CN1106571C - 植物叶片成分的测定装置 - Google Patents
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Abstract
成分测定装置，包括：向叶片(16)照射近红外线的光源(2)；接收叶片透射光的光强检测器(11)；控制器(25)，按透射光强计算叶片吸光度并按百分成分测定方程计算叶片百分成分。光源包括：与一漫反射板(5)成预定角的发光元件(3、4)；遮蔽发光元件直射光的反射光路，引导漫反射板反射的光；设在照射侧(9)的漫透射板(10)，使反射光均匀照射叶片。由于省去积分球的球面加工，故制造费用低，且装置内光强变化不比积分球内光强变化大。
Description
技术领域
本发明涉及一种可携带式成分测定装置，特别是涉及一种测量与植物生长有关的植物叶片成分的测定装置。
背景技术
一般说来，含氮量可通过一些方法由叶绿素成分推定，这些方法通过将叶片颜色与标准颜色进行比色来推定含氮量，或通过计算叶片反射光中的红光和红外线的光强来测定叶片中的叶绿素成分，以便根据推定的含氮量和植物生长周期判断施肥额定值。特别是，对于水稻作物，由推定的含氮量判断施肥时间和额定值对于保证水稻作物不遭到倒伏并获得最好收成很重要。
应用该方法将叶片颜色与标准颜色比较时，不仅需要经验，而且由于叶片颜色在不同天气条件下或不同位置和方向的太阳光下在人眼看来是不同的，对于不同的观察，即对于部分观察或整体观察，以及不同观察角度也是不同的，因此会产生不正确的判断结果。然而由于现有技术简单，并且标准颜色便宜，确实使用得很普遍。
现在已经出现代替标准颜色的叶绿素测定装置。典型的叶绿素计其测量原理由图1给出，要测量的叶片50受光源51发出的光的辐射，测量透过叶片的光，其中通过一个分光镜52获得红光区透射光强(由光接收二极管53接收)的测量结果和红外光区的透射光强(由光接收二极管54接收)测量结果，红光区透射光强受叶绿素成分影响，红外光区的透射光强不受叶绿素成分影响，通过计算光强的差，不破坏叶片即可判定每单位面积叶绿素浓度。但是实际上，估算含氮浓度是以叶绿素浓度和氮浓度成比例关系为根据的，且利用该估算值可确定作物的施肥额定值。
本发明的发明者已在日本特开专利公告NO.Hei8-15141公开一种百分成分测定装置，用一种简单方式测定作物叶片的含氮量。下面参照图2给予说明，如图2所示，测量部件60是用于作物叶片的百分成分测量装置的主要组件，其中用于发射具有设定波长的近红外线并射向要测量的叶片61的一发光器62包括一近红外线发射器63和一窄带滤色器64，红外线发射器63由一发光二极管(LED)构成，窄带滤色器64只透过预定波长的近红外线。叶片夹持件66A和66B将叶片61扁平地夹持在它们之间，这样近红外线可均匀射在叶片61表面，叶片61两面设有用于测定透过光和由叶片61表面反射的光线的测量窗65A和65B。叶片夹持件66B的测量窗65B和发光件62通过一积分球体67相连，即发光件62固定在球体67上，使光线在球体67内照射并发散，球体67上有一开口68和一开口70，开口68与测量窗65B相连通，开口70上固定一由硅光电二极管构成的反射光接收器69上。
如上述构成的用于叶片成分的百分成分测定装置在使用时，由发光器62辐射近红外线在积分球体67中发散，然后由反射光接收器69接收。此外，近红外线照射在叶片61上，穿过叶片61后的透射光由透射光接收器71接收，由硅光电二极管构成的透射光接收器71固定在叶片夹持件66的测量窗65A一边。
使用上述构造的积分球体时，其优点是能提高光源的光强，这样可以使用于测量的波长的数目增加，以保证测量精度，使所有波长的光都照射在叶片上而与发光位置无关。然而，为了制造积分球体67，其内部需进行球状加工，对其球面进行抛光处理，然后进行镀金，从而导致制造成本很高。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术存在的问题，而提供一种改进的成分测定装置，其中与积分球体相比，可省去在制造积分球体时所要求的机加工。并且其光源发出的光的强度与积分球体内的光强相比变化不大，光强大小达到的程度不会对测量精度有不利影响。
根据本发明，提供了一种作物叶片成分测定装置，该装置具有一个向待测量样品叶片照射具有预定波长近红外线的光源部件，一个至少接收从样品叶片透射的光的光强检测器件，以及一个运算器，该运算器根据由照射在百分成分已知的参比物上的近红外线获得的吸光度来确定百分成分计算方程，并根据该计算方程和样品叶片吸光度来计算样品叶片某一特定百分成分，该光源部件包括：
一个漫反射板；
一些发光元件，每个发光元件的光轴与漫反射板成预定倾角指向漫反射板；
一个用于引导来自漫反射板的反射光的反射光路，以便将来自若干个发光元件的直射光遮蔽，该反射光路与处于漫反射板实际中心的漫反射板表面垂直；
一个漫透射板，该漫透射板处于反射光路的照射侧，用于产生均匀照射在样品叶片上的反射光；以及
一个光控制器，该控制器用于恰当地控制若干发光元件；
若干发光元件通常采用具有不同特定波长的发光二极管元件，与发光元件相结合的若干窄带滤光器使光线具有较窄波长，发光元件还可由一卤素灯和一窄带滤光器的组合件代替。漫反射板的结构是：在一不透光板上涂敷一层无光泽的漆，该漆最好是具有高耐老化性能的涂料(例如产品名称：Flon涂料(含氟树脂漆)、产品名称：Polyzine(聚酯树脂涂)，这两种树脂漆由日本的KAWKAMIPINT MFG有限公司制造的)，这样，光可进行漫反射而不会衰减或被吸收。漫反射板也可通过将镜面加工成能使光漫射的毛玻璃面来实现。此外，当反射光路上覆盖一层例如无光泽Flon涂料等漫反射涂层材料时，会产生更明显效果，而且如果漫透射板由乳白色玻璃构成则效果更显著，它可以使光在漫散同时进行透射，并且使漫透射板表面具有均匀亮度。漫透射板的作用在于：使入射在漫透射板上的光不会反射到漫反射板一侧，而且任何由于漫透射板引起的透射损失会降至最小。
本发明的上述和其它目的、特性和优点通过参照下述附图对本发明的最佳实施例进行说明会更为显而易见。
附图说明
图1是典型传统叶绿素计的剖视图；
图2是传统百分成分测定装置的光测量部件的剖视图；
图3是本发明的成分测定装置的主要组件的部分剖视图；
图4是本发明使用状态的装置侧视图；
图5是本发明成分测定装置的主要组件剖视图；
图6是本发明装置中信号处理过程方框图；
图7(1)，7(2)和7(3)是本发明装置测定样品叶片的测量结果曲线图；以及
图8是本发明装置一实施例的部分剖示图。
下面参照图5对本发明最佳实施例进行说明。最佳实施例涉及一种成分测定装置，在该装置中，向植物叶片上照射预定波长的近红外线后通过接收叶片透射的光和反射光来确定吸光度，再根据预先设定的成分计算方程和上述吸光度计算叶片中的特定成分例如含氮量。
成分测定装置1的光源部件2内有两个发光二极管3和4以及一漫反射板5。光源部件2包括一块体6，它使发光二极管3和4定位于一确定位置，保证两发光二极管发出的光以相对漫反射板5一预定角度入射。块体6的顶部有一锥状开口7，开口7上有漫反射板5，其反射面朝向下方。
在块体6内，在漫反射板5的中心部的垂直方向上，即锥状开口7的中心部有一反射光路8，它遮蔽了由发光二极管3和4直射来的光，并引导由漫反射板5反射的光。在反射光路8的照射侧9，即块体6的下部有一漫透射板10，它使反射光均匀。
在漫反射板5的相对位置有一光强检测器11，它包括一个接收由漫透射板10透射的光的光接元件。待测量的叶片通常夹在漫透射板10和光强检测器11之间。在该实施例中，叶片16被夹在当中，透过叶片的光由光强检测器11检测。
由于该装置具有上述构造，则由发光二极管3和4发射的光照射在漫反射板5上，由漫射板进行无规则反射，并且是在漫反射板5和块体6的圆锥状壁之间无规则反射。获得的无规则反射状态近似于一个由积分球体获得理想状态，并且由于漫反射板5反射的光具有光源的光强而与发光二极管3和4和位置无关。由漫反射板5反射的光无规则反射向锥状开口7的中心。由反射光路8引向光照射侧9，并入射在漫透射板10上，然后以均匀光线照射叶片16。
在上述装置内，由发光二极管3和4发射的光不直接照射叶片，而是在漫反射板5和锥状开口7之间进行无规则反射，从而使发射光获得充分的漫反射，使论发光二极管3和4在任何位置上。由漫反射板5反射的光的强度在反射面的任何位置都基本均匀。此外，根据本发明，由于光由反射光路8引导，并且由位于光照射侧9的漫透射板10再次漫射，使射在漫透射板10的透射表面的光线能均匀射入透射面。即保证漫透射板的透射面内的光强均匀照射叶片，这样就解决了照射叶片10光强变化会引起测量值改变的问题。
而且，由于不透光漆涂层在漫反射板5上和反射光路8内，以及反射光在相应表面进行不规则反射，形成漫射光。这样，消除了发光二极管3和4的位置对光强度化的影响，这是极有价值效果。此外，漫透射板10由乳白色玻璃构成。透射光在漫透射板10内进行漫射，即使光线有些倾斜入射，由漫透射板10于漫透射板10的照射面射出的光强也是均匀的，这也是极有价值的效果。
在上述接收叶片透射光实施例中，如图8所示，还可设置一个反射光强检测器90，用来接收由叶片反射的光，该检测器设在带开口94的漫反射板5的背面，从而能更精确地测量叶片的吸光度。
现在参照图3至6对本发明最佳实施例作详细说明。图3和5都是便携式成分测定装置主要部件的部分剖视图。在图3和4给出了测定装置1，在其上部设有光源部件2，在其下部设有作为光强检测器11的光电二极管(未示出)。光源部件2由作为发光元件的发光二极管(LEDS)3和4构成，这些发光二极管在同一圆周上具有不同的特征波长的强度峰值。发光二极管3和4装有分别具有不同带通波长的窄带滤光器14和15。该带通波长在600nm至1100nm范围内，与待测定成分相关的窄带滤光器14，15的预先确定的特征波长的窄带滤光器14和15从这个波长带选择。来自每个LED3和4的光通过窄带滤光器14和15变成具有一个特征波长的光，然后入射到反射光的漫反射板5上，由于漫反射板5的块体6的结构能使来自每个LED的光以大致相同或恒定的入射角入射到漫反射板5上。
由漫反射板5反射的光进入处于块体6中心的反射光路8，并且射在处于反射光路8的光照射侧9的漫透射板10上。漫透射板10与反射光路8的光轴垂直，它由圆形的毛面玻璃或乳色的玻璃构成。漫透射板10可以是形成在光照射侧9一侧或有叶片16那侧上的毛玻璃表面或者在两侧上形成的毛玻璃表面。块体6中的开口7和反射光路8由硬铝或由表面进行磨毛处理的铝构成。但是，当采用上述具有耐风化的不透光漆层时能获得同样效果，而且成本较低。
当在由开口7和反射光路8以及漫反射板5形成的空间中进行重复反射和漫反射时，光由反射光路8中射出，透过漫透射板10的光穿过叶片16射在光强检测器11上。数字32表示可放置样品叶片16使其处于光强检测器11和漫透射板10之间的环状隔片32。
此外，在测定装置1的上部设有上盖13，由上盖13伸出的臂17通过轴18被旋转地支撑，一螺旋弹簧9装在轴18上，可使上盖13迅速打开。如图4所示，当叶片16插入测量装置，按下上盖13，测量工作就准备就绪。当按下上盖13时，处于上盖13下面的按压突起20(如图5所示)压下其对面的微型开关。因此按下上盖13后可进行测量，这是测量操作(照射光的检测和光强的测量)进行的定时。环状弹性盖12(如图5)围绕漫透射板10设置，盖12的作用在于，当上盖13按下时，便保持住样品叶片16，并遮住由外界射入的光。
接下来，参照图6的方框图，对成分测定装置进行说明，由光源部件2和光强检测器11构成的测量组件检测透过样品叶片16后的光强，该光强由光强检测器11转换成一模拟信号并传给模以板22。LED3和4与光控器23相连，模拟板22即可将模拟信号转换成数字信号(A/D转换)，也可将伏特数转换成频(V/F转换)。转换后的信号通过I/O板24传给CPU板25，该CPU板25的作用是通过I/O板完成操作控制器功能。I/O板24接有显示测量结果、操纵结果和操纵指令的液晶显示器26、输入初始数据或改变操作指令的键盘27、由外设输入数据或将数据输出给外设的RS232C接口28和各种开关。电源控制板29作为电源与CPU板25和I/O板24相连接。打印机31通过打印机I/F板30与CPU板相连。
下面说明上述成分测定装置1的工作过程。首先，将制备的百分成分已知的标准或参考样品80放入成分测定装置1中进行测量，CPU板25根据标准样品的实际百分成分和向其辐射近红外线时标准试样的吸光度来确定百分成分测定方程，并且将该方程存储在有储存功能的CPU板中。
当插入样品叶片16且压下上盖13时，从成分测定装置1中取出标准样品，接通开关21，CPU板25通过光控器23将发光信号传给光源部件2，光源部件2中的LED3和4就向叶片照射光。由LED3和4发射的光通过窄带滤波器14和15作用后而具有近红外线区域内的特征波长，该光从漫透射板10射入光强检测器11，使射在样品叶片16上的光其均匀程度与从积分球体上射出的光的均匀程度相同。
光照射在样品叶片16上后，经透射和反射的光由光强检测器11接收，所接收的信号加到模拟板22上以进行A/D转换。由模拟板22对该接收信号进行A/D转换后，通过I/O板24输给具有操作控制器功能的CPU板25，由CPU板25根据由叶片16透射的光和反射的光计算透光度和吸光度。
计算好叶片16的吸光度后，根据已存储的百分成分测定方程换算吸光值，最后计算出操作者要测定的百分含量。
在CPU板25内可提供光源发光程序，根据该程序使LED3和4以预定时间间隔重复发光，使具有不同特征波长峰值的LED3和4发光，根据波长对波长测得叶片16透射的光强，通过该方法测定叶片16透射的光强，其测量精度可以提高，而且叶片16的吸光度测量精度也可提高。
图7(1)、7(2)和7(3)是使用上述百分成分测定装置进行多次测量时样品叶片6测定值变化情况的曲线。图7(1)是当发射光波长为900nm时获得的数值，图7(2)是波长为600nm时获得的值，图7(3)是波长为800nm时获得的值。同一叶片的相同点测量6次，并且每次测量时，为使装置夹住叶片要重复插入叶片。结果显示测量值几乎没有变化，且该测量值与使用积分球体获得的值一样保持恒定。当照射面上照射光不均匀时，即当照射面上的光强不象使用积分球体时那么均匀时，则即使每一次测量时重复插入的叶片上相同的点其测量值也不相同，即测量值发生了变化。
本发明装置中吸光度的测量不限于对叶片透射光的测量。如图8所示，除测量透射光外，还可以测量反射光，这样可提高吸光度测量精度。特别是，反射光接收器90设置在上面有开口94的漫反射板5的背面，开口94基本位于漫反射板5的中心位置。开口94对着反射光路8的一侧有一遮光件92，它阻止由发光二极管3和4发出的光直接射入反射光接收器90。不用说，反射光接收器90的检测信号传给如图6所示的模拟板22，正如由透射光检测器11的检测信号传给模拟板22。
在上述本发明的百分成分测定装置中，当光射向漫射板时，由漫反射板和开口进行漫反射而失去定向性，且该漫反射光射入反射光路，经再次或再多次反射和漫射后到达漫透射板。此外，在漫透射板，光由漫反射面内再次漫射并照射在样品叶片上，因此，有可能使光以同样均匀度照射在样品叶片上而不降低光源光强。而且，与采用球体的情况相比，由于本发明省去球体的机械加工，因此本发明降低了制造费用。
而且，采用多个发光二极管是使这些发光二极管的光以同一角度照射在漫反射板上，采用多个发光二极管是为保证测量精度，具有不同波长的发光二极管到漫射板的距离均相同，这使同一样品叶片能受到所有发光二极管均匀照射。
上面根据最佳实施例对本发明进行了描述。应理解上述使用的词是描述性的词，本发明不应受其限制，本发明的实际范围是由权利要求书限定的，并且可以在从属权利要求范围内进行变化。
Claims (6)
1.一种用于植物叶片的成分测定装置(1)，包括一个向待测量样品叶片照射预定波长近红外线的光源部件(2)，一个至少接收从所述样品叶片透射的光的光强检测器；以及一个运算器，该运算器根据向百分成分已知的参比物(80)辐射近红外光而获得的吸光度来确定百分成分计算方程，并根据所述成分计算方程和所述样品叶片的吸光度计算样品叶片的特定成分，所述光源部件(2)包括：
一个漫反射板(5)；
多个个发光元件(3，4)，每个发光元件的光轴与所述漫反射板(5)成一预定角度指向漫反射板(5)；
一个反射光路(8)，该光路引导由所述漫反射板(5)来的反射光并遮住由多个发光元件直接射来的光，所述反射光路安排在所述漫反射板(5)表面中心区域的垂直方向上；
一个处于所述反射光路(8)的照射侧(9)的漫透射板(10)，它使反射光均匀照射所述样品叶片，以及
一个用于适当地控制所述发光元件的光控制器(23)。
2.如权利要求1所述的用于植物叶片的成分测定装置，其中所述漫反射板(5)和所述反射光路(8)的表面都涂有无光泽漆。
3.如权利要求1所述的用于植物叶片的成分测定装置，其中所述漫透射板(10)为乳白色玻璃板。
4.如权利要求1所述的用于植物叶片的成分测定装置，其中所述漫透射板(10)至少一侧为毛玻璃表面。
5.如权利要求1所述的用于植物叶片的成分测定装置，其中所述样品叶片的特定成分为氮。
6.如权利要求1所述的用于植物叶片的成分测定装置，还包括用于接收所述样品叶片(16)上反射光的一个反射光强检测器(90)，所述反射光强检测器设置在所述漫反射板(5)的背面中心，并且与所述反射光路(8)相对。
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