植物葉綠素測量儀及葉綠素測量方法

2023-11-01 01:13:17

專利名稱：：植物葉綠素測量儀及葉綠素測量方法
技術領域：
：本發明涉及一種測量植物葉綠素的裝置與植物葉綠素的檢測方法，更具體地說，它涉及一種植物葉綠素測量儀及葉綠素測量方法。
背景技術：
：氮肥是植物體內胺基酸的組成部分、是構成蛋白質的成分，也是植物進行光合作用起決定性作用的葉綠素的組成部分。在不同氮肥施用水平下，植物生長狀況和產量都會發生變化。在保證植物產量及品質的前提下，確定最佳施肥期和最佳施肥量，不僅可以節省用肥量，而且可以減少化肥汙染，保護環境。目前，針對植物葉片葉綠素含量及含氮量的測量方法主要為化學方法，可這種手段由於是以破壞作為活體的植物為前提，所以不是人們想要的方法。另外由於利用化學藥品，其處理等需要^f艮多功夫和時間，也不適用。因此，無損檢測技術近年來在植物氮營養診斷中得到廣泛關注，被認為極有發展前途的植物營養診斷技術。現有技術是用兩種不同波長的光分別照射到植物葉片表面，從植物葉片的另一面接收透射的光，並比較透射光與原照射光的光密度差異，進而測量出葉綠素的相對含量，這種方法更適合於具有較薄葉片的植物，對於測量較厚植物葉片葉綠素含量時，測量精度會受到影響
發明內容、、、，攜式的對厚、薄植物葉片都適用的植物葉綠素測量儀及一種無損植物活體的葉綠素含量測量方法。為解決上述技術問題，本發明是採用如下技術方案實現的植物葉綠素測量儀由安裝有控制軟體的計算機、光纖光譜儀和測量探頭組成，計算機與光纖光鐠儀之間電連接，光纖光譜儀與測量探頭之間是光纖和電連接。所述的測量探頭由雷射發生裝置、螢光接收探頭和測量探頭體組成。螢光接收探頭安裝在測量探頭體的中軸線上，雷射發生裝置與螢光接收探頭之間成45°地安裝在測量探頭體上，螢光接收探頭與光纖光譜儀之間光纖連接，雷射發生裝置與光纖光譜儀之間電連接。技術方案中所述的雷射發生裝置由雷射二極體、控制電路組成。雷射二極體的引腳1、引腳2、引腳3分別與控制電路的接線端LD-、接線端LD+、接線端PD+電連接，控制電路接線端VCC與電源電連接；所述的螢光接收探頭主要由準直透鏡組成。螢光接收探頭與光纖光譜儀之間採用具有型號為SMA-905標準接頭的光纖(c)連接。實施植物葉綠素測量儀的第二套技術方案是第一套技術方案中所述的安裝有控制軟體的計算機與光纖光譜儀都採用安裝上藍牙無線傳輸裝置的計算機與光纖光語儀，那麼在第二套技術方案中計算機與光纖光譜儀之間是無線傳輸方式的連接，安裝有藍牙無線傳輸裝置的光纖光譜儀與測量探頭之間是光纖和電線連接。利用植物葉綠素測量儀測量植物葉綠素的方法並採用如下步驟1)啟動計算機，首先對光纖光譜儀和雷射發生裝置進行連接測試，如果二者工作狀態正常，光纖光譜儀給雷射發生裝置發出開啟雷射二極體的信號，同時光纖光譜儀開始採集被雷射激發出來的螢光，如果光纖光譜儀或雷射發生裝置不能正常工作，計算機將顯示錯誤報告並提示錯誤原因。2)雷射發生裝置中的雷射二極體發出的雷射直接照射到植物葉片上，激發出的螢光被螢光接收探頭接收並傳入光纖光譜儀，光纖光譜儀把採集到的螢光進行分光、光電轉換和A/D轉換後傳入計算機，傳入計算機的數據會以光譜的形式顯示並保存。3)計算機對傳入的數據進行分析處理。4)計算機對分析處理結果進行判斷，顯示和保存符合實際的處理結果，對錯誤處理結果的數據進行提示，並由使用者決定是顯示並保存數據還是刪除。利用植物葉綠素測量儀測量植物葉綠素的方法的技術方案中所述的計算機對傳入的數據進行分析處理指的是1)對螢光光語強度最大值的歸一化處理對螢光光鐠強度最大值的歸一化處理所採用的公式為巧=1咖X式中^一波長為/nm光的相對強度；五;一CCD接收到的波長為/nm的光轉化成電子的個數；五max—螢光光譜中CCD接收的光轉化最多的電子個數；/一光的波長。進行螢光光譜最大值歸一化處理時，計算機自動選取光的波長範圍為675~800nm。2)對植物葉片葉綠素相對含量的計算對植物葉片葉綠素相對含量的計算所採用的公式為:式中^一葉綠素相對含量值；fl—葉綠素含量係數l;Z—葉綠素含量係數2;《35—733~737nm範圍的螢光相對強度；仄85—683~687nm範圍的螢光相對強度。3)對植物葉片含氮量的計算對植物葉片含氮量的計算所採用的公式為J685式中7V—葉片含氮量，mg/kg;C—氮含量係數l，mg/kg;^一氮含量係數2，mg/kg;F735—733~737nm範圍的螢光相對強度；屍685—683~687nm範圍的螢光相對強度。與現有技術相比本發明的有益效果是1.本發明所述的植物葉綠素測量儀及葉綠素測量方法解決了傳統化學方法操作繁瑣、化驗費時等缺點，達到測量時間短、操作簡單，可操作性強；2.本發明所述的植物葉綠素測量儀檢測植物葉綠素含量時，其測量探頭在植物生長地直接接觸植物葉片即可完成，避免了活體破壞，實現了無損檢測；3.本發明所述的植物葉綠素測量儀及葉綠素測量方法解決了目前一些測量方法如透射光密度差法在測量較厚植物葉片時遇到的精度不高的問題，測量精度不受植物葉片厚度影響，測量範圍更廣；4.本發明所述的植物葉綠素測量儀測量準確，精度高，對植物葉綠素含量的測量誤差僅為1%左右，對植物葉片氮含量的測量誤差低於1%;下面結合附圖對本發明作進一步的說明圖1是植物葉綠素測量儀的結構、原理框圖2是植物葉綠素測量儀測量探頭和植物葉片工作位置關係的主視圖；圖3是植物葉綠素測量儀測量探頭和植物葉片工作位置關係在圖2中A-A位置的剖視圖4是移去植物葉片後植物葉綠素測量儀測量探頭的俯視圖5是安裝有控制軟體的計算機釆用安裝有控制軟體和藍牙無線傳輸裝置的計算機，光纖光譜儀採用安裝有藍牙無線傳輸裝置的光纖光譜儀，安裝有藍牙無線傳輸裝置的光纖光譜儀與測量探頭之間是光纖和電線連接的第二套技術方案的植物葉綠素測量儀的結構、原理框圖6是組成雷射發生裝置的雷射二極體引腳示意圖7是組成雷射發生裝置的控制電路的電路原理圖8是採用植物葉綠素測量儀測量植物葉綠素含量的流程框圖中a.雷射發生裝置，b.螢光接收4笨頭，c.光纖，d.4企測口，e.螢光4妄收室，f.植物葉片，g.測量探頭體，C1-C4.電容，Rl-R7.電阻，Ul、U2.三極體，Zl.齊納二極體。具體實施例方式下面結合附圖對本發明作詳細的描述為了克服現有化學方法測量植物葉綠素含量時帶來的費時、破壞植物活體的缺點；為了克服用兩種不同波長的光分別照射到植物葉片表面，從植物葉片的另一面接收透射的光，並比較透射光與原照射光的光密度差異，進而測量出植物葉綠素相對含量的對於測量較厚植物葉片葉綠素含量時測量精度會受到影響的缺點；本發明提供了一種植物葉綠素測量儀。該植物葉綠素測量儀不僅可以快速、準確地對植物葉片葉綠素含量進行無損測量，而且還可以通過植物葉片葉綠素含量與植物葉片氮含量的關係，進而對植物氮營養成分的含量進行測量。參閱圖1至圖4，植物葉綠素測量儀由安裝有控制軟體的計算機、光纖光譜儀和測量探頭組成，計算機與光纖光譜儀之間釆用高速USB2.0數據傳輸接口電線連接，光纖光譜儀與測量探頭之間是光纖和電線連接。因為測量探頭是由雷射發生裝置a、螢光接收探頭b和測量探頭體g組成。螢光接收探頭b安裝在測量探頭體g的中軸線上，雷射發生裝置a與螢光接收探頭b之間成45。地安裝在測量探頭體g上，螢光接收探頭b與光纖光譜儀之間採用光纖連接，雷射發生裝置a與光纖光譜儀之間電線連接。更具體地說，螢光接收探頭b包括型號為COL-UV/VIS的準直透鏡和安裝型號為COL-UV/VIS的準直透鏡的殼體，安裝有型號為COL-UVAIS的準直透鏡的殼體安裝在測量探頭體g的中軸線上，螢光接收探頭b與光纖光譜儀之間採用具有型號為SMA-905標準接頭的光纖c連接。參閱圖6與圖7,雷射發生裝置a由雷射二極體、控制電路組成。雷射發生裝置a選用波長為660nm，功率為10mw的雷射二極體。雷射二極體內封裝一個光電二極體，光電二極體可以感應雷射二極體發光強弱，並將光強弱信息轉換成反饋電信號傳回電路，電路進行自動調節，從而使雷射二極體穩定發光。雷射二極體有三個引腳，引腳1為雷射二極體的負極，引腳2由雷射二極體正極和光電二極體負極共同組成，引腳3為光電二極體的正極。控制電路由控制晶片、開關電路和發射電路三部分組成。控制晶片採用單片機89S51,其中Pl.l引腳與光纖光譜儀的觸發埠EXTERNALI/OPIN23相連，Pl.0引腳與開關電路相連。開關電路由光電耦合器4N25、緩沖器74LS07和電阻R7組成。光電耦合器引腳l與電源正極相連，引腳2通過電阻R7、緩衝器與單片機Pl.0引扭f相連，引腳3與發射電^4妻線端LD+相連，引腳4與電源正極相連。發射電路由三極體Ul、三極體U2、齊納二極體Zl、電阻R1~R6、電容C1-C4連接構成。雷射二極體引腳3與三極體Ul基極(即接線端PD+點)相連，雷射二極體引腳1與三極體U2集電極(即接線端LD-點)相連，雷射二極體引腳2與接線端LD+點相連，並通過光電耦合器與電源正極相連。雷射二極體電路工作原理為，單片機通過Pl.1引腳接收到從光纖光譜儀傳來的觸發信號後，通過P1.0引腳發出指令，使光電耦合器的開關導通，從而使雷射發射電路開始工作。封裝在雷射二極體內的光電二極體與發射電路部分構成了一個帶反饋調節功能的供電電路，根據雷射二極體的實際發光情況進行自動調節，使雷射二極體能恆功率穩定發光。參閱圖5,圖中所表示的是實施植物葉綠素測量儀的第二套技術方案。第二套技術方案與第一套扶術方案不同之處在於計算機和光纖光譜儀都採用安裝有藍牙無線傳輸裝置的計算機和光纖光譜儀，這樣計算機與光纖光譜儀之間能夠實現無線傳輸方式的連接，安裝有藍牙無線傳輸裝置的光纖光譜儀與測量探頭之間仍是光纖和電線連接。第二套技術方案所採用的測量探頭與第一套技術方案所採用的測量探頭相同。實際上可以將兩套技術方案合在一起'本發明所述的植物葉綠素測量儀中的計算機與光纖光譜儀在通信方式上不僅支持USB2.0高速數據線傳輸，'同時也支持藍牙無線傳輸技術。即在計算機和光纖光譜儀中都配置有藍牙信號發射和接收裝置，本發明可實現計算機與光纖光鐠儀之間控制命令與採集數據的無線傳輸功能，使本發明在實際應用中使用更方便、適用性更強。運行本發明的控制軟體時，控制軟體如果通過USB2.0埠檢測到光纖光譜儀，將不會啟動計算機的藍牙無線傳輸裝置，直接通過USB數據線對光纖光譜儀進行控制，反之會自動與計算機中的藍牙無線傳輸裝置進行連接，並使其發出信號與光纖光譜儀進行無線連接，當計算機與光纖光鐠儀建立無線連接後其運行和使用方法與通過USB數據線連接時完全相同。利用植物葉綠素測量儀測量植物葉綠素含量的方法
技術領域：
：本發明主要通過裝入計算機的控制軟體(客戶端)實施整個測量過程，實現系統光源啟動、螢光接收與分光、光電轉換、數據分析處理等幾個主要工作過程，最終實現對植物葉片葉綠素與氮含量的測量目標。利用植物葉綠素測量儀測量植物葉綠素含量的方法採用如下步驟1)首先要使植物葉綠素測量儀測量探頭的^r測口d與植物葉片f緊密接觸，做到在螢光接收室e內不能產生漏光現象；也可以使用植物葉片夾，先將植物葉片f夾好，然後再扣在測量探頭的檢測口d上。2)啟動計算機，首先對光纖光譜儀和雷射發生裝置(a)進行連接測試，如果二者工作狀態正常，光纖光譜儀給雷射發生裝置(a)發出開啟雷射二極體的信號，與此同時光纖光譜儀自身也開始採集被雷射照射的植物葉片中的葉綠素而發出來的螢光，如果光纖光譜儀或雷射發生裝置(a)不能正常工作，計算機將顯示出現錯誤的報告並提示出現錯誤的原因。3)雷射發生裝置(a)中的雷射二極體發出的雷射直接照射到植物葉片f上，植物葉片中的葉綠素由於被雷射照射而發出的螢光被螢光接收探頭(b)接收並通過光纖c傳入光纖光譜儀，光纖光譜儀把採集到的螢光進行(按波長)分光處理、光電轉換處理和A/D轉換處理後傳入計算機，傳入計算機的數據同時會以光i普的形式給予顯示並保存。4)計算機對傳入的數據進行分析處理並採用如下步驟①對螢光光譜強度最大值的歸一化處理對螢光光譜強度最大值的歸一化處理所採用的公式為formulaseeoriginaldocumentpage10式中《一波長為/nm光的相對強度；A—CCD接收到的波長為/nm的光轉化成電子的個數(光纖光譜儀以光轉化成電子的個數定義為光的強度)；^max—螢光光譜中CCD接收的光轉化最多的電子個數；/一光的波長。進行螢光光譜最大值歸一化處理時，計算機自動選取光的波長範圍為675~綱nm。②對植物葉片葉綠素相對含量的計算對植物葉片葉綠素相對含量的計算所採用的公式為J685式中S—葉綠素相對含量值；"一葉綠素含量係數l;6—葉綠素含量係數2;F735—733~737nm範圍的螢光相對強度；F685—683~687nm範圍的螢光相對強度。③對植物葉片含氮量的計算對植物葉片含氮量的計算所採用的公式為J6S5式中W—葉片含氮量，mg/kg;C一氮含量係數l，mg/kg;d—氮含量係數2，mg/kg;F735—733~737nm範圍的螢光相對強度;《85—683~687mn範圍的螢光相對強度。5)計算機對分析處理結果進行判斷，顯示和保存符合實際的處理結果，對錯誤處理結果的數據進行提示，並由使用者決定是顯示並保存數據還是刪除。實施例tableseeoriginaldocumentpage12表中所列的數據為本發明對黃瓜葉片的測量試驗結果。對葉片葉綠素含量的測量評價標準以spad502葉綠素4義的測量^f直為準，對葉片氮含量的測量評價標準以中國科學院東北地理與農業生態研究所提供的檢測值為準。測量結果顯示本發明對葉片葉綠素含量及含氮量測量的準確。權利要求1.一種植物葉綠素測量儀，其特徵是所述的植物葉綠素測量儀由安裝有控制軟體的計算機、光纖光譜儀和測量探頭組成，計算機與光纖光譜儀之間電連接，光纖光譜儀與測量探頭之間是光纖和電連接；所述的測量探頭由雷射發生裝置(a)、螢光接收探頭(b)和測量探頭體(g)組成，螢光接收探頭(b)安裝在測量探頭體(g)的中軸線上，雷射發生裝置(a)與螢光接收探頭(b)之間成45°地安裝在測量探頭體(g)上，螢光接收探頭(b)與光纖光譜儀之間光纖連接，雷射發生裝置(a)與光纖光譜儀之間電連接。2.按照權利要求1所述的植物葉綠素測量儀，其特徵是所述的雷射發生裝置(a)由雷射二極體、控制電路組成，雷射二極體的引腳1、引腳2、引腳3分別與控制電路的接線端LD-、接線端LD+、接線端PD+電連接，控制電路接線端VCC與電源電連接。3.按照權利要求1所述的植物葉綠素測量儀，其特徵是所述的螢光接收探頭(b)主要由準直透鏡組成，螢光接收探頭(b)與光纖光譜儀之間採用具有型號為SMA-905標準接頭的光纖(c)連接。4.按照權利要求1所述的植物葉綠素測量儀，其特徵是所述的安裝有控制軟體的計算機與光纖光譜儀都採用安裝上藍牙無線傳輸裝置的計算機與光纖光譜儀，計算機與光纖光譜儀之間是無線傳輸方式的連接，安裝有藍牙無線傳輸裝置的光纖光譜儀與測量探頭之間是光纖和電線連接。5.利用權利要求1所述的植物葉綠素測量儀測量植物葉綠素的方法，其特徵是採用如下步驟1)啟動計算機，首先對光纖光譜儀和雷射發生裝置(a)進行連接測試，如果二者工作狀態正常，光纖光語儀給雷射發生裝置(a)發出開啟雷射二極體的信號，同時光纖光譜儀開始採集被雷射激發出來的螢光，如果光纖光譜儀或雷射發生裝置(a)不能正常工作，計算機將顯示錯誤報告並提示錯誤原因；2)雷射發生裝置(a)中的雷射二極體發出的雷射直接照射到植物葉片上，激發出的螢光被螢光接收探頭(b)接收並傳入光纖光謙儀，光纖光譜儀把採集到的螢光進行分光、光電轉換和A/D轉換後傳入計算機，傳入計算機的數據會以光譜的形式顯示並保存；3)計算機對傳入的數據進行分析處理；4)計算機對分析處理結果進行判斷，顯示和保存符合實際的處理結果，對錯誤處理結果的數據進行提示，並由使用者決定是顯示並保存數據還是刪除。6.按照權利要求5所述的利用植物葉綠素測量儀測量植物葉綠素的方法，其特徵是所述的計算機對傳入的數據進行分析處理指的是、1)對螢光光譜強度最大值的歸一化處理對螢光光譜強度最大值的歸一化處理所採用的公式為formulaseeoriginaldocumentpage3五,.一CCD接收到的波長為/nm的光轉化成電子的個數；Emax—螢光光譜中CCD接收的光轉化最多的電子個數；/一光的波長。進行螢光光譜最大值歸一化處理時，計算機自動選取光的波長範圍為675800線、2)對植物葉片葉綠素相對含量的計算對植物葉片葉綠素相對含量的計算所採用的公式為formulaseeoriginaldocumentpage3式中S—葉綠素相對含量值；葉綠素含量係數l;Z—葉綠素含量係數2;F735—733~737nm範圍的螢光相對強度；屍685—683~687nm範圍的螢光相對強度。、3)對植物葉片含氮量的計算對植物葉片含氮量的計算所採用的公式為formulaseeoriginaldocumentpage4式中N—葉片含氮量，mg/kg;C一氮含量係數l，mg/kg;d—氮含量係數2，mg/kg;F735—733~737nm範圍的焚光相對強度;F685—683~687nm範圍的螢光相對強度。全文摘要本發明公開了一種植物葉綠素測量儀及葉綠素測量方法。旨在克服費時、破壞植物活體等問題。植物葉綠素測量儀由計算機、光纖光譜儀和測量探頭組成。計算機與光纖光譜儀電連接，光纖光譜儀與測量探頭光纖和電連接。葉綠素測量方法1)啟動計算機，先對設備測試，如果正常，光纖光譜儀給雷射發生裝置發出開啟雷射二極體的信號，同時光纖光譜儀開始採集被雷射激發出來的螢光；2)雷射發生裝置的雷射二極體發出雷射直接照射到植物葉片，激發出的螢光被螢光接收探頭接收並傳入光纖光譜儀進行處理後傳入計算機；3)計算機對傳入的數據進行分析處理；4)計算機對分析處理結果進行判斷、顯示和保存符合實際的處理結果。其適用於具有厚、薄葉片的植物。文檔編號G01N21/64GK101413893SQ200810051478公開日2009年4月22日申請日期2008年11月27日優先權日2008年11月27日發明者於海業,強張,蕾張,張一鳴,楊昊諭,麗沈,王淑傑,章志敏,肖英奎,隋媛媛申請人:吉林大學