[發明專利]一種基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置

在審

• 申請號: 201710115084.7
• 申請日: 2017-02-28
• 公開（公告）號: CN106950183A
• 公開（公告）日: 2017-07-14
• 發明（設計）人: 汪六三;王儒敬;魯翠萍;劉洋;宋良圖;崔超遠;張正勇;汪玉冰
• 申請（專利權）人: 中國科學院合肥物質科學研究院
• 主分類號: G01N21/27
• 分類號: G01N21/27;G01N21/3563;G01N21/01
• 代理公司: 合肥天明專利事務所(普通合伙)34115
• 代理人: 宋倩,奚華保

技術領域

本發明涉及土壤養分檢測技術領域，具體是一種基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置。

背景技術

土壤養分測定在精準農業和測土配方施肥中具有重要地位，國內外學者一直致力于其快速實時測定方法的研究。然而，目前土壤養分的測量主要是采用傳統的化學測試，該方法費時、費力、成本高且難以實現土壤實時測量。由于土壤養分是化學物質，迄今尚無一種能直接檢測出這些物質的傳感器，這使得土壤養分高精度實時測定成為難題，并成為近年研究和關注的熱點。可見/近紅外光譜分析技術因其快速、簡便、低成本、破壞性小和多組分同時測定等優點受到人們的青睞。

可見/近紅外光譜分析技術是光譜學、化學計量學和計算機科學等多學科知識的一種現代分析技術。相對于傳統的化學分析技術，可見/近紅外光譜分析技術能夠在較短的時間內獲取待測樣品中多種成分的含量，可以一次光譜采集，多種成分同時測量；同時無需對樣品作任何預處理或作簡單處理，可實現無損檢測；無需化學試劑，對環境不會造成二次污染。因此，可見/近紅外光譜分析技術是一種快速、無損、無污染的分析技術，具有能夠定量反演被檢測對象物理性質和組分含量的潛力，在很多領域得到廣泛應用，將其應用于土壤養分檢測領域具有重要意義。

目前，可見/近紅外光譜土壤養分的研究主要是在實驗室利用大型的傅里葉變化光譜儀進行的。然而，田間土壤光譜的測量對于土壤檢測來說意義更大。田間土壤光譜的測量受到光譜儀器的限制。公開號為CN101408502A的發明專利申請公開了一種便攜式植物土壤養分快速測定儀，實現了植物和土壤養分信息的非接觸光譜測量和快速計算。但該測定儀波段覆蓋范圍僅為350nm～1050nm。美國ASD公司的便攜式地物譜儀能夠覆蓋近紅外全波段（350nm～2500nm）。該儀器近紅外波段采用光柵掃描方式進行分光，成本過高限制了其應用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置，對土壤養分進行原位、快速檢測。

本發明的技術方案為：

一種基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置，該裝置包括測量探頭、微處理器、光譜采集單元、驅動單元、電源和平板電腦，所述測量探頭包括探頭本體、設置在探頭本體內的光源、準直透鏡、光學快門、參比物質、步進電機和聚焦透鏡、開設在探頭本體底部且位于光源正下方的窗口以及嵌在窗口上的窗片；

所述微處理器、光譜采集單元、驅動單元和電源均設置在機箱內，所述光譜采集單元包括波長范圍為350nm～1000nm的第一微型光譜儀、波長范圍為900nm～2000nm的第二微型光譜儀和波長范圍為1700nm～2500nm的第三微型光譜儀，所述驅動單元包括光源驅動模塊、光學快門驅動模塊和步進電機驅動模塊；

所述第二微型光譜儀和第三微型光譜儀均采用MEMS傅里葉變換紅外光譜儀, 所述MEMS傅里葉變換紅外光譜儀采用邁克遜干涉儀分光并以單點銦鎵砷作為探測器，所述邁克遜干涉儀所用光學元件運用MEMS技術刻蝕于一塊硅片上，所述探測器集成有TEC制冷片；

所述準直透鏡和光學快門依次設置在光源正下方，所述準直透鏡用于對光源發出的光進行準直，所述光學快門用于測量暗電流時遮擋光源發出的光進入光譜采集單元；所述參比物質緊貼探頭本體底部設置，所述步進電機用于測量參比物質光譜時驅動參比物質至光源正下方以及測量完成后驅動參比物質退回原位；

所述聚焦透鏡用于收集土壤樣品的漫反射光并通過收集光纖輸入光譜采集單元，所述光譜采集單元的輸出端與微處理器的輸入端連接，所述微處理器的輸出端通過驅動單元分別與光源、光學快門和步進電機的輸入端連接，所述微處理器與平板電腦交互式連接。

所述的基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置，所述電源采用12V鋰離子充電電池。

所述的基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置，所述光學快門位于光源正下方5cm處。

所述的基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置，所述收集光纖包括第一光纖和設置在機箱內的第二光纖，所述第二光纖為一分三光纖，所述第一光纖的一端與設置在探頭本體內且位于聚焦透鏡后端的SAM接頭連接，另一端通過設置在機箱內的SAM結合套管與第二光纖的一分端連接，所述第二光纖的三分端與第一微型光譜儀、第二微型光譜儀和第三微型光譜儀一一對應連接。

所述的基于光譜技術的便攜式土壤養分檢測裝置，所述參比物質為PTFE。