本发明专利技术涉及一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，该系统包括４波长光谱测量装置，其中４波长光谱测量装置中光源和检测器相对设置，并在光源和检测器之间放置中性参比样或待测叶片，光源和检测器分别与微控制器电联接，微控制器与串行口电路相连接，还分别与显示器和键盘相连接。该检测方法利用所检测的数据Ｉ↓［０］与Ｉ，计算出Ｉ↓［０］与Ｉ各波长检测光对鲜叶片的透过率Ｔ（Ｔ＝Ｉ／Ｉ↓［０］），然后利用化学计量算法计算出叶片中的叶绿素、水分和反映氮素水平的相对含量值ＮＩ。本发明专利技术相比传统测定方法提高效率数十倍，而且不产生对环境有害的物质，并可以实现大面积、快速、无损田间测试。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种植物营养状态检测的系统，特别是涉及便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器。
技术介绍
氮素是作物生长发育必不可少的营养元素，它是植物体内叶绿素、蛋白质、核酸的组成部分，又是许多内源激素的组成部分，占植物干重的1％～7％。氮化物主要集中在作物生命活动旺盛的区域如叶片、分生组织等，它是作物生长发育必不可少的营养元素，对作物的生命活动具有重要意义。在生产实际和科学研究中，我们需要使作物保持适宜的氮素水平，需要分析作物植株含氮量。现有分析作物氮素水平的方法有很多，如浓硫酸硝煮法、蒸馏法、扩散法等。这些方法精度较高，但都是对植株有破坏性的，且耗时、花费都很大。在需要实时监测作物含氮水平时，这些方法的实际应用价值不高。叶绿体是作物进行光合作用的场所，它具有截获光能的作用。叶绿素含量的高低，直接影响着作物光合作用的大小，并在一定的程度上反映了叶片含氮水平。可结合叶片水分含量和叶绿素含量建立关联关系反映氮素水平。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服原有的用化学方法、可见光谱或液相色谱的方法测定植物叶片中氮素含量时，其测定速度慢，测定过程需要消耗试剂、还会产生废液、对环境造成污染的缺陷；更主要的是在测定植物叶片中氮素含量时造成作物叶片破坏的缺陷；为了实现无损检测在田间生长过程中的作物叶片中的氮素的含量；从而提供一种利用多波长校正背景、去除背景成份影响，来实现无损检测作物叶片中的色素含量的便携式无损检测田间植物氮素营养状态的系统和方法。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术提供的用于便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法，包括在本专利技术的用于田间植物色素无损检测系统中按以下步骤进行1、首先，启动电源。通过移动滑动夹4将中性参比样13置入光源5和检测器6之间；2、操作键盘，微控制器7分别控制4波长光谱测量装置中LED光源5分时输出检测光的波长，其波长为λ1＝650～690nm，λ2＝740～760nm，λ3＝890～920nm，λ4＝960～980nm，检测光透过中性参比样后由光电检测器6接收各波长光的原始强度I01、I02、I03I044个波长，经前置放大15和微控制器内部所设置的A/D模拟数字转换器，输入微控制器7；3、将中性参比样13退出，改换待测的植物鲜叶片13；将该待测叶片放在所述的4波长光谱测量装置的上臂2和下臂3夹子中，测定时人工打开夹入叶片后借助弹簧的力量自动夹紧；重复测定中性参比样的步骤，测定透过植物鲜叶片的各波长光强度I，分别4个波长为I1、I2、I3、I4，该输出光经前置放大和模拟数字转换器，输入微控制器；4、微控制器利用检测的数据(各波长的I0与I)计算出各波长检测光对植物鲜叶片的透过率T(T＝I/I0)，然后利用下述多元线性方程组计算出叶片中植物的氮素水平，结果由显示屏显示，其系统检测流程如图4所示。所述的方程组如下用叶片对1号波长λ1和2号波长λ2的吸收光度差可算出叶片中叶绿素的含量；用叶片对3号波长λ3和4号波长λ4的吸收光度差可算出叶片中水分的含量叶片中叶绿素含量Cchl(μg/cm2)Cchl＝K1(A1-A2)+E1其中A1为叶片对λ1的吸光度，A2为叶片对λ2的吸光度，K1为系数，K1等于10～40，E1为误差项。叶片中水分含量Cx(mg/cm2)Cx＝K2(A4-A3)+E2其中A4为叶片对λ4的吸光度，A3为叶片对λ3的吸光度，K2为系数，K2等于20～80，E2为误差项。由叶片中叶绿素的含量CChl与水分的含量Cx可计算出植物氮素水平NINI＝A*CChl+B*CxNI为植物氮素水平；A为叶绿素相关系数(如1～1.5)；B为水分相关系数(如0.5～0.8)。也可以用多元线性回归建立叶片对四个波长的吸光度与叶片中含氮素营养水平间的关系式，从而由四个波长的吸光度计算叶片的氮素营养水平。本专利技术提供的便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器，包括光谱测量装置，其特征在于还包括一外壳12、外壳12上安装有键盘8和液晶显示器9；外壳12内设置一用以安放本机工作电池的电池槽11；以及安装系统电路板16，该系统电路板16由4路LED驱动电路14分别与微控制器7电连接，电池与4路LED驱动电路14电连接；微控制器7通过串行口电路10传送数据；微控制器7与安装在外壳12上的键盘8和液晶显示器9电连接；微控制器7与光谱测量装置中的光源5电连接；还通过前置放大器15与光电检测器6电连接；所述的光谱测量装置是具有4波长的；还包括用于夹持待测叶片的叶片夹1，叶片夹1安装在外壳12上；叶片夹的上臂2和下臂3内相对设置分析用的4种波长单色光源5和分析用的光电检测器6、其叶片夹上带有滑道，滑道中安装一用于固定中性参比样的滑动夹4，测量时将一待测叶片放置在叶片夹的光源和检测器之间。还包括一计算机，微控制器7与计算机通过串行口电路10电联接。在上述的技术方案中，所述的4种波长单色光源5采用具有4种波长LED，其波长范围为650nm～1100nm；包括单波长LED灯组合形成，也可以是一个包含至少4个波长的复合LED灯；并由微控制器7控制其工作。所述的系统驱动电路可以与微控制器、串行口电路做成一块系统电路板，该系统驱动电路为光源提供电源、控制光源的工作、采集检测器的检测信号并对信号处理确定叶片中待测量，测量结果由显示器9显示；驱动电路板的工作由键盘8来控制，并带有串行口电路10还便于和外部计算机进行通讯连接；所述的微控制器内部设置模拟数字转换器(A/D转换器)。在上述的技术方案中，所述的中性参比样是对各波长近红外光有相同吸收作用的材料制成(如陶瓷、聚四氟乙烯等)的薄片，用于检测光源各波长光的原始强度I0(4个波长分别为I01、I02、I03、I04)并传入微控制器(7)。当测定叶片时将中性参比样退出，改换植物鲜叶片并测定透过叶片得各波长光强度I(4个波长分别为I1、I2、I3、I4)并传入微控制器7，微控制器7利用各波长的I0、I计算出最终结果。在上述的技术方案中，所述的检测器为半导体光电检测器，安置在叶片夹的下臂内，也可以安置在叶片夹上臂内，用以检测各波长分析光的原始强度I0及透过叶片后的强度I，检测的信号传送到微控制器，经处理确定叶片中待测量。在上述的技术方案中，所述的显示器为液晶显示器或其它显示器，用以显示分析结果以及测试参数。本专利技术的优点在于本专利技术的一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法及测量仪器测定活体叶片中氮素含量，比传统测定的化学方法提高效率数十倍，而且不产生对环境有害的物质；多波长校正了背景影响和背景成份干扰，解决了氮素含量无损、准确测量。可以广泛用于作物的诊断、育种、农业生产和科研。1、本方法为田间活体叶片直接测定，不需采摘叶片和化学前处理，不产生污染，属于绿色测定方法。2、本方法为快速测量，比传统测定的化学方法提高效率数十倍。3、采用至少4个的多个波长组合，校正了背景影响和消除背景成份干扰。4、能很好的消除田间杂散光对测量的影响。5、系统采用低功耗设计，适于便携。6、测量结构采用滑动叶片夹，使用方便。7、选择了固体中性参比，解决了光源出射光强与检测器匹配的问题。8、采用中文液晶便于使用，并可以直接显示出植物氮素水平。9、可以将数据上传给PC机。附图说明图1是本发本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种便携式植物氮素和水分含量的无损检测方法，其特征在于包括以下步骤：Ａ、首先，启动电源，移动滑动夹（４），将中性参比样（１３）置入光源（５）和光电检测器（６）之间； Ｂ、微控制器（７）分别控制４波长光谱测量装置中ＬＥＤ光源（ ５）分时输出检测光的波长，其波长为λ１＝６５０～６９０ｎｍ，λ２＝７４０～７６０ｎｍ，λ３＝８９０～９４０ｎｍ，λ４＝９６０～９８０ｎｍ，检测光透过中性参比样后由光电检测器（６）接收各波长光的原始强度Ｉ↓［０１］、Ｉ↓［０２］、Ｉ↓［０３］Ｉ↓［０４］，４个波长处光的强度，经前置放大（１５）和微控制器内部所设置的Ａ／Ｄ模拟数字转换器，输入微控制器（７）；Ｃ、将中性参比样（１３）退出，改换待测的植物鲜叶片（１３）；将该待测叶片放在所述的４波长光谱测量装置的叶片夹（１）中 夹紧，重复步骤Ｂ，测定透过待测的植物鲜叶片的各波长光强度Ｉ↓［１］、Ｉ↓［２］、Ｉ↓［３］、Ｉ↓［４］，经前置放大和微控制器内部的模拟数字转换器，输入微控制器（７）；Ｄ、微控制器（７）利用检测的数据Ｉ↓［０］与Ｉ，计算出各波长检测光 对鲜叶片的透过率Ｔ＝Ｉ／Ｉ↓［０］，然后利用多元线性方程组计算出叶片中反映氮素水平的相对含量值ＮＩ，结果由显示屏显示；Ｅ、用叶片对１号波长λ１和２号波长λ２的吸收光度差可算出叶片中叶绿素的含量；用叶片对３号波长λ３和４号波长λ４的吸 收光度差可算出叶片中水分的含量：叶片中叶绿素含量Ｃｃｈｌ（μｇ／ｃｍ↑［２］） Ｃｃｈｌ＝Ｋ１（Ａ１－Ａ２）＋Ｅ１其中Ａ１为叶片对λ１的吸光度，Ａ２为叶片对λ２的吸光度，Ｋ１为系数，Ｋ１等于１０～４０，Ｅ１为误差项； 叶片中水分含量Ｃｘ（ｍｇ／ｃｍ↑［２］）Ｃｘ＝Ｋ２（Ａ４－Ａ３）＋Ｅ２其中Ａ４为叶片对λ４的吸光度，Ａ３为叶片对λ３的吸光度，Ｋ２为系数，Ｋ２等于２０～８０，Ｅ２为误差项；由叶片中叶绿素的含量Ｃ↓［Ｃｈｌ］与 水分的含量Ｃ↓［ｘ］可计算出植物氮素水平ＮＩ；ＮＩ＝Ａ＊Ｃ↓［Ｃｈｌ］＋Ｂ＊Ｃ↓［ｘ］ＮＩ为植物氮素水平；Ａ为叶绿素相关系数（如１～１．５）；Ｂ为水分相关系数（如０．５～０．８）；也可以用多元线性回归建立叶片对四个波 长的吸光度与叶片中含氮素营养水平间的关系式，从而由四个波长的吸光度计算叶片的氮素营养水平。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：王纪华，赵春江，黄文江，孙刚，郑文刚，刘良云，王忠义，严衍禄，
申请(专利权)人：北京农业信息技术研究中心，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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