一种土壤营养元素检测系统及方法技术方案

本发明专利技术实施例提供一种土壤营养元素检测系统及方法，该系统包括：负压样品采集舱用于为待测土壤提供真空环境，并压实待测土壤；激光发射模块用于发射激光并照射到待测土壤表面，在负压样品采集舱中形成等离子态光电子；光谱采集模块用于根据等离子态光电子获取待测土壤中每一营养元素的特征光谱；传感器分析模块用于根据任一营养元素的特征光谱和任一营养元素的特征光谱对应的预设光谱分析模型，获取待测土壤中所述任一营养元素的含量。本发明专利技术实施例通过采用小型的激光器，大大缩小了土壤营养元素检测系统的体积，通过对待测土壤进行压实处理，消除了基体效应和土壤飞溅，通过向负压样品采集舱中充入稀有气体，消除了空气对测量结果的影响。

A Soil Nutrient Element Detection System and Method

The embodiment of the invention provides a soil nutrient element detection system and method. The system includes: a negative pressure sample collection chamber is used to provide a vacuum environment for the soil to be measured and compact the soil to be measured; a laser emission module is used to emit laser and irradiate the soil surface to be measured, and a plasma photoelectricity is formed in the negative pressure sample collection chamber. The spectral acquisition module is used to obtain the characteristic spectra of each nutrient element in the soil according to the plasma photoelectron; the sensor analysis module is used to obtain any nutrient element in the soil according to the preset spectral analysis model corresponding to the characteristic spectra of any nutrient element and the characteristic spectra of any nutrient element. The content. The embodiment of the invention greatly reduces the volume of the soil nutrient element detection system by using a small laser, eliminates the matrix effect and soil spatter by compacting the soil to be measured, and eliminates the influence of air on the measurement results by filling the negative pressure sample collection chamber with rare gas.

【技术实现步骤摘要】
一种土壤营养元素检测系统及方法
本专利技术实施例涉及土壤检测领域，尤其涉及一种土壤营养元素检测系统及方法。
技术介绍
土壤养分是作物营养元素(碳元素和氮元素)的重要来源，是作物生长发育的物质基础。因此，快速测量和获取土壤中的主要营养元素(碳元素和氮元素)具有重要的意义。一方面，土壤中碳元素和氮元素等营养元素的快速测定是开发利用土壤养分的基础，为科学施肥提供了科学依据；另一方面，对土壤碳元素和氮元素的动态测量，对于研究土壤氮转化和碳转化、调整和优化土壤管理、减少温室效应气体排放等具有重要意义。土壤中碳元素的传统测量方法有经典法和实验室法，经典法包括：干烧法(高温电炉灼烧)或湿烧法(重铬酸钾氧化)，一般用苏打石灰吸收称重，或用标准氢氧化钡溶液吸收放出的二氧化碳，再用标准酸滴定。此方法不受还原物质的影响，可获得准确的结果，但需要一些特殊的仪器设备，费时费力，一般用于校准方法校核，实验室很少采用。实验室使用最普遍的碳元素检测方法是：在过量的硫酸存在下，用氧化剂重铬酸钾(或铬酸)氧化有机碳，剩余的氧化剂用标准硫酸亚铁溶液回滴，从消耗的氧剂量来计算有机碳量，此方法简单、快速，适合大量样品的分析，但精度低，会带来二次污染。而对于土壤氮素的测量，传统方法较为复杂，需要将土壤磨碎后，在实验室内经煅烧等前处理后，再用色谱、原子吸收等方法进行测量，费时费力，并引起二次污染。激光诱导击穿光谱(Laser-InducedBreakdownSpectroscopy，简称LIBS)，又称激光诱导等离子光谱技术，是基于原子发射光谱的一种全新的物质元素分析技术。其工作原理是：在强激光脉冲作用下，样品表面的物质被激发成为等离子体并迅速衰减，在衰减过程中辐射出特定频率的光子，产生特征谱线，其频率和强度包含了分析对象的元素种类和浓度信息。LIBS技术运行成本低，测量速度快，高灵敏度，无需或者需要很少的样品预处理即可实现多元素测量等优点，并且无辐射和二次污染，具有广阔的应用前景。现有技术公布了一种对土壤表面的氮元素分布进行快速测量的方法，通过原子光谱测量分析其中氮元素的含量，并通过样本台的匀速二维运动，获得土壤表面不同位置的氮素含量。因为物质基体对LIBS测量技术精度的影响较大，但是该方案中在激光每次击打前，每次激光击打引起的土壤飞溅对下一次激光击打土壤样品基体的影响，从而导致测量精度不高。
技术实现思路
本专利技术实施例提供一种土壤营养元素检测系统及方法，用以解决现有技术中由于土壤飞溅引起的土壤表面营养元素测量精度低的缺陷，实现准确的土壤营养元素的检测。本专利技术实施例提供一种土壤营养元素检测系统，包括：负压样品采集舱、激光激发模块、光谱采集模块和传感器分析模块；所述负压样品采集舱用于为待测土壤提供真空环境，并压实所述待测土壤；所述激光发射模块用于发射激光并照射到所述待测土壤表面，在所述负压样品采集舱中形成等离子态光电子；所述光谱采集模块用于根据所述等离子态光电子获取所述待测土壤中每一营养元素的特征光谱；所述传感器分析模块用于根据任一营养元素的特征光谱和所述任一营养元素的特征光谱对应的预设光谱分析模型，获取所述待测土壤中所述任一营养元素的含量。本专利技术实施例提供一种土壤营养元素检测方法，包括：S1，将所述待测土壤放置于所述负压样品采集舱中，并压实所述待测土壤；S2，通过所述激光发射模块发射激光并照射到所述待测土壤表面，在所述负压样品采集舱中形成等离子态光电子；S3，通过所述光谱采集模块获取所述待测土壤中每一营养元素的特征光谱；S4，通过所述传感器分析模块根据任一营养元素的特征光谱和所述任一营养元素的特征光谱对应的预设光谱分析模型，获取所述待测土壤中所述任一营养元素的含量。本专利技术实施例提供的一种土壤营养元素检测系统及方法，通过采用小型的激光器，大大缩小了土壤营养元素检测系统的体积，并且在激光器发射激光时，会先对激光器是否处于稳定状态进行判断，只有当激光器处于稳定状态的时候，才会发射激光，保证了激光器始终工作在较好的单模状态，从而可以提高激光器单模工作的稳定性。另外，通过对待测土壤进行压实处理，消除了基体效应和土壤飞溅，提高了测量精度。并且，通过向负压样品采集舱中充入稀有气体，消除了空气对测量结果的影响。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一种土壤营养元素检测系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例中负压样品采集舱的结构示意图；图3为本专利技术实施例一种土壤营养元素检测方法的流程图。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。图1为本专利技术实施例一种土壤营养元素检测系统的结构示意图，如图1所示，该系统包括：负压样品采集舱9、激光激发模块15、光谱采集模块3和传感器分析模块1；所述负压样品采集舱9用于为待测土壤提供真空环境，并压实所述待测土壤；所述激光发射模块用于发射激光并照射到所述待测土壤表面，在所述负压样品采集舱9中形成等离子态光电子；所述光谱采集模块用于根据所述等离子态光电子获取所述待测土壤中每一营养元素的特征光谱；所述传感器分析模块用于根据任一营养元素的特征光谱和所述任一营养元素的特征光谱对应的预设光谱分析模型，获取所述待测土壤中所述任一营养元素的含量。其中，在对待测土壤表面的营养元素进行测量时，需要把待测土壤放置在负压样品采集舱9中，负压样品采集舱9中可以为待测土壤提供一个真空的测量环境，从而避免了空气中的氮气、二氧化碳、一氧化氮等气体对土壤氮素和碳素的影响。然后激光发射模块发射具有高能量、高频率的激光，发射的激光通过光纤11进入负压样品采集舱中，并照射到待测土壤表面，在该负压样品采集舱中形成等离子态光电子。此处，发射的激光可以通过光纤11进入负压样品采集舱中，也可通过其它方式进入负压样品采集舱，本专利技术实施例并不限于使用光纤。接着光谱采集模块通过光纤4收集负压样品采集舱中的等离子态光电子，并根据该等离子态光电子获取土壤中每一中营养元素的特征光谱，需要说明的是，土壤中的营养元素有很多种，但是主要是指碳元素和氮元素，当只需要测量其中一种元素的含量时，根据等离子态光电子获取该种元素的特征光谱，当需要测量多种元素的含量时，分别获取对应元素的特征光谱即可。本专利技术实施例提供的土壤营养检测系统可以包括：传感器分析模块1、壳体2、光谱采集模块3、光信号收集光纤4、气泵5、出气管6、稀有气体储藏室7、进气管8，负压样品采集舱9、微型电机主控单元10、光信号出射光纤11、主控单元12、供电单元13、激光器控制单元14和激光器15。具体地，光谱采集模块为光谱仪，对击打后产生的等离子态光电子进行收集，形成不同元素的特征光谱。光谱仪又称分光仪，广泛认知的为直读光谱仪。以本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土壤营养元素检测系统，其特征在于，包括：负压样品采集舱、激光激发模块、光谱采集模块和传感器分析模块；所述负压样品采集舱用于为待测土壤提供真空环境，并压实所述待测土壤；所述激光发射模块用于发射激光并照射到所述待测土壤表面，在所述负压样品采集舱中形成等离子态光电子；所述光谱采集模块用于根据所述等离子态光电子获取所述待测土壤中每一营养元素的特征光谱；所述传感器分析模块用于根据任一营养元素的特征光谱和所述任一营养元素的特征光谱对应的预设光谱分析模型，获取所述待测土壤中所述任一营养元素的含量。

【技术特征摘要】
1.一种土壤营养元素检测系统，其特征在于，包括：负压样品采集舱、激光激发模块、光谱采集模块和传感器分析模块；所述负压样品采集舱用于为待测土壤提供真空环境，并压实所述待测土壤；所述激光发射模块用于发射激光并照射到所述待测土壤表面，在所述负压样品采集舱中形成等离子态光电子；所述光谱采集模块用于根据所述等离子态光电子获取所述待测土壤中每一营养元素的特征光谱；所述传感器分析模块用于根据任一营养元素的特征光谱和所述任一营养元素的特征光谱对应的预设光谱分析模型，获取所述待测土壤中所述任一营养元素的含量。2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，还包括：气泵和稀有气体储藏室，所述气泵和所述稀有气体储藏室分别与所述负压样品采集舱连接；其中，所述气泵用于抽出所述负压样品采集舱内的空气，以使得所述稀有气体储藏室中的稀有气体进入所述负压样品采集舱，形成具有所述预设负压的真空环境。3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述负压样品采集舱包括样本池和压实装置，所述压实装置的上端与所述负压样品采集舱固连，所述样本池位于所述压实装置的下方，所述压实装置用于压实所述样本池中的所述待测土壤。4.根据权利要求3所述系统，其特征在于，还包括：三维移动平台，所述样本池安装在所述三维移动平台的上方，所述三维移动平台通过在以下三个方向中的一个或多个方向进行移动，以改变所述样本池的位置，所述三个方向为X轴方向、Y轴方向和Z轴方向。5.根据权利要求3所述系统，其特征在于，所述压实装置的下端安装有压力传感器。6.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述激光发射模块包括激光器、第一可调分光器和第二可调分光器；其中，所述激光器用于发射初始激光，若所述激光器处于稳定状态，所述第一可调分光器用于按照第一预设比例...

【专利技术属性】
技术研发人员：董大明，邢振，赵春江，赵贤德，矫雷子，田宏武，李传霞，
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