CN201141834Y - 一种氮反射指数检测仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种氮反射指数检测仪，包括外壳，微处理器，用于接收从入射光测量单元和反射光测量单元发送来的数据信号，根据数据信号获得氮反射指数；入射光测量单元，与微处理器连接，用于测量第一波长和第二波长入射光的能量，并将入射光的能量作为数据信号传输给微处理器；反射光测量单元，与微处理器连接，用于测量从被测作物上反射的第一波长和第二波长反射光的能量，并将反射光的能量作为数据信号传输给微处理器；显示单元，与微处理器连接，用于显示氮反射指数。本实用新型实施例通过测量入射光的能量和从被测作物上发射的反射光能量，来得到作物的氮反射指数NRI，进而可以对作物的生长情况、谷物的品质、预测最后的产量做出判断。

Description

一种氮反射指数检测仪

技术领域

本实用新型涉及一种快速测量作物氮反射指数(NitrogenReflectance Index，NRI)的氮反射指数检测仪。

背景技术

作物的品质除了受遗传因子控制外，也受植物营养的影响。研究表明，作物不同生育期营养状况与谷物的品质存在相关性。根据建立的作物不同生育期叶片的氮素营养与谷物的品质的定量关系，就能根据作物的生长状况，即氮素的营养状况预测最终收获谷物的品质。NRI可以用来估计作物的氮素状态，进而用来评价谷物的品质、预测最后的产量。

NRI检测既是作物生产的一个重要环节，也是调整作物生产布局、提高作物资源合理配置和利用效率的有效手段。我国每年都投入大量人力、物力对作物质量进行检测，但检测主要是利用室内仪器和一些化学方法，分析周期长，费用高，效率低。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种基于光谱学原理无损测试技术，通过无损测试方法探测作物的生理生化指标，进而监测作物的品质指标，指导作物分级，大大加快作物的检测速度，具有快速、经济、简便、无破坏和客观等优点的氮反射指数检测仪。

为达到上述目的，本实用新型的技术方案提供一种氮反射指数检测仪，包括外壳，微处理器，用于接收从入射光测量单元和反射光测量单元发送来的数据信号，并根据所述数据信号获得氮反射指数；入射光测量单元，与所述微处理器连接，用于测量第一波长和第二波长入射光的能量，并将所述入射光的能量作为数据信号传输给所述微处理器；反射光测量单元，与所述微处理器连接，用于测量从被测作物上反射的第一波长和第二波长反射光的能量，并将所述反射光的能量作为数据信号传输给所述微处理器；显示单元，与所述微处理器连接，用于显示所述微处理器获得的氮反射指数。

其中，所述入射光测量单元包括均位于所述氮反射指数检测仪顶端的第一波长入射光测量子单元和第二波长入射光测量子单元；所述反射光测量单元包括均位于所述氮反射指数检测仪底端的第一波长反射光测量子单元和第二波长反射光测量子单元。

其中，所述第一波长入射光测量子单元包括：只让第一波长入射光通过的第一波长滤光片，以及设置于所述第一波长滤光片下端，用于测量所述第一波长入射光能量的第一光学数字传感器。

其中，所述第一波长入射光测量子单元还包括：第一漫反射体，设置于所示第一波长滤光片上端，用于扩大所述第一波长入射光的入射角度。

其中，所述第二波长入射光测量子单元包括：只让第二波长入射光通过的第二波长滤光片，以及设置于所述第二波长滤光片下端，用于测量所述第二波长入射光能量的第二光学数字传感器。

其中，所述第二波长入射光测量子单元还包括：第二漫反射体，设置于所示第二波长滤光片上端，用于扩大所述第二波长入射光的入射角度。

其中，所述第一波长反射光测量子单元包括：设置于最底端的用于将从被测作物上发射的反射光成像的第一物镜；设置于所述第一物镜上端的只让第一波长反射光通过的第一波长滤光片；设置于所述第一波长滤光片上端，用于测量所述第一波长反射光能量的第一光电探测器。

其中，所述第二波长反射光测量子单元包括：设置于最底端的用于将从被测作物上发射的反射光成像的第二物镜；设置于所述第二物镜上端的只让第二波长反射光通过的第二波长滤光片；设置于所述第二波长滤光片上端，用于测量所述第二波长反射光能量的第二光电探测器。

其中，所述氮反射指数检测仪还包括数据传输单元，与所述微处理器连接，用于所述微处理器与上位机进行数据通信。

其中，述氮反射指数检测仪还包括数据存储单元，与所述微处理器连接，用于存储所述微处理器获得的氮反射指数数据。

上述实用新型技术方案仅是本实用新型的一个优选技术方案，具有如下优点：通过采集入射光能量和从被测作物上反射的反射光能量，进而获得氮反射指数，具有操作简单，测量便捷，结构精巧，便于携带，方便管理者对作物进行实时评价、诊断，以便迅速采取应对措施。本实用新型成本低，面向农业市场，便于大范围推广使用。

附图说明

图1是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的结构示意图；

图2是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的结构原理图；

图3是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的电源接口电路图；

图4是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的按键接口电路图；

图5是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的JTAG调试接口电路图；

图6是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的发射光测量适配电路图；

图7是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的微处理器接口电路图；

图8是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的入射光适配电路图；

图9是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的串口接口电路图；

图10是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的FLASH接口电路图。

其中1、第一光学数字传感器；2、第一波长滤光片，3、漫反射体，4、第二光学数字传感器，5、第二波长滤光片，6、外壳，7、第一物镜，8、第一波长滤光片，9、第一光电探测器，10、三角架，11、第二物镜B，12、第二波长滤光片，13、第二光电探测器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

结合图1图2可以看出，本实用新型氮反射指数检测仪包括外壳6、微处理器、入射光测量单元、反射光测量单元、显示单元、数据传输单元和数据存储单元，其中入射光测量单元、反射光测量单元、显示单元、数据传输单元和数据存储单元均于微处理器连接，进行数据传输和处理。入射光测量单元用于测量入射光的能量，反射光测量单元用于测量从被测作物上反射的反射光的能量，两者将测量的入射光能量和反射光能量传输给微处理器，微处理器根据两个数据进行计算，获得测量作物氮反射指数NRI，并通过显示单元将NRI显示出来，还可以通过数据存储单元将数据保存在存储器内，也可以通过数据传输电路将数据传输给上位机，以便进一步处理。数据传输单元还可以与上位机通信，用于更新微处理器内的程序。数据传输单元的接口可以为串口，例如RS232接口，也可以为RS485或RS422或其他接口，例如通用串行总线(Universal Serial Bus，USB)接口。入射光测量单元包括第一波长入射光测量子单元和第二波长入射光测量子单元，其中第一波长入射光测量子单元由从上到下依次设置的第一漫反射体、第一波长滤光片2和第一光学数字传感器1，第二波长入射光测量子单元由从上到下依次设置的第二漫反射体、第二波长滤光片5和第二光学数字传感器4，第一漫反射体和第二漫反射体可以分开，也可以为一体，例如图1所示，第一漫反射体和第二漫反射体合并为漫反射体3。反射光测量单元包括第一波长反射光测量子单元和第二波长反射光测量子单元，其中，第一波长反射光测量子单元从下到上依次设置有第一物镜7、第一波长滤光片8和第一光电探测器9，第二波长反射光测量子单元从下到上依次设置有第二物镜11、第二波长滤光片12和第二光电探测器13。第一波长滤光片8和第一波长滤光片2为完全相同的滤光片，均是通过波长为570nm处的第一波长的入射光。第二波长滤光片12和第二波长滤光片5也是完全相同的滤光片，均是通过波长为670nm处的第二波长的入射光。氮反射指数检测仪通过与外壳6连接的三脚架10安装在被测作物上方，接收物镜的焦距决定了采用的测量高度。

该仪器的工作原理如下：利用日光作光源，通过第一、第二光电传感器和第一、第二光学数字传感器，在可见光两个特定波长处，分别对日光入射光和待测植被的冠层反射光进行探测，入射光由光学数字传感器直接转为光强，反射光由硅光电探测器、运算放大器和AD转换获得光强，再由微处理器进行处理获得NRI值，所得结果由液晶显示器显示。在本应用中，570nm特征波长处的入射光信号为E570、对应波长植被反射光信号为ER570；670nm特征波长处的入射光信号为E670、对应波长植被反射光信号为ER670，则有：

$R_{570}=k_{570}\frac{E_{R570}}{E_{570}}---\left(1\right)$ $R_{670}=k_{670}\frac{E_{R670}}{E_{670}}---\left(2\right)$

式中k570和k670为比例常数(仪器参数)，由仪器的光学系统(入射部分和反射部分)、光电传感器及其适配放大器及其电路的特性参数决定，入射光的信号强度为E570和E670，该值与如下的参数密切相关：所选择的入射传感器的灵敏度、光敏面大小、传感器前方漫反射体的投射率和滤光片的透过率。由于上述器件个特性都无法做到严格一致，所以，最终的E570不是一个绝对的入射强度，而是一个相对的强度数值。同样，反射光信号强度ER570和ER670也是一个相对值，该值与如下的参数密切相关：所选择的入射传感器的灵敏度、光敏面大小、传感器前方漫反射体的投射率和滤光片的透过率。于是，在计算真实反射率时，使用的公式为：反射率＝反射光强度/入射光强度，而我们这儿只获得了两个相对反射率值ER570/E570和ER670/E670，但是这两个数值与真实的反射率值是成线性规律的，即公式(1)(2)。该k570和k670为比例常数(仪器参数)，可以通过地物光谱仪与本测量仪器的对比试验获得。具体来说，通过用地物光谱仪选择标准被测物体进行测量，获取该地物的标准反射率R570和R670，然后用本仪器对同样的地物进行测量，获取本仪器的相对反射率ER570/E570和ER670/E670，最后计算出仪器参数如下：

$k_{570}=R_{570}\frac{E_{570}}{E_{R570}}---\left(3\right)$

$k_{670}=R_{670}\frac{E_{670}}{E_{R670}}---\left(4\right)$

$\mathrm{NRI}=\frac{k_{570}\frac{E_{R570}}{E_{570}}-k_{670}\frac{E_{R670}}{E_{670}}}{k_{570}\frac{E_{R570}}{E_{570}}+k_{670}\frac{E_{R670}}{E_{670}}}---\left(5\right)$

公式(5)表明：只要确定仪器的待定特征常数k₅₇₀，k₆₇₀就可由四个传感器测得的信号求得NRI的值。

从NRI的计算公式可以看出来，测量NRI的关键点是求出两个特定波长的能量，两个特征波长的能量的测量是通过入射测量单元实现的。本实施例的滤光片为窄带干涉滤光片，窄带干涉滤光片是建立在光学薄膜干涉原理上的精密光学滤光器件，其只允许中心波长附近通带内的光通过，这就产生了两个特征波长。四个窄带干涉滤光片分为两组，每组为特性相同的两滤光片，它们的中心波长分别位于570nm和670nm。传感器可见光特征波长处具有较高的光谱灵敏度，其光敏面尺寸要保证在不同的日光照明条件下有足够大信号输出和线性度。两个光学数字传感器安装在仪器的上方，用来测量入射日光的强度；两个光电探测器安装在仪器的下方，面向被测植被，用于测量植物反射光的强度。

上述光学系统的作用是保证测量的高度和面积。光学系统包括光学数字传感器前面的漫反体、滤光片和植被反射光电探测器前面的接收物镜。接收物镜的焦距决定了采用的测量高度。光学系统和光电传感器通过镜筒固定为一个整体。

光学数字传感器将测量的入射光能量信号传送给微处理器。光电探测器适配放大电路输出的反射光模拟信号经模拟-数字转换器转换变为数字信号，传输给微处理器。微处理器按公式(5)计算，求出NRI值由液晶显示器进行显示。测量数据可以存储在仪器的存储器中，并能通过电平转换电路将数据上传到PC。仪器上的存储电路能将测量的数据存储在仪器上，用户可以通过RS232串口将数据上传到上位机PC上进行进一步分析和处理。

图3是本实用新型实施例的一种氮反射指数检测仪的电源接口电路图；图4是氮反射指数检测仪的按键接口电路图；图5是氮反射指数检测仪的JTAG(Joint Test Action Group，联合测试行动小组)调试接口电路图；图6是氮反射指数检测仪的发射光测量适配电路图；图7是氮反射指数检测仪的微处理器接口电路图；图8是氮反射指数检测仪的入射光适配电路图；图9是氮反射指数检测仪的串口接口电路图；图10是氮反射指数检测仪的FLASH接口电路图。结合图3至图10，本实施例的微处理器采用美国德州仪器公司的MSP430 F1611，液晶显示接口是使用来外接液晶。按键接口直接跟微控制器的I/O相连。存储电路采用的是FLASH芯片，可以直接跟微控制器的IO接口相连，掉电后数据能够不丢失。微控制器的UART接口通过MAX3223进行电平转换成RS232电平，可以跟PC机相连，进行数据和命令的双向传输。

由以上实施例可以看出，本实用新型实施例通过测量入射光的能量和从被测作物上发射的反射光能量，来获得作物的氮反射指数NRI，进而可以对作物的生长情况、谷物的品质、预测最后的产量做出判断。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1、一种氮反射指数检测仪，包括外壳，其特征在于，还包括：

微处理器，用于接收从入射光测量单元和反射光测量单元发送来的数据信号，并根据所述数据信号获得氮反射指数；

入射光测量单元，与所述微处理器连接，用于测量第一波长和第二波长入射光的能量，并将所述入射光的能量作为数据信号传输给所述微处理器；

反射光测量单元，与所述微处理器连接，用于测量从被测作物上反射的第一波长和第二波长反射光的能量，并将所述反射光的能量作为数据信号传输给所述微处理器；

显示单元，与所述微处理器连接，用于显示所述微处理器获得的氮反射指数。

2、如权利要求1所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述入射光测量单元包括均位于所述氮反射指数检测仪顶端的第一波长入射光测量子单元和第二波长入射光测量子单元；所述反射光测量单元包括均位于所述氮反射指数检测仪底端的第一波长反射光测量子单元和第二波长反射光测量子单元。

3、如权利要求2所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述第一波长入射光测量子单元包括：

只让第一波长入射光通过的第一波长滤光片，以及设置于所述第一波长滤光片下端，用于测量所述第一波长入射光能量的第一光学数字传感器。

4、如权利要求3所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述第一波长入射光测量子单元还包括：

第一漫反射体，设置于所示第一波长滤光片上端，用于扩大所述第一波长入射光的入射角度。

5、如权利要求2所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述第二波长入射光测量子单元包括：

只让第二波长入射光通过的第二波长滤光片，以及设置于所述第二波长滤光片下端，用于测量所述第二波长入射光能量的第二光学数字传感器。

6、如权利要求5所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述第二波长入射光测量子单元还包括：

第二漫反射体，设置于所示第二波长滤光片上端，用于扩大所述第二波长入射光的入射角度。

7、如权利要求2所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述第一波长反射光测量子单元包括：

设置于最底端的用于将从被测作物上发射的反射光成像的第一物镜；

设置于所述第一物镜上端的只让第一波长反射光通过的第一波长滤光片；

设置于所述第一波长滤光片上端，用于测量所述第一波长反射光能量的第一光电探测器。

8、如权利要求7所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述第二波长反射光测量子单元包括：

设置于最底端的用于将从被测作物上发射的反射光成像的第二物镜；

设置于所述第二物镜上端的只让第二波长反射光通过的第二波长滤光片；

设置于所述第二波长滤光片上端，用于测量所述第二波长反射光能量的第二光电探测器。

9、如权利要求1所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述氮反射指数检测仪还包括数据传输单元，与所述微处理器连接，用于所述微处理器与上位机进行数据通信。

10、如权利要求1至9任一项所述的氮反射指数检测仪，其特征在于，所述氮反射指数检测仪还包括数据存储单元，与所述微处理器连接，用于存储所述微处理器获得的氮反射指数数据。

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