[发明专利]基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置

说明书

技术领域

本发明涉及精细农业土壤养分快速检测领域，具体是一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置。

背景技术

土壤中养分的丰缺是进行科学施肥、实现作物优质、高效、生态、安全生产的重要基础。然而，人们为了追求高产往往对作物大量盲目施肥，致使化肥的利用率很低。我国氮肥当季利用率仅为30％左右，远低于美国和日本氮素利用率60％～70％。化肥施用量的增加和利用率的下降，不仅在经济上造成巨大损失，还会引起严重的环境污染，致使地表水富营养化，地下水和蔬菜中营养元素含量超标等问题。大面积快速获取土壤养分含量信息，根据土壤养分的丰缺合理适量施肥，对于我国农业可持续发展具有重要意义。近几年，我国每年投入上亿元资金大规模推广“测土配方施肥技术”，该技术以农田土壤养分化学分析测试为基础，根据作物需肥规律提出氮、磷、钾及中、微量元素等肥料的施用方案。但是由于实验室化学分析过程复杂、周期长、成本高、实时性差，使得实际测试样本数量偏少，很难客观反映农田土壤养分实际分布情况，从而制约了该技术的大规模应用。另外，大量的土壤化验分析会产生酸碱废弃液，处理不当会引起环境污染。因此，农作物生产上迫切需要一种快速、现场原位、连续且无污染的检测方法。

可见-近红外光谱技术是一种快速无损检测技术，从上世纪80年代以来，随着计算机技术和化学计量学理论的不断发展，可见-近红外光谱技术得到广泛研究和应用。可见-近红外光谱技术具有分析速度快，分析效率高，分析成本低，测试重现性好等优点，不需添加试剂，便于在线分析。近年来，采用可见-近红外光谱技术测量土壤养分信息受到了国内外研究学者的青睐。

可见-近红外光谱容易受到土壤含水率，土壤颗粒大小和土壤表面粗糙度的影响。为了减小这些因素对光谱采集带来的影响，大部分研究学者都将农田采集到的土壤拿到实验室中进行碾磨、过筛、烘干等处理，然后再进行光谱数据测试，难以实现现场在线检测。另一方面，将光源和光纤探头直接暴露在野外环境下进行连续不间断测量，容易造成仪器损伤。现有常见的有土壤中涉及总氮含量的检测装置，但该检测装置在测量前，需要使用人工对土壤样品进行碾磨和过筛处理，检测过程不连续，这在大面积应用时有很强的局限性。

土壤可见-近红外光谱容易受到土壤质地类型的影响，不同土壤样品之间的预测机制可能存在很大差异。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于可见-近红外光谱技术的土壤养分检测装置，该装置能够在农田中对土壤养分进行大面积连续不间断的检测。本发明装置能够从农田中选择出具有代表性的土壤样本作为建模集，用于建立光谱校正模型，有利于提高模型的通用性和预测精度。

本发明采用的技术方案为：

本发明包括前后带有滚轮的移动平台，还包括安装在移动平台上的测量箱室，安装在测量箱室内的光源、光纤探头、光谱仪和控制器，安装在移动平台顶部的GPS模块和液晶显示模块以及安装在移动平台前端的用于提供电能的发电机和用于连接拖拉机的三点悬挂装置；

所述的测量箱室五面密封，底部开口与土壤表面接触，光源安装在测量箱室内顶部并朝向下方，光纤探头安装在测量箱室内的中间，光纤探头位于移动平台前后两个滚轮的之间，光纤探头朝向正下方，光源发出光经土壤漫反射后由光纤探头采集漫反射光谱，并将光谱信息传送至可见-近红外光谱仪；光纤探头经光谱仪连接控制器，GPS模块和液晶显示模块均连接到控制器。

所述的光谱仪，将光纤探头传送来的光信号转换成电信号，并传送至控制器；

所述GPS模块，记录装置采集时土壤样品的位置信息传送至控制器；

所述控制器，控制光谱仪采集光谱数据并进行建模分析和聚类分析，最后将处理结果显示在液晶显示模块上；

所述三点悬挂装置，通过联结销与拖拉机的尾部相连，使得移动平台被拖拉机牵引移动；

所述发电机，连接光源、光谱仪、控制器、GPS模块和液晶显示模块以提供电能。

进一步地，所述的滚轮均由实心钢质材料制成，直径25厘米，宽度1米。

进一步优选地，所述的光源主要由多盏同一型号的卤素灯组成，多盏卤素灯以光纤探头为圆心间隔均布地置于周围的圆周上。

进一步优选地，所述的各个光源均朝向光纤探头向内倾斜，光源的光轴沿光路方向向内并与圆周中轴线成45度夹角。

所述的光纤探头通过伸缩套筒安装，并沿伸缩套筒上下移动，伸缩套筒位于圆周中轴线上。