基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置包括装设有行走轮的移动平台以及设置在移动平台上的控制箱，还包括设置在移动平台上的采土装置和存土装置、设置在移动平台底部的破土装置和光学系统、设置在控制箱顶部的GPS以及设置在控制箱内的光谱仪、工控机和控制器。本发明专利技术操作简便，整个光谱采集、记录、聚类分析、代表性土壤样品采集等多个过程可控并连续化，整个测试过程绿色无污染，不破坏测试体系，适用于大片田地的连续监测；本发明专利技术不仅能够降低检测成本，还能够提高模型的预测精度。

【技术实现步骤摘要】
基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置
本专利技术涉及精准农业先进土壤传感系统
，具体是一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置。
技术介绍
精准农业是现代科学技术革命对农业产生巨大影响下逐步形成的新型农业形态，是科技含量很高、集成综合性很强的现代农业生产管理技术。传统的农业耕作方式主要依靠经验进行粗放管理，化肥、农药的使用虽然大幅提高了粮食产量，但盲目施肥不仅造成了大量的浪费，而且带来了严重的土壤、环境污染。因此，必须重视土壤养分测量技术，实施区域化精准施肥，充分挖掘农田生产潜力，合理利用水肥资源，减少环境污染，同时大幅提高农产品产量和品质。目前，市面上的土壤养分速测仪以比色法原理为主，其精度基本可以满足定量检测的要求。但由于土壤成分复杂，有效养分的联合浸提较困难，针对不同类型的土壤，浸提方法也有所区别。且由于浸提时间的要求，很难做到对农田土壤养分的实时检测。相对于比色法，离子选择性电极检测土壤养分不需要标准试剂、试纸等，但该方法一般只能检测水溶性速效养分。近年来，可见光/近红外光谱法作为一种绿色的分析技术，由于其测量精度高、分析速度快、多种成分同时可测等优点在很多相关领域得以迅速发展。根据土壤漫反射光谱特性与组分性质之间的相应函数关系，基于可见光/近红外漫反射光谱的分析仪器在几秒内就可以完成数据采集和分析，给出多个组分的同步测量。中国专利CN101975764B公开了一种基于近红外光谱技术的多波段土壤氮素检测装置和方法，采用七个单波段近红外LED作为主动光源，通过控制步进电机实现了7个波段反射率数据的自动或手动获取，适用于田间土壤氮素的实时测量。中国专利申请103091276A公开了一种土壤养分传感器，利用MEMS技术将近红外光谱仪微型化、精密化、集成化，开发一套高精度、便携且能耗较低的土壤养分传感器。中国专利申请CN101609042A公开了一种基于近红外光谱的手持式土壤养分无损测量系统，整个装置重量不足1kg，可以满足田间土壤养分快速测量需要。综上，目前国内外已有不少基于可见光/近红外光谱的便携式、微型化土壤传感器，但均需先人工或机械取样后测量，采样与测量过程不连续，这在田地尤其是在大面积应用时有一定的局限性。同时，土壤养分含量的测量首先需要建立校正模型，即收集具有代表性的土壤样品作为校正样本集，测量校正样本集的近红外光谱，并采用国际法测量养分数据作为标准含量，利用多元校正算法建立定量关系，即校正模型。对于未知土壤样品，只需扫描其可见光/近红外光谱图，代入相应校正模型，即可得到相应各成分含量。随机选择出的样品往往无法很好地反映所有样品的信息，而选择具有代表性的校正样本集对所建校正模型的通用性和准确性有较大影响，同时还可减小化学分析的工作量，是近红外分析技术中提高效率、减少成本的重要方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置能够克服现有土壤成分测试不能连续、大面积测量等限制，利用可见光/近红外光谱技术在田间连续检测，并能实现校正样本集中样品的自动采集。本专利技术的技术方案为：一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置包括装设有行走轮的移动平台以及设置在移动平台上的控制箱，该装置还包括设置在移动平台上的采土装置和存土装置、设置在移动平台底部的破土装置和光学系统、设置在控制箱顶部的GPS以及设置在控制箱内的光谱仪、工控机和控制器；所述破土装置，用于翻土，带动光学系统直接压在翻过的土壤表面；所述光学系统，用于形成土壤样品漫反射光谱，并将土壤样品漫反射光谱信息传送至光谱仪；所述光谱仪，用于收集土壤样品漫反射可见光光谱和近红外光谱数据，并传送至工控机；所述GPS，用于记录土壤样品的位置信息，并传送至工控机；所述工控机，用于对土壤样品光谱信息进行主成分提取和聚类分析，选择出具有代表性的土壤样品，并根据其位置信息进行路径规划；所述采土装置，用于根据规划的路径，在移动平台到达指定土壤样品的位置后，对土壤样品进行采集；所述存土装置，用于将采集的土壤样品有序存放在移动平台上的特定区域内；所述控制器，用于对破土装置、光学系统、采土装置和存土装置的启动和停止进行控制。所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述破土装置包括长杆、竖杆和斗齿，所述长杆的前端通过销钉与移动平台连接，长杆的后端通过伸缩汽缸臂与移动平台连接；所述竖杆固定在长杆上，所述斗齿装设在竖杆的下端前部，所述光学系统装设在竖杆的下端后部；所述光学系统包括光源系统和光谱采集系统，所述光源系统包括光源模块和聚焦透镜组，所述光谱采集系统包括收集透镜和收集光纤端头；所述光源模块发出的光经聚焦透镜组准直和聚焦后作用到待测土壤样品表面形成漫反射光谱，所述漫反射光谱经收集透镜会聚后再通过收集光纤端头耦合进收集光纤并传输至光谱仪。所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述采土装置包括液压伸缩杆、用于抓取土壤样品的第一机械手指和转动圆盘，所述存土装置包括横向导轨、纵向导轨、用于抓取土样存储罐的第二机械手指和若干土样储存罐；所述液压伸缩杆通过支架固定在移动平台上，所述第一机械手指装设在液压伸缩杆的下端，所述转动圆盘装设在第一机械手指下方的移动平台上；所述转动圆盘和移动平台上均开设有用于第一机械手指穿过的取土孔；所述转动圆盘底部和第一机械手指内部均设有驱动电机；所述横向导轨与纵向导轨相互垂直设置，所述横向导轨上设有横向驱动机构，所述纵向导轨上设有纵向驱动机构；所述横向导轨通过立板固定在移动平台上，所述纵向导轨装设在横向导轨上并在横向驱动机构的作用下沿着横向导轨横向移动，所述第二机械手指装设在纵向导轨上并在纵向驱动机构的作用下沿着纵向导轨纵向移动；所述若干土样存储罐有序放置在移动平台上且在第二机械手指能够自由移动的相应区域内；所述第二机械手指内部设有驱动电机。所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光学系统与竖杆通过平行四边形连杆机构连接。所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光源系统还包括一个圆柱形大套筒和一个圆柱形小套筒，所述光源模块设置在圆柱形大套筒的顶端，所述圆柱形小套筒设置在圆柱形大套筒的下端，所述光源模块采用卤素灯泡，所述聚焦透镜组由两片平凸透镜组成，所述两片平凸透镜分别装设在圆柱形小套筒的两端，其平面相对放置。所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光谱采集系统还包括一个圆柱形套筒，所述收集透镜设置在圆柱形套筒的底端，所述收集光纤端头设置在圆柱形套筒的顶端。所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述光谱仪包括可见光光谱仪和近红外光谱仪。所述的基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，所述横向运动机构和纵向运动机构均包括相互啮合的条形齿轮和转子齿轮以及用于带动转子齿轮转动的驱动电机。由上述技术方案可知，本专利技术操作简便，可由拖拉机等牵引在田间自由移动，整个光谱采集、记录、聚类分析、代表性土壤样品采集等多个过程可控并连续化，整个测试过程绿色无污染，不破坏测试体系，适用于大片田地的连续监测；本专利技术将整个田地采集后的可见光/近红本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置包括装设有行走轮的移动平台以及设置在移动平台上的控制箱，其特征在于：该装置还包括设置在移动平台上的采土装置和存土装置、设置在移动平台底部的破土装置和光学系统、设置在控制箱顶部的GPS以及设置在控制箱内的光谱仪、工控机和控制器；所述破土装置，用于翻土，带动光学系统直接压在翻过的土壤表面；所述光学系统，用于形成土壤样品漫反射光谱，并将土壤样品漫反射光谱信息传送至光谱仪；所述光谱仪，用于收集土壤样品漫反射可见光光谱和近红外光谱数据，并传送至工控机；所述GPS，用于记录土壤样品的位置信息，并传送至工控机；所述工控机，用于对土壤样品光谱信息进行主成分提取和聚类分析，选择出具有代表性的土壤样品，并根据其位置信息进行路径规划；所述采土装置，用于根据规划的路径，在移动平台到达指定土壤样品的位置后，对土壤样品进行采集；所述存土装置，用于将采集的土壤样品有序存放在移动平台上的特定区域内；所述控制器，用于对破土装置、光学系统、采土装置和存土装置的启动和停止进行控制。

【技术特征摘要】
1.一种基于近红外光谱技术的车载土壤养分检测及自动采样装置，该装置包括装设有行走轮的移动平台以及设置在移动平台上的控制箱，其特征在于：该装置还包括设置在移动平台上的采土装置和存土装置、设置在移动平台底部的破土装置和光学系统、设置在控制箱顶部的GPS以及设置在控制箱内的光谱仪、工控机和控制器；所述破土装置，用于翻土，带动光学系统直接压在翻过的土壤表面；所述光学系统，用于形成土壤样品漫反射光谱，并将土壤样品漫反射光谱信息传送至光谱仪；所述光谱仪，用于收集土壤样品漫反射可见光光谱和近红外光谱数据，并传送至工控机；所述GPS，用于记录土壤样品的位置信息，并传送至工控机；所述工控机，用于对土壤样品光谱信息进行主成分提取和聚类分析，选择出具有代表性的土壤样品，并根据其位置信息进行路径规划；所述采土装置，用于根据规划的路径，在移动平台到达指定土壤样品的位置后，对土壤样品进行采集；所述存土装置，用于将采集的土壤样品有序存放在移动平台上的特定区域内；所述控制器，用于对破土装置、光学系统、采土装置和存土装置的启动和停止进行控制；所述采土装置包括液压伸缩杆、用于抓取土壤样品的第一机械手指和转动圆盘，所述存土装置包括横向导轨、纵向导轨、用于抓取土样存储罐的第二机械手指和若干土样存储罐；所述液压伸缩杆通过支架固定在移动平台上，所述第一机械手指装设在液压伸缩杆的下端，所述转动圆盘装设在第一机械手指下方的移动平台上；所述转动圆盘和移动平台上均开设有用于第一机械手指穿过的取土孔；所述转动圆盘底部和第一机械手指内部均设有驱动电机；所述横向导轨与纵向导轨相互垂直设置，所述横向导轨上设有横向驱动机构，所述纵向导轨上设有纵向驱动机构；所述横向导轨通过立板固定在移动平台上，所述纵向导轨装设在横向导轨上并在横向驱动机构的作用下沿着横向导轨横向移动，所述第二机械手指装设在纵向导轨上并在纵向驱动机构的作用下沿着纵向导轨纵向移动；所述若干土样存储罐有序放置在移动平台上...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪玉冰，王儒敬，常礼，宋良图，曹平国，林志丹，刘晶，鲁翠萍，汪六三，张正勇，李平，何大伟，贾铁振，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34