專利名稱：一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壤檢測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置以及方法。
背景技術(shù)：
土壤總含氮量是鑒別土壤肥力的重要指標(biāo)，氮是植物生長(zhǎng)發(fā)育所必需的營(yíng)養(yǎng)元素。土壤中的氮分為無(wú)機(jī)氮和有機(jī)氮，土壤中的有機(jī)含氮化合物主要為蛋白質(zhì)、多肽、核酸、肽聚糖、幾丁質(zhì)等，也有少量水溶性有機(jī)含氮化合物，如氨基酸、氨基糖和尿素等。蛋白質(zhì)及多肽通常占有機(jī)含氮化合物總量的20 50%，氨基糖占5 10%，除可溶性氨基酸夕卜，其余有機(jī)含氮化合物都不能被植物直接吸收，必須經(jīng)過(guò)微生物分解，將氨釋放出來(lái)，才 能供植物利用。微生物分解有機(jī)含氮化合物是由分泌在體外的水解酶將大分子水解成小分子，例如蛋白質(zhì)被分解時(shí)，先由分泌至胞外的蛋白酶將蛋白質(zhì)水解成氨基酸；核酸被分解時(shí)，由核酸水解酶降解為氨基酸、磷酸、尿素和氨，尿素再由脲酶分解為氨和二氧化碳。申請(qǐng)?zhí)枮?00910083480. I的發(fā)明公開了一種土壤無(wú)機(jī)氮含量的測(cè)定法，所述測(cè)定法包括以下步驟(1)浸提往土壤樣品中加入浸提液，浸提出土壤中的硝態(tài)氮和銨態(tài)氮，過(guò)濾后得到過(guò)濾液；(2)氧化往步驟(I)得到過(guò)濾液中加入氧化試劑，將銨態(tài)氮氧化成硝態(tài)氮，得到土壤總硝態(tài)氮溶液；(3)將土壤總硝態(tài)氮溶液進(jìn)行雙波長(zhǎng)進(jìn)行比色測(cè)定，根據(jù)比色得到的吸光值計(jì)算出土壤無(wú)機(jī)氮含量。申請(qǐng)?zhí)枮?00810012906. X的發(fā)明公開了一種土壤全氮全磷聯(lián)合測(cè)定的方法，包括如下步驟(1) 土壤同步消煮預(yù)處理稱取風(fēng)干過(guò)篩土壤樣品于消煮管內(nèi)，加入加速劑，再加入濃硫酸溶液，置于高溫條件下消煮；(2) 土壤待測(cè)液制備消煮完畢的消煮液，冷卻后加入蒸餾水定容，即可用于土壤全氮含量測(cè)定；吸取土壤全氮待測(cè)液，通過(guò)堿液調(diào)整溶液PH值，即可用于土壤全磷含量測(cè)定；(3) 土壤全氮全磷含量測(cè)定分別利用連續(xù)流動(dòng)注射分析儀自動(dòng)測(cè)定。測(cè)量土壤的總氮含量是了解土壤肥力的重要途徑，獲取土壤總氮含量信息對(duì)于農(nóng)業(yè)和環(huán)境等方面的研究很有意義?，F(xiàn)有技術(shù)中測(cè)量含氮量方法為凱氏定氮法或杜馬斯燃燒定氮法，測(cè)量過(guò)程費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、耗材成本高，且中間過(guò)程容易產(chǎn)生化學(xué)污染。因此，需要提供一種能夠快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)土壤中總氮含量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種土壤總含氮量檢測(cè)方法，操作簡(jiǎn)單，能夠快速準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)土壤樣品中總含氮量的檢測(cè)。一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱；用于向暗箱中的土壤樣品發(fā)射檢測(cè)光的光照模塊；
用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊；用于接收并處理來(lái)自所述光譜采集模塊的信號(hào)的光譜處理模塊；所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點(diǎn)光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點(diǎn)光源陣列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED點(diǎn)光源各一盞，所有LED點(diǎn)光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布。土壤樣品置于所述暗箱中，所述光照模塊向暗箱中的土壤樣品發(fā)射特定波長(zhǎng)的檢測(cè)光，所述光譜采集模塊采集不同波長(zhǎng)處土壤樣品的反射光，所述光譜處理模塊接收所述的反射光，提取不同波長(zhǎng)的反射光的反射率，利用式Y(jié) = 783. 5^-261. 1X2_182. 8X3+806. 9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 計(jì)算得到土壤樣品總含氮量。土壤樣品置于所述暗箱內(nèi)，隔離外界光線，避免外界光線對(duì)土壤樣品反射光的采集形成干擾，提高土壤樣品總含氮量檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。所述LED點(diǎn)光源發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，經(jīng)反射蓋反射后，由第一聚焦透鏡變?yōu)槠叫泄猓撈叫泄饨?jīng)第二聚焦透鏡聚焦后，進(jìn)入輸出光纖，由輸出光纖傳遞至暗箱中所述土壤樣品的上方。作為優(yōu)選，每盞LED點(diǎn)光源的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成45度夾角。所述每盞LED點(diǎn)光源的光軸與所述圓環(huán)形的軸線成45度夾角，所述每盞LED點(diǎn)光源發(fā)出的光經(jīng)所述反射蓋反射后進(jìn)入第一聚焦透鏡，變?yōu)槠叫泄狻Ｗ鳛閮?yōu)選，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光 纖所傳送信號(hào)的光敏傳感器。所述光敏傳感器相對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的檢測(cè)光設(shè)置，即相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm分別設(shè)有光敏傳感器,所述光敏傳感器接收來(lái)自土壤樣品的不同波長(zhǎng)的反射光。作為優(yōu)選，所述輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內(nèi)。所述光照模塊的輸出光纖將LED點(diǎn)光源陣列發(fā)出的光傳遞至輸出光纖位于暗箱內(nèi)的發(fā)射端，向土壤樣品發(fā)射不同波長(zhǎng)的檢測(cè)光，檢測(cè)光經(jīng)土壤樣品反射后得到反射光，反射光由所述接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至光譜處理模塊，由光譜處理模塊處理得到土壤樣品總氮含量。作為優(yōu)選，設(shè)有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第二聚焦透鏡間距的伸縮機(jī)構(gòu)。所述伸縮機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)所述輸出光纖與第二聚焦透鏡間的距離，即調(diào)節(jié)輸出光纖接受到的第二聚焦透鏡輸出的檢測(cè)光光強(qiáng)大小，經(jīng)過(guò)土壤樣品反射后，得到合適的反射光光強(qiáng)，用于計(jì)算土壤樣品總氮含量。作為優(yōu)選，設(shè)有與所述暗箱固定連接的光纖支架，該光纖支架上設(shè)有由暗箱頂部插入暗箱內(nèi)的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內(nèi)。所述光纖套管可以對(duì)輸出光纖以及接收光纖起到一定的保護(hù)作用。為了調(diào)整所述輸出光纖以及接收光纖與土壤樣品的距離，優(yōu)選地，所述光纖支架上設(shè)有緊固夾，所述光纖套管豎直的夾持在緊固夾中。本發(fā)明還公開了一種利用所述的土壤總含氮量檢測(cè)裝置檢測(cè)土壤含氮量的方法，包括如下步驟(I)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發(fā)射波長(zhǎng)為383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的檢測(cè)光；(2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長(zhǎng)處的反射率；(3)利用光譜處理模塊將所得反射率依據(jù)方程Y = 783. 5X^261. 1Χ2_182· 8Χ3+806.9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 計(jì)算得到土壤樣品總含氮量；其中，Y為土壤樣品總含氮量；X1 X8 分別為土壤樣品在波長(zhǎng) 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm處檢測(cè)光的反射率。通過(guò)向土壤樣品發(fā)射不同波長(zhǎng)的光，采集土壤樣品的反射光信息，提取不同波長(zhǎng) 處土壤樣品的反射率，計(jì)算得到土壤中總含氮量。本發(fā)明所選定的特征波長(zhǎng)僅針對(duì)土壤總含氮量的檢測(cè)，不適用于土壤其他指標(biāo)的檢測(cè)，如果需要檢測(cè)土壤樣品的其他指標(biāo)，需重新選定特征波長(zhǎng)，通過(guò)多元線性回歸建立模型，得到相應(yīng)的計(jì)算公式。本發(fā)明土壤總含氮量檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)需要選擇不同的特定波長(zhǎng)的濾光片，利用多元線性回歸建立模型，用于測(cè)量土壤樣品的不同指標(biāo)，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便快捷、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠、檢測(cè)成本低、無(wú)污染。


圖I為本發(fā)明一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置示意圖；圖2為本發(fā)明一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置光照模塊示意圖；圖3為圖2的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置做詳細(xì)描述。一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱、用于向暗箱中的土壤樣品發(fā)射檢測(cè)光的光照模塊2、用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊、用于接收并處理來(lái)自所述光譜采集模塊的信號(hào)的光譜處理模塊3。暗箱設(shè)有推拉門，土壤樣品放入暗箱后，關(guān)閉推拉門，防止外界光線對(duì)光譜采集模塊采集土壤樣品反射光的干擾。光照模塊2包括在光路上依次布置的LED點(diǎn)光源20陣列、反射蓋24、第一聚焦透鏡21、第二聚焦透鏡16以及輸出光纖，LED點(diǎn)光源20陣列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED點(diǎn)光源各一盞，所有LED點(diǎn)光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布，每盞LED點(diǎn)光源的光軸沿光路方向與圓環(huán)形的軸線成45度夾角。光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號(hào)的光敏傳感器，光敏傳感器相對(duì)應(yīng)LED點(diǎn)光源20不同波長(zhǎng)的檢測(cè)光設(shè)置，即相對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 分別設(shè)有光敏傳感器，光敏傳感器接收來(lái)自土壤樣品的不同波長(zhǎng)的反射光。輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于暗箱內(nèi)，光照模塊2的輸出光纖將LED點(diǎn)光源20陣列發(fā)出的光傳遞至輸出光纖位于暗箱內(nèi)的發(fā)射端，向土壤樣品發(fā)射不同波長(zhǎng)的檢測(cè)光，檢測(cè)光經(jīng)土壤樣品反射后得到反射光，反射光由接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至光譜處理模塊3，由光譜處理模塊3處理得到土壤樣品總氮含量。設(shè)有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第二聚焦透鏡16間距的伸縮機(jī)構(gòu)15，伸縮機(jī)構(gòu)15可以調(diào)節(jié)輸出光纖與第二聚焦透鏡16間的距離，即調(diào)節(jié)輸出光纖接受到的第二聚焦透鏡16輸出的檢測(cè)光光強(qiáng)大小，經(jīng)過(guò)土壤樣品反射后，得到合適的反射光光強(qiáng)，用于計(jì)算土壤樣品總氮含量。設(shè)有放置光照模塊2，光譜采集模塊以及光譜處理模塊3的支架1，支架I上還設(shè)有顯示光譜處理模塊3處理結(jié)果的顯示屏4、光譜采集模塊開關(guān)6以及電源開關(guān)5。設(shè)有與暗箱10固定連接的光纖支架12，該光纖支架12上設(shè)有由暗箱10頂部插入暗箱10內(nèi)的光纖套管13，輸出光纖以及接收光纖沿光纖套管13延伸入暗箱10內(nèi)，光纖支架12上設(shè)有緊固夾，光纖套管13豎直的夾持在緊固夾中，通過(guò)調(diào)節(jié)緊固夾的夾持位置，可以調(diào)節(jié)光纖套管13深入暗箱10中的長(zhǎng)度，從而使輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集 端與土壤樣品9緊密接觸。本發(fā)明所述的光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3均為用電部件，為了保證光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3的正常工作，在沒(méi)有特殊說(shuō)明的前提下應(yīng)當(dāng)理解為光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3均連接有相匹配的電源，光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3可以采用同一總電源，也可以根據(jù)實(shí)際需要單獨(dú)設(shè)置電源，或者是通過(guò)光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3之間的電路實(shí)現(xiàn)電源信號(hào)的傳遞。各用電部件之間的空間位置關(guān)系沒(méi)有嚴(yán)格限制，但為了便于加工和安裝盡可能的采用集成度較高的電路布置。本發(fā)明土壤含氮量檢測(cè)裝置工作時(shí)，將土壤樣品9放入暗箱10內(nèi)，關(guān)閉推拉門8，通過(guò)光纖支架12緊固夾，調(diào)節(jié)光纖套管13插入暗箱10的高度，使輸出光纖14的發(fā)射端以及接收光纖的采集端緊貼土壤樣品9，打開電源開關(guān)5，光照模塊22發(fā)出383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm波長(zhǎng)的光,經(jīng)輸出光纖14的發(fā)射端照射至土壤樣品9，打開光譜采集模塊開關(guān)6，土壤樣反射后，經(jīng)接收光纖的采集端采集，傳遞至光譜處理模塊3，經(jīng)光譜處理模塊3處理后，將土壤樣品9總氮含量顯示在顯示屏4上。土壤氮含量單位為mg/kg。利用所述的土壤總含氮量檢測(cè)裝置檢測(cè)土壤總含氮量的方法，包括如下步驟(I)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發(fā)射波長(zhǎng)為383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的檢測(cè)光；(2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長(zhǎng)處的反射率；(3)利用光譜處理模塊將所得反射率依據(jù)方程Y = 783. 5X^261. 1Χ2_182· 8Χ3+806.9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 計(jì)算得到土壤樣品總含氮量；其中，Y為土壤樣品總含氮量；X1 X8 分別為土壤樣品在波長(zhǎng) 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm處檢測(cè)光的反射率。本發(fā)明所選定的特征波長(zhǎng)(其中有一個(gè)作為參照波長(zhǎng)，其余7個(gè)參與計(jì)算)僅針對(duì)土壤總氮含量的快速檢測(cè)，如果需要測(cè)量土壤的其他指標(biāo)，需要重新選定特定波長(zhǎng)，通過(guò)多元線性回歸，建立模型，計(jì)算得到相應(yīng)的指標(biāo)值。利用本發(fā)明提供的方法建立模型的相關(guān)指標(biāo)見表1，其中，建模集表示建立模型時(shí)，利用土壤樣品的反射率以及現(xiàn)有方法測(cè)試得到的總含氮量擬合得到模型方程，預(yù)測(cè)集表示，建立完模型后，使用土壤樣品依據(jù)模型方程得到的總含氮量擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。表I
權(quán)利要求
1.一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置，其特征在于，包括 用于放置土壤樣品的暗箱； 用于向暗箱中的土壤樣品發(fā)射檢測(cè)光的光照模塊； 用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊； 用于接收并處理來(lái)自所述光譜采集模塊的信號(hào)的光譜處理模塊； 所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點(diǎn)光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點(diǎn)光源陣列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED點(diǎn)光源各一盞，所有LED點(diǎn)光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布。
2.如權(quán)利要求I所述的土壤總含氮量檢測(cè)裝置，其特征在于，每盞LED點(diǎn)光源的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成45度夾角。
3.如權(quán)利要求2所述的土壤總含氮量檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號(hào)的光敏傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的土壤總含氮量檢測(cè)裝置，其特征在于，所述輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的土壤總含氮量檢測(cè)裝置，其特征在于，設(shè)有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第二聚焦透鏡間距的伸縮機(jī)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的土壤有機(jī)質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于，設(shè)有與所述暗箱固定連接的光纖支架，該光纖支架上設(shè)有由暗箱頂部插入暗箱內(nèi)的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的土壤有機(jī)質(zhì)檢測(cè)裝置，其特征在于，所述光纖支架上設(shè)有緊固夾，所述光纖套管豎直的夾持在緊固夾中。
8.利用如權(quán)利要求I 7任一所述的土壤總含氮量檢測(cè)裝置檢測(cè)土壤含氮量的方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發(fā)射波長(zhǎng)為383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的檢測(cè)光； (2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長(zhǎng)處的反射率； (3)利用光譜處理模塊將所得反射率依據(jù)方程Y= 783. 5Xr261. 1X2-182. 8X3+806. 9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7-307. 1X8+156. 5 計(jì)算得到土壤樣品總含氮量； 其中，Y為土壤樣品總含氮量； X1 X8 分別為土壤樣品在波長(zhǎng) 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm處檢測(cè)光的反射率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤總含氮量檢測(cè)裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱；用于向暗箱中的土壤樣品發(fā)射檢測(cè)光的光照模塊；用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊；用于接收并處理來(lái)自所述光譜采集模塊的信號(hào)的光譜處理模塊。本發(fā)明還公開了一種利用所述土壤總含氮量檢測(cè)裝置檢測(cè)土壤總含氮量的方法。本發(fā)明土壤總含氮量檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以根據(jù)需要選擇不同的特定波長(zhǎng)的濾光片，利用多元線性回歸建立模型，用于測(cè)量土壤樣品的不同指標(biāo)，檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)便快捷、檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確可靠、檢測(cè)成本低、無(wú)污染。
文檔編號(hào)G01N21/25GK102798597SQ20121028635
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者何勇, 章海亮 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)