一种便携式土壤养分检测系统及方法技术方案

本发明专利技术提供一种便携式土壤养分检测系统及方法。微型样品室为检测过程提供密闭空间和气压环境，通过光学窗口分别和激光光路及光谱收集光路进行光学连接。激光器发射激光；光谱收集转换模块收集待测土壤被激光照射时产生的等离子态的光学信号，根据光学信号产生特征光谱信号,将特征光谱信号转换为数字信号；信号处理模块根据数字信号，获取待测土壤中各种元素对应的光谱强度信号，根据光谱强度信号，计算待测土壤中各种元素的含量。本发明专利技术可以连续快速的检测土壤中的养分元素，明显降低空气对检测结果的影响，提高对土壤中的氮(N)，磷(P)，碳(C)等元素的检出效果。本发明专利技术简小、便携，可为土壤现场快速检测标定提供有力工具。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及土壤养分检测领域，尤其涉及一种便携式土壤养分元素检测系统及方法。
技术介绍
土壤是人类赖以生存和发展的基础，而土壤养分是影响土壤健康和生态系统生产力的重要标志。土壤养分也与土壤有机质和土壤结构存在密切的关系。土壤养分不仅是植物生长所需的氮、磷、钾、硫元素的主要来源，还与土壤重金属和有机污染物也密切相关。它的含量是土壤肥力水平的一项重要指标。因此准确快速的对土壤养分进行测量，对于合理利用土壤资源，建立良性循环的土地生态系统有着重要意义。土壤养分的组成不仅包括氮(N)、磷(P)、钾(K)等含量较高的元素，也包括钙(Ca)、镁(Mg)、硫(S)、铁(Fe)、硼(B)、钼(Mo)、锌(Zn)、锰(Μη)、铜(Cu)和氯(C1)等中量和微量元素。现有技术中，对于土壤养分中各主要元素的检测，传统的实验室化学分析方法，费用高，费时费力，对操作人员要求素质高；传统的快速测量方法，比如分光光度法、原子吸收等，需要提前处理样品，耗时长，步骤繁琐，并且容易引入干扰；近红外光谱法虽然不需要化学试剂且制样简单，但其化学计量学模型建立较为复杂，并且对中量和微量元素检出效果很差，不适合中量和微量元素的单独检测；X射线荧光光谱法对于土壤中的重金属元素检出效果较好，但是对于轻元素，如氮(N)、磷(P)、钾(K)、(Ca)、镁(Mg)、硫(S)等检出效果很差。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术提供一种便携式土壤养分元素检测系统及方法，用于实现野外土壤中各种养分元素的快速检测。第一方面，本专利技术提供一种便携式土壤养分检测系统，所述系统包括:激光器，用于发射预设波长的激光，并将所述激光发送至样品室；样品室，与光谱收集转换模块连接，用于接收所述激光，使其照射待测土壤，并提供待测土壤检测时所需的密闭空间和气压环境；光谱收集转换模块，用于收集所述待测土壤被所述激光器发射的激光照射时产生的等离子态的光学信号，并根据所述光学信号，产生特征光谱信号，并将所述特征光谱信号转换为数字信号传输至信号处理模块；信号处理模块，用于根据所述光谱收集转换模块输出的数字信号，获取所述待测土壤中各种元素对应的光谱强度信号，并根据所述光谱强度信号，计算所述待测土壤中各种元素的含量。优选地，所述激光器为微型高能激光器，所述微型高能激光器为半导体栗浦的主动调Q固体激光器，输出波长为1064nm或532nm。优选地，所述样品室包括样品室壳体、样品盒、气压检测器、开关阀及镜片冲洗装置，样品室壳体，为密闭空间，用于降低检测时空气对待测土壤的干扰；样品盒，通过密封部件与所述样品室壳体的内底壁连接，用于放置所述待测土壤；气压检测器，用于检测所述样品室内的气压；镜片冲洗装置，为导气三通装置，所述导气三通装置第一端固定在样品室壳体上，该端通过导气管与开关阀连接，所述导气三通装置第二端位于镶嵌在样品室壳体上的激光聚焦镜一侧，所述导气三通装置第三端位于镶嵌在样品室壳体上的第一光学透镜一侧，所述镜片冲洗装置用于冲洗激光聚焦镜和第一光学透镜。优选地，所述光谱收集转换模块包括光谱收集模块和光谱转换模块:光谱收集模块，包括第一光学透镜和第二光学透镜，用于收集所述光学信号，并通过传导光纤将所述光学信号传输至分光单元，所述第一光学透镜镶嵌在样品室壳体上，还用于密封所述样品室；光谱转换模块，包括分光单元、光电转换单元和A/D转换单元，分光单元，用于对所述光谱收集模块收集的光学信号进行分光处理，输出特征光谱信号，并将所述特征光谱信号传输至光电转换单元；光电转换单元，用于对所述分光单元输出的特征光谱信号进行光电转换，输出电流信号，并将所述电流信号传输至A/D转换单元；A/D转换单元，用于对所述光电转换单元输出的电流信号进行A/D转换，输出数字信号，并将所述数字信号传输至信号处理模块。优选地，所述信号处理模块包括:转换单元，用于根据所述光谱收集转换模块输出的数字信号，获取所述待测土壤中各种元素对应的光谱强度信号，并将所述光谱强度信号传输至分析单元；分析单元，用于根据所述转换单元输出的各种元素对应的光谱强度信号，计算所述待测土壤中各种元素的含量；显示单元，根据所述分析单元输出的所述待测土壤中各种元素的含量，显示所述待测土壤中各种元素的含量的测量结果。优选地，所述系统还包括:真空栗，与样品室连接，用于对样品室内的气体进行抽气，控制样品室的气压；移动电源，通过电气线路连接激光器、样品室、光谱收集转换模块、信号处理模块、系统控制模块、真空栗，用于为系统提供电源；控制模块，通过电气线路连接激光器、样品室、光谱收集转换模块、信号处理模块、真空栗，用于为系统提供控制指令；激光聚焦镜，镶嵌在所述样品室上，用于密封样品室，并对所述激光器发射的激光进行聚焦，聚焦后的激光传输至所述样品室；激光反射镜，放置在所述样品室内，用于对经过所述激光聚焦镜汇聚的激光进行反射，反射后的激光传输至所述样品盒。第二方面，本专利技术提供一种土壤养分检测方法，所述检测方法包括步骤:激光器发射预设波长的激光，所述激光通过激光聚焦镜聚焦以及激光反射镜反射后传输至样品盒，照射待测土壤；光谱收集转换模块收集所述待测土壤被所述激光器发射的激光照射时产生的等离子态的光学信号，并根据所述光学信号，产生特征光谱信号，并将所述特征光谱信号转换为数字信号传输至信号处理模块；信号处理模块根据所述光谱收集转换模块输出的数字信号，获取所述待测土壤中各种元素对应的光谱强度信号，并根据所述光谱强度信号，计算所述待测土壤中各种元素的含量。优选地，所述检测方法包括标定阶段，所述标定阶段包括步骤:便携式土壤养分检测系统对样品盒的标准土壤进行检测，获取所述标准土壤中某一种元素对应的光谱强度信号；根据所述标准土壤中该元素的已知含量和其对应的光谱强度信号，获取该元素的含量和其对应的光谱强度信号的二次曲线1 = Ax2+Bx+K，其中，y为该元素含量，X为该元素对应的光谱强度值，A、B、K为系数。优选地，所述检测方法包括测定阶段，所述的测定阶段包括步骤:便携式土壤养分检测系统对样品盒的待测土壤进行检测，获取所述待测土壤中某一种元素对应的光谱强度信号；根据所述待测土壤中某一种元素对应的光谱强度信号以及该元素的含量和其对应的光谱强度信号的二次曲线1 = Ax2+Bx+K，计算该元素的含量，其中，y为该元素含量，X为该元素对应的光谱强度值，A、B、K为系数。优选地，所述激光器发射预设波长的激光之前还包括样品室环境调整阶段，所述调整阶段包括:样品室冲洗，关闭开关阀使得样品室密闭，对样品室进行抽气至样品室的气压达到冲洗预设值，打开开关阀，气流进入冲洗激光聚焦镜和第一光学透镜；样品室气压设定，在装有待测土壤的样品盒放入样品室当前第1页1 2 3 4 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种便携式土壤养分检测系统，其特征在于，所述系统包括：激光器，用于发射预设波长的激光，并将所述激光发送至样品室；样品室，与光谱收集转换模块连接，用于接收所述激光，使其照射待测土壤，并提供待测土壤检测时所需的密闭空间和气压环境；光谱收集转换模块，用于收集所述待测土壤被所述激光器发射的激光照射时产生的等离子态的光学信号，并根据所述光学信号，产生特征光谱信号，并将所述特征光谱信号转换为数字信号传输至信号处理模块；信号处理模块，用于根据所述光谱收集转换模块输出的数字信号，获取所述待测土壤中各种元素对应的光谱强度信号，并根据所述光谱强度信号，计算所述待测土壤中各种元素的含量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：韩鹏程，董大明，矫雷子，赵贤德，张石锐，郭瑞，吴文彪，
申请(专利权)人：北京农业智能装备技术研究中心，
类型：发明
国别省市：北京;11