一種土壤有機質檢測裝置以及檢測方法
2023-12-05 08:36:11
專利名稱：一種土壤有機質檢測裝置以及檢測方法
技術領域：
本發明涉及土壤檢測領域，具體涉及一種土壤有機質檢測裝置以及檢測方法。
背景技術：
土壤有機質是土壤固相部分的重要組成成分，是反映土壤肥力高低的重要指標之一，對於改善土壤物理性狀、提高土壤保肥能力等方面具有重要作用。儘管土壤有機質的含量只佔土壤總量的很小一部分，但它對土壤形成、環境保護及農林業可持續發展等方面具有重要意義。
土壤有機質的含量在不同土壤中差異很大，含量高的可達20 30%以上(如泥炭土，某些肥沃的森林土壤等)，含量低的不足0.5 1% (如荒漠土和風沙土等)。在土壤學中，一般把耕作層中有機質含量20%以上的土壤稱為有機質土壤，有機質含量在20%以下的土壤稱為礦質土壤。土壤有機質一般以三種類型狀態存在(I)新鮮的有機物進入土壤中尚未被微生物分解的動、植物殘體，它們仍保留著原有的形態等特徵；(2)分解的有機物經微生物的分解，使進入土壤中的動、植物殘體失去了原有的形態等特徵，有機質已部分分解，並且相互纏結，呈褐色，包括有機質分解產物和新合成的簡單有機化合物；(3)腐殖質有機質經過微生物分解後並再合成的一種褐色或暗褐色的大分子膠體物質，與土壤礦物質土粒緊密結合，是土壤有機質存在的主要形態類型，佔土壤有機質總量的85%。申請號為200910156632. 6的發明公開了一種移動式土壤檢測中樣品的預處理方法，包括以下步驟a、在土壤測量點處取得土壤樣品，並將其放置在加熱器上，所述加熱器設置在研磨單元上山、所述加熱器烘乾土壤樣品；c、移動所述加熱器或篩子，將土壤樣品導入研磨單元；利用研磨單元研磨其內部的土壤樣品；d、使篩子處於工作狀態，翻轉所述研磨單元，將研磨後的土壤樣品過篩。申請號為200920295569. X的實用新型公開了一種移動式土壤檢測中樣品的預處理裝置，所述預處理裝置包括用於盛裝和研磨土壤樣品的研磨單元；用於篩選研磨后土壤樣品的篩子；用於放置、加熱土壤樣品的加熱器；所述加熱器和篩子設置在研磨單元上。現有的土壤有機質含量測定基於化學分析方法，需要專業人員制樣，且存在制樣繁瑣、檢測時間長以及檢測成本高等缺點。
發明內容
本發明提供了一種土壤有機質檢測裝置以及檢測方法，可以實現土壤樣品有機質的現場快速檢測，操作簡單，使用方便。一種土壤有機質檢測裝置，包括
採樣車；安裝在所述採樣車底部的取樣模塊；用於向取樣模塊中的土壤樣品發射檢測光的光照探頭模塊；用於接收土壤樣品反射光的光譜採集模塊；用於接收並處理來自所述光譜採集模塊的信號的光譜處理模塊。所述取樣模塊安裝在採樣車底部，在取樣車前進的過程中可一次性完成土壤樣品取樣及制樣過程，土壤樣品制樣完成後，所述光照探頭模塊向土壤樣品發射特定波長的檢測光，經土壤樣品反射後得到反射光，所述光譜採集模塊採集反射光，由所述光譜處理模塊對所採集的反射光的信號進行處理，得到土壤樣品的有機質含量。作為優選，所述光照探頭模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列以及聚焦·透鏡，所述 LED 點光源陣列包括 420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm 和 1130nm的LED光源各一盞，所有LED光源呈圓環形排列且均勻分布。所述LED電光源陣列發出不同波長的檢測光，不同波長的檢測光經聚焦透鏡聚焦後照射至土壤樣品上。作為優選，每盞LED光源的光軸與所述圓環形的軸線成45度夾角。所述每盞LED光源的光軸與所述圓環形的軸線成45度夾角，即所有LED光源的光軸與所述圓環形的軸線相交，該交點位於LED光源發出的檢測光光路前進方向。作為優選，所述光譜採集模塊包括接收樣品反射光的光纖以及接收該光纖所傳送信號的光敏傳感器。所述光敏傳感器相對應不同波長的檢測光設置，即相對應波長420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm分別設有光敏傳感器,所述光敏傳感器接收來自土壤樣品的不同波長的反射光。作為優選，所述取樣模塊包括沿採樣車前進方向依次連接的暗箱、壓緊塊以及雙面犁，所述暗箱底面帶有採樣口，所述LED點光源陣列、聚焦透鏡以及光纖的信號採集端均位於所述暗箱中。採樣車前進時，所述雙面犁先將土壤表層去除，利用所述壓緊塊將土壤樣品壓實，採樣車繼續前進，去除表層土壤並壓實的土壤樣品進入所述暗箱內，所述LED點光源陣列發射檢測光，經聚焦透鏡聚焦後照射至土壤樣品，土壤樣品反射後得到反射光，所述光纖信號採集端採集反射光信號，該信號經光纖傳輸至光譜處理模塊，經處理後，得到土壤樣品有機質含量。土壤樣品置於所述暗箱中，避免了外界光線對於土壤樣品反射光信號採集的幹擾，提高土壤樣品有機質含量測量的精確度。作為優選，所述採樣車螺紋配合有豎直布置的絲槓，所述絲槓的底端與所述壓緊塊轉動配合且軸向限位，所述絲槓的頂端固定有旋轉把手。轉動所述旋轉把手，可以調節所述壓緊塊相對於土壤的高度，也即調節土壤的壓實程度。採樣車前進時，所述雙面犁先將土壤表層去除，壓緊塊行進至該土壤表面，通過轉動旋轉把手，使壓緊塊下降，將土壤樣品壓實，採樣車繼續前進，去除表層土壤並壓實的土壤樣品進入所述暗箱內。為了使土壤樣品的壓實更加便捷，優選地，所述壓緊塊的底面為斜面，該斜面一側與雙面犁的底面平齊銜接，另一側逐漸降低。所述採樣車前進時，雙面犁將土壤表層去除後，壓緊塊行進至該土壤，由於壓緊塊遠離雙面犁的一側逐漸降低，在採樣車行進時，即可同時完成土壤樣品的壓實。本發明一種土壤有機質檢測裝置結構緊湊，所用的LED點光源能耗少且穩定性強，移動性強，適合現場檢測，檢測結構不受外部光線幹擾，檢測精度高，速度快，可以滿足對土壤有機質含量實時檢測的需求。本發明還提供了一種利用所述的土壤有機質檢測裝置檢測土壤有機質的方法，包括如下步驟(I)利用所述取樣模塊採集土壤樣品，利用所述光照探頭模塊向土壤樣品發射波長為 420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm 和 1130nm 的檢測光；
(2)利用所述光譜採集模塊接收土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長處的反射率；(3)利用光譜處理模塊將所得反射率通過C =+ δ方程計算得到土壤樣品有機質含量；其中，C為土壤樣品有機質含量；λ i為檢測光的波長；R(Ai)為波長λ i的檢測光的反射率；a0 a7 分別為6,124. 2,6. 4,-633. 8,-367. 5,918. 9,-206. 4,117. 6 ；b 為32.2。通過提取土壤樣品對波長為420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm 和1130nm的檢測光的反射信息，得到土壤樣品在不同波長處的反射率，將所得反射率帶入
C =+ H十算得到土壤樣品有機質含量。
/=0所述C =+ δ中係數a。 a7以及b通過測試不同土壤樣品有機質含量後，利用偏最小二乘法建模得到。作為優選，向所述土壤樣品發射檢測光之前，刮除土壤樣品表面層並壓實。土壤樣品表面層的有機質含量不同於土壤樣品，將土壤樣品表面層去除後，減小對土壤樣品有機質含量測定的誤差。土壤樣品壓實可以避免不同鬆散度樣品的帶來的測量誤差。本發明提供的土壤有機質檢測方法，檢測精度高，速度快，穩定性強，可以實現土壤有機質的實時監測。
圖I為本發明一種土壤有機質檢測裝置示意圖；圖2為本發明一種土壤有機質檢測裝置取樣模塊示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明一種土壤有機質檢測裝置做詳細描述。
本發明一種土壤有機質檢測裝置，包括採樣車、安裝在採樣車底部的取樣模塊、用於向取樣模塊中的土壤樣品發射檢測光的光照探頭模塊、用於接收土壤樣品反射光的光譜採集模塊以及用於接收並處理來自光譜採集模塊的信號的光譜處理模塊。採樣車包括車體15以及車輪1，移動方便，適合於土壤樣品有機質的現場測量。光照探頭模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列以及聚焦透鏡，LED點光源陣列包括 420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm 和 1130nm 的 LED 光源各一盞，所有LED光源呈圓環形排列且均勻分布，每盞LED光源的光軸與圓環形的軸線成45度夾角。 車體內設有恆流電源14以及電源穩壓裝置13，產生24v直流電，向LED點光源供電。光譜採集模塊包括接收樣品反射光的光纖2以及接收該光纖2所傳送信號的光敏傳感器7，光敏傳感器7相對應LED點光源不同波長的檢測光設置，即相對應波長420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm分別設有光敏傳感器7,光敏傳感器7接收來自土壤樣品的不同波長的反射光。取樣模塊包括沿採樣車前進方向依次連接的暗箱17、壓緊塊19以及雙面犁20，暗箱17、壓緊塊19以及雙面犁20可以一體成型，也可以焊接成一整體，暗箱17底面帶有採樣口，LED點光源陣列、聚焦透鏡以及光纖2的信號採集端均位於暗箱17中，暗箱17頂部設有通孔16，光纖2貫穿該通孔16，使光纖2的信號採集端位於暗箱17中。採樣車螺紋配合有豎直布置的絲槓6，絲槓6的底端與壓緊塊19轉動配合且軸向限位，壓緊塊19頂端設有與絲槓6螺紋配合的開孔18，絲槓6的頂端固定有旋轉把手8。壓緊塊19的底面為斜面，該斜面一側與雙面犁20的底面平齊銜接，另一側逐漸降低。光譜採集模塊及光譜處理模塊位於採樣車內，本發明所述的光照探頭模塊、光譜採集模塊以及光譜處理模塊均為用電部件，為了保證光照探頭模塊、光譜採集模塊以及光譜處理模塊的正常工作，在沒有特殊說明的前提下應當理解為光照探頭模塊、光譜採集模塊以及光譜處理模塊均連接有相匹配的電源，光照探頭模塊、光譜採集模塊以及光譜處理模塊可以採用同一總電源，也可以根據實際需要單獨設置電源，或者是通過光照探頭模塊、光譜採集模塊以及光譜處理模塊之間的電路實現電源信號的傳遞。各用電部件之間的空間位置關係沒有嚴格限制，但為了便於加工和安裝儘可能的採用集成度較高的電路布置。採樣車上還設有相應的光譜採集模塊開關12、整個土壤有機質檢測裝置的總開關11以及光譜處理模塊處理結果的顯示屏10。光譜處理模塊包括電路板PCM-9361，通過COM 口和RS232線與顯示屏10進行通訊，電路板PCM-9361通過USB線給顯示屏10供電，電路板PCM-9361通過數據線將數據寫
入/讀出數據存儲器。本發明一種土壤有機質檢測裝置工作時，移動採樣車至需要測量土壤有機質的採樣點，雙面犁20除去土壤表面層，壓緊塊19將出去表面層後的土壤壓實得到土壤樣品，土壤樣品移入暗箱17中，光照探頭模塊緊貼土壤樣品，打開總開關11，向土壤樣品發射不同波長的檢測光，打開光譜採集模塊開關12，檢測光經土壤樣品反射後，通過光纖2採集反射信號傳遞至光譜處理模塊，光譜處理模塊處理後，將土壤樣品的有機質含量顯示在顯示屏10上。本發明利用所述土壤有機質檢測裝置檢測土壤有機質的方法，8、一種利用如權利要求I 7任一所述的土壤有機質檢測裝置檢測土壤有機質的方法，其特徵在於，包括如下步驟(I)利用所述取樣模塊採集土壤樣品，利用所述光照探頭模塊向土壤樣品發射波長為 420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm 和 1130nm 的檢測光；(2)利用所述光譜採集模塊接收土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長處的反射率；(3)利用光譜處理模塊將所得反射率通過Γ
權利要求
1.一種土壤有機質檢測裝置，其特徵在於，包括 採樣車； 安裝在所述採樣車底部的取樣模塊； 用於向取樣模塊中的土壤樣品發射檢測光的光照探頭模塊； 用於接收土壤樣品反射光的光譜採集模塊； 用於接收並處理來自所述光譜採集模塊的信號的光譜處理模塊。
2.如權利要求I所述的土壤有機質檢測裝置，其特徵在於，所述光照探頭模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列以及聚焦透鏡，所述LED點光源陣列包括420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的LED光源各一盞，所有LED光源呈圓環形排列且均勻分布。
3.如權利要求2所述的土壤有機質檢測裝置，其特徵在於，每盞LED光源的光軸與所述圓環形的軸線成45度夾角。
4.如權利要求3所述的土壤有機質檢測裝置，其特徵在於，所述光譜採集模塊包括接收樣品反射光的光纖以及接收該光纖所傳送信號的光敏傳感器。
5.如權利要求4所述的土壤有機質檢測裝置，其特徵在於，所述取樣模塊包括沿採樣車前進方向依次連接的暗箱、壓緊塊以及雙面犁，所述暗箱底面帶有採樣口，所述LED點光源陣列、聚焦透鏡以及光纖的信號採集端均位於所述暗箱中。
6.如權利要求5所述的土壤有機質檢測裝置，其特徵在於，所述採樣車螺紋配合有豎直布置的絲槓，所述絲槓的底端與所述壓緊塊轉動配合且軸向限位，所述絲槓的頂端固定有旋轉把手。
7.如權利要求6所述的土壤有機質檢測裝置，其特徵在於，所述壓緊塊的底面為斜面，該斜面一側與雙面犁的底面平齊銜接，另一側逐漸降低。
8.一種利用如權利要求I 7任一所述的土壤有機質檢測裝置檢測土壤有機質的方法，其特徵在於，包括如下步驟 (1)利用所述取樣模塊採集土壤樣品，利用所述光照探頭模塊向土壤樣品發射波長為420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm 和 1130nm 的檢測光； (2)利用所述光譜採集模塊接收土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長處的反射率； (3)利用光譜處理模塊將所得反射率通過C= 叫人)+ d方程計算得到土壤樣品有機 i =(.)質含量； 其中，C為土壤樣品有機質含量； 入i為檢測光的波長； R(Ai)為波長\ i的檢測光的反射率；a0 a7 分別為:-111. 6,124. 2,6. 4,-633. 8,-367. 5,918. 9,-206. 4,117. 6 ；b 為32. 2。
9.如權利要求8所述的檢測土壤有機質的方法，其特徵在於，向所述土壤樣品發射檢測光之前，刮除土壤樣品表面層並壓實。
全文摘要
本發明公開了一種土壤有機質檢測裝置，包括採樣車；安裝在所述採樣車底部的取樣模塊；用於向取樣模塊中的土壤樣品發射檢測光的光照探頭模塊；用於接收土壤樣品反射光的光譜採集模塊；用於接收並處理來自所述光譜採集模塊的信號的光譜處理模塊。本發明土壤有機質檢測裝置結構緊湊，所用的LED點光源能耗少且穩定性強，移動性強，適合現場檢測，檢測結構不受外部光線幹擾。本發明還公開了一種利用所述土壤有機質檢測裝置檢測土壤有機質的方法，其檢測精度高，速度快，穩定性強，可以實現土壤有機質的實時監測。
文檔編號G01N21/31GK102798601SQ20121028634
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者章海亮, 何勇 申請人:浙江大學