本發(fā)明涉及土壤養(yǎng)分檢測技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置。

背景技術(shù)：

土壤養(yǎng)分測定在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和測土配方施肥中具有重要地位，國內(nèi)外學(xué)者一直致力于其快速實(shí)時測定方法的研究。然而，目前土壤養(yǎng)分的測量主要是采用傳統(tǒng)的化學(xué)測試，該方法費(fèi)時、費(fèi)力、成本高且難以實(shí)現(xiàn)土壤實(shí)時測量。由于土壤養(yǎng)分是化學(xué)物質(zhì)，迄今尚無一種能直接檢測出這些物質(zhì)的傳感器，這使得土壤養(yǎng)分高精度實(shí)時測定成為難題，并成為近年研究和關(guān)注的熱點(diǎn)?？梢?近紅外光譜分析技術(shù)因其快速、簡便、低成本、破壞性小和多組分同時測定等優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞。

可見/近紅外光譜分析技術(shù)是光譜學(xué)、化學(xué)計量學(xué)和計算機(jī)科學(xué)等多學(xué)科知識的一種現(xiàn)代分析技術(shù)。相對于傳統(tǒng)的化學(xué)分析技術(shù)，可見/近紅外光譜分析技術(shù)能夠在較短的時間內(nèi)獲取待測樣品中多種成分的含量，可以一次光譜采集，多種成分同時測量；同時無需對樣品作任何預(yù)處理或作簡單處理，可實(shí)現(xiàn)無損檢測；無需化學(xué)試劑，對環(huán)境不會造成二次污染。因此，可見/近紅外光譜分析技術(shù)是一種快速、無損、無污染的分析技術(shù)，具有能夠定量反演被檢測對象物理性質(zhì)和組分含量的潛力，在很多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，將其應(yīng)用于土壤養(yǎng)分檢測領(lǐng)域具有重要意義。

目前，可見/近紅外光譜土壤養(yǎng)分的研究主要是在實(shí)驗(yàn)室利用大型的傅里葉變化光譜儀進(jìn)行的。然而，田間土壤光譜的測量對于土壤檢測來說意義更大。田間土壤光譜的測量受到光譜儀器的限制。公開號為cn101408502a的發(fā)明專利申請公開了一種便攜式植物土壤養(yǎng)分快速測定儀，實(shí)現(xiàn)了植物和土壤養(yǎng)分信息的非接觸光譜測量和快速計算。但該測定儀波段覆蓋范圍僅為350nm～1050nm。美國asd公司的便攜式地物譜儀能夠覆蓋近紅外全波段（350nm～2500nm）。該儀器近紅外波段采用光柵掃描方式進(jìn)行分光，成本過高限制了其應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，對土壤養(yǎng)分進(jìn)行原位、快速檢測。

本發(fā)明的技術(shù)方案為：

一種基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，該裝置包括測量探頭、微處理器、光譜采集單元、驅(qū)動單元、電源和平板電腦，所述測量探頭包括探頭本體、設(shè)置在探頭本體內(nèi)的光源、準(zhǔn)直透鏡、光學(xué)快門、參比物質(zhì)、步進(jìn)電機(jī)和聚焦透鏡、開設(shè)在探頭本體底部且位于光源正下方的窗口以及嵌在窗口上的窗片；

所述微處理器、光譜采集單元、驅(qū)動單元和電源均設(shè)置在機(jī)箱內(nèi)，所述光譜采集單元包括波長范圍為350nm～1000nm的第一微型光譜儀、波長范圍為900nm～2000nm的第二微型光譜儀和波長范圍為1700nm～2500nm的第三微型光譜儀，所述驅(qū)動單元包括光源驅(qū)動模塊、光學(xué)快門驅(qū)動模塊和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊；

所述第二微型光譜儀和第三微型光譜儀均采用mems傅里葉變換紅外光譜儀,所述mems傅里葉變換紅外光譜儀采用邁克遜干涉儀分光并以單點(diǎn)銦鎵砷作為探測器，所述邁克遜干涉儀所用光學(xué)元件運(yùn)用mems技術(shù)刻蝕于一塊硅片上，所述探測器集成有tec制冷片；

所述準(zhǔn)直透鏡和光學(xué)快門依次設(shè)置在光源正下方，所述準(zhǔn)直透鏡用于對光源發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直，所述光學(xué)快門用于測量暗電流時遮擋光源發(fā)出的光進(jìn)入光譜采集單元；所述參比物質(zhì)緊貼探頭本體底部設(shè)置，所述步進(jìn)電機(jī)用于測量參比物質(zhì)光譜時驅(qū)動參比物質(zhì)至光源正下方以及測量完成后驅(qū)動參比物質(zhì)退回原位；

所述聚焦透鏡用于收集土壤樣品的漫反射光并通過收集光纖輸入光譜采集單元，所述光譜采集單元的輸出端與微處理器的輸入端連接，所述微處理器的輸出端通過驅(qū)動單元分別與光源、光學(xué)快門和步進(jìn)電機(jī)的輸入端連接，所述微處理器與平板電腦交互式連接。

所述的基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，所述電源采用12v鋰離子充電電池。

所述的基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，所述光學(xué)快門位于光源正下方5cm處。

所述的基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，所述收集光纖包括第一光纖和設(shè)置在機(jī)箱內(nèi)的第二光纖，所述第二光纖為一分三光纖，所述第一光纖的一端與設(shè)置在探頭本體內(nèi)且位于聚焦透鏡后端的sam接頭連接，另一端通過設(shè)置在機(jī)箱內(nèi)的sam結(jié)合套管與第二光纖的一分端連接，所述第二光纖的三分端與第一微型光譜儀、第二微型光譜儀和第三微型光譜儀一一對應(yīng)連接。

所述的基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，所述參比物質(zhì)為ptfe。

所述的基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，所述微處理器與平板電腦通過無線通訊模塊或接口電路連接，所述接口電路設(shè)置在機(jī)箱內(nèi)，包括usb3.0和rs232。

本發(fā)明的有益效果為：

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明有效結(jié)合三個微型光譜儀，波長覆蓋近紅外全波段（350nm～2500nm）；測量探頭集成有光學(xué)快門和參考物質(zhì)，可以自動實(shí)時測量光譜儀暗電流和參考光譜，提高了裝置抗擊環(huán)境溫度變化、光源波動以及其他元件變化影響的能力；采用mems技術(shù)的傅里葉變換紅外光譜儀，降低了裝置的成本，使其更適用于土壤應(yīng)用；本發(fā)明的裝置集成度高、體積小、重量輕、成本低，便于攜帶，操作方便，可實(shí)現(xiàn)對土壤養(yǎng)分的原位、快速檢測。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意框圖；

圖2是本發(fā)明的測量探頭的結(jié)構(gòu)示意框圖；

圖3是本發(fā)明的測量探頭的外形示意圖；

圖4是本發(fā)明的測量探頭的立體結(jié)構(gòu)剖視圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)一步說明本發(fā)明。

如圖1所示，一種基于光譜技術(shù)的便攜式土壤養(yǎng)分檢測裝置，包括測量探頭1、微處理器2、光譜采集單元3、驅(qū)動單元4、接口電路5、電源6、機(jī)箱7、第一光纖8、第二光纖9、sam結(jié)合套管10和平板電腦11。其中，微處理器2、光譜采樣單元3、驅(qū)動單元4、接口電路5、電源6、第二光纖9和sam結(jié)合套管10均設(shè)置在機(jī)箱7內(nèi)。第二光纖9為一分三光纖，一分端纖芯為1000um，三分端纖芯均為400um。

如圖2～4所示，測量探頭1為漫反射式，采用0/45發(fā)射采集方式。測量探頭1包括探頭本體1-0、光源1-1、準(zhǔn)直透鏡1-2、光學(xué)快門1-3、參比物質(zhì)1-4、步進(jìn)電機(jī)1-5、聚焦透鏡1-6和sam接頭1-7。其中，光源1-1、準(zhǔn)直透鏡1-2、光學(xué)快門1-3、參比物質(zhì)1-4、步進(jìn)電機(jī)1-5、聚焦透鏡1-6和sam接頭1-7均設(shè)置在探頭本體1-0內(nèi)，探頭本體1-0底部位于光源1-1正下方處開設(shè)有一直徑20mm的窗口1-8，窗口1-8內(nèi)嵌有藍(lán)寶石窗片。

探頭本體1-0采用易散熱鋁合金材料制備，外形為圓柱形。光源1-1為末端集成有聚焦鏡的小功率（6.25w）鹵鎢燈。準(zhǔn)直透鏡1-2用于對光源1-1發(fā)出的光進(jìn)行準(zhǔn)直。光學(xué)快門1-3位于光源1-1正下方5cm處，測量暗電流時，光學(xué)快門1-3開啟，遮擋光源1-1發(fā)出的光進(jìn)入光譜采集單元3。參比物質(zhì)1-4為ptfe，緊貼探頭本體1-0底部設(shè)置，用于參比物質(zhì)漫反射光譜的測量。參比物質(zhì)1-4由步進(jìn)電機(jī)1-5驅(qū)動控制前進(jìn)后退。測量參比物質(zhì)漫反射光譜時，步進(jìn)電機(jī)1-5驅(qū)動參比物質(zhì)1-4至光源1-1正下方采集參比物質(zhì)光譜，測量完成后參比物質(zhì)1-4退回到原位。聚焦透鏡1-6用于收集土壤樣品0的漫反射光進(jìn)入位于聚焦透鏡1-6后端的sam接頭1-7進(jìn)而通過第一光纖8和第二光纖9進(jìn)入光譜采集單元3。

光譜采集單元3包括第一微型光譜儀3-1、第二微型光譜儀3-2和第三微型光譜儀3-3，波長覆蓋350nm～2500nm。其中，第一微型光譜儀3-1波長范圍為350nm～1000nm，光學(xué)分辨率為3nm；第二微型光譜儀3-2波長范圍為900nm～2000nm，光學(xué)分辨率為10nm；第三微型光譜儀3-3波長范圍為1700～2500nm，光學(xué)分辨率為10nm。三個光譜儀均采用usb驅(qū)動。第一微型光譜儀3-1采用固定反射光柵分光，3648像元硅基線陣ccd作為探測器。第二微型光譜儀3-2和第三微型光譜儀3-3均采用mems傅里葉變換紅外光譜儀，采用邁克遜干涉儀分光，邁克遜干涉儀所用光學(xué)元件運(yùn)用mems技術(shù)刻蝕于一塊硅片上，單點(diǎn)銦鎵砷作為探測器，探測器集成有tec制冷片。

第一光纖8的一端與sam接頭1-7連接，另一端通過sam結(jié)合套管10與第二光纖9的一分端連接，第二光纖9的三分端與第一微型光譜儀3-1、第二微型光譜儀3-2和第三微型光譜儀3-3一一對應(yīng)連接。第一微型光譜儀3-1、第二微型光譜儀3-2和第三微型光譜儀3-3的輸出端與微處理器2的輸入端連接。

微處理器2用于整個裝置的控制及數(shù)據(jù)處理。微處理器2的輸出端通過驅(qū)動單元4分別與光源1-1、光學(xué)快門1-3和步進(jìn)電機(jī)1-5的輸入端連接。驅(qū)動單元4包括光源驅(qū)動模塊4-1、光學(xué)快門驅(qū)動模塊4-2和步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊4-3。其中，光源驅(qū)動模塊4-1為恒定電流驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)對光源1-1的控制；光學(xué)快門驅(qū)動模塊4-2實(shí)現(xiàn)對光學(xué)快門1-3的控制；步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動模塊4-3實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)1-5的控制。

微處理器2與平板電腦11通過無線通訊模塊或接口電路5交互式連接。接口電路5包括usb3.0和rs232。平板電腦11用于光譜采集參數(shù)設(shè)置、光譜數(shù)據(jù)顯示。電源6為整個裝置供電，采用12v鋰離子充電電池，可持續(xù)工作8小時。本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)對土壤ph、總氮、總磷、交換性鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的測量。

本發(fā)明的工作原理：

平板電腦11內(nèi)置基于可見/近紅外的土壤養(yǎng)分預(yù)測模型，可檢測土壤ph、總氮、總磷、交換性鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分。本發(fā)明采用三個低成本微型光譜儀覆蓋近紅外全波段（350nm～2500nm）獲取土壤近紅外光譜。測量探頭1內(nèi)置的小功率鹵素?zé)舭l(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直透鏡1-2準(zhǔn)直后照射到土壤樣品0表面，土壤樣品0的漫反射光經(jīng)聚焦透鏡1-6收集后再通過第一光纖8和第二光纖9進(jìn)入三個微型光譜儀，微型光譜儀將收集到的漫反射光經(jīng)分光、探測、模數(shù)轉(zhuǎn)換、放大后獲得土壤樣品0的可見/近紅外光譜數(shù)據(jù)，經(jīng)由usb線傳輸給微處理器2。微處理器2將獲得的數(shù)據(jù)傳輸給平板電腦11，平板電腦11運(yùn)用預(yù)測模型計算出土壤ph、總氮、總磷、交換性鉀、有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的含量。

以上所述實(shí)施方式僅僅是對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行描述，并非對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限定，在不脫離本發(fā)明設(shè)計精神的前提下，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員對本發(fā)明的技術(shù)方案作出的各種變形和改進(jìn)，均應(yīng)落入本發(fā)明的權(quán)利要求書確定的保護(hù)范圍內(nèi)。