CN109406588A - 基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法与仪表 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法与仪表，该方法包括：按照BP算法建立BP神经网络模型，针对BP神经网络的缺点采用五种方法改进；检测不同浓度标准样本溶液的硝酸根电极和氯电极响应电势；根据硝酸根电极和氯电极在标准样本溶液中的响应电势，训练BP神经网络模型即检测模型；检测所述待检测土壤浸提液的硝酸根电极和氯电极的响应电势；将检测结果输入到训练好的检测模型中经过模型计算得到硝酸根离子浓度；根据公式将硝酸根离子浓度转换成硝态氮含量。本发明所建立的检测模型考虑了氯离子对硝酸根电极的干扰影响，且改进后的BP神经网络模型速度快、精度高，因此相对于传统检测方法，可以大大提高土壤硝态氮检测的准确度。

Description

基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法与仪表

技术领域

本发明涉及土壤检测技术领域，尤其是涉及一种基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法与仪表。

背景技术

氮肥是我国用量最多的肥料，然而氮肥利用率过低，这样不仅造成了资源浪费，还造成了环境污染问题。硝态氮属于速效氮，容易被作物吸收，土壤中的硝态氮含量能反映土壤对作物的供氮能力，所以土壤硝态氮含量的检测对科学指导施用氮肥有重要意义。离子选择性电极是一种能对溶液中目标离子产生特异性电位响应的电化学传感器。离子选择性电极法操作简单、检测速度快、成本低，是一种常用的检测土壤硝态氮的方法。然而土壤成分复杂，用离子选择性电极检测土壤硝态氮含量时存在干扰离子的影响。传统的电极法检测土壤硝态氮含量的方法大多局限于单个影响因素的定性分析，检测模型常忽略干扰离子的影响，无法消除干扰离子(主要为氯离子)引入的测定误差。

发明内容

针对以上缺陷，本发明提供一种基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法与仪表，可以考虑到共存离子氯离子对硝酸根离子电极的影响，提高检测的准确度。

第一方面，本发明提供的基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法包括：

按照BP算法建立BP神经网络模型，针对BP神经网络的收敛速度慢和易陷入局部极小值的缺点采用五种方法改进；

检测不同浓度标准样本溶液的硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势；

根据硝酸根电极和氯电极在各个浓度标准样本溶液中的响应电势以及对应的硝酸根离子浓度，训练BP神经网络模型即检测模型；

用硝酸根电极和氯电极检测土壤浸提液，得到对应的硝酸根电极和氯电极的响应电势；

将检测结果输入到训练好的检测模型中经过模型计算得到硝酸根离子浓度，所述检测结果为硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势；

根据转换公式将所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度转换成土壤的硝态氮含量。

可选的，所述针对BP神经网络的收敛速度慢和易陷入局部极小值的缺点采用五种方法改进，包括：自适应调节学习率、自适应调节误差信号、调整激励函数的参数、附加动量法、改变归一化区间。

可选的，所述不同浓度标准样本溶液为不同已知浓度的硝酸钠溶液和不同已知浓度的氯化钠溶液的混合溶液。

可选的，所述根据硝酸根电极和氯电极在各个浓度标准样本溶液中的响应电势以及对应的硝酸根离子浓度，训练BP神经网络模型即检测模型，所述检测模型的输入为硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势，输出为硝酸根离子浓度。

可选的，所述将所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度转换成土壤的硝态氮含量的所述转换公式为：

其中，为土壤硝态氮含量，为土壤浸提液中的硝酸根离子浓度。

第二方面，本发明提供的基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测仪表包括电源模块、硝酸根电极、氯电极、数据采集处理器和显示模块，其中：

所述电源模块，与所述数据采集处理器和所述显示模块连接，用于为所述数据采集处理器和所述显示模块提供电源；

所述硝酸根电极，用于在检测样本溶液和土壤浸提液时产生表征硝酸根离子浓度的响应电势；

所述氯电极，用于在检测所述样本溶液和所述土壤浸提液时产生表征氯离子浓度的响应电势；

所述数据采集处理器，用于采集所述硝酸根电极的响应电势和所述氯电极的响应电势，并按照以上所述检测模型，计算所述土壤浸提液的硝酸根离子浓度，并根据所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度，按照以上所述转换公式计算所述检测土壤的硝态氮含量；

所述显示模块，用于显示所述硝酸根电极的响应电势、所述氯电极的响应电势、所述土壤浸提液的硝酸根离子浓度和所述土壤的硝态氮含量。

可选的，所述数据采集处理器包括信号调理模块、模数转换模块、数据处理模块、通信模块、存储模块和输入模块，其中：

所述信号调理模块，分为阻抗变换模块和滤波放大模块，其中：所述阻抗变换模块用于对所述硝酸根电极的响应电势和氯电极的响应电势进行阻抗变换，所述滤波放大模块连接阻抗变换模块的输出，用于对所述阻抗变换模块的输出信号进行滤波和放大处理；

所述模数转换模块，与所述滤波放大模块的输出连接，用于将所述滤波放大模块输出的模拟信号转换成数字信号；

所述数据处理模块，与所述模数转换模块的输出连接，用于将转换成数字信号的硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势进行处理；

所述通信模块，分为串口和网口，与所述数据处理模块连接，用于将所述数据处理模块处理后的数据上传到上位机中；

所述存储模块，与所述数据处理模块连接，用于将处理后的数据存储；

所述输入模块，与所述数据处理模块连接，用于输入控制所述数据处理模块进行数据处理的控制指令。

根据以上技术方案，本发明提供的基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法与仪表中，采用建立检测模型的方式进行检测，而该检测模型基于改进的BP神经网络建立，其输入为硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势，输出为硝酸根离子浓度，然后根据转换公式可将硝酸根离子浓度转换成土壤硝态氮含量，可见本发明所建立的检测模型考虑了氯离子对硝酸根电极的干扰影响，且改进后的BP神经网络模型速度快、精度高，因此相对于传统检测方法，可以大大提高土壤硝态氮检测的准确度。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征信息和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了根据本发明基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法一实施例的流程示意图；

图2示出了根据本发明基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测仪表一实施例的结构框图。

具体实施方式

为了更清楚地描述本发明的技术方案，以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

本发明提供一种基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法，如图1所示，该方法包括：

S1、按照BP算法建立BP神经网络模型，针对BP神经网络的收敛速度慢和易陷入局部极小值的缺点采用五种方法改进，改进方法包括：自适应调节学习率、自适应调节误差信号、调整激励函数的参数、附加动量法、改变归一化区间；

S2、检测不同浓度标准样本溶液的硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势，其中不同浓度标准样本溶液为不同已知浓度的硝酸钠溶液和不同已知浓度的氯化钠溶液的混合溶液；

S3、根据硝酸根电极和氯电极在各个浓度标准样本溶液中的响应电势以及对应的硝酸根离子浓度，训练BP神经网络模型即检测模型，该模型的输入为硝酸根电极读数和氯电极读数，输出为硝酸根离子浓度；

S4、用硝酸根电极和氯电极检测土壤浸提液，得到对应的硝酸根电极和氯电极的响应电势；

S5、将检测结果输入到训练好的检测模型中经过模型计算得到硝酸根离子浓度，所述检测结果为硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势；

S6、根据转换公式将所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度转换成土壤的硝态氮含量，其中的转换公式为：

其中，为土壤硝态氮含量，为土壤浸提液中的硝酸根离子浓度。

本发明还提供一种基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测仪表，如图2所示，该仪表包括电源模块、硝酸根电极、氯电极、数据采集处理器和显示模块，其中：

所述电源模块，与所述数据采集处理器和所述显示模块连接，用于为所述数据采集处理器和所述显示模块提供电源；

所述硝酸根电极，用于在检测样本溶液和土壤浸提液时产生表征硝酸根离子浓度的响应电势；

所述氯电极，用于在检测所述样本溶液和所述土壤浸提液时产生表征氯离子浓度的响应电势；

所述数据采集处理器，用于采集所述硝酸根电极的响应电势和所述氯电极的响应电势，并按照以上所述检测模型，计算所述土壤浸提液的硝酸根离子浓度，并根据所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度，按照以上所述转换公式计算所述检测土壤的硝态氮含量；

所述显示模块，用于显示所述硝酸根电极的响应电势、所述氯电极的响应电势、所述土壤浸提液的硝酸根离子浓度和所述土壤的硝态氮含量。

在具体实施中，如图2所示，所述数据采集处理器包括信号调理模块、模数转换模块、数据处理模块、通信模块、存储模块和输入模块，其中：

所述信号调理模块，分为阻抗变换模块和滤波放大模块，其中：所述阻抗变换模块用于对所述硝酸根电极的响应电势和氯电极的响应电势进行阻抗变换，所述滤波放大模块连接阻抗变换模块的输出，用于对所述阻抗变换模块的输出信号进行滤波和放大处理；

所述模数转换模块，与所述滤波放大模块的输出连接，用于将所述滤波放大模块输出的模拟信号转换成数字信号；

所述数据处理模块，与所述模数转换模块的输出连接，用于将转换成数字信号的硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势进行处理，例如S3C6410微处理器；

所述通信模块，分为串口和网口，与所述数据处理模块连接，用于将所述数据处理模块处理后的数据上传到上位机中；

所述存储模块，与所述数据处理模块连接，用于将处理后的数据存储，例如U盘；

所述输入模块，与所述数据处理模块连接，用于输入控制所述数据处理模块进行数据处理的控制指令。

Claims (7)

1.一种基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测方法，其特征在于，包括：

按照BP算法建立BP神经网络模型，针对BP神经网络的收敛速度慢和易陷入局部极小值的缺点采用五种方法改进；

检测不同浓度标准样本溶液的硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势；

根据硝酸根电极和氯电极在各个浓度标准样本溶液中的响应电势以及对应的硝酸根离子浓度，训练BP神经网络模型即检测模型；

用硝酸根电极和氯电极检测土壤浸提液，得到对应的硝酸根电极和氯电极的响应电势；

将检测结果输入到训练好的检测模型中经过模型计算得到硝酸根离子浓度，所述检测结果为硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势；

根据转换公式将所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度转换成土壤的硝态氮含量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述针对BP神经网络的收敛速度慢和易陷入局部极小值的缺点采用五种方法改进，包括：自适应调节学习率、自适应调节误差信号、调整激励函数的参数、附加动量法、改变归一化区间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述不同浓度标准样本溶液为不同已知浓度的硝酸钠溶液和不同已知浓度的氯化钠溶液的混合溶液。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据硝酸根电极和氯电极在各个浓度标准样本溶液中的响应电势以及对应的硝酸根离子浓度，训练BP神经网络模型即检测模型，所述检测模型的输入为硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势，输出为硝酸根离子浓度。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度转换成土壤的硝态氮含量的所述转换公式为：

其中，为土壤硝态氮含量，为土壤浸提液中的硝酸根离子浓度。

6.一种基于离子选择性电极的土壤硝态氮多参数检测仪表，其特征在于，包括电源模块、硝酸根电极、氯电极、数据采集处理器和显示模块，其中：

所述电源模块，与所述数据采集处理器和所述显示模块连接，用于为所述数据采集处理器和所述显示模块提供电源；

所述硝酸根电极，用于在检测样本溶液和土壤浸提液时产生表征硝酸根离子浓度的响应电势；

所述氯电极，用于在检测所述样本溶液和所述土壤浸提液时产生表征氯离子浓度的响应电势；

所述数据采集处理器，用于采集所述硝酸根电极的响应电势和所述氯电极的响应电势，并按照权利要求1中所述的检测模型，计算所述土壤浸提液的硝酸根离子浓度，并根据所述土壤浸提液中的硝酸根离子浓度，按照权利要求1中所述的转换公式计算所述检测土壤的硝态氮含量；

所述显示模块，用于显示所述硝酸根电极的响应电势、所述氯电极的响应电势、所述土壤浸提液的硝酸根离子浓度和所述土壤的硝态氮含量。

7.根据权利要求6中所述的检测仪表，其特征在于，所述数据采集处理器包括信号调理模块、模数转换模块、数据处理模块、通信模块、存储模块和输入模块，其中：

所述信号调理模块，分为阻抗变换模块和滤波放大模块，其中：所述阻抗变换模块用于对所述硝酸根电极的响应电势和氯电极的响应电势进行阻抗变换，所述滤波放大模块连接阻抗变换模块的输出，用于对所述阻抗变换模块的输出信号进行滤波和放大处理；

所述模数转换模块，与所述滤波放大模块的输出连接，用于将所述滤波放大模块输出的模拟信号转换成数字信号；

所述数据处理模块，与所述模数转换模块的输出连接，用于将转换成数字信号的硝酸根电极响应电势和氯电极响应电势进行处理；

所述通信模块，分为串口和网口，与所述数据处理模块连接，用于将所述数据处理模块处理后的数据上传到上位机中；

所述存储模块，与所述数据处理模块连接，用于将处理后的数据存储；

所述输入模块，与所述数据处理模块连接，用于输入控制所述数据处理模块进行数据处理的控制指令。