CN113720792B - 一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，包括手柄、测试机构和切换机构；手柄的底部滑动连接有扳机，扳机侧面固接有弹簧的一端，手柄侧面固接有弹簧的另一端，测试机构设置在手柄的顶部，切换机构设置在扳机的顶部；测试机构包括底盒，底盒的顶部固接有嵌入式系统支架，底盒内腔设置有电路板，底盒内腔顶部设置有锂电池，锂电池与电路板电性连接，电路板上设置有光电感应组件，电路板的一端设置有光纤聚焦镜耦合器，电路板的另一端电性连接有光谱组件，光纤聚焦镜耦合器与光谱组件电性连接，光谱组件与切换机构位于同一平面上，电路板的顶部电性连接PC端。
Description
技术领域
本发明涉及分析仪器领域，特别是涉及一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置。
背景技术
传统的叶片成分检测一般采用有损的物理和化学分析方法，虽然检测精度高，但具有破坏性，且监测周期长，无法实时在线检测。近年来近红外光谱技术以其快速、高效、绿色、无污染等特点广泛用于农业、工业、食品等领域。近红外(NIR)光谱区是介于可见(VIS)和中红外(MIR)区之间的电磁波，根据美国实验和材料协会规定，其波长范围为800～2500nm。近红外光谱为分子振动光谱的倍频和组合频谱带，主要指含氢基团C-H，O-H，N-H，S-H的吸收，包含了绝大多数类型有机物组成和分子结构的丰富信息。朗伯-比尔吸收定律是近红外光谱分析的理论基础：样品光谱特征随其组成成分和内在结构变换而变化。由于不同基团或同一基团在不同化学环境中吸收波长有明显差别，因此可以作为获取有机化合物组成或性质信息的有效载体。对某些无近红外光谱吸收的物质(如某些无机化合物)，也能够通过其对共存的本体物质的影响引起的光谱变化，间接的反应其信息。建立基于近红外光谱的作物成分含量的反演模型，并将模型使用在检测设备中，为实现大面积种植作物及时的长势监测和农产品研制提供了一种快速使用的方法。
现有技术为采用两波长一测量一参比的方式，利用叶绿素、氮素、水分在某一波长处光谱无吸收(或无反射)，另一波长处光谱吸收(或反射)强的特性，通过线性建模反演某一种含量的值，折合为三元一次方程：
Y含量＝M1*X1+M2*X2+M3。
其中M1、M2、M3为回归建模后的固定系数(常量)，X1为无吸收或无反射的波长下的相对吸收或反射光谱值，X2为吸收或反射较强的波长下的相对吸收或反射光谱值。
如图9所示为油麦菜反射光谱曲线，一测量一参比：测量出的变化斜率最高，选择750nm作为测量波长，参比处的变化斜率趋近于0，选择830nm作为参比波长。
仪器中装载有2个单一特征波长的近红外LED发光源、滤光片、光电传感器及单片机等，通过在单片机中植入上述公式。
现有技术的缺陷在于：由于同一种植物叶片的氮素、水分、叶绿素等不同的化学含量的特征波长不一致，不同植物种类的特征波长也不一定相同，用两个发出特定波长的LED灯反演不同含量模型精度会缺失，如果用现有仪器与有损物理化学方法同时测出的成分含量对比，一般用R2(相关系数)来表达仪器的精度，R2越趋近于1表示精度越高，现有的仪器的相关性在0.75左右，相关性有提升的空间；实验室通常采取暗箱、镜头、钨灯/氙灯(能发出连续波长的近红外光)和光谱仪(能够测量连续波长的光谱)用以采集多点波长下的反射/吸收值，通过电脑进行多点特征波长的建模、计算成分含量。经过多资料表明，该种方式相关性能达到0.85以上，但是很难搬运到现场进行在线检测，并且测试流程复杂。
因此，亟需一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置来解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，以解决现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，包括一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，包括手柄、测试机构和切换机构；所述手柄设置为手枪状结构，所述手柄的底部滑动连接有扳机，所述扳机侧面固接有弹簧的一端，所述手柄侧面固接有弹簧的另一端所述测试机构设置在所述手柄的顶部，所述切换机构设置在所述扳机的顶部；
所述测试机构包括底盒，所述底盒的顶部固接有嵌入式系统支架，所述底盒内腔设置有电路板，所述底盒内腔顶部设置有锂电池，所述锂电池与所述电路板电性连接，所述电路板上设置有光电感应组件，所述电路板的一端设置有光纤聚焦镜耦合器，所述电路板的另一端电性连接有光谱组件，所述光纤聚焦镜耦合器与所述光谱组件电性连接，所述光谱组件与所述切换机构位于同一平面上，所述电路板的顶部电性连接PC端。
优选的，所述切换机构包括遮光管，所述遮光管的底面固接有支撑座，所述支撑座的底面与所述扳机的顶面固接，所述遮光管的一侧设置有转板，所述转板的顶部嵌设有标准反射白板，所述转板的底部嵌设有标准吸收黑板，所述转板侧面中部固接有阻尼轴的一端，所述阻尼轴的另一端与所述遮光管的管口处外壁顶部转动连接。
优选的，所述光谱组件包括微型漫反射探头外壳，所述微型漫反射探头外壳底面与所述手柄顶面固接，所述微型漫反射探头外壳内腔顶面固接有氙气灯，所述底盒底面设置有USB接口，所述USB接口贯穿所述底盒底面与所述电路板电性连接，所述氙气灯与所述USB接口电性连接，所述光纤聚焦镜耦合器电性连接有多模光纤的一端，所述多模光纤的另一端与所述微型漫反射探头外壳内腔连通。
优选的，所述电路板的顶部电性连接有USB光束的一端，所述USB光束的另一端贯穿所述底盒顶面伸入到所述嵌入式系统支架内。
优选的，所述光电感应组件包括光电感应器，所述光电感应器外壁两侧固接有塑料定位箍，所述塑料定位箍与所述电路板顶面固接，所述电路板顶面设置有贴片连接器，所述贴片连接器的两端分别与所述电路板和所述光电感应器电性连接，所述光纤聚焦镜耦合器与所述光电感应器电性连接。
优选的，所述微型漫反射探头外壳中心线与所述遮光管轴线重合。
优选的，所述标准反射白板和所述标准吸收黑板面积均大于所述遮光管管径。
优选的，所述底盒底面固接有支撑架，所述支撑架的底面与所述手柄顶面固接。
优选的，所述扳机的顶面固接有T型滑块，所述手柄的底面开设有与所述T型滑块相适配的T型槽，所述T型滑块与所述T型槽滑动连接。
优选的，所述底盒侧面设置有氙气灯开关，所述氙气灯开关与所述电路板电性连接。
本发明公开了以下技术效果：本发明是将实验室方法进行裁剪，将连续波长光谱测试与两波长一测量一参比方法进行结合，创造一种多点波长光谱测量，针对不同种类植物叶片、相同的种类植物叶片下不同的含量类型，选择不同的两波长进行一测量一参比，在原有的局限条件下提高了R2，并且针对连续波长反射光谱，设计出一种测试机械结构，相比于实验室繁琐的测试流程提高了测试效率。
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为本发明的结构示意图；
图2为本发明中测试机构的结构示意图；
图3为本发明中切换机构的结构示意图；
图4为本发明中底盒的结构示意图；
图5为本发明中底盒的仰视图；
图6为本发明中光电感应组件的结构示意图；
图7为本发明的系统结构图；
图8为本发明的工作流程图；
图9为油麦菜反射光谱曲线；
图10为本发明控制器的工作流程图；
其中，1、手柄；2、扳机；3、弹簧；4、底盒；5、嵌入式系统支架；6、电路板；7、锂电池；8、光纤聚焦镜耦合器；9、遮光管；10、支撑座；11、转板；12、标准反射白板；13、标准吸收黑板；14、阻尼轴；15、微型漫反射探头外壳；16、氙气灯；17、USB接口；18、多模光纤；19、USB光束；20、光电感应器；21、塑料定位箍；22、贴片连接器；23、支撑架；24、氙气灯开关。
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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1-6，本发明提供一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，包括手柄1、测试机构和切换机构；手柄1设置为手枪状结构，手柄1的底部滑动连接有扳机2，扳机2侧面固接有弹簧3的一端，手柄1侧面固接有弹簧3的另一端测试机构设置在手柄1的顶部，切换机构设置在扳机2的顶部；
测试机构包括底盒4，底盒4的顶部固接有嵌入式系统支架5，底盒4内腔设置有电路板6，底盒4内腔顶部设置有锂电池7，锂电池7与电路板6电性连接，电路板6上设置有光电感应组件，电路板6的一端设置有光纤聚焦镜耦合器8，电路板6的另一端电性连接有光谱组件，光纤聚焦镜耦合器8与光谱组件电性连接，光谱组件与切换机构位于同一平面上，电路板6的顶部电性连接PC端。
本发明是将实验室方法进行裁剪，将连续波长光谱测试与两波长一测量一参比方法进行结合，创造一种多点波长光谱测量，针对不同种类植物叶片、相同的种类植物叶片下不同的含量类型，选择不同的两波长进行一测量一参比，在原有的局限条件下提高了R2，并且针对连续波长反射光谱，设计出一种测试机械结构，相比于实验室繁琐的测试流程提高了测试效率。和现有技术相比，该发明既保持了原有传统单含量测试仪器的小型化结构，在其基础上增添了多样化含量的测试，提取多点波长下的光谱，提高了测试精度。将多个预演模型公式植入到装置中，根据不同植物不同含量灵活选择不同的波长进行模型的运算。既增加了测试种类的多样性，又提高了测试的精度。
本发明的具体实施过程为，在嵌入式系统支架5安装控制器，控制器与PC端电性连接，控制器与电路板6电性连接，通过PC端将波长模型植入到控制器中，经过研制阶段后，将待测叶片放置在遮光管9内，开启氙气灯16提供光源，通过转动转板11转换白板和黑板进行暗光谱、全反射和反射光谱的切换测试，多模光纤18将所测得数据传输至光纤聚焦镜耦合器8内，光纤聚焦镜耦合器8将数据传到给光电感应器20，光电感应器20将所得光谱转换为电信号输送给控制器，控制器将波长标定输送给PC端，同时控制器将所得光谱数据进行处理，通过导入的模型进行运算，显示结果。
控制器是一个光电集成的系统，由MCU控制光源发出标准光波，照射到被测样品后的光反射由光学系统分光后照射到CMOS光传感器上(C14384MA)，完成光信号到电信号的转换，再经AD模数转换器将模拟电信号转换成数字电信号(电信号与内部光源的光照强度成正比关系)。由FPGA(可编程逻辑器件)进行光照强度采集，通过MCU控制单元计算、分析并由显示器进行显示。在研制阶段MCU通过USB线将数据传递给电脑，在电脑上进行波长定标；在使用阶段MCU获取到光强数值进行仪器的自校准和模型运算。
进一步优化方案，切换机构包括遮光管9，遮光管9的底面固接有支撑座10，支撑座10的底面与扳机2的顶面固接，遮光管9的一侧设置有转板11，转板11的顶部嵌设有标准反射白板12，转板11的底部嵌设有标准吸收黑板13，转板11侧面中部固接有阻尼轴14的一端，阻尼轴14的另一端与遮光管9的管口处外壁顶部转动连接。
将标准反射白板12以及标准吸收黑板13集成在转板11上，并且转板11可以用个阻尼轴14与遮光管9右侧上部活动安装，便于快速转换白板和黑板进行暗光谱、全反射和反射光谱的切换测试，提高测试效率。
进一步优化方案，光谱组件包括微型漫反射探头外壳15，微型漫反射探头外壳15底面与手柄1顶面固接，微型漫反射探头外壳15内腔顶面固接有氙气灯16，底盒4底面设置有USB接口17，USB接口17贯穿底盒4底面与电路板6电性连接，氙气灯16与USB接口17电性连接，光纤聚焦镜耦合器8电性连接有多模光纤18的一端，多模光纤18的另一端与微型漫反射探头外壳15内腔连通。
氙气灯16能发出连续波长的近红外光，提供用以采集多点波长下的反射/吸收值，通过电脑进行多点特征波长的建模、计算成分含量。
进一步优化方案，电路板6的顶部电性连接有USB光束19的一端，USB光束19的另一端贯穿底盒4顶面伸入到嵌入式系统支架5内。
进一步优化方案，光电感应组件包括光电感应器20，光电感应器20外壁两侧固接有塑料定位箍21，塑料定位箍21与电路板6顶面固接，电路板6顶面设置有贴片连接器22，贴片连接器22的两端分别与电路板6和光电感应器20电性连接，光纤聚焦镜耦合器8与光电感应器20电性连接。
进一步优化方案，微型漫反射探头外壳15中心线与遮光管9轴线重合。
进一步优化方案，标准反射白板12和标准吸收黑板13面积均大于遮光管9管径。
进一步优化方案，底盒4底面固接有支撑架23，支撑架23的底面与手柄1顶面固接。
进一步优化方案，扳机2的顶面固接有T型滑块，手柄1的底面开设有与T型滑块相适配的T型槽，T型滑块与T型槽滑动连接。
进一步优化方案，底盒4侧面设置有氙气灯开关24，氙气灯开关24与电路板6电性连接。
参照图7-8，为该装置的系统结构图，光源从装置中发出，照射到被测物通过镜头反射进入光电传感器的狭缝，光电传感器(日本滨松C14384MA)生成256个像元信息，研发阶段利用四次拟合法定标得到：
λ(x)＝ax4+bx3+cx2+dx+e
其中a，b，c，d，e为常数。
定标后每个像元所对应的波长为固定值，而像元信息即为光强度值。即可获得多点波长下的反射信息。
当进行仪器自校正时，夹具中间不放置被测物，阻尼轴14切换至黑色吸收板，右侧探头贴合吸收板，此时可以测量出仪器的暗光谱，暗光谱可以被认为是夹具的外界漏光误差和仪器内部线路板的电流噪声的叠加，此时仪器测出连续波长下的光强偏置作为误差值，记录为数组e，表达式为：
e＝{e1，e2，e3，...，en}
其中n为波长总数。
当仪器进行测量时，阻尼轴14先切换至标准白板，夹具中间不放置被测物，探头贴合白板，此时测量出仪器的全反射光强度集合为：
S1＝{s11，s12，s13，...，s1n}
将叶片夹紧，测量出叶片的反射光强度集合为：
S2＝{s21，s22，s23，...，s2n}
叶片的反射率集合为：
即测出了n个波长下的反射率值。
根据传统的一测量一参比理论，在单片机内部植入多个三元一次线性各种种类叶片的各种含量模型，根据实测的叶片进行模型选择并计算含量。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，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做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 (9)
1.一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于，包括手柄(1)、测试机构和切换机构；所述手柄(1)设置为手枪状结构，所述手柄(1)的底部滑动连接有扳机(2)，所述扳机(2)侧面固接有弹簧(3)的一端，所述手柄(1)侧面固接有弹簧(3)的另一端,所述测试机构设置在所述手柄(1)的顶部，所述切换机构设置在所述扳机(2)的顶部；
所述测试机构包括底盒(4)，所述底盒(4)的顶部固接有嵌入式系统支架(5)，所述底盒(4)内腔设置有电路板(6)，所述底盒(4)内腔顶部设置有锂电池(7)，所述锂电池(7)与所述电路板(6)电性连接，所述电路板(6)上设置有光电感应组件，所述电路板(6)的一端设置有光纤聚焦镜耦合器(8)，所述电路板(6)的另一端电性连接有光谱组件，所述光纤聚焦镜耦合器(8)与所述光谱组件电性连接，所述光谱组件与所述切换机构位于同一平面上，所述电路板(6)的顶部电性连接PC端；
所述切换机构包括遮光管(9)，所述遮光管(9)的底面固接有支撑座(10)，所述支撑座(10)的底面与所述扳机(2)的顶面固接，所述遮光管(9)的一侧设置有转板(11)，所述转板(11)的顶部嵌设有标准反射白板(12)，所述转板(11)的底部嵌设有标准吸收黑板(13)，所述转板(11)侧面中部固接有阻尼轴(14)的一端，所述阻尼轴(14)的另一端与所述遮光管(9)的管口处外壁顶部转动连接。
2.根据权利要求1所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述光谱组件包括微型漫反射探头外壳(15)，所述微型漫反射探头外壳(15)底面与所述手柄(1)顶面固接，所述微型漫反射探头外壳(15)内腔顶面固接有氙气灯(16)，所述底盒(4)底面设置有USB接口(17)，所述USB接口(17)贯穿所述底盒(4)底面与所述电路板(6)电性连接，所述氙气灯(16)与所述USB接口(17)电性连接，所述光纤聚焦镜耦合器(8)电性连接有多模光纤(18)的一端，所述多模光纤(18)的另一端与所述微型漫反射探头外壳(15)内腔连通。
3.根据权利要求1所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述电路板(6)的顶部电性连接有USB光束(19)的一端，所述USB光束(19)的另一端贯穿所述底盒(4)顶面伸入到所述嵌入式系统支架(5)内。
4.根据权利要求1所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述光电感应组件包括光电感应器(20)，所述光电感应器(20)外壁两侧固接有塑料定位箍(21)，所述塑料定位箍(21)与所述电路板(6)顶面固接，所述电路板(6)顶面设置有贴片连接器(22)，所述贴片连接器(22)的两端分别与所述电路板(6)和所述光电感应器(20)电性连接，所述光纤聚焦镜耦合器(8)与所述光电感应器(20)电性连接。
5.根据权利要求2所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述微型漫反射探头外壳(15)中心线与所述遮光管(9)轴线重合。
6.根据权利要求1所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述标准反射白板(12)和所述标准吸收黑板(13)面积均大于所述遮光管(9)管径。
7.根据权利要求1所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述底盒(4)底面固接有支撑架(23)，所述支撑架(23)的底面与所述手柄(1)顶面固接。
8.根据权利要求1所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述扳机(2)的顶面固接有T型滑块，所述手柄(1)的底面开设有与所述T型滑块相适配的T型槽，所述T型滑块与所述T型槽滑动连接。
9.根据权利要求1所述的一种提高测试效率及精度的植物叶片多成分检测装置，其特征在于：所述底盒(4)侧面设置有氙气灯开关(24)，所述氙气灯开关(24)与所述电路板(6)电性连接。
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