CN201311393Y - 一种便携式测定仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种便携式测定仪，包括：微机，连接于微机并用于采集待测叶片透过光强检测芯片，另外还包括，弹簧连接的上臂和下臂，所述上臂上固定有波长分别为970nm、940nm、660nm的三个光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分别为980nm、940nm、655nm滤光片，所述滤光片放置于固定连接所述上臂的滤光片架上；所述下臂包括所述检测芯片；该测定仪可以同时快速准确无损测量小麦叶片叶绿素、氮素和水分含量，为小麦肥水诊断提供充分依据。

Description

一种便携式测定仪

技术领域

本实用新型涉及植物检测技术领域，特别地，涉及一种便携式测定仪。

背景技术

肥料既是植物的营养源，又是农业生态系统中的污染源。施氮过多，容易造成地下水的污染。我国很多地区处于干旱状态，水分的精确管理具有重要意义。为了实现对植物肥水的精确管理，首先需要获知植物的养分水分状况。

通过对植物叶片进行检测，可以直接反映植物的营养状况和水分状况。上述的对植物叶片进行检测主要是利用近红外光谱技术检测植物叶片的养分、水分等状况，且对植物叶片进行检测的方法具有快速、无损、样品准备简单、单个光谱可进行多种组分分析、无污染等优点。例如，日本Minolta公司生产的SPAD(Soil and Plant AnalyzerDevelopment)叶绿素计，和美国研制的手持式冠层长势仪Greenseeker等基于透射或反射光谱的原理进行植物养分检测的仪器已经被广泛应用在农业研究和生产中，由于植物品种不同、生长期发生变化，SPAD叶绿素计只能给出一个反应植物叶片绿色程度的相对值，无法给出针对具体植物具体生育期的叶绿素和氮素含量准确值，需要根据具体植物具体生育期进行二次建模分析。由于植物肥水耦合作用，植物的养分和水分吸收相互影响，单独知道一项指标无法给出精确的肥水指导；也就是说，所述叶绿素计和手持式冠层长势仪只能对植物叶片色素含量进行检测，即为单一检测植物叶片色素的仪器。

现有技术中检测植物水分的仪器很多，例如：中国专利公开号200620171018.9公开了水分测定仪，该水分测定仪含有场效应管、表头、电源和两个探头，场效应管的漏极一路通过表头与电源正极相连，另一路通过一个开关和一个电阻亦与电源正极相连，电源正极与地之间串接有两个电阻，该两电阻的连接点与场效应管的源极相接；场效应管的控制极的一路依次通过一个二极管和一个电阻与地相连接，另一路通过一个电阻和一个二极管与一个探头相连，而另一个探头则于电源正极相连接，该实用新型可以测量植物水分，且节省时间、提高工作效率，但是，其缺点为只能单一检测植物水分。

因此，目前本领域技术人员迫切需要发展出一种能够同时检测植物叶片叶绿素、氮素、水分的并能够为小麦肥水诊断提供充分依据的仪器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种同时检测植物叶片叶绿素、氮素、水分的含量，并能够为小麦肥水诊断提供充分依据的便携式测定仪。

为达到上述目的，本实用新型公开了一种便携式测定仪，包括：微机，连接于微机并用于采集待测叶片透过光强检测芯片，还包括：弹簧连接的上臂和下臂，所述上臂上固定有波长分别为970nm、940nm、660nm的三个光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分别为980nm、940nm、655nm滤光片，所述滤光片放置于固定连接所述上臂的滤光片架上；所述下臂包括所述检测芯片。

优选地，所述上臂上固定有用于遮挡环境光的中空的遮光罩。

优选地，所述三个光源为轮流发光的光源。

优选地，所述检测芯片为一个，并相应于光源位置固定于所述下臂的上表面；或相应于光源位置固定于所述下臂的上表面的三个检测芯片。

优选地，所述微机包括：

用于控制整个检测电路的微控制器，连接于所述光源并由所述微控制器控制的光源驱动单元，连接于所述微控制器并显示测量数据的显示单元，用于控制微机的连接于所述微控制器的操作单元。

优选地，所述微机还包括：连接于所述微控制器的信号放大调解单元，用于将所述测量数据导出的串口通讯单元。

优选地，所述光源为发光二极管。

优选地，所述遮光罩为黑色橡胶制作。

优选地，所述滤光片的带宽10nm。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

首先，本实用新型通过940nm、650nm发光二极管发光，检测两个光源照射叶片后的透过光强，计算SPAD值。SPAD值可以反映植物氮素含量，植物叶绿素含量；因为叶绿素含量、氮素含量和SPAD值呈线性关系，故可以对植物叶片直接进行测量，获取叶绿素含量，植物氮素含量。

其次，由于975nm处叶片水分吸收特征相比于945nm处，叶片色素、干物质等光谱吸收系数变化可以忽略，但水分吸收系数从945nm处的0值变化到0.31(cm^-1或g/cm^-2)，因此利用975nm和945nm波长叶片透过光强可以反演叶片水分含量。

再者，本实用新型不仅可以同时快速准确无损测量小麦叶片叶绿素、氮素和水分含量，为小麦肥水诊断提供充分依据；还可以进行参数下载和数据上传，这样可以扩大测量品种和生育时期的测量范围，使测量值更加准确，同时有利于后期数据分析应用。

附图说明

图1是本实用新型一种便携式测定仪的结构示意图；

图2是本实用新型一种便携式测定仪的滤光片架的结构示意图；

图3是本实用新型一种便携式测定仪的检测的流程图；

图4是本实用新型一种便携式测定仪的俯视图；

图5是本实用新型的微机的结构示意图；

图6是本实用新型的微机的驱动单元的电路结构图；

图7是本实用新型的微机的串口通讯单元的的电路结构示意图；

图8是本实用新型一种便携式测定仪使用的光电转换芯片的电路结构示意图；

图9是本实用新型微机的操作单元的电路结构示意图；

图10A和图10B是本实用新型一种便携式测定仪使用的电源单元电路结构示意图；

图11是本实用新型一种便携式测定仪使用的显示单元的接口电路结构示意图；

图12是本实用新型微机的流程示意图。

图中：1、发光二极管；2、滤光片；3、滤光片架；4、上臂；5、下臂；6、光电检测芯片；7、遮光罩；8、待测叶片；9、弹簧；10、夹臂；11、液晶显示器；12、键盘；13、串口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

在植物研究领域，650nm红光是叶绿素敏感波段同时胡萝卜素对此波段影响很小，940nm近红外光基本不受色素影响，而且透过光强只受叶片结构影响，因而，上述红光和近红外光相除，并进行归一化处理可以消除植物叶片厚度对测量值的影响。

另外，需要进行说明的是，SPAD值可以反映植物叶绿素含量，植物氮素含量；且已经被广泛应用于植物叶绿素、氮素水平的检测。其中，叶绿素含量、氮素含量分别和SPAD值呈线性关系，但不同植物以及同一植物的不同生育阶段通过SPAD值反演叶绿素含量、氮素含量的比例系数是不同的，可以在测量前通过本实用新型的一种便携式测定仪的串口把对应于植物种类和生育期的已知的比例系数下载到微控制器中再进行相关测量。

本实用新型首先获取待测叶片的比例系数，由650nm、940nm的发光二极管发光，检测所述发光二极管照射待测叶片后的透过光强，计算SPAD值。进而获得待测叶片的叶绿素含量、氮素含量。

由于975nm叶片水分吸收特征处相比于945nm处，叶片色素、干物质等光谱吸收系数变化可以忽略，但水分吸收系数从945nm处的0值变化到0.31(cm^-1或g/cm^-2)，因此利用975nm和945nm波长叶片透过光强可以反演叶片水分含量。

本实用新型的核心构思在于，利用待测的小麦叶片的可见光和近红外透射光谱反演小麦叶绿素、氮素、水分含量，即使用三个发光二极管灯泡分别为中心波长970nm、940nm、660nm。光源发出的光分别经过对应的三个滤光片(该滤光片的的峰值波长为980nm、940nm、655nm；带宽为10nm)，然后经过待测叶片到达光电检测芯片；通过650nm、940nm的发光二极管发光，检测两个光源照射叶片后的透过光强，计算SPAD值，进而得到叶绿素、氮素含量，并利用975nm和945nm波长检测待测叶片的透过光强可以反演得到叶片水分含量。

实施例1

本实用新型的一种便携式测定仪，该测定仪包括弹簧连接的上臂和下臂，该上臂上固定有波长分别为970nm、940nm、660nm的三个光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分别为980nm、940nm、655nm滤光片，所述滤光片放置于固定连接于上臂的滤光片架上；所述下臂包括一用于采集待测叶片透过光强的检测芯片；所述检测芯片连接一微机，且所述检测芯片为光电检测器，可以将光信号转换为电信号，传输至微机进行数据处理。

所述微机用于分析和处理数据，可以是本领域技术人员所熟悉的现有技术中的任何一个操作及处理过程；或该微机可以包括：用于控制整个检测电路的微控制器，连接于所述光源并由所述微控制器控制的光源驱动单元，连接于所述微控制器并显示测量数据的显示单元，用于控制微机的连接于所述微机的微控制器的操作单元。

优选地，所述微机还包括：连接于所述微控制器的信号放大调解单元，用于将所述测量数据导出的串口通讯单元。

本实施例的优点是可以同时快速准确无损测量小麦叶片叶绿素、氮素和水分含量，为小麦肥水诊断提供充分依据；并且还可以进行参数下载和上传测量数据。

实施例2

参考图1和图2，为本实用新型一种便携式测定仪的结构示意图和滤光片架的结构示意图；如图1所示，该测定仪包括上臂4、下臂5、以及连接上臂4、下臂5的弹簧9；在未进行测量的状态下，上臂4、下臂5是张开的，测量时需夹紧上下臂，待测量完成后，由于弹簧9弹性的作用上臂4、下臂5自然张开。

在本实施例中，上臂4内装有三个光源，该光源为发光二极管1，该发光二极管的中心波长为970nm、940nm、660nm；相对应的带宽为50nm、50nm、20nm。发光二极管下面是一个固定的滤光片架3，如图2所示，上面嵌有三个滤光片2，相应于所述光源波长的三个滤光片的峰值波长分别为980nm、940nm、655nm，所述滤光片的带宽10nm；另外，所述上臂4下面固定一个用黑色橡胶制作的遮光罩7，夹持待测叶片后，可以有效防止环境光干扰；

下臂5内装有一个光电检测芯片6。进行测量时，所述光源1的光透过滤光片2后，再透过待测叶片8到达检测芯片6。该检测芯片6可以为一个，也可以为三个，其检测芯片6固定于下臂5，对于发光二极管光强进行检测，过程是一个一个的光源轮流发光，通过检测芯片6采集数据。

所述待测芯片用于采集透过光强，进而通过微机处理数据，其操作的步骤如图3所示的流程图，具体的操作过程如下步骤：

首先执行的步骤是：下载参数，即待测叶片对应的比例系数。闭合上臂、下臂，测量透射的光源强度，获得一组光源强度数据；

执行步骤M01：放入待测叶片，夹紧上臂、下臂，

步骤M02：查看并判断待测叶片的位置是否放置准确，若是则执行步骤M03，否则，重复步骤M01。

步骤M03：测量其待测叶片对应所述发光二极管的峰值波长970nm、940nm、660nm的透过光强，采集测量数据；在此过程中，本实施例使用的是三个发光二极管轮流发光，待测芯片固定于下臂，每个光源发光二极管发光的中间间隔几十毫秒，对于每一个光源发光二极管对应的待测叶片的透光光强分别采集十组数据；

步骤M04：对每一个光源发光二极管的数据进行保存和处理，可以适合处理数据的一种操作为去除最大和最小值，其余的数据取平均值，该处求平均值的方法本实施例不加以限定；

步骤M05：根据如下的模型公式(1)和(2)计算，并显示出测量结果，上传测量结果。

对于本实施例中使用的模型公式(1)和(2)具体为，选用了峰值波长970nm、940nm、660nm，带宽为50nm、50nm、20nm的发光二极管和峰值波长分别为980nm、940nm、655nm，带宽10nm的滤光片组合作为光源，

对应的940nm、650nm发光二极管光源的透过光强分别对应氮素的SPAD值和叶绿素的的SPAD值，该SPAD值的计算公式为：

$\left(1\right),\mathrm{SPAD}=\mathrm{Klo}{g}_{10}\left[\frac{{\mathrm{IR}}_T/{\mathrm{IR}}_0}{R_T/R_0}\right]$

其中：K：系数；IR_T：近红外透过光强940nm；IR₀：近红外光源光强940nm；R_T：红光透过光强650nm；R₀：红光光源光强650nm；

SPAD值可以反映植物叶绿素含量，植物氮素含量；且已经被广泛应用于植物叶绿素、氮素水平的检测。其中，叶绿素值、氮素值分别和SPAD值呈线性关系，但由于植物品种的不同、生长阶段的不同，叶绿素值、氮素值所对应的比例系数是不相同的，因此本实施例中设定了小麦叶片的比例系数，可以通过微机分析测定的小麦叶片的透过光强获得SPAD值，进而可以得到待测小麦叶片的叶绿素值和氮素值；

相应待测叶片的水分测量公式：

REWT₉₇₅≈-LN(1-(1+1/α)(τ₉₄₅-τ₉₇₅))/k_Water975

(2)EWT＝0.2950REWT₉₇₅

式中：EWT：叶片水厚度；REWT₉₇₅：975nm波长辐射等效水厚度；α：为945nm和975nm波长的透光率差值与反射率差值的比值系数，通过室温下对多种植物进行测量和分析，确定实验值为0.6404；τ₉₄₅：945nm透光率；τ₉₇₅：975nm透光率；k_Water：水的消光系数，其中，所述975nm波长对应的水分的消光系数为0.31g/cm²。

参考图4和图5所示，为本实用新型一种便携式测定仪的俯视图，以及本实用新型的微机的结构示意图；在本实施例中所述的显示单元为液晶显示器。其中，图3中外壳前端是光路部分的夹臂10结构，后面面板上有液晶显示器11、键盘12和串口13。

如图5所示的微机包括微控制器；包括：输入接微控制器，输出接发光二极管光源的驱动单元，即发光二极管恒流驱动单元；

输入接光电检测芯片，输出接微控制器的信号放大调解单元；

输入接微控制器的液晶显示器，对应于图3所示的俯视图中的液晶显示器的11；

输出接微控制器的键盘单元；

输入接微控制器，输出接上位计算机的串口通讯单元，对应于连接图4所示的俯视图中的串口13；

输出接微控制器、发光二极管恒流驱动单元的电源单元(图5中未示出)。

参考图6，为本实用新型的微机的驱动单元的电路结构图；即发光二极管恒流驱动电路，ULN2003达林顿管阵列集成芯片U2输入接微控制器型号为MSP430单片机U101(图中未示出)相对应的P4.0、P4.1、P4.2、P4.3引脚，以提高微控制器引脚电流驱动能力。由微控制器MSP430单片机的引脚控制发光二极管的亮灭，输出高，发光二极管导通，发光二极管亮；输出低，发光二极管截至。本实施例中，一共四路驱动电路，并且，每一路的驱动过程和连接关系都相同或相应的，故在本实施例中以一种驱动电路为例进行说明。型号LM324运算放大器U1和三极管组成反馈电路达到恒流效果，图6中的可调电阻用于调节恒流源电流大小；另外，可以看出的是型号为LM336的基准电压U3为运算放大器U1提供2.5V基准电压。

参考图7，为本实用新型的微机的串口通讯单元的的电路结构示意图；即串口通讯单元电路图；串口的2、3引脚接型号为SP3223串口电平转换芯片U401的16、17引脚。U401的13、15引脚接微控制器型号为MSP430的单片机U101的P3.4、P3.5引脚。且所述串口电平转换芯片U401为智能串口芯片可以具有自动掉电和唤醒功能，实现三态/场效应管的电平转换，即可以完成TTL/COMS到RS232的电平转换。发光二极管的连接端连接到U401的11引脚，用于显示当前是否正在进行通讯的状态显示。

参考图8，为本实用新型一种便携式测定仪使用的光电转换芯片的电路结构示意图；当使用多个光源/发光二极管交替发光时，需要进行光源切换，本实施例中使用三个光源，进而需要对发光的光源进行切换；其中，型号为OPT101的光电转换芯片JP701的引脚中的3脚和8脚之间连接可调电阻器，用于调整芯片光电转换放大倍数。8脚同时接到微控制器型号为MSP430单片机U101的P6.0脚，进行A/D转换。

参考图9，为本实用新型微机的操作单元的电路结构示意图；或为本实用新型使用的的键盘电路图。五个按键组成2×3矩阵，连接到I²C接口芯片U301的6、7、9、10、11引脚，U301的13、14、15引脚连接到单片机U101的P1.4、P3.1、P3.3引脚。当有按键按下时，PCF8574就会产生中断信号，同时微控制器响应中断，调用中断子程序，扫描键盘，并返回键值。

参考图10A和10B，为本实用新型一种便携式测定仪使用的电源单元电路结构示意图；通过型号为SPX1117M3-5.0的低压差线性稳压器U201将9V电池电压降到5V，再通过型号SPX1117M3-3.3的低压差线性稳压器U202将5V电压降到3.3V。由5V和3.3V为本实施例中的测定仪提供电电压。

参考图11，为本实用新型一种便携式测定仪使用的显示单元的接口电路结构示意图；型号为CSME-12864的液晶控制单元J101的3、5、8、17、18脚分别接单片机U101的P1.0、P5.7、P5.6、P5.3、P5.1脚。3脚为液晶复位控制，5脚是液晶片选信号，8脚是命令和存储器选择控制位，17、18脚是时钟和数据线。

需要进行说明的是，本实用新型的测量原理是通过650nm、940nm的光源发光二极管发光，检测两个待测叶片被照射后的透过光强，计算SPAD值，得到待测叶片的叶绿素值和氮素值。由于975nm叶片水分吸收特征处相比于945nm处，叶片色素、干物质等光谱吸收系数变化可以忽略，但水分吸收系数从945nm处的0值变化到0.31(cm-1或g/cm-2)，因此利用975nm和945nm波长检测待测叶片的透过光强可以反演叶片水分含量。

在实际测量中，由于待测叶片透射光谱连续变化，因此模型波长点和它附近的波长点的透射率差别很小，考虑到现有技术的元器件供应和生产实际状况，本实施例选用了峰值波长970nm、940nm、660nm，带宽为50nm、50nm、20nm的发光二极管和峰值波长分别为980nm、940nm、655nm，带宽10nm的滤光片组合作为光源，其与实际的理论模型的光源偏差小于5nm，但在实际测量过程中，该波长970nm、940nm、660nm的光源能够满足仪器精度要求，本实用新型不对此进行限定和进行特殊要求，其波长能够满足测量的需要即可。

参考图12，为本实用新型一种便携式测定仪的微机操作的流程示意图；其所述操作步骤具体如下：

步骤S01：对所有的电路的各个功能单元进行初始化，该步骤为启动本仪器后内部电路自动完成；

步骤S02：显示开机界面，即显示该仪器名称和制作单位；

步骤S03：执行打开中断，该步骤为本仪器的开机界面显示之后内部电路自动完成的一操作；

步骤S04：显示操作界面；

步骤S05：等待键盘中断，若有键盘中断操作出现时，执行步骤S06，否则，返回并执行步骤S04；该步骤为本仪器的操作界面显示之后内部电路自动完成的一操作；

步骤S06：分析键值进而调用相对应的子程序，如：删除程序的操作、测量、查看、标定、以及上传等操作步骤，最后操作完成，返回操作界面。

本说明书中的各个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。并且，对于前述的各流程图实施例，为了简单描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本实用新型并不受所描述的动作顺序的限制，且说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和单元并不一定是本实用新型所必须的。

以上实施方式仅用于说明本实用新型，而并非对本实用新型的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本实用新型的范畴，本实用新型的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (9)

1、一种便携式测定仪，包括：微机，连接于微机并用于采集待测叶片透过光强检测芯片，其特征在于还包括：弹簧连接的上臂和下臂，所述上臂上固定有波长分别为970nm、940nm、660nm的三个光源，相应于光源位置放置的三个峰值波长分别为980nm、940nm、655nm滤光片，所述滤光片放置于固定连接所述上臂的滤光片架上；

所述下臂包括所述检测芯片。

2、如权利要求1所示的测定仪，其特征在于，所述上臂上固定有用于遮挡环境光的中空的遮光罩。

3、如权利要求1所示的测定仪，其特征在于，所述三个光源为轮流发光的光源。

4、如权利要求3所示的测定仪，其特征在于，所述检测芯片为一个，并相应于光源位置固定于所述下臂的上表面；或相应于光源位置固定于所述下臂的上表面的三个检测芯片。

5、如权利要求4所示的测定仪，其特征在于，所述微机包括：

用于控制整个检测电路的微控制器，连接于所述光源并由所述微控制器控制的光源驱动单元，连接于所述微控制器并显示测量数据的显示单元，用于控制微机的连接于所述微控制器的操作单元。

6、如权利要求5所示的测定仪，其特征在于，所述微机还包括：连接于所述微控制器的信号放大调解单元，用于将所述测量数据导出的串口通讯单元。

7、如权利要求1、2、3、4或5所示的测定仪，其特征在于，所述光源为发光二极管。

8、如权利要求2、3或4所示的测定仪，其特征在于，所述遮光罩为黑色橡胶制作。

9、如权利要求1、2或3所示的测定仪，其特征在于，所述滤光片的带宽10nm。

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