專利名稱：一種土壤總含磷量檢測裝置以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及土壌檢測領(lǐng)域，具體涉及ー種土壤總含磷量檢測裝置以及方法。
背景技術(shù)：
磷是植物生長發(fā)育所必需的營養(yǎng)元素，土壌總含磷量是鑒別土壌肥力的重要指標(biāo)，如果土壤總含磷量很低，作物缺磷的可能性很太。。土壤中的總含磷量主要取決于成土母質(zhì)類型、風(fēng)化程度和土壤中磷的淋出情況，在耕地土壌中，總含磷量還受到人為因素如耕作栽培等過程的影響。一般來說，隨著風(fēng)化 作用的進(jìn)行，土壤總含磷量呈下降趨勢。土壤中磷可分為土壤無機(jī)磷和土壌有機(jī)磷，土壌無機(jī)磷是土壤磷的主體，多數(shù)情況下，旱地土壤中無機(jī)磷可占總含磷量的70%以上，在水稻土中無機(jī)磷可占總含磷量55% 70% ;從世界范圍看，土壌有機(jī)磷占總含磷量的比例多在15% 80%，我國土壤有機(jī)磷一般占總含磷量的20% 50%，但在森林和草原植被下發(fā)育的土壤也有達(dá)到50% 80%的。土壤有機(jī)磷與無機(jī)磷之間存在礦化與生物固定兩個方向相反的過程。申請?zhí)枮?00910077709. O的發(fā)明公開了ー種測定土壤中速效磷含量的方法。該方法包括以下步驟1)各待測土壤樣品用浸提劑浸提，得到浸提液；所述浸提劑是PH值為
8.0-8. 5的O. 5mol ·じ1的NaHCO3溶液；2)各上述步驟I)的浸提液過濾，在濾液中依次加入試劑A和試劑B，得到反應(yīng)液，將反應(yīng)液進(jìn)行色度值或吸光度值比較，得出待測土壤樣品中速效磷的含量；所述試劑A是鑰酸銨的酸溶液；所述試劑B是將氯化亞錫的酸溶液和甘油混合得到的。申請?zhí)枮?00810023902. I的發(fā)明公開了ー種基于圖像分析的土壌速效磷的測定方法，將含磷待測液與顯色劑反應(yīng)進(jìn)行，顯示出藍(lán)色，其藍(lán)色深淺可以用藍(lán)色度來表征，藍(lán)色度與磷含量呈高度線性相關(guān)。利用圖像分析軟件獲取土壤待測液以及標(biāo)樣的圖像平均藍(lán)色度，建立標(biāo)樣的濃度與標(biāo)樣的平均藍(lán)色度值的線性方程Y = A-BX (這里Y為標(biāo)樣的濃度，X為標(biāo)樣的平均藍(lán)色度值，A，B為常數(shù))。將待測液的平均藍(lán)色度值代入上述方程，獲取含磷待測液的磷濃度，再算出土壌速效磷的含量。測量土壌的總磷含量是了解土壌肥力的重要途徑，獲取土壤總磷含量信息對于農(nóng)業(yè)和環(huán)境等方面的研究很有意義?，F(xiàn)有技術(shù)中通常采用鑰銻抗比色法測定磷含量，測量過程費時、費力、耗材成本高，且中間過程容易產(chǎn)生化學(xué)污染。因此，需要提供一種能夠快速、準(zhǔn)確地檢測土壤中總磷含量的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種土壤總含磷量檢測方法，操作簡單，能夠快速準(zhǔn)確地實現(xiàn)土壤樣品中總含磷量的檢測。一種土壤總含磷量檢測裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱；
用于向暗箱中的土壤樣品發(fā)射檢測光的光照模塊；用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊；用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊；所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點光源陣列包括400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm和1070nm的LED點光源各ー盞，所有LED點光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布。土壤樣品置于所述暗箱中，所述光照模塊向暗箱中的土壤樣品發(fā)射特定波長的檢測光，所述光譜采集模塊采集不同波長處土壤樣品的反射光，所述光譜處理模塊接收所述的反射光，提取不同波長的反射光的反射率，利用式Y(jié)= 1028X^982X^1848X3+6194X4-3779Xs-505. 64X6-140. 89X7+115. 78Xg+12. 63 計算得到土壤樣品總含磷量。土壤樣品置于所述暗箱內(nèi)，隔離外界光線，避免外界光線對土壤樣品反射光的采集形成干擾，提高土壌樣品總含磷量檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。所述LED點光源發(fā)出特定波長的光，經(jīng)反射蓋反射后，由第一聚焦透鏡變?yōu)槠叫泄?，該平行光?jīng)第二聚焦透鏡聚焦后，進(jìn)入輸出光纖，由輸出光纖傳遞至暗箱中所述土壤樣品的上方。作為優(yōu)選，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成45度夾角。所述每盞LED點光源的光軸與所述圓環(huán)形的軸線成45度夾角，所述每盞LED點光源發(fā)出的光經(jīng)所述反射蓋反射后進(jìn)入第一聚焦透鏡，變?yōu)槠叫泄狻Ｗ鳛閮?yōu)選，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光 纖所傳送信號的光敏傳感器。所述光敏傳感器相對應(yīng)不同波長的檢測光設(shè)置，即相對應(yīng)波長400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm和1070nm分別設(shè)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(yōu)選，所述輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內(nèi)。所述光照模塊的輸出光纖將LED點光源陣列發(fā)出的光傳遞至輸出光纖位于暗箱內(nèi)的發(fā)射端，向土壌樣品發(fā)射不同波長的檢測光，檢測光經(jīng)土壤樣品反射后得到反射光，反射光由所述接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至光譜處理模塊，由光譜處理模塊處理得到土壤樣品總磷含量。作為優(yōu)選，設(shè)有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第ニ聚焦透鏡間距的伸縮機(jī)構(gòu)。所述伸縮機(jī)構(gòu)可以調(diào)節(jié)所述輸出光纖與第二聚焦透鏡間的距離，即調(diào)節(jié)輸出光纖接受到的第二聚焦透鏡輸出的檢測光光強(qiáng)大小，經(jīng)過土壤樣品反射后，得到合適的反射光光強(qiáng)，用于計算土壤樣品總磷含量。作為優(yōu)選，設(shè)有與所述暗箱固定連接的光纖支架，該光纖支架上設(shè)有由暗箱頂部插入暗箱內(nèi)的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內(nèi)。所述光纖套管可以對輸出光纖以及接收光纖起到一定的保護(hù)作用。為了調(diào)整所述輸出光纖以及接收光纖與土壤樣品的距離，優(yōu)選地，所述光纖支架上設(shè)有緊固夾，所述光纖套管豎直的夾持在緊固夾中。本發(fā)明還公開了ー種利用所述的土壌總含磷量檢測裝置檢測土壤含磷量的方法，包括如下步驟
(I)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發(fā)射波長為400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm 和 1070nm 的檢測光；(2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，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依據(jù)方程Y = 1028Xr982X2-1848X3+6194X4-3779Xs-505. 64X6_140. 89X7+115. 78Xg+12. 63 計算得到土壤樣品總含磷量；其中，Y為土壤樣品總含磷量；X1 X8 分別為土壤樣品在波長 400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm 和1070nm處檢測光的反射率。通過向土壌樣品發(fā)射不同波長的光，采集土壤樣品的反射光信息，提取不同波長處土壤樣品的反射率，計算得到土壌中總含磷量。 本發(fā)明所選定的特征波長僅針對土壤總含磷量的檢測，不適用于土壤其他指標(biāo)的檢測，如果需要檢測土壤樣品的其他指標(biāo)，需重新選定特征波長，通過多元線性回歸建立模型，得到相應(yīng)的計算公式。本發(fā)明土壌總含磷量檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)需要選擇不同的特定波長的濾光片，利用多元線性回歸建立模型，用于測量土壤樣品的不同指標(biāo)，檢測過程簡便快捷、檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠、檢測成本低、無污染。


圖I為本發(fā)明一種土壤總含磷量檢測裝置示意圖；圖2為本發(fā)明一種土壤總含磷量檢測裝置光照模塊示意圖；圖3為圖2的側(cè)視圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖，對本發(fā)明ー種土壤總含磷量檢測裝置做詳細(xì)描述。一種土壤總含磷量檢測裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱、用于向暗箱中的土壤樣品發(fā)射檢測光的光照模塊2、用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊、用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊3。暗箱設(shè)有推拉門，土壤樣品放入暗箱后，關(guān)閉推拉門，防止外界光線對光譜采集模塊采集土壤樣品反射光的干擾。光照模塊2包括在光路上依次布置的LED點光源20陣列、反射蓋24、第一聚焦透鏡21、第二聚焦透鏡16以及輸出光纖，LED點光源20陣列包括400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm和1070nm的LED點光源各ー盞，所有LED點光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與圓環(huán)形的軸線成45度夾角。光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號的光敏傳感器，光敏傳感器相對應(yīng)LED點光源20不同波長的檢測光設(shè)置，即相對應(yīng)波長400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm 和 1070nm 分別設(shè)有光敏傳感器，光敏傳感器接收來自土壤樣品的不同波長的反射光。輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于暗箱內(nèi)，光照模塊2的輸出光纖將LED點光源20陣列發(fā)出的光傳遞至輸出光纖位于暗箱內(nèi)的發(fā)射端，向土壌樣品發(fā)射不同波長的檢測光，檢測光經(jīng)土壤樣品反射后得到反射光，反射光由接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至光譜處理模塊3，由光譜處理模塊3處理得到土壤樣品總磷含量。設(shè)有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第ニ聚焦透鏡16間距的伸縮機(jī)構(gòu)15，伸縮機(jī)構(gòu)15可以調(diào)節(jié)輸出光纖與第二聚焦透鏡16間的距離，即調(diào)節(jié)輸出光纖接受到的第二聚焦透鏡16輸出的檢測光光強(qiáng)大小，經(jīng)過土壤樣品反射后，得到合適的反射光光強(qiáng)，用于計算土壤樣品總磷含量。設(shè)有放置光照模塊2，光譜采集模塊以及光譜處理模塊3的支架1，支架I上還設(shè)有顯示光譜處理模塊3處理結(jié)果的顯示屏4、光譜采集模塊開關(guān)6以及電源開關(guān)5。設(shè)有與暗箱10固定連接的光纖支架12，該光纖支架12上設(shè)有由暗箱10頂部插入暗箱10內(nèi)的光纖套管13，輸出光纖以及接收光纖沿光纖套管13延伸入暗箱10內(nèi)，光纖支架12上設(shè)有緊固夾，光纖套管13豎直的夾持在緊固夾中，通過調(diào)節(jié)緊固夾的夾持位置，可 以調(diào)節(jié)光纖套管13深入暗箱10中的長度，從而使輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端與土壤樣品9緊密接觸。本發(fā)明所述的光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3均為用電部件，為了保證光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3的正常工作，在沒有特殊說明的前提下應(yīng)當(dāng)理解為光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3均連接有相匹配的電源，光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3可以采用同一總電源，也可以根據(jù)實際需要單獨設(shè)置電源，或者是通過光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3之間的電路實現(xiàn)電源信號的傳遞。各用電部件之間的空間位置關(guān)系沒有嚴(yán)格限制，但為了便于加工和安裝盡可能的采用集成度較高的電路布置。本發(fā)明土壤含磷量檢測裝置工作時，將士壤樣品9放入暗箱10內(nèi)，關(guān)閉推拉門8，通過光纖支架12緊固夾，調(diào)節(jié)光纖套管13插入暗箱10的高度，使輸出光纖14的發(fā)射端以及接收光纖的采集端緊貼土壤樣品9，打開電源開關(guān)5，光照模塊22發(fā)出400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm和1070nm波長的光，經(jīng)輸出光纖14的發(fā)射端照射至土壤樣品9，打開光譜采集模塊開關(guān)6，土壤樣反射后，經(jīng)接收光纖的采集端采集，傳遞至光譜處理模塊3，經(jīng)光譜處理模塊3處理后，將士壤樣品9總磷含量顯示在顯示屏4上。土壤磷含量單位為mg/kg。利用所述的土壌總含磷量檢測裝置檢測土壌總含磷量的方法，包括如下步驟(I)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發(fā)射波長為400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm 和 1070nm 的檢測光；(2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，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依據(jù)方程Y = 1028Xr982X2-1848X3+6194X4-3779Xs-505. 64X6_140. 89X7+115. 78Xg+12. 63 計算得到土壤樣品總含磷量；其中，Y為土壤樣品總含磷量；X1 X8 分別為土壤樣品在波長 400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm 和1070nm處檢測光的反射率。本發(fā)明所選定的特征波長(其中有ー個作為參照波長，其余7個參與計算)僅針對土壤總磷含量的快速檢測，如果需要測量土壌的其他指標(biāo)，需要重新選定特定波長，通過多元線性回歸，建立模型，計算得到相應(yīng)的指標(biāo)值。利用本發(fā)明提供的方法建立模型的相關(guān)指標(biāo)見表1，其中，建模集表示建立模型時，利用土壤樣品的反射率以及現(xiàn)有方法測試得到的總含磷量擬合得到模型方程，預(yù)測集表示，建立完模型后，使用土壤樣品依據(jù)模型方程得到的總含磷量擬合得到標(biāo)準(zhǔn)曲線。表I
權(quán)利要求
1.一種土壤總含磷量檢測裝置，其特征在于，包括用于放置土壤樣品的暗箱；用于向暗箱中的土壌樣品發(fā)射檢測光的光照模塊；用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊；用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊；所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第ニ聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點光源陣列包括400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm和1070nm的LED點光源各ー盞，所有LED點光源呈圓環(huán)形排列且均勻分布。
2.如權(quán)利要求I所述的土壌總含磷量檢測裝置，其特征在干，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與所述圓環(huán)形的軸線成45度夾角。
3.如權(quán)利要求2所述的土壌總含磷量檢測裝置，其特征在干，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號的光敏傳感器。
4.如權(quán)利要求3所述的土壌總含磷量檢測裝置，其特征在于，所述輸出光纖的發(fā)射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內(nèi)。
5.如權(quán)利要求4所述的土壌總含磷量檢測裝置，其特征在于，設(shè)有調(diào)節(jié)輸出光纖以及第二聚焦透鏡間距的伸縮機(jī)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的土壌有機(jī)質(zhì)檢測裝置，其特征在于，設(shè)有與所述暗箱固定連接的光纖支架，該光纖支架上設(shè)有由暗箱頂部插入暗箱內(nèi)的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內(nèi)。
7.如權(quán)利要求6所述的土壌有機(jī)質(zhì)檢測裝置，其特征在于，所述光纖支架上設(shè)有緊固夾，所述光纖套管豎直的夾持在緊固夾中。
8.利用如權(quán)利要求I 7任一所述的土壌總含磷量檢測裝置檢測土壤含磷量的方法，其特征在于，包括如下步驟(1)將士壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壌樣品發(fā)射波長為400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm 和 1070nm 的檢測光；(2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，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依據(jù)方程Y= 1028Xr982X2-1848X3+6194X4-3779Xs-505. 64X6-140. 89X7+115. 78Xg+12. 63 計算得到土壤樣品總含磷量；其中，Y為土壤樣品總含磷量；X1 X8 分別為土壤樣品在波長 400nm、460nm、540nm、740nm、850nm、950nm、980nm 和1070nm處檢測光的反射率。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種土壤總含磷量檢測裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱；用于向暗箱中的土壤樣品發(fā)射檢測光的光照模塊；用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊；用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊。本發(fā)明還公開了一種利用所述土壤總含磷量檢測裝置檢測土壤總含磷量的方法。本發(fā)明土壤總含磷量檢測裝置結(jié)構(gòu)簡單，可以根據(jù)需要選擇不同的特定波長的濾光片，利用多元線性回歸建立模型，用于測量土壤樣品的不同指標(biāo)，檢測過程簡便快捷、檢測結(jié)果準(zhǔn)確可靠、檢測成本低、無污染。
文檔編號G01N21/25GK102830071SQ20121028632
公開日2012年12月19日 申請日期2012年8月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月13日
發(fā)明者何勇, 章海亮 申請人:浙江大學(xué)