CN203069501U - 一种便携式叶片光谱探测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光电测试领域，尤其涉及一种便携式叶片光谱探测装置。该便携式叶片光谱探测装置，其包括透射光源、漫反射光源、聚光透镜、叶片夹持结构、光纤光谱仪和数据分析显示结构，通过将透射光源设置在叶片夹持结构的顶部，将漫反射光源设置在叶片夹持结构的侧面，将叶片夹持结构设置在所述光纤光谱仪的顶部，所述数据分析显示结构与所述光纤光谱仪通过数据线和电源线相连，实现了对植物生理信息的原位监测，敏锐性高，监测精度高，装置操作简单、便携，对植物不产生破坏性。

Description

一种便携式叶片光谱探测装置

技术领域

本实用新型涉及光电测试领域，尤其涉及一种便携式叶片光谱探测装置。

背景技术

农业的可持续发展日益成为全球永恒的主题。传统农业已向精细农业发展，快速与准确地获取植物生理信息已成为精细农业发展的重要基础。在植物的生理生态研究中，植物的色素含量、营养状况、水分含量、光合速率、光能利用效率等是衡量植物生长和生理状况的重要指标。植物生化性状信息是了解植物生理机制的重要参数，是诊断植物营养状况的重要依据。其中，叶片是植物的重要组织器官，是植物生理生态的指示窗口，是当前状态的晴雨表。

目前，经验法获取植物生理生态信息不易掌握，且敏锐性不高；传统的化学分析法测定植物的色素含量和营养状况，虽然测定结果直观可靠，但是这种方法受到高耗性、繁冗复杂性、时滞性等方面的制约，对植物具有破坏性，难以对植物生理生态信息进行原位监测，并且费工费时，成本较高。近年来，光谱分析技术的发展使其在植物生理生态研究中得到愈来愈广泛的应用，然而如何通过光谱分析技术动态原位监测植物生理生态信息成为当前迫切需要解决的问题。

因此，针对以上不足，本实用新型提供了一种便携式叶片光谱探测装置。

实用新型内容

（一）要解决的技术问题

本实用新型的目的是解决传统测定植物生理生态信息的措施敏锐性不高、费工费时、繁冗复杂、对植物具有破坏性以及难以对植物进行原位监测的问题。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种便携式叶片光谱探测装置，其包括透射光源、聚光透镜、叶片夹持结构、光纤光谱仪和数据分析显示结构，所述透射光源设置在所述叶片夹持结构的顶部，所述聚光透镜设置在所述叶片夹持结构中并位于所述透射光源的下方，所述叶片夹持结构设置在所述光纤光谱仪的顶部，所述光纤光谱仪的光纤接口与所述聚光透镜相对应，所述光纤接口处设置有光纤接口密封圈，所述数据分析显示结构与所述光纤光谱仪之间连接有数据线和电源线。

其中，所述叶片夹持结构包括第一壳体和第二壳体，所述第一壳体与所述第二壳体的顶部铰接，所述聚光透镜设置在所述第一壳体中，所述第二壳体的侧面与所述光纤接口相应的位置设置有漫反射光源。

其中，所述叶片夹持结构还包括叶片夹持密封圈、把手和弹簧，所述叶片夹持密封圈设置在所述第一壳体和所述第二壳体之间并位于所述聚光透镜的下方，所述把手设置在所述第一壳体的一端并与所述第一壳体连为一体，所述弹簧设置在所述把手和所述第二壳体的顶部之间。

其中，所述第二壳体上设置有透射反射切换开关，所述透射反射切换开关分别与所述透射光源和所述漫反射光源相连。

其中，所述数据分析显示结构包括固定箱体、信号处理模块、显示器和电源，所述信号处理模块和电源设置在所述固定箱体中，所述显示器嵌于所述固定箱体表面，所述显示器与所述信号处理模块相连，所述信号处理模块通过所述数据线与所述光纤光谱仪相连，所述电源通过一电源开关和所述电源线连接。

其中，所述透射光源和所述漫反射光源为低功率卤钨灯，光谱范围350-2000nm。

其中，所述第一壳体上设置有光谱采集开关，所述光谱采集开关与数据分析显示结构相连。

（三）有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：通过将所述透射光源设置在所述叶片夹持结构的顶部，将所述叶片夹持结构设置在所述光纤光谱仪的顶部，在所述光纤接口处设置光纤接口密封圈，所述数据分析显示结构与所述光纤光谱仪通过数据线和电源线相连，实现了对植物生理信息的原位监测，敏锐性高，监测精度高，装置操作简单、便携，对植物不产生破坏性。

附图说明

图1是本实用新型实施例便携式叶片光谱探测装置的立体示意图；

图2是本实用新型实施例叶片夹持结构的俯视图。

图中，1：光纤光谱仪；2：光纤接口密封圈；3：叶片夹持密封圈；4：透射光源；5：漫反射光源；6：透射反射切换开关；7：光谱采集开关；8：USB数据线；9：电源开关；10：锂电池；11：显示器；12：箱体；13：第一壳体；14：第二壳体；15：合页；16：弹簧；17：光纤接口17。

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。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

如图1所示，本实用新型提供的便携式叶片光谱探测装置包括透射光源4、聚光透镜、叶片夹持结构、光纤光谱仪1和数据分析显示结构，透射光源4设置在所述叶片夹持结构的顶部，聚光透镜设置在所述叶片夹持结构中并位于所述透射光源4的下方，叶片夹持结构设置在光纤光谱仪1的顶部，光纤光谱仪1的光纤接口17与聚光透镜相对应，光纤接口17处设置有光纤接口密封圈2，数据分析显示结构与所述光纤光谱仪1之间连接有USB数据线8和电源线。所述聚光透镜采用多棱聚光透镜，也可以采用其他类型的聚光透镜；所述光纤光谱仪1采用微型光纤光谱仪1，所述微型光纤光谱仪1选用型号为USB2000+、USB4000、HR2000+或HR4000，采用高信噪比的线阵CCD探测器，有效光谱范围350-1100nm；在光纤接口17处设置光纤接口密封圈2用于避免环境光进入光谱仪。

将需要测试的叶片放在光纤光谱仪1上与光纤接口17相应的位置，用叶片夹持结构压紧待测叶片，打开透射光源4，透射光源4经多棱聚光透镜照射在叶片上，透射光经光纤接口17进入光谱仪，完成叶片透射光谱数据的采集，光谱数据由USB数据线8传至数据分析与显示结构，进行数据分析处理。

进一步地，所述叶片夹持结构包括第一壳体13和第二壳体14，第一壳体13与第二壳体14的顶部通过合页15铰接，透射光源4设置在所述第一壳体13的顶部，多棱聚光透镜设置在第一壳体13中，第二壳体14的侧面与光纤接口17相应的位置设置有漫反射光源，该漫反射光源5以与垂直方向呈45°角的方向设置，也可以以与垂直方向呈其他锐角的方向设置。

这样，光谱采集就有透射和漫反射两种方式，可根据需要选择采集方式。透射式光谱采集：光源经多棱聚光透镜照射在叶片上，透射光经光纤口进入光谱仪；反射式光谱采集：漫反射光源以与垂直方向呈45°角的方向向上照射在叶片上，漫反射光经光纤口进入光谱仪。

如图1所示，进一步地，所述叶片夹持结构还包括叶片夹持密封圈3、把手和弹簧16，叶片夹持密封圈3设置在第一壳体和第二壳体之间并位于所述聚光透镜的下方，所述把手设置在第一壳体13的一端并与第一壳体13连为一体，所述弹簧16设置在所述把手和所述第二壳体14的顶部之间。

这样，透射光源4、多棱聚光透镜、叶片夹持密封圈3和光纤接口17的中心位于同一条垂直线上，叶片夹持密封圈3使叶片测试部位成为暗室。叶片光谱探测时，透射光经多棱聚光透镜照射在叶片上，叶片夹持密封圈3位于叶片的上部，在叶片测试部位形成暗室，可以屏蔽外界杂散光的干扰，提高检测精度和稳定性。所述弹簧16安装时具有一定的压缩形变，当所述叶片夹持结构闭合时，所述弹簧16向上顶着所述把手，由于以合页15为支点，所述第一壳体13和叶片夹持密封圈3整体向下压紧叶片，实现对叶片的夹持；向下按压把手，叶片加持结构打开，可以在第二壳体14上取出或放入测试叶片。

所述第二壳体14上设置有透射反射切换开关6，透射反射切换开关6分别与透射光源4和漫反射光源5相连。扳动所述透射反射切换开关6，相应的光源打开，从而可以选择光谱测试方式为透射式或漫反射式。

所述数据分析显示结构包括固定箱体12、信号处理模块、显示器11和电源，信号处理模块和电源设置在固定箱体12中，所述显示器11嵌于固定箱体12表面，显示器11与信号处理模块相连，所述信号处理模块通过所述USB数据线与所述光纤光谱仪1相连，所述电源通过一电源开关9和所述电源线连接。

所述USB数据线用于微型光纤光谱仪和信号处理模块的数据信号传输，所述电源通过电源线用于透射光源、漫反射光源和微型光纤光谱仪的供电，所述显示器与所述信号处理模块同样由所述电源供电。所述电源可采用锂电池。

所述信号处理模块具有ARM11内核和Windows CE 6.0操作系统，用于对从光谱光纤仪传输过来的光谱数据进行处理，所述显示器11用于显示的叶片各光谱指数。

如图1和图2所示，所述第一壳体13上设置有光谱采集开关7，所述光谱采集开关7与数据分析显示结构相连，具体来讲，所述光谱采集开关通过电源线和所述信息处理模块相连。

所述透射光源4和所述漫反射光源5采用低功率卤钨灯，光谱范围350-2000nm。

本实用新型的便携式叶片光谱探测装置的工作过程如下：

1．无叶片光谱采集。

打开总电源开关9，打开显示器开关，使便携式叶片光谱探测装置处于工作状态，双向扳动透射反射切换开关，对应光源打开，从而选择叶片光谱测试方式为透射或漫反射。

接下来，对于透射方式，先进行光源强度的全谱采集，作为透射参考光谱R_T，结合已保存的无光源状态的暗光谱D，以下面公式计算透射率：

$\%T_{\mathrm{\λ}}=\frac{S_{\mathrm{\λ}}-D_{\mathrm{\λ}}}{R_{\mathrm{T\λ}}-D_{\mathrm{\λ}}}\×100\%$

其中：S_λ代表在波长λ时叶片的透射光强，D_λ代表在波长λ时暗光强，R_Tλ代表在波长λ时的参考光强；

对于漫反射方式，用叶片夹夹住标准漫反射白板，采集光源强度的漫反射光谱，作为漫反射参考光谱R_D，以下面公式计算漫反射率：

$\%R_{\mathrm{\λ}}=\frac{S_{\mathrm{\λ}}-D_{\mathrm{\λ}}}{R_{\mathrm{D\λ}}-D_{\mathrm{\λ}}}\×100\%$

其中：S_λ代表在波长λ时叶片的漫反射光强，D_λ代表在波长λ时暗光强，R_Dλ代表在波长λ时的参考光强。

2．叶片光谱采集。

将叶片夹夹住叶片，用光谱采集开关7控制光谱采集，经叶片的透射光或漫反射光经光纤接口17进入光纤光谱仪1，光谱数据由USB数据线传至信息处理模块，经数据分析处理，叶片光谱数据在显示器11上显示并存储，同时在显示器11的界面上显示叶片的光谱指数，所述光谱指数包括叶绿素透射指数SPAD、光化学反射指数PRI、第一归一化植被指数NDVI1、水分指数WI、第二归一化植被指数NDVI2、结构不敏感色素指数SIPI以及叶绿素含量指数ChlNDI。

具体来讲，各光谱指数的计算公式如下：

$\mathrm{SPAD}=K*{\log }_{10}\left[\frac{{\mathrm{IR}}_{T940}/{\mathrm{IR}}_{O940}}{R_{T650}/R_{O650}}\right]+L$

其中：IR_T940为940nm光透过叶片的透射光强度，IR_O940为940nm的光源强度，R_T650为650nm光透过叶片的光强度，R_O650为650nm的光源强度；

$\mathrm{PRI}=\frac{R_{531}-R_{570}}{R_{531}-R_{570}}$

$\mathrm{NDVI}1=\frac{R_{800}-R_{680}}{R_{800}+R_{680}}$

$\mathrm{WI}=\frac{R_{900}}{R_{970}}$

$\mathrm{NDVI}2=\frac{R_{900}-R_{680}}{R_{900}+R_{680}}$

$\mathrm{SIPI}=\frac{R_{800}-R_{445}}{R_{800}-R_{680}}$

$\mathrm{Ch}1\mathrm{NDI}=\frac{R_{750}-R_{705}}{R_{750}+R_{705}}$

其中：R_λ为波长λ时叶片的漫反射率。

这样，通过透射和漫反射两种采集方式，将采集的叶片光谱数据都存储在数据分析显示结构的存储单元中，可以传至个人电脑进行下一步的光谱定性定量分析。

综上所述，本实用新型提供的便携式叶片光谱探测装置通过在所述叶片夹持结构的第一壳体顶部设置透射光源，在叶片夹持结构的第二壳体的侧面与所述光纤接口相应的位置设置漫反射光源，采用了透射和漫反射两种光谱采集方式，最终实现了对植物生理信息动态原位监测，敏锐性高，监测精度高，装置操作简单、便携，对植物不产生破坏性；同时，通过将所述透射光源设置在所述叶片夹持结构的顶部避免了长距离光纤传导的大量光损耗和光源过热，具有低耗能的优点；通过在第一壳体的底部粘结有叶片夹持密封圈，从而在叶片测试部位形成暗室，可以屏蔽外界杂散光的干扰，提高了检测精度和稳定性。

以上所述仅是本实用新型的一种优选实施方式，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变型，这些改进和变型也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (7)

1.一种便携式叶片光谱探测装置，其特征在于：包括透射光源（4）、聚光透镜、叶片夹持结构、光纤光谱仪（1）和数据分析显示结构，所述透射光源（4）设置在所述叶片夹持结构的顶部，所述聚光透镜设置在所述叶片夹持结构中并位于所述透射光源的下方，所述叶片夹持结构设置在所述光纤光谱仪（1）的顶部，所述光纤光谱仪（1）的光纤接口（17）与所述聚光透镜相对应，所述光纤接口（17）处设置有光纤接口密封圈（2），所述数据分析显示结构与所述光纤光谱仪（1）之间连接有数据线（8）和电源线。

2.根据权利要求1所述的光谱探测装置，其特征在于：所述叶片夹持结构包括第一壳体（13）和第二壳体（14），所述第一壳体（13）与所述第二壳体（14）的顶部铰接，所述聚光透镜设置在所述第一壳体（3）中，所述第二壳体（14）的侧面与所述光纤接口（17）相应的位置设置有漫反射光源（5）。

3.根据权利要求2所述的光谱探测装置，其特征在于：所述叶片夹持结构还包括叶片夹持密封圈（3）、把手和弹簧（16），所述叶片夹持密封圈设置在所述第一壳体（13）和所述第二壳体（14）之间并位于所述聚光透镜的下方，所述把手设置在所述第一壳体（13）的一端并与所述第一壳体（13）连为一体，所述弹簧（16）设置在所述把手和所述第二壳体（14）的顶部之间。

4.根据权利要求2所述的光谱探测装置，其特征在于：所述第二壳体（14）上设置有透射反射切换开关（6），所述透射反射切换开关（6）分别与所述透射光源（4）和所述漫反射光源（5）相连。

5.根据权利要求1-4任一项所述的光谱探测装置，其特征在于：所述数据分析显示结构包括固定箱体（12）、信号处理模块、显示器（11）和电源（10），所述信号处理模块和电源（10）设置在所述固定箱体（12）中，所述显示器（11）嵌于所述固定箱体（12）的表面，所述显示器（11）与所述信号处理模块相连，所述信号处理模块通过所述数据线（8）与所述光纤光谱仪相连，所述电源通过一电源开关和所述电源线连接。

6.根据权利要求2-4任一项所述的光谱探测装置，其特征在于：所述透射光源（4）和所述漫反射光源（5）为低功率卤钨灯，光谱范围350-2000nm。

7.根据权利要求3或者4所述的光谱探测装置，其特征在于：所述第一壳体（13）上设置有光谱采集开关（7），所述光谱采集开关（7）与数据分析显示结构相连。

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