[發(fā)明專利]農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)及方法

有效

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• 申請日: 2011-12-21
• 公開（公告）號: CN102539392A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 趙春江;鄭文剛;董大明;趙賢德;鮑鋒;申長軍;吳文彪
• 申請（專利權(quán)）人: 北京農(nóng)業(yè)信息技術(shù)研究中心
• 主分類號: G01N21/63
• 分類號: G01N21/63
• 代理公司: 北京路浩知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11002
• 代理人: 王瑩

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)傳感技術(shù)和儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)

農(nóng)田土壤氮素是促進(jìn)作物生長的主要營養(yǎng)元素，對氮素進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測具有重要意義。一方面，對土壤中氮素的實時監(jiān)測是指導(dǎo)科學(xué)施肥的重要依據(jù)，以合理利用肥料，在保證農(nóng)作物營養(yǎng)需求的前提下避免濫施，增強(qiáng)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量和安全水平；另一方面，對土壤氮素的實時監(jiān)測是研究土壤養(yǎng)分遷移規(guī)律、合理規(guī)劃農(nóng)業(yè)作業(yè)的重要前提。土壤學(xué)科研工作者迫切需要了解土壤氮素含量的實時狀態(tài)。

傳統(tǒng)的土壤氮素分析采用實驗室化學(xué)分析方法，以常用的凱氏定氮法為例，其基本原理是用濃硫酸消煮，借催化劑和增溫劑等使土壤中的氮素轉(zhuǎn)換為銨態(tài)氮，最后用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定方法測算出土壤中的全氮含量。傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法耗費巨大的時間、財力和人力，當(dāng)需要用土壤分析結(jié)果直接指導(dǎo)施肥或田間管理時，無論從實時性還是實用性來講，化學(xué)分析方法都不能滿足要求，而且蒸餾廢液中大量的高濃度堿處理不當(dāng)還會引起環(huán)境污染。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：提供一種省時、省力、實時性好且實用性強(qiáng)的農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)及方法。

(二)技術(shù)方案

為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括：激光器，發(fā)射預(yù)設(shè)波長的激光；至少一套傳感探頭，用于將所述激光器發(fā)出的光照射到待測土壤表層，并收集待測土壤表面被激發(fā)至等離子態(tài)的光學(xué)信號；傳導(dǎo)光纖，連接于所述激光器與傳感探頭之間，以及所述傳感探頭與信號處理模塊之間，將所述激光器發(fā)出的光傳導(dǎo)至所述傳感探頭，以及將所述傳感探頭收集的光學(xué)信號傳送至信號處理模塊；信號處理模塊，用于根據(jù)所述傳感探頭收集的光學(xué)信號，計算所述待測土壤的氮素濃度。

優(yōu)選地，所述信號處理模塊進(jìn)一步包括：分光單元，與所述傳導(dǎo)光纖相連，用于對所述傳感探頭采集到的光學(xué)信號進(jìn)行分光處理，得到等離子發(fā)射光譜；信號收集單元，與所述分光單元相連，用于接收所述分光單元分光后的信號，并通過讀出電路向信號處理單元輸出數(shù)字化光譜；信號處理單元，與所述信號收集單元相連，用于對所述數(shù)字化光譜進(jìn)行處理，得到所述待測土壤的氮素濃度信息。

優(yōu)選地，所述分光單元為多通道凹面光柵結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述信號收集單元為面陣CCD。

優(yōu)選地，所述信號處理單元為DSP處理器。

優(yōu)選地，所述傳感探頭包括：激光發(fā)射頭，用于將所述激光器發(fā)出的光照射到待測土壤表層；至少一個光學(xué)信號收集探頭，用于收集預(yù)設(shè)波長的待測土壤表面被激發(fā)至等離子態(tài)的光學(xué)信號。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括：聚光模塊，設(shè)置于所述傳感探頭與所述傳導(dǎo)光纖之間，用于將所述光信號匯聚入所述傳導(dǎo)光纖。

優(yōu)選地，該系統(tǒng)還包括：控制模塊，與所述激光器相連，用于驅(qū)動所述激光器發(fā)射預(yù)設(shè)波長的激光；

溫控模塊，用于對所述激光器的基地進(jìn)行溫度控制。

優(yōu)選地，所述激光器為釔鋁石榴石晶體，所述預(yù)設(shè)波長為1064nm。

本發(fā)明還提供了一種農(nóng)田土壤氮素在線檢測方法，該方法包括步驟：

S1.將傳感探頭置于待測土壤表層的預(yù)設(shè)深度，驅(qū)動激光器發(fā)射預(yù)設(shè)波長的激光；

S2.傳感探頭將所述激光器發(fā)射的激光引至待測土壤表層，同時收集待測土壤表面被激發(fā)至等離子態(tài)的光學(xué)信號，并將其傳送至信號處理模塊；

S3.所述信號處理模塊根據(jù)所述傳感探頭收集的光學(xué)信號，計算所述待測土壤的氮素濃度。

(三)有益效果

本發(fā)明的系統(tǒng)及方法通過激發(fā)待測土壤至等離子態(tài)，再分析土壤的等離子態(tài)發(fā)射光譜，從而再現(xiàn)土壤中的氮素含量。相對于傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法，能夠快速、實時、準(zhǔn)確地進(jìn)行分析，避免了取樣、制樣、分析過程的人力和物力浪費。本發(fā)明的系統(tǒng)及方法可用于科學(xué)施肥、土壤肥力研究等領(lǐng)域。

附圖說明

圖1為依照本發(fā)明一種實施方式的農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為依照本發(fā)明另一種實施方式的農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為依照本發(fā)明一種實施方式的農(nóng)田土壤氮素在線檢測方法的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提出的農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)及方法，結(jié)合附圖及實施例詳細(xì)說明如下。

實施例1

如圖1所示，依照本發(fā)明一種實施方式的農(nóng)田土壤氮素在線檢測系統(tǒng)包括：激光器、至少一套傳感探頭、傳導(dǎo)光纖以及信號處理模塊。