[发明专利]一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及土壤养分检测技术领域，具体是一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置。

背景技术

土壤养分测定在精准农业和测土配方施肥中具有重要地位，国内外学者一直致力于其快速实时测定方法的研究。然而，目前土壤养分的测量主要是采用传统的化学测试，该方法费时、费力、成本高且难以实现土壤实时测量。由于土壤养分是化学物质，迄今尚无一种能直接检测出这些物质的传感器，这使得土壤养分高精度实时测定成为难题，并成为近年研究和关注的热点。可见/近红外光谱分析技术因其快速、简便、低成本、破坏性小和多组分同时测定等优点受到人们的青睐。

可见/近红外光谱分析技术是光谱学、化学计量学和计算机科学等多学科知识的一种现代分析技术。相对于传统的化学分析技术，可见/近红外光谱分析技术能够在较短的时间内获取待测样品中多种成分的含量，可以一次光谱采集，多种成分同时测量；同时无需对样品作任何预处理或作简单处理，可实现无损检测；无需化学试剂，对环境不会造成二次污染。因此，可见/近红外光谱分析技术是一种快速、无损、无污染的分析技术，具有能够定量反演被检测对象物理性质和组分含量的潜力，在很多领域得到广泛应用，将其应用于土壤养分检测领域具有重要意义。

目前，可见/近红外光谱土壤养分的研究主要是在实验室利用大型的傅里叶变化光谱仪进行的。然而，田间土壤光谱的测量对于土壤检测来说意义更大。田间土壤光谱的测量受到光谱仪器的限制。公开号为CN101408502A的发明专利申请公开了一种便携式植物土壤养分快速测定仪，实现了植物和土壤养分信息的非接触光谱测量和快速计算。但该测定仪波段覆盖范围仅为350nm～1050nm。美国ASD公司的便携式地物谱仪能够覆盖近红外全波段（350nm～2500nm）。该仪器近红外波段采用光栅扫描方式进行分光，成本过高限制了其应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，对土壤养分进行原位、快速检测。

本发明的技术方案为：

一种基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，该装置包括测量探头、微处理器、光谱采集单元、驱动单元、电源和平板电脑，所述测量探头包括探头本体、设置在探头本体内的光源、准直透镜、光学快门、参比物质、步进电机和聚焦透镜、开设在探头本体底部且位于光源正下方的窗口以及嵌在窗口上的窗片；

所述微处理器、光谱采集单元、驱动单元和电源均设置在机箱内，所述光谱采集单元包括波长范围为350nm～1000nm的第一微型光谱仪、波长范围为900nm～2000nm的第二微型光谱仪和波长范围为1700nm～2500nm的第三微型光谱仪，所述驱动单元包括光源驱动模块、光学快门驱动模块和步进电机驱动模块；

所述第二微型光谱仪和第三微型光谱仪均采用MEMS傅里叶变换红外光谱仪, 所述MEMS傅里叶变换红外光谱仪采用迈克逊干涉仪分光并以单点铟镓砷作为探测器，所述迈克逊干涉仪所用光学元件运用MEMS技术刻蚀于一块硅片上，所述探测器集成有TEC制冷片；

所述准直透镜和光学快门依次设置在光源正下方，所述准直透镜用于对光源发出的光进行准直，所述光学快门用于测量暗电流时遮挡光源发出的光进入光谱采集单元；所述参比物质紧贴探头本体底部设置，所述步进电机用于测量参比物质光谱时驱动参比物质至光源正下方以及测量完成后驱动参比物质退回原位；

所述聚焦透镜用于收集土壤样品的漫反射光并通过收集光纤输入光谱采集单元，所述光谱采集单元的输出端与微处理器的输入端连接，所述微处理器的输出端通过驱动单元分别与光源、光学快门和步进电机的输入端连接，所述微处理器与平板电脑交互式连接。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述电源采用12V锂离子充电电池。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述光学快门位于光源正下方5cm处。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述收集光纤包括第一光纤和设置在机箱内的第二光纤，所述第二光纤为一分三光纤，所述第一光纤的一端与设置在探头本体内且位于聚焦透镜后端的SAM接头连接，另一端通过设置在机箱内的SAM结合套管与第二光纤的一分端连接，所述第二光纤的三分端与第一微型光谱仪、第二微型光谱仪和第三微型光谱仪一一对应连接。

所述的基于光谱技术的便携式土壤养分检测装置，所述参比物质为PTFE。