外发生装置308，红外发生装置308用于产生红外光，同时导光板305的角度设置可以使红外光水平的照射到反射镜306上，并垂直射入检测光声池3内，使得红外光的光能能够更充分的被待测土壤吸收。
如图4所示，所述检测光声池3的侧壁设置有氦气入口309，且氦气入口309通过导气管310连接有氦气发生装置311，氦气发生装置311用于产生氦气，并通过导气管310和氦气入口309进入检测光声池3中，使得检测光声池3内充满氦气，由于氦气是惰性气体，使得检测光声池3内的反应不会对氦气产生影响，同时氦气也不会干扰检测光声池3内的反应，使得检测结果更精准，所述导气管310与氦气入口309的连接处安装有导气阀312，导气阀312用于控制氦气的输入。
如图6所示，所述采集分析机构4包括电流采集模块401，且电流采集模块401的输入端与微音处理装置302连接，电流采集模块401用于采集微音处理装置302发出的微弱电流变化，所述电流采集模块401的输出端连接有前置放大模块402，前置放大模块402用于将微弱的电流放大，以便于之后的检测，所述前置放大模块402连接有光谱采集模块403，光谱采集模块403用于根据放大的电流得出单光束光谱，所述光谱采集模块403通过光谱分析模块404连接有光谱显示模块405，光谱分析模块404用于对得出的光谱进行分析，光谱显示模块405用于显示光谱分析的结果，所述光谱显示模块405与笔记本电脑406连接，笔记本电脑406能够将光谱分析的结果显示出来，并能够辅助光谱的分析以及方便记录检测结果等。
值得一提的是，之所以用笔记本电脑406作为光谱分析的工具，是因为笔记本电脑406能够完成光谱分析的操作，并且携带方便，便于在野外进行土壤检测，其他类似笔记本电脑406的工具如平板电脑等也可以用来代替。
如图1和图5所示，所述便拆连接机构5包括烘干出口管204前端呈线性逐渐减小的插入头501，且在插入头501与烘干出口管204的连接处设置有螺栓座502，所述检测入口301的周围设置有2至4个螺栓孔503，且螺栓座502和螺栓孔503通过便拆螺栓504连接，使得可以将插入头501插入检测入口301中，并通过便拆螺栓504将插入头501与检测入口301固定，使得烘干机构2与检测光声池3连接在一起，同时拆卸方便，便于装置的搬运，插入头501的结构设计可以使烘干出口管204与检测入口301紧密连接，可以防止待测土壤泄露和检测光声池3内的氦气泄露，使检测结果不受外界因素的影响，使检测结果准确度更高。
如图1所示，所述烘干壳体201的底部设置有支架6，且在支架6上设置有电源座7，所述电源座7内放置有蓄电池8，支架6用于放置烘干壳体201，同时使烘干机构2与检测光声池3存在一定的高度差，使得烘干之后的待测土壤能够顺着烘干出口管204直接滑入检测光声池3中，使得不必额外的动力机构将待测土壤倒入检测光声池3内，节省了能源，蓄电池8用于装置的供电，使得在野外不必担心电能的问题，蓄电池8通过导线分别与步进电机107、驱动电机111、电加热块207和采集分析机构4连接。
Claims (9)
1.一种便携式土壤养分检测装置，包括粉碎机构（1）、烘干机构（2）、检测光声池（3）和采集分析机构（4），所述粉碎机构（1）和烘干机构（2）分别包括粉碎壳体（101）和烘干壳体（201），且在粉碎壳体（101）的底部和烘干壳体（201）的顶部分别设置有粉碎出口管（102）和烘干入口管（202），所述粉碎出口管（102）的外壁和烘干入口管（202）的内壁分别设置有相互匹配的外螺纹（103）和内螺纹（203），所述烘干壳体（201）的底部连接有烘干出口管（204），所述检测光声池（3）的两端分别设置有检测入口（301）和微音处理装置（302），且检测入口（301）和烘干出口管（204）之间通过便拆连接机构（5）连接，所述微音处理装置（302）与采集分析机构（4）电气连接；
其特征在于：所述检测光声池（3）的顶部安装有盐窗（304），所述检测光声池（3）的顶面侧边固定连接有以45°倾角倾斜向上设置的导光板（305），且在导光板（305）的底面安装有反射镜（306），所述导光板（305）的底面顶端连接有竖直设置的载物架（307），且在载物架（307）上放置有红外发生装置（308）。
2.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：所述粉碎壳体（101）的顶端设置有粉碎入口（104），且在粉碎入口（104）的正下方设置有与粉碎壳体（101）内壁紧密连接的承载板（105），所述承载板（105）的表面设置有均匀分布的过滤筛孔（106），所述粉碎入口（104）的侧边安装有步进电机（107），且步进电机（107）连接有切割动力轴（108），所述切割动力轴（108）穿过粉碎壳体（101），且延伸至承载板（105）与粉碎壳体（101）顶壁之间，所述切割动力轴（108）的底部连接有切刀板（109），且在切刀板（109）的底部连接有5至10把切刀（110）。
3.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：所述粉碎壳体（101）的侧壁固定安装有驱动电机（111），且驱动电机（111）连接有粉碎动力轴（112），所述粉碎动力轴（112）穿过粉碎壳体（101），且延伸至承载板（105）与粉碎出口管（102）之间，所述粉碎动力轴（112）的表面连接有6至10个螺旋粉碎刀（113）。
4.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：所述烘干壳体（201）的内部安装有5至8块以10°-20°交替向左下和右下倾斜设置的烘干板（205），且在烘干壳体（201）的表面设置有均匀分布的水蒸气出口（206），所述烘干板（205）的底面均连接有电加热块（207），且在烘干板（205）的底端均设置有土壤导流口（208）。
5.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：在检测光声池（3）的侧壁安装有绝缘层（303），所述粉碎入口（104）呈漏斗状，且在粉碎入口（104）设置有过滤纱网（114）。
6.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：所述检测光声池（3）的侧壁设置有氦气入口（309），且氦气入口（309）通过导气管（310）连接有氦气发生装置（311），所述导气管（310）与氦气入口（309）的连接处安装有导气阀（312）。
7.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：所述采集分析机构（4）包括电流采集模块（401），且电流采集模块（401）的输入端与微音处理装置（302）连接，所述电流采集模块（401）的输出端连接有前置放大模块（402），且前置放大模块（402）连接有光谱采集模块（403），所述光谱采集模块（403）通过光谱分析模块（404）连接有光谱显示模块（405），且光谱显示模块（405）与笔记本电脑（406）连接。
8.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：所述便拆连接机构（5）包括烘干出口管（204）前端呈线性逐渐减小的插入头（501），且在插入头（501）与烘干出口管（204）的连接处设置有螺栓座（502），所述检测入口（301）的周围设置有2至4个螺栓孔（503），且螺栓座（502）和螺栓孔（503）通过便拆螺栓（504）连接。
9.根据权利要求1所述的便携式土壤养分检测装置，其特征在于：所述烘干壳体（201）的底部设置有支架（6），且在支架（6）上设置有电源座（7），所述电源座（7）内放置有蓄电池（8）。
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