CN117147526B - 大面积土壤pH值快速检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大面积土壤pH值快速检测方法，属于土壤化学分析技术领域，其方法包括：在犁头工作的过程中，检测装置中的激光器向犁头的翻土平面发射激光，产生等离子体；光谱仪接收等离子体并测量得到原子发射光谱；数据处理模块对原子发射光谱进行预处理，并根据预处理后的原子发射光谱，确定翻土平面对应的土壤pH值；本发明通过犁头连续工作形成连续的翻土平面，通过激光器和光谱仪实现对翻土平面中土壤样品的LIBS光谱测量，通过预先构建的光谱强度与土壤pH值间的关系，基于光谱结果得到大面积土壤的pH值，无需单独对土地进行采样后将土壤样品于实验室中测量，在犁地时实现对大面积土地pH值的精确且高效的测量。

Description

大面积土壤pH值快速检测方法

技术领域

本发明涉及土壤化学分析技术领域，尤其涉及一种大面积土壤pH值快速检测方法。

背景技术

土壤盐碱化是指土壤底层或地下水的盐分随毛管水上升到地表，水分蒸发后，使盐分积累在表层土壤中的过程。对土壤盐碱化的检测需要测量土壤的pH值。

目前，针对土壤盐碱化的检测通常采用电位法或实验室化验等方法，在进行检测时，首先需要对目标位置的土壤进行采样，对采样取得的土壤样品进行预处理后，再进行测量。

这样的方式检测效率低下，且只能对大面积的土地进行粗略估计，对大面积土地的检测结果精确度较低。

发明内容

本发明提供一种大面积土壤pH值快速检测方法，用以解决现有技术中土壤pH值检测效率低，且对大面积土地的检测结果精确度较低的缺陷，在犁地工作的同时实现快速且高精准度的大面积土壤pH值检测。

本发明提供一种大面积土壤pH值快速检测方法，包括：

在犁头工作的过程中，检测装置中的激光器向所述犁头的翻土平面发射激光，产生等离子体；

所述检测装置中的光谱仪接收所述等离子体并测量得到原子发射光谱；

所述检测装置中的数据处理模块基于多项式基线扣除的方式对所述原子发射光谱进行去背景处理；根据与所述土壤pH值相关元素的波长对去背景处理后的原子发射光谱中的谱线进行谱线筛选；根据谱线筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度对所述多张原子发射光谱进行强度筛选，将强度筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度进行平均处理；根据平均处理后的原子发射光谱，确定所述翻土平面对应的土壤pH值；

所述检测装置安装在所述犁头所在的农业机械上。

根据本发明提供的一种大面积土壤pH值快速检测方法，所述检测装置还包括：

扩束透镜组，用于接收所述激光器发射的激光，并对所述激光扩束；

激光反射镜，用于接收所述扩束透镜组扩束后的激光，并对所述激光进行反射；

二向色镜，用于接收所述激光反射镜反射的激光；

主镜，用于接收所述二向色镜透过的激光，并将所述激光向所述犁头的翻土平面发射。

根据本发明提供的一种大面积土壤pH值快速检测方法，所述激光反射镜与所述二向色镜上下平行设置，所述激光反射镜和所述二向色镜与水平面的夹角均为45度。

根据本发明提供的一种大面积土壤pH值快速检测方法，所述检测装置还包括：

聚焦系统，位于所述二向色镜背离所述主镜的一侧，所述聚焦系统与所述光谱仪的输入端连接；

所述等离子体依次经过所述主镜、二向色镜、聚焦系统和光谱仪；

所述聚焦系统用于接收所述二向色镜透过的所述等离子体，并对所述等离子体聚焦后发送给所述光谱仪。

根据本发明提供的一种大面积土壤pH值快速检测方法，所述扩束透镜组包括并排设置的第一双凹透镜和平凸透镜；

所述平凸透镜的凸面背离所述第一双凹透镜设置，所述第一双凹透镜与所述激光器相邻，所述平凸透镜与所述激光反射镜相邻。

根据本发明提供的一种大面积土壤pH值快速检测方法，所述聚焦系统包括并排依次设置的第二双凹透镜、第一双凸透镜、第二双凸透镜和负弯月透镜；

所述负弯月透镜的凹面朝向第二双凸透镜，所述负弯月透镜与所述光谱仪相邻，所述第二双凹透镜与所述二向色镜相邻。

根据本发明提供的一种大面积土壤pH值快速检测方法，所述检测装置还包括：

升降杆，所述犁头安装在所述升降杆上；

动力系统，用于控制所述升降杆的升降；

所述数据处理模块包括：

计算机，用于接收用户输入的控制指令，根据所述原子发射光谱，确定所述翻土平面对应的土壤pH值；

主控板，与所述计算机连接，所述主控板用于接收所述计算机传输的控制指令，并将所述控制指令下发给所述动力系统，以供所述动力系统根据所述控制指令控制所述升降杆的升降；接收所述光谱仪发送的原子发射光谱，并将所述原子发射光谱发送给所述计算机。

本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法，通过犁头连续工作形成连续的翻土平面，通过激光器和光谱仪实现LIBS光谱测量，将连续的翻土平面中的土壤作为LIBS光谱测量时的多个土壤样品，通过预先构建的光谱强度与土壤pH值间的关系，基于LIBS的光谱结果得到大面积土壤的pH值，实现了对大面积土地pH值的精确且高效的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法的流程图；

图2是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法中用于展示预测结果和实际结果的对比图；

图3是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法中的人工神经网络模型的训练示意图；

图4是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法中的检测装置整体结构示意图；

图5是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法中主要用于展示数据处理模块的结构示意图；

图6是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法中主要用于展示动力系统的结构示意图；

图7是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法中主要用于展示扩束透镜组的结构示意图；

图8是本发明提供的大面积土壤pH值快速检测方法中主要用于展示聚焦系统的结构示意图。

附图标记：

1、数据处理模块；2、动力系统；3、激光器；4、扩束透镜组；5、激光反射镜；6、升降杆；7、犁头；8、主镜；9、二向色镜；10、聚焦系统；11、光谱仪；12、计算机；13、2.4G无线发射接收模块；14、主控板；15、动作控制板；16、电源；17、电机；18、反馈电路；19、第一双凹透镜；20、平凸透镜；21、第二双凹透镜；22、第一双凸透镜；23、第二双凸透镜；24、负弯月透镜。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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作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。

首先对以下内容进行介绍：

LIBS光谱法（Laser Induced Breakdown Spectroscopy，激光诱导击穿光谱法），也被称为激光诱导等离子体光谱学技术（Laser-Induced Plasma Spectroscopy，LIPS），是近年来发展起来的一种属于原子发射光谱的元素检测技术。LIBS的原理是将高能量脉冲激光聚焦到待测物体表面烧蚀物体产生等离子体，在激光诱导等离子体冷却膨胀的过程中，通过聚焦系统和光谱仪系统可以获得待测物品的特征光谱，进行数据处理后，可得到待测物体组成元素的含量。

近些年来，随着LIBS技术的快速发展，在医学治疗、工业生产、深海及宇宙空间探索、核环境及爆炸物的元素检测等领域都取得了重要的研究成果。

LIBS最显著的特点在于无需进行样品处理，检测速度快，在实际应用过程中操作便捷：LIBS的工作媒介是脉冲激光，所以测量时对被测物品影响较小，近于无损检测，又因为激光诱导等离子体发出的光信号可以转化为数字信号，数据的远程传输提供了可能性。

但LIBS在实际应用的过程中仍存在很大的一些问题。例如，实验室LIBS是手动变焦，变焦速度慢，调试光路难度高，对设备使用人员要求高；有些LIBS的聚焦系统和聚光系统设计成了分离结构，体积相对较大，对空间利用率低，不易于集成，不利于安装到无人车等载具平台；检测面积大，地表情况复杂，对于检测结果产生影响。

因此，尽管LIBS在土壤检测方面发展的很成熟，但绝大部分LIBS都仅仅停留在实验室阶段。

下面结合图1-图8描述本发明的大面积土壤pH值快速检测方法，如图1所示，包括：

步骤101，在犁头7工作的过程中，检测装置中的激光器3向犁头7的翻土平面发射激光，产生等离子体；

检测装置包括激光器3、光谱仪11和数据处理模块1。

其中，激光器3用于发出高能量脉冲激光，激光器3发射出的激光聚焦至待测土壤样品表面，并烧蚀物体产生等离子体。

步骤102，检测装置中的光谱仪11接收所述等离子体并测量得到原子发射光谱；

光谱仪11接收待测土壤样品表面产生的等离子体，进而测量得到待测土壤样品的原子发射光谱。

步骤103，检测装置中的数据处理模块1，所述数据处理模块1基于多项式基线扣除的方式对所述原子发射光谱进行去背景处理；根据与所述土壤pH值相关元素的波长对去背景处理后的原子发射光谱中的谱线进行谱线筛选；根据谱线筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度对所述多张原子发射光谱进行强度筛选，将强度筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度进行平均处理；根据平均处理后的原子发射光谱，确定所述翻土平面对应的土壤pH值。

数据处理模块1与光谱仪11的输出端电连接，能够接收光谱仪11测量得到的原子发射光谱，并对其进行预处理，根据预处理后的原子发射光谱确定土壤样品的pH值。

具体地，对原子发射光谱数据进行处理时，首先筛选出影响土壤pH值的特定元素的原子发射光谱数据，预先确定特定元素的光谱强度与土壤pH值之间的关联关系，根据筛选出的原子发射光谱数据和预先确定的关联关系，确定待测土壤样品的pH值。

需要注意的是，本申请中的待测土壤样品是犁头7翻土时，翻出的一定深度的土壤。具体的，参照图4，犁头7呈斗型，犁头7作业时，将地下一定深度的土壤翻起，翻起的土壤由于惯性的作用在下落时聚焦于犁头7背侧，形成翻土平面。

此时，激光器3向翻土平面发射的光束落点只要位于翻土平面上，即可实现将其发射出的激光聚焦至待测土壤样品表面，图4中示出的待测样品的位置即激光器3发射的光束于翻土平面的聚焦点。

可选地，本申请对激光器3、光谱仪11与犁头7的安装位置不做限定，只需激光器3发出的光束能够聚焦于翻土平面，光谱仪11能够接收翻土平面产生的等离子体，并测量得到土壤样品的原子发射光谱即可。

由于犁头7在大面积土地区域连续作业时，连续翻土形成多个连续的翻土平面，在此基础上，通过激光器3和光谱仪11对连续的翻土平面多次测量，并通过数据处理模块1，对多次测量的结果进行处理，进而在实地翻土的过程中准确获得大面积土地区域的土壤pH值，无需单独对土地进行采样后将土壤样品于实验室中测量，因此在对大面积土地的pH值进行测量时，能够实现高效且更加精准的土地pH值测量。

可选地，光谱仪11选用LIBS光谱仪，便于应用LIBS光谱技术实现对翻土平面的快速检测，以在连续翻土的过程中，快速获得连续多个翻土平面的原子发射光谱。

进一步地，检测装置安装在所述犁头7所在的农业机械上。

农业机械可以为拖拉机，农业机械在行进过程中带动犁头7运动。本实施例中的检测装置安装在犁头7所在的农业机械上，使检测装置与犁头7的相对位置保持稳定，便于农业机械在行进过程中带动检测装置运动，从而使得检测装置可以同步测量犁头7的翻土平面，对农业机械行进区域的土壤pH值进行检测。

筛选出影响土壤pH值的特定元素的原子发射光谱时，需要先对获得采集得到的原子发射光谱进行预处理。

预处理包括基于多项式基线扣除的方式对原子发射光谱进行去背景处理；根据与所述土壤pH值相关元素的波长对去背景处理后的原子发射光谱中的谱线进行谱线筛选；根据谱线筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度对所述多张原子发射光谱进行强度筛选；将强度筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度进行平均处理。

最终，根据平均处理后的原子发射光谱确定翻土平面对应的土壤pH值。

具体来说，由于土壤中所含的杂质较多，例如薄膜、植物残骸等，且土壤颗粒度不同以及土壤表面不够光滑等因素都会影响检测的准确性，为保证检测结果的准确性，数据处理模块1需要对由分光器获得的原子发射光谱进行预处理，再根据处理完成的原子发射光谱确定翻土平面对应的土壤pH值。

首先，基于多项式基线扣除的方式对原子发射光谱进行去背景处理，其过程如下所示：

通过多项式拟合逼近基线得到基线，减去基线得到基线矫正后的原子发射光谱数据，其中，多项式拟合时的拟合残差以如下方式计算：

(1)

(2)

其中，O（x）为原始光谱，P(x)为拟合光谱，DEV为拟合残差，n为光谱结果数量，残差判断条件为：

(3)

即将相邻两个光谱结果的拟合残差相减的结果除以前一个拟合残差的值，最终得到的数值小于0.05即符合残差判断条件。

通过多项式拟合的方式去除光谱背景，实现基线校正，降低光谱仪11自身对光谱结果的影响。

其次，根据与土壤pH值相关元素的波长对原子发射光谱中的谱线进行谱线筛选。

土壤pH值相关元素即影响土壤pH值的特定元素。具体地，由于Ca和Mg的碳酸盐和重碳酸盐是土壤中的主要来源，影响土壤的碱性，Si和Al影响土壤的酸性，即，Ca、Mg、Si和Al为影响土壤pH值的相关元素，而其他元素则是与土壤pH值无关的元素。

因此，需要在光谱仪11测量的原子光谱图中，将这四种相关元素的特征谱线挑选出来。

具体的，NIST数据库（National Institute of Standards and Technology，由美国国家标准与技术研究所维护和管理的一系列数据库）中四种元素对应的原子谱线的中心波长如下表1所示：

表1 元素的原子谱线中心波长表

但由于在实际测量的过程中，原子发射光谱中的波长大小会发生漂移现象。为保证结果的准确性，首先对光谱进行一阶微分,并使其为零：

(4)

其中，f(λ)是光谱对应的函数，λ为光谱的波长。

从而求得原子发射光谱中的波峰与波谷位置所对应的波长，为确定元素所对应的中心波长，因而需要将波谷对应波长去除，保留波峰对应的波长，为此加入限制条件：

(5)

进而根据限制条件筛选出波峰位置，并确定波峰位置对应的中心波长，记作。

将NIST数据库中不同元素的中心波长依次与上式得到的中心波长相减，并取绝对值，当绝对值最小时，得到校正后元素对应的中心波长：

(6)

其中，是NIST数据库不同元素的中心波长与实验中心波长的最小绝对值；是数据库中的中心波长，a代表元素种类，n代表第几个波长。

例如，当筛选出波峰对应的波长为272.18时，将NIST数据库中不同相关元素的中心波长与272.18相减，并将其结果的绝对值作为。例如，将Mg的第一个波长277.98与272.18相减，将Si的第二个波长250.69与272.18相减，最终确定Ca的第一个波长272.16与272.18相减结果的绝对值最小，为/>，进而将该原子光谱图中该波峰对应的波长由272.18调整至272.16，并将该波峰处对应的元素确定为Ca。

通过此种方式，即可完成对原子光谱图中波长的校正，并在校正后的原子光谱图中仅保留与土壤pH值相关的四种元素的特征谱线，便于后续的处理，降低后续数据处理的难度以及数据处理所需的时间。

然后，根据连续多张原子发射光谱的光谱强度对所述多张原子发射光谱进行强度筛选。

具体地，将采样获得的多张原子发射光谱图按照光谱强度从小到大的顺序进行排序，去除N张光谱强度大的光谱，去除M张光谱强度小的光谱，保留中间光谱强度较为趋同的多张光谱，作为有效的光谱数据。其中，N、M可以根据采样数量或实测光谱强度确定。

在一种可行的实施方式中，采样获得100张原子发射光谱图，去掉光谱强度最高和光谱强度最低的25张，选取中间的50张原子发射光谱图作为有效的光谱结果。

可选地，可以对采样的多张原子发射光谱图实现基线矫正和特征谱线筛选后，再根据光谱强度完成对光谱结果的筛选，进而能够在筛选有效原子发射光谱图时，预先筛除无关元素的特征谱线，从而更直观和简单的确定相关元素的特征谱线，以确定相关元素的光谱强度。

可选地，将连续多张原子发射光谱的光谱强度进行平均。

最后，对实现特征谱线校正及原子发射光谱图筛选后的有效原子光谱图中的光谱强度进行平均。

例如，筛选得出10张有效原子发射光谱图，将不同的波长对应的光谱强度进行累加，并除以原子发射光谱图的数量，公式如下：

(7)

其中，A是合并后的光谱数据,是第n张光谱。

具体来说，由于在筛选特征谱线时，对相关元素对应的波长进行了校正，使得相关元素波峰处对应的波长均为NIST数据库中的标准波长。因此可以将不同原子发射光谱图中多种元素的光谱强度数据合并计算，得到每种元素对应的光谱强度。

在实际测试过程中，经过预处理的光谱数据，其光谱离散指数可由未经处理时的百分之八十左右，降低至处理后的百分之十二左右，达到后续处理所需的百分之二十以下的光谱离散指数的需求。

进一步地，对获得的原子发射光谱进行预处理后，将预先训练的人工神经网络模型（ANN模型），作为预先构建的光谱强度与土壤pH值间的关系。

将预处理后的光谱数据输入至ANN模型中，即可根据光谱数据得到土壤的pH值，其预测结果如图2所示。其中，X轴为实际测量值，Y轴为预测值。

其中，如图3所示，人工神经网络模型的训练过程如下所示：

收集已知土壤pH值的原子发射光谱作为样本，并对原子发射光谱样本进行预处理。将每一种土壤pH值对应的原子发射光谱作为训练组，对网络模型的参数进行训练，并使用原子发射光谱样本中的测试组对训练的网络模型进行质量检查。

将待测原子发射光谱进行预处理后输入训练好的网络模型，得到预测的土壤pH值。

网络模型可以为神经网络模型，如卷积神经网络模型，本实施例对网络模型的类型不作限定。网络模型包括输入层、隐藏层和输出层。输入层用于输入原子发射光谱，隐藏层用于对原子发射光谱进行特征提取和分类，输出层用于输出土壤pH值。

本发明通过犁头7连续工作形成连续的翻土平面，通过激光器3和光谱仪11实现LIBS光谱测量，将连续的翻土平面中的土壤作为LIBS光谱测量时的多个土壤样品，通过预先构建的光谱强度与土壤pH值间的关系，基于LIBS的光谱结果得到大面积土壤的pH值，实现了对大面积土地pH值的精确且高效的测量。

本发明大面积土壤pH值快速检测方法中，检测装置还包括：

扩束透镜组4，用于接收所述激光器3发射的激光，并对所述激光扩束；

激光反射镜5，用于接收所述扩束透镜组4扩束后的激光，并对所述激光进行反射；

二向色镜9，用于接收所述激光反射镜5反射的激光；

主镜8，用于接收所述二向色镜9透过的激光，并将所述激光向所述犁头7的翻土平面发射。

本实施例中沿着激光器3发射的激光的传播方向依次设置扩束透镜组4、激光反射镜5、二向色镜9和主镜8。

激光反射镜5可采用中心开直径为4mm圆孔的凹球面反射镜。

本实施例中的镜片一方面用于更改激光的传播方向，使得激光经过这些镜片后最终向犁头7的翻土平面发射；另一方面用于对激光进行处理，从而得到更好的原子发射光谱用于土壤pH值检测，提高土壤pH值检测的精度。

本发明大面积土壤pH值快速检测方法中，激光反射镜5与所述二向色镜9上下平行设置，所述激光反射镜5和所述二向色镜9与水平面的夹角均为45度。

如图4所示，激光器3、扩束透镜组4和激光反射镜5位于同一水平高度，激光反射镜5位于二向色镜9的正上方，且激光反射镜5和二向色镜9的镜面均朝向激光器3。二向色镜9、主镜8和翻土平面位于同一水平高度，便于将激光器3发出的激光导向翻土平面。

激光器3发射的激光水平射向扩束透镜组4，扩束透镜组4对激光扩束后水平射向激光反射镜5。激光反射镜5对激光进行反射，竖直射向二向色镜9。二向色镜9透过的激光水平射向主镜8，主镜8将激光水平射向犁头7工作形成的翻土平面。

本发明大面积土壤pH值快速检测方法中，检测装置还包括：

聚焦系统10，位于所述二向色镜9背离所述主镜8的一侧，所述聚焦系统10与所述光谱仪11的输入端连接；

等离子体依次经过所述主镜8、二向色镜9、聚焦系统10和光谱仪11；

所述聚焦系统10用于接收所述二向色镜9透过的等离子体，并对所述等离子体聚焦后发送给所述光谱仪11。

翻土平面、主镜8、二向色镜9、聚焦系统10和光谱仪11可位于同一水平高度，便于收集自翻土平面返回的等离子体。聚焦系统10在对等离子体聚焦后发送给光谱仪11，由光谱仪11将聚焦后的等离子体发送给数据处理模块1进行分析处理，在犁头7翻土的过程中实时测量得到土壤pH值。

本实施例通过对激光进行聚焦处理，从而能够得到更好的对等离子体进行聚焦，以便用于光谱仪11确定原子发射光谱，进而提高土壤pH值检测的精度。

本发明大面积土壤pH值快速检测方法中，如图7所示，所述扩束透镜组4包括并排设置的第一双凹透镜19和平凸透镜20；

所述平凸透镜20的凸面背离所述第一双凹透镜19设置，所述第一双凹透镜19与所述激光器3相邻，所述平凸透镜20与所述激光反射镜5相邻。

本实施例中通过采用并排设置的第一双凹透镜和平凸透镜对激光进行扩束处理，从而得到更好的原子发射光谱用于土壤pH值检测，提高土壤pH值检测的精度。

本发明大面积土壤pH值快速检测方法中，如图8所示，所述聚焦系统10包括并排依次设置的第二双凹透镜21、第一双凸透镜22、第二双凸透镜23和负弯月透镜24；

所述负弯月透镜24的凹面朝向第二双凸透镜23，所述负弯月透镜24与所述光谱仪11相邻，所述第二双凹透镜21与所述二向色镜9相邻。

本实施例中通过采用并排设置的第二双凹透镜21、第一双凸透镜22、第二双凸透镜23和负弯月透镜24对激光进行聚焦处理，从而得到更好的原子发射光谱用于土壤pH值检测，提高土壤pH值检测的精度。

本发明大面积土壤pH值快速检测方法中，检测装置还包括升降杆6，所述犁头7安装在所述升降杆6上；

动力系统2，用于控制所述升降杆6的升降；

参照图4，升降杆6升降设置于安装有犁头7的机械上，升降杆6的下端固定连接有横杆，横杆远离升降杆6的一端固定连接于犁头7背离工作方向的一侧。

因此，升降杆6升降即可带动犁头7的升降。需要注意的是，当升降杆6位于可升降的最高位置时，犁头7恰与土壤表面相接，在此基础上，升降杆6下降固定距离，即可带动犁头7下降该固定距离，使犁头7在工作前深入固定距离深度的土壤中，犁头7工作时将固定距离深度的土壤翻起。

可选地，可以通过预先设置升降杆6的升降区间，使得当升降杆6位于升降区间的顶端时，与其固定连接的犁头7恰好与地面接触。也可在实际测量土壤pH值时，在犁头7工作前驱使升降杆6升降以调整犁头7的高度位置，使得与其固定连接的犁头7恰好与地面接触，并将此位置设置为工作原点。在此基础上，再通过升降杆6进一步驱使犁头7下降至固定深度，启动激光器3和光谱仪11，完成对土壤pH值的测量。

动力系统2安装于安装有犁头7的机械上，动力系统2包括控制电机17，控制电机17与升降杆6电连接，通过控制电机17控制升降杆6的升降。

本实施例对控制电机17控制升降杆6升降的方式不做限定，本领域技术人员能够实现即可。

在其他可行的实施方式中，可以直接通过直线驱动件，如气缸、电动推杆等实现对升降杆6升降的控制。

通过升降杆6和犁头7的配合，便于在测量时，使犁头7翻出目标深度的土壤，可以在同一测量区域内实现对不同深度土壤的测量，也可在不同测量区域的土壤土层情况不同时，翻出不同深度的土壤，保障土壤光谱测量结果的准确性，进而保障土壤pH值测量结果的准确性。

例如，当测量区域的土壤表层杂质较多时，使犁头7下降25厘米，翻出测量区域地下25厘米的土壤，避免检测时，翻土平面中含有较多的土壤表层杂质，影响检测结果的准确性。

当测量区域的土壤表层杂质较少时，使犁头7下降5厘米，能够在保证检测结果准确性的同时，提高犁头7翻土的速度。

所述数据处理模块1包括：

计算机12，用于接收用户输入的控制指令，根据所述原子发射光谱，确定所述翻土平面对应的土壤pH值；

主控板14，与所述计算机12连接，所述主控板14用于接收所述计算机12传输的控制指令，并将所述控制指令下发给所述动力系统2，以供所述动力系统2根据所述控制指令控制所述升降杆6的升降；接收所述光谱仪11发送的原子发射光谱，并将所述原子发射光谱发送给所述计算机12。

参照图5，数据处理模块1包括计算机12、2.4G无线发射接收模块13和主控板14，计算机12和主控板14通过2.4G无线发射接收模块13连接，并通过USB转无线信号完成计算机12与主控板14间的信号传输，使工作人员通过操控计算机12，即可将命令下达至主控板14，通过主控板14控制与其连接的其他部件实现计算机12下达的命令。

具体来说，本申请实施例中，主控板14电连接有动作控制板15，动作控制板15与控制电机17电连接，进而将计算机12下达的指令传输至控制电机17，通过控制电机17实现对升降杆6和犁头7的深度控制。

可选地，计算机12下达的指令包括深度参数设置，工作人员通过计算机12输入所需土壤样品的深度，计算机12设定犁头7的耕作深度，发出指令，2.4G无线发射接收模块13将指令传递至主控板14，主控板14对动作控制板15下达指令，动作控制板15收到指令后启动电机17，控制电机17进而驱使升降杆6升降。

进一步的，参照图6，动力系统2还包括反馈电路18，反馈电路18与控制电机17和主控板14电连接。当升降杆6升降至预设深度时，触发反馈电路18，反馈电路18将信号传输至主控板14，主控板14进而通过2.4G无线发射接收模块13将信号返回至计算机12，计算机12随机使控制电机17停止转动，进而使犁头7保持在深度参数设定的位置，实现深度参数的设定。

此外，主控板14还电连接有光谱仪11的输出端，用于接收光谱仪11的测量结果，并将测量结果通过2.4G无线发射接收模块13传输至计算机12中，并由计算机12完成对测量结果的处理工作，并实现对土壤pH值的实时测量。

进一步的，由于本申请中的测量在取样的同时进行，因此，当发现原子发射光谱中出现大量异常数值，即测量的土壤样品中混入的杂质对光谱结果的影响较大时，可以重新设置深度参数，就地再次取样并完成土壤样品的检测，以获取更加准确的光谱结果数据，进而更加准确和高效的实现对大面积土地pH值的测量。

本发明通过升降杆6的设置，灵活调整犁头7位于土壤的深度，进而调整翻土平面中的土壤样品，在不同的测量区域或不同的测量需求下，更改灵活、高效且精准的实现对土壤pH值的测量。

同时通过将计算机12和主控板14集成于安装有犁头7的机械上，在犁头7工作的过程中，实时接收光谱仪11的测量结果，并根据测量结果实时分析得出测量区域的土壤pH值，实现对土壤pH值的快速测量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种大面积土壤pH值快速检测方法，其特征在于，包括：

在犁头工作的过程中，检测装置中的激光器向所述犁头的翻土平面发射激光，产生等离子体；

所述检测装置中的光谱仪接收所述等离子体并测量得到原子发射光谱；

所述检测装置中的数据处理模块基于多项式基线扣除的方式对所述原子发射光谱进行去背景处理；根据与所述土壤pH值相关元素的波长对去背景处理后的原子发射光谱中的谱线进行谱线筛选；根据谱线筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度对所述多张原子发射光谱进行强度筛选，将强度筛选后的多张原子发射光谱的光谱强度进行平均处理；根据平均处理后的原子发射光谱，确定所述翻土平面对应的土壤pH值；

所述检测装置安装在所述犁头所在的农业机械上；

所述检测装置还包括：

升降杆，所述犁头安装在所述升降杆上；

动力系统，用于控制所述升降杆的升降；

所述数据处理模块包括：

计算机，用于接收用户输入的控制指令，根据所述原子发射光谱，确定所述翻土平面对应的土壤pH值；

主控板，与所述计算机连接，所述主控板用于接收所述计算机传输的控制指令，并将所述控制指令下发给所述动力系统，以供所述动力系统根据所述控制指令控制所述升降杆的升降；接收所述光谱仪发送的原子发射光谱，并将所述原子发射光谱发送给所述计算机。

2.根据权利要求1所述的大面积土壤pH值快速检测方法，其特征在于，所述检测装置还包括：

扩束透镜组，用于接收所述激光器发射的激光，并对所述激光扩束；

激光反射镜，用于接收所述扩束透镜组扩束后的激光，并对所述激光进行反射；

二向色镜，用于接收所述激光反射镜反射的激光；

主镜，用于接收所述二向色镜透过的激光，并将所述激光向所述犁头的翻土平面发射。

3.根据权利要求2所述的大面积土壤pH值快速检测方法，其特征在于，所述激光反射镜与所述二向色镜上下平行设置，所述激光反射镜和所述二向色镜与水平面的夹角均为45度。

4.根据权利要求2所述的大面积土壤pH值快速检测方法，其特征在于，所述检测装置还包括：

聚焦系统，位于所述二向色镜背离所述主镜的一侧，所述聚焦系统与所述光谱仪的输入端连接；

所述等离子体依次经过所述主镜、二向色镜、聚焦系统和光谱仪；

所述聚焦系统用于接收所述二向色镜透过的所述等离子体，并对所述等离子体聚焦后发送给所述光谱仪。

5.根据权利要求2所述的大面积土壤pH值快速检测方法，其特征在于，所述扩束透镜组包括并排设置的第一双凹透镜和平凸透镜；

所述平凸透镜的凸面背离所述第一双凹透镜设置，所述第一双凹透镜与所述激光器相邻，所述平凸透镜与所述激光反射镜相邻。

6.根据权利要求4所述的大面积土壤pH值快速检测方法，其特征在于，所述聚焦系统包括并排依次设置的第二双凹透镜、第一双凸透镜、第二双凸透镜和负弯月透镜；

所述负弯月透镜的凹面朝向第二双凸透镜，所述负弯月透镜与所述光谱仪相邻，所述第二双凹透镜与所述二向色镜相邻。