CN108956507B - 叶绿素光谱检测仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种叶绿素光谱检测仪。本发明的叶绿素光谱检测仪通过切换开关控制反射光谱光源或者荧光光谱光源工作，从而能够发出不同的发射光，发射光通过发射光纤传输到待测样品上，然后接收光纤采集到样品上的漫反射光或者激发荧光并传输给光谱分析仪模块进行分析，从而检测到叶绿素的反射光谱和荧光光谱，该叶绿素光谱分析仪由于能够通过切换开关控制反射光谱光源和荧光光谱光源发出相应的发射光，从而能够进行叶绿素反射光谱和荧光光谱的平行检测，不必更换仪器，耗时较短，而且该叶绿素光谱检测仪通过对两种光谱的平行检测，通过两种光谱检测结果的结合能够提高检测结果的准确性，为现代农业的精准施肥提供了技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及一种叶绿素光谱检测仪。
背景技术
叶绿素是农作物进行光合作用的主要色素，而农作物中叶绿素的含量与光合作用以及作物氮素营养密切相关，因此叶绿素含量成为农作物生长性能的重要生化指标之一。通过对作物叶绿素含量的测量和分析，能够实时掌握作物的生长发育状态，对作物进行营养诊断，为品种选育和合理施肥提供科学依据，可以有效地提高作物的产量。
由于光学光谱方法具有快速和无损检测的优点，目前反射光谱和荧光光谱被广泛用于叶绿素含量的检测，光学光谱方法可以快速、准确、无损地检测农作物叶片叶绿素含量及其分布情况，在农业物长势检测与估产、营养诊断与施肥等应用中有非常重要的意义。
叶绿素主要包括叶绿素a和叶绿素b，反射光谱的测量主要是基于叶绿素a和b在600-700纳米之间的特定吸收峰，其中叶绿素a的最大吸收峰位于665纳米，叶绿素b的最大吸收峰位于649纳米。叶绿素荧光主要是由叶绿素a产生的峰值波长为690纳米和720纳米的红光，其强度变化与光合作用密切相关。
基于这两种光谱技术已经开发出各种叶绿素检测装置，如授权公告号为CN104266970B的中国专利文献公开的一种三波长漫反射光学叶绿素检测装置，该检测装置采用反射光谱的原理，包括反射光谱光源以及相应的光学组件，光学组件包括透镜组件以及光探测器，光探测器的后方设有相应的光谱分析仪，光谱分析仪能够对光探测器接收到的光进行分析，从而收集植物叶片的漫反射光，能够对植物叶片中的叶绿素进行检测；另外，授权公告号为CN203231966U的中国专利文献公开了一种植物叶绿素荧光检测装置，该检测装置采用是荧光测量原理，包括荧光光谱光源以及相应的光学组件，同时也设有相应的光谱仪，也能够将进行叶绿素的测量。
由于其检测原理的差异，反射光谱和荧光光谱的测量需要采用不同的检测仪器，这些仪器中的光源具有很大差别。目前市场上所存在的商业化便携式叶绿素仪，可以实现农作物叶绿素的现场测量，但是现有的叶绿素仪只能检测叶绿素反射光谱和荧光光谱中的一种，不能实现两种光谱的平行检测。因此，如果要实现反射光谱和荧光光谱的平行测量，就需要更换仪器，耗时长，稳定性差，而且不利于现场实时测量。
发明内容
本发明提供一种即能够检测叶绿素的反射光谱又能够检测叶绿素的荧光光谱的叶绿素光谱检测仪。
本发明的叶绿素光谱检测仪采用如下技术方案：
叶绿素光谱检测仪，包括壳体以及设置于所述壳体中的光谱分析仪模块，所述光谱分析仪模块光学连接有接收光纤，所述壳体中设有发射光纤，所述壳体中还设有反射光谱光源和荧光光谱光源，所述反射光谱光源和荧光光谱光源均与所述发射光纤耦合且两个光源连接有切换开关。
所述发射光纤包括与所述反射光谱光源耦合的反射光谱发射光纤以及与荧光光谱光源耦合的荧光光谱发射光纤，所述反射光谱发射光纤和所述荧光光谱发射光纤一体设置。
所述接收光纤包括反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤，所述反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤一体设置且反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤靠近所述光谱分析仪模块的一端耦合成一根光纤并与所述光谱分析仪光学连接。
所述反射光谱光源和荧光光谱光源与所述发射光纤之间均设有用于聚焦的平凸透镜。
所述壳体为包括握持部和工作部的手枪形结构，所述反射光谱光源和荧光光谱光源设置在所述工作部的前端位置处，所述光谱分析仪模块包括设置在所述握持部和工作部的连接位置处的壳体中的反射式衍射光栅以及设置在所述反射式衍射光栅的反射光路上的光谱探测器、设置在光谱探测器的入射光路上的第二准直镜，所述光谱分析仪模块还包括设置在所述接收光纤与所述反射式衍射光栅之间的入射光路上的狭缝、第一准直镜和滤光片。
所述狭缝的的宽度为10微米、长度为3毫米，所述滤光片为400纳米长通滤光片，所述反射式衍射光栅的参数为600刻线数/毫米、闪耀波长500纳米、波长覆盖范围300-800纳米。
所述光谱探测器为线阵CCD探测器，波长范围为350-1100纳米，像元个数为2048。
所述反射光谱光源为卤素灯或者白色LED灯珠，所述荧光光谱光源为紫色LED灯珠。
本发明的有益效果是：本发明的叶绿素光谱检测仪通过切换开关控制反射光谱光源或者荧光光谱光源工作，从而能够发出不同的发射光，发射光通过发射光纤传输到待测样品上，然后接收光纤采集到样品上的漫反射光或者激发荧光并传输给光谱分析仪模块进行分析，从而检测到叶绿素的反射光谱和荧光光谱，该叶绿素光谱分析仪由于能够通过切换开关控制反射光谱光源和荧光光谱光源发出相应的发射光，从而能够进行叶绿素反射光谱和荧光光谱的平行检测，不必更换仪器，耗时较短，而且该叶绿素光谱检测仪通过对两种光谱的平行检测，通过两种光谱检测结果的结合能够提高检测结果的准确性，为现代农业的精准施肥提供了技术支撑。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的叶绿素光谱检测仪的具体实施例主要部件的示意图；
图2为图1的光谱分析仪模块的结构示意图；
图3为图1中的光源模块的结构示意图；
图4为反射式光纤探头的剖面示意图；
图5为数据采集和显示模块的结构示意图；
图6为各个部件在壳体中分布的结构示意图；
图中：1、壳体；2、光源模块；3、光谱仪模块；4、数据采集与显示模块；5、电源模块；21、狭缝；22、第一准直镜；23、滤光片；24、反射式衍射光栅；25、第二准直镜；26、光谱探测器；31、反射光谱光源；32、荧光光谱光源；33、平凸透镜；34、分叉光纤；35、第一发射光纤；36、第二发射光纤；37、反射式光纤探头；38、收集光纤；39、切换开关；371、第一接收光纤；372、第二接收光纤；41、A/D转换器；42、单片机；43、液晶显示屏；44、储存器；109、透镜；116、单片机；117、储存器；119、电源。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的叶绿素光谱检测仪的实施例，如图1至图6所示，叶绿素光谱检测仪，包括壳体1以及设置于壳体1中的光谱分析仪模块，光谱分析仪模块光学连接有接收光纤，壳体1中设有发射光纤，壳体1中还设有反射光谱光源31和荧光光谱光源32，反射光谱光源31和荧光光谱光源32均与发射光纤耦合且两个光源连接有切换开关39。
该叶绿素光谱分析仪的主要部件的结构如图1所示，包括壳体1，光源模块2，光谱仪模块3，数据采集与显示模块4，电源模块5。
发射光纤包括与反射光谱光源31耦合的反射光谱发射光纤以及与荧光光谱光源32耦合的荧光光谱发射光纤，反射光谱发射光纤和荧光光谱发射光纤一体设置，其中反射光谱发射光纤即为第一发射光纤35，荧光光谱发射光纤即为第二发射光纤36，不同的光对传输光纤的要求不同，采用两个发射光纤能够保证光的传输效率。
接收光纤包括反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤，反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤一体设置且反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤靠近光谱分析仪模块的一端耦合成一根光纤并与光谱分析仪光学连接。其中反射光谱接收光纤即为第一接收光纤371，荧光光谱接收光纤即为第二接收光纤372，两根光纤的后端耦合成收集光纤38。反射光谱和荧光光谱对不同规格的光纤具有不同的要求，尤其是荧光光纤，因此将采用两个接收光纤能够提高接收光的感光效果。具体地，接收光纤和发射光纤形成分叉光纤，具体为前端为四根光纤，这四根光纤两根为发射光纤、另外两根为接收光纤，后端为三根光纤，其中两根接收光纤耦合形成收集光纤，另外两根为发射光纤。光纤的末端设有反射式光纤探头37，此处的反射式光纤探头37值得是该探头是通过采集反射光的形式进行光信号的采集，其剖面如图4所示，这四根光纤的直径均为600微米芯径光纤。
壳体1为包括握持部和工作部的手枪形结构，反射光谱光源31和荧光光谱光源32设置在工作部的前端位置处，光谱分析仪模块的结构如图2所示，包括设置在握持部和工作部的连接位置处的壳体1中的反射式衍射光栅24以及设置在反射式衍射光栅24的反射光路上的光谱探测器26、设置在光谱探测器26的入射光路上的第二准直镜25，光谱分析仪模块还包括设置在接收光纤与反射式衍射光栅24之间的入射光路上的狭缝21、第一准直镜22和滤光片23。这样设置结构简单，能够充分利用壳体内部的形状，使得该检测仪体积减小，便于携带。
考虑到叶绿素的吸收峰和荧光发射峰位于600-80纳米波段，特要求此光谱仪波长可测范围400-900纳米，光谱分辨率1纳米左右。为满足要求，光谱仪模块中各个元件参数的选择如下：狭缝21的的宽度为10微米、长度为3毫米，滤光片23为400纳米长通滤光片，反射式衍射光栅24的参数为600刻线数/毫米、闪耀波长500纳米、波长覆盖范围300-800纳米。
光谱探测器26为线阵CCD探测器，波长范围为350-1100纳米，像元个数为2048。光源发出的光进入狭缝后，经第一准直镜将光束变成平行光束后，通过光栅进行分光，再由第二准直镜将光束聚焦到线阵CCD探测器，将光信号转变成电信号。
如图3光源模块，光源模块包括两个不同规格的光源，反射光谱光源31为卤素灯或者白色LED灯珠，可以产生400-900纳米波段的光，用于反射光谱测量；荧光光谱光源32为紫色LED灯珠，中心波长为385纳米，用于荧光光谱测量。反射光谱光源31和荧光光谱光源32与发射光纤之间均设有用于聚焦的平凸透镜33，保证光有效传输。
如图5为数据采集与显示模块，从CCD探测器得到的电压模拟信号，经过A/D转换器41变成数字信号，由单片机42控制光谱数据的采集与存储，通过对液晶显示屏43进行编程以正余弦曲线形式将光谱数据显示在液晶显示屏上。为了便于所采集光谱数据的后续处理，由单片机外接RAM存储器44进行光谱数据的存储。
图6为一种手持式叶绿素光谱检测仪的结构，一个手枪形的壳体1，壳体的前端将光源模块与一个分叉光纤34集成在一起，分叉光纤一端为带4根读出光纤的反射式光纤探头37，另一端分为三根，其中两根做为发射光纤，另一根做为探测光纤108。
由于反射式光纤探头结构简单，价格低廉，设计灵活，携带方便，性能稳定，抗电磁干扰能力强，抗外界环境能力强等优点，使其在农田作物叶片叶绿素检测中具有极大的优势。由光源发出的光通过透镜聚焦到发射光纤纤芯上，经过发射光纤传输到待测样品上。当用于反射光谱测量时，卤素灯或LED白光光源开启，探测光纤收集来自待测样品的漫反射光；当用于荧光光谱测量时，385纳米LED光源开启，探测光纤收集来自待测样品的激发荧光。两种光源的切换由开关控制。
探测光纤将收集的光通过透镜109聚焦到狭缝入口，经准直镜将光束变成平行光束并且经400纳米长通滤光片进行滤光处理后，通过反射式衍射光栅进行分光，再由准直镜将分光后的光束聚焦到线阵CCD探测器。CCD探测器将采集的光信号转换为电信号后，通过STM32单片机自带的A/D转换功能将模拟信号转换为数字信号，再通过单片机对外接彩色LCD液晶显示屏进行编程将数据以正余弦曲线形式在彩色液晶显示屏上显示。为了便于后续大量数据的处理和分析，采用外接单片机的RAM存储器进行数据存储。所述检测仪中单片机，线阵CCD探测器和光源由3.5V电源119进行供电。
本发明的叶绿素光谱检测仪通过切换开关控制反射光谱光源或者荧光光谱光源工作，从而能够发出不同的发射光，发射光通过发射光纤传输到待测样品上，然后接收光纤采集到样品上的漫反射光或者激发荧光并传输给光谱分析仪模块进行分析，从而检测到叶绿素的反射光谱和荧光光谱，该叶绿素光谱分析仪由于能够通过切换开关控制反射光谱光源和荧光光谱光源发出相应的发射光，从而能够进行叶绿素反射光谱和荧光光谱的平行检测，不必更换仪器，耗时较短，而且该叶绿素光谱检测仪通过对两种光谱的平行检测，通过两种光谱检测结果的结合能够提高检测结果的准确性，为现代农业的精准施肥提供了技术支撑。
在本发明的其他实施例中，发射光纤只设置一根，其靠近光源的一端设置两个分支，这两个分支分别与两个不同的光源对应设置，相应地，两根接收光纤也只设置一根，此时为由于荧光光谱对光纤规格的要求较高，可以尽量参考荧光光谱的参数设置；壳体的形状还可以设置为其他形状，比如长条状；狭缝、滤光片、反射式衍射光栅以及光谱探测器的参数都可以根据实际需要具体设置；反射光谱光源和荧光光谱光源还可以采用其他能够发光的部件。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.叶绿素光谱检测仪，包括壳体以及设置于所述壳体中的光谱分析仪模块，所述光谱分析仪模块光学连接有接收光纤，所述壳体中设有发射光纤，其特征在于：所述壳体中还设有反射光谱光源和荧光光谱光源，所述反射光谱光源和荧光光谱光源均与所述发射光纤耦合且两个光源连接有切换开关；所述反射光谱光源和荧光光谱光源与所述发射光纤之间均设有用于聚焦的平凸透镜；所述壳体为包括握持部和工作部的手枪形结构，所述反射光谱光源和荧光光谱光源设置在所述工作部的前端位置处，所述光谱分析仪模块包括设置在所述握持部和工作部的连接位置处的壳体中的反射式衍射光栅以及设置在所述反射式衍射光栅的反射光路上的光谱探测器、设置在光谱探测器的入射光路上的第二准直镜，所述光谱分析仪模块还包括设置在所述接收光纤与所述反射式衍射光栅之间的入射光路上的狭缝、第一准直镜和滤光片。
2.根据权利要求1所述的叶绿素光谱检测仪，其特征在于：所述发射光纤包括与所述反射光谱光源耦合的反射光谱发射光纤以及与荧光光谱光源耦合的荧光光谱发射光纤，所述反射光谱发射光纤和所述荧光光谱发射光纤一体设置。
3.根据权利要求2所述的叶绿素光谱检测仪，其特征在于：所述接收光纤包括反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤，所述反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤一体设置且反射光谱接收光纤和荧光光谱接收光纤靠近所述光谱分析仪模块的一端耦合成一根光纤并与所述光谱分析仪光学连接。
4.根据权利要求1所述的叶绿素光谱检测仪，其特征在于：所述狭缝的的宽度为10微米、长度为3毫米，所述滤光片为400纳米长通滤光片，所述反射式衍射光栅的参数为600刻线数/毫米、闪耀波长500纳米、波长覆盖范围300-800纳米。
5.根据权利要求1所述的叶绿素光谱检测仪，其特征在于：所述光谱探测器为线阵CCD探测器，波长范围为350-1100纳米，像元个数为2048。
6.根据权利要求1-3中任意一项所述的叶绿素光谱检测仪，其特征在于：所述反射光谱光源为卤素灯或者白色LED灯珠，所述荧光光谱光源为紫色LED灯珠。
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