一種便攜式土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壤養(yǎng)分檢測(cè)領(lǐng)域,尤其涉及一種便攜式土壤養(yǎng)分元素檢測(cè)系統(tǒng)及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤是人類賴以生存和發(fā)展的基礎(chǔ),而土壤養(yǎng)分是影響土壤健康和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的重要標(biāo)志。土壤養(yǎng)分也與土壤有機(jī)質(zhì)和土壤結(jié)構(gòu)存在密切的關(guān)系。土壤養(yǎng)分不僅是植物生長(zhǎng)所需的氮、磷、鉀、硫元素的主要來源,還與土壤重金屬和有機(jī)污染物也密切相關(guān)。它的含量是土壤肥力水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。因此準(zhǔn)確快速的對(duì)土壤養(yǎng)分進(jìn)行測(cè)量,對(duì)于合理利用土壤資源,建立良性循環(huán)的土地生態(tài)系統(tǒng)有著重要意義。
[0003]土壤養(yǎng)分的組成不僅包括氮(N)、磷(P)、鉀(K)等含量較高的元素,也包括鈣(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)、鐵(Fe)、硼(B)、鉬(Mo)、鋅(Zn)、錳(Μη)、銅(Cu)和氯(C1)等中量和微量元素?,F(xiàn)有技術(shù)中,對(duì)于土壤養(yǎng)分中各主要元素的檢測(cè),傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析方法,費(fèi)用高,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,對(duì)操作人員要求素質(zhì)高;傳統(tǒng)的快速測(cè)量方法,比如分光光度法、原子吸收等,需要提前處理樣品,耗時(shí)長(zhǎng),步驟繁瑣,并且容易引入干擾;近紅外光譜法雖然不需要化學(xué)試劑且制樣簡(jiǎn)單,但其化學(xué)計(jì)量學(xué)模型建立較為復(fù)雜,并且對(duì)中量和微量元素檢出效果很差,不適合中量和微量元素的單獨(dú)檢測(cè);X射線熒光光譜法對(duì)于土壤中的重金屬元素檢出效果較好,但是對(duì)于輕元素,如氮(N)、磷(P)、鉀(K)、(Ca)、鎂(Mg)、硫(S)等檢出效果很差。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷,本發(fā)明提供一種便攜式土壤養(yǎng)分元素檢測(cè)系統(tǒng)及方法,用于實(shí)現(xiàn)野外土壤中各種養(yǎng)分元素的快速檢測(cè)。
[0005]第一方面,本發(fā)明提供一種便攜式土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng),所述系統(tǒng)包括:
[0006]激光器,用于發(fā)射預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的激光,并將所述激光發(fā)送至樣品室;
[0007]樣品室,與光譜收集轉(zhuǎn)換模塊連接,用于接收所述激光,使其照射待測(cè)土壤,并提供待測(cè)土壤檢測(cè)時(shí)所需的密閉空間和氣壓環(huán)境;
[0008]光譜收集轉(zhuǎn)換模塊,用于收集所述待測(cè)土壤被所述激光器發(fā)射的激光照射時(shí)產(chǎn)生的等離子態(tài)的光學(xué)信號(hào),并根據(jù)所述光學(xué)信號(hào),產(chǎn)生特征光譜信號(hào),并將所述特征光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊;
[0009]信號(hào)處理模塊,用于根據(jù)所述光譜收集轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào),獲取所述待測(cè)土壤中各種元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào),并根據(jù)所述光譜強(qiáng)度信號(hào),計(jì)算所述待測(cè)土壤中各種元素的含量。
[0010]優(yōu)選地,所述激光器為微型高能激光器,所述微型高能激光器為半導(dǎo)體栗浦的主動(dòng)調(diào)Q固體激光器,輸出波長(zhǎng)為1064nm或532nm。
[0011]優(yōu)選地,所述樣品室包括樣品室殼體、樣品盒、氣壓檢測(cè)器、開關(guān)閥及鏡片沖洗裝置,
[0012]樣品室殼體,為密閉空間,用于降低檢測(cè)時(shí)空氣對(duì)待測(cè)土壤的干擾;
[0013]樣品盒,通過密封部件與所述樣品室殼體的內(nèi)底壁連接,用于放置所述待測(cè)土壤;
[0014]氣壓檢測(cè)器,用于檢測(cè)所述樣品室內(nèi)的氣壓;
[0015]鏡片沖洗裝置,為導(dǎo)氣三通裝置,所述導(dǎo)氣三通裝置第一端固定在樣品室殼體上,該端通過導(dǎo)氣管與開關(guān)閥連接,所述導(dǎo)氣三通裝置第二端位于鑲嵌在樣品室殼體上的激光聚焦鏡一側(cè),所述導(dǎo)氣三通裝置第三端位于鑲嵌在樣品室殼體上的第一光學(xué)透鏡一側(cè),所述鏡片沖洗裝置用于沖洗激光聚焦鏡和第一光學(xué)透鏡。
[0016]優(yōu)選地,所述光譜收集轉(zhuǎn)換模塊包括光譜收集模塊和光譜轉(zhuǎn)換模塊:
[0017]光譜收集模塊,包括第一光學(xué)透鏡和第二光學(xué)透鏡,用于收集所述光學(xué)信號(hào),并通過傳導(dǎo)光纖將所述光學(xué)信號(hào)傳輸至分光單元,所述第一光學(xué)透鏡鑲嵌在樣品室殼體上,還用于密封所述樣品室;
[0018]光譜轉(zhuǎn)換模塊,包括分光單元、光電轉(zhuǎn)換單元和A/D轉(zhuǎn)換單元,
[0019]分光單元,用于對(duì)所述光譜收集模塊收集的光學(xué)信號(hào)進(jìn)行分光處理,輸出特征光譜信號(hào),并將所述特征光譜信號(hào)傳輸至光電轉(zhuǎn)換單元;
[0020]光電轉(zhuǎn)換單元,用于對(duì)所述分光單元輸出的特征光譜信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換,輸出電流信號(hào),并將所述電流信號(hào)傳輸至A/D轉(zhuǎn)換單元;
[0021]A/D轉(zhuǎn)換單元,用于對(duì)所述光電轉(zhuǎn)換單元輸出的電流信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,輸出數(shù)字信號(hào),并將所述數(shù)字信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊。
[0022]優(yōu)選地,所述信號(hào)處理模塊包括:
[0023]轉(zhuǎn)換單元,用于根據(jù)所述光譜收集轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào),獲取所述待測(cè)土壤中各種元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào),并將所述光譜強(qiáng)度信號(hào)傳輸至分析單元;
[0024]分析單元,用于根據(jù)所述轉(zhuǎn)換單元輸出的各種元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào),計(jì)算所述待測(cè)土壤中各種元素的含量;
[0025]顯示單元,根據(jù)所述分析單元輸出的所述待測(cè)土壤中各種元素的含量,顯示所述待測(cè)土壤中各種元素的含量的測(cè)量結(jié)果。
[0026]優(yōu)選地,所述系統(tǒng)還包括:
[0027]真空栗,與樣品室連接,用于對(duì)樣品室內(nèi)的氣體進(jìn)行抽氣,控制樣品室的氣壓;
[0028]移動(dòng)電源,通過電氣線路連接激光器、樣品室、光譜收集轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊、系統(tǒng)控制模塊、真空栗,用于為系統(tǒng)提供電源;
[0029]控制模塊,通過電氣線路連接激光器、樣品室、光譜收集轉(zhuǎn)換模塊、信號(hào)處理模塊、真空栗,用于為系統(tǒng)提供控制指令;
[0030]激光聚焦鏡,鑲嵌在所述樣品室上,用于密封樣品室,并對(duì)所述激光器發(fā)射的激光進(jìn)行聚焦,聚焦后的激光傳輸至所述樣品室;
[0031]激光反射鏡,放置在所述樣品室內(nèi),用于對(duì)經(jīng)過所述激光聚焦鏡匯聚的激光進(jìn)行反射,反射后的激光傳輸至所述樣品盒。
[0032]第二方面,本發(fā)明提供一種土壤養(yǎng)分檢測(cè)方法,所述檢測(cè)方法包括步驟:
[0033]激光器發(fā)射預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的激光,所述激光通過激光聚焦鏡聚焦以及激光反射鏡反射后傳輸至樣品盒,照射待測(cè)土壤;
[0034]光譜收集轉(zhuǎn)換模塊收集所述待測(cè)土壤被所述激光器發(fā)射的激光照射時(shí)產(chǎn)生的等離子態(tài)的光學(xué)信號(hào),并根據(jù)所述光學(xué)信號(hào),產(chǎn)生特征光譜信號(hào),并將所述特征光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸至信號(hào)處理模塊;
[0035]信號(hào)處理模塊根據(jù)所述光譜收集轉(zhuǎn)換模塊輸出的數(shù)字信號(hào),獲取所述待測(cè)土壤中各種元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào),并根據(jù)所述光譜強(qiáng)度信號(hào),計(jì)算所述待測(cè)土壤中各種元素的含量。
[0036]優(yōu)選地,所述檢測(cè)方法包括標(biāo)定階段,所述標(biāo)定階段包括步驟:
[0037]便攜式土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)樣品盒的標(biāo)準(zhǔn)土壤進(jìn)行檢測(cè),獲取所述標(biāo)準(zhǔn)土壤中某一種元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào);
[0038]根據(jù)所述標(biāo)準(zhǔn)土壤中該元素的已知含量和其對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào),獲取該元素的含量和其對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào)的二次曲線1 = Ax2+Bx+K,其中,y為該元素含量,X為該元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度值,A、B、K為系數(shù)。
[0039]優(yōu)選地,所述檢測(cè)方法包括測(cè)定階段,所述的測(cè)定階段包括步驟:
[0040]便攜式土壤養(yǎng)分檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)樣品盒的待測(cè)土壤進(jìn)行檢測(cè),獲取所述待測(cè)土壤中某一種元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào);
[0041]根據(jù)所述待測(cè)土壤中某一種元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào)以及該元素的含量和其對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度信號(hào)的二次曲線1 = Ax2+Bx+K,計(jì)算該元素的含量,其中,y為該元素含量,X為該元素對(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度值,A、B、K為系數(shù)。
[0042]優(yōu)選地,所述激光器發(fā)射預(yù)設(shè)波長(zhǎng)的激光之前還包括樣品室環(huán)境調(diào)整階段,所述調(diào)整階段包括:
[0043]樣品室沖洗,關(guān)閉開關(guān)閥使得樣品室密閉,對(duì)樣品室進(jìn)行抽氣至樣品室的氣壓達(dá)到?jīng)_洗預(yù)設(shè)值,打開開關(guān)閥,氣流進(jìn)入沖洗激光聚焦鏡和第一光學(xué)透鏡;
[0044]樣品室氣壓設(shè)定,在裝有待測(cè)土壤的樣品盒放入樣品室