土壤高光谱检测探头及其全时侵入检测装置和检测方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种土壤高光谱检测探头及其全时侵入检测装置和检测方法，检测装置包括检测探头、固定立柱、底座和盖板；底座呈楔形，其顶面上开设有凹槽，且凹槽的开口由盖板封闭，底座非尖端一侧与内部中空的固定立柱侧面固定且连通；盖板上开设有贯通的孔洞，用于固定安装检测探头；检测探头的光纤与供电电源线均经固定立柱的中空通道穿过盖板，并分别与外部的光谱传感器相连和外部电源相连；盖板、底座和固定立柱共同构成包围检测探头的密闭不透光空间。本发明专利技术是利用检测装置切开农田耕层土壤，同时利用检测探头采集土壤高光谱数据并经光纤传输给光谱传感器，实现野外农田耕层土壤快速实时检测。

【技术实现步骤摘要】
土壤高光谱检测探头及其全时侵入检测装置和检测方法
本专利技术属于光谱检测装置领域，尤其涉及一种土壤高光谱检测探头及其全时侵入检测装置和检测方法。
技术介绍
在室内条件下的土壤高光谱数据检测手段目前已经十分成熟，野外土壤静态原位高光谱采集研究也取得了令人满意的结果。室内光谱测试仅限于室内环境条件，其所必需的一系列样品制备过程，在某种程度上削弱了高光谱技术在土壤理化属性值估算方面相对于传统化学分析方法所具备的无损快速的优势。近年来兴起的野外土壤原位光谱行走式检测，成为了土壤近地遥感的热点研究内容之一[史舟等.土壤地面高光谱遥感原理与方法.科学出版社,2014.5]。一般而言，行走式野外土壤高光谱实时检测装置由动力牵引装置牵引，在保持检测设备以一定速度向前行进的同时，实时检测野外土壤光谱，目前已有的行走式野外土壤高光谱实时检测装置，基本工作原理是：检测装置的光学部分集成在一个类似于铧犁的部件上，并在铧犁的底部钻有一个通光孔，光源产生的光能量通过通光孔照射在被犁刀预先切开的犁底土壤上，土壤表面散射/反射的光能量经光纤检测后传递给与电脑相连的传感器(光谱仪)，经电脑处理后保存而成为光谱数据，供后续应用。在这个过程中铧犁底部必须保持一直与犁底土壤紧密接触，密不透光，以保证通过犁底通光孔的光能量完全照射到犁底土壤上，还要保证外界环境光线不会射入通光孔而引入光学噪声造成干扰。这就要求，检测装置在工作状态下，通光孔所在的铧犁底部，最好始终与犁底土壤保持紧密接触，处于类似于“暗室”的状态[李民赞,郑立华,安晓飞,孙红.土壤成分与特性参数光谱快速检测方法及传感技术.农业机械学报,2013,44(3):73-87]。而要使犁刀在工作时保持这种状态，需要使用一定的外力，将犁刀镇压至合适的土壤深度并维持在这个深度。但在实际检测过程中，因为犁刀等工作部件是拖拉机等牵引车的驱动下向前运动行走的，往往会因为各种原因，导致犁底通光孔无法与犁底土壤紧密接触而暴露在外界环境中，失去其类“暗室”密闭性，给检测结果带来噪声，导致其不可靠性。而如何解决这个的问题，目前还未见有公开报道。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术中的缺陷，并提供一种土壤高光谱检测探头及其全时侵入检测装置和检测方法，用以实时检测野外农田耕层土壤光谱。本专利技术所采用的具体技术方案如下：一种土壤高光谱检测探头，其包括探头基座、通光孔、光纤准直器、光源和蓝宝石窗口玻璃；所述探头基座上开设有深入内部的通光孔；蓝宝石窗口玻璃安装于探头基座的表面，将通光孔与外部连通处完全封闭；探头基座上开设有与通光孔连通的第一安装孔和第二安装孔，第一安装孔和第二安装孔内分别固定安装有光纤准直器和光源；光纤准直器通过光纤与光谱传感器相连，光源通过供电电源线与外部电源相连；在光纤准直器的顶端设有与光纤准直器横截面平行的反射镜，反射镜与光源的发光端具有间隔；光纤准直器和光源的横截面中轴线成45°角，蓝宝石窗口玻璃横截面的几何中心垂线与反射镜的法线成45°角；从光源发射出的光线能通过反射镜的反射作用，垂直蓝宝石窗口玻璃的横截面照射到外部的土壤上，在土壤上发生散射或漫反射的光通过蓝宝石窗口玻璃后经光纤准直器准直后入射到光纤的入射端面。作为优选，所述通光孔开设于探头基座的中心处。作为优选，所述第一安装孔和第二安装孔均为横截面为圆形的通孔。作为优选，所述反射镜的表面与光纤准直器的顶端平齐。作为优选，所述光源为卤钨灯光源。本专利技术的第二目的在于提供一种具有上述任一所述土壤高光谱检测探头的全时侵入检测装置，其包括固定立柱、底座和盖板；所述底座呈楔形，其顶面上开设有凹槽，且所述凹槽的开口由盖板封闭，所述底座非尖端一侧与内部中空的固定立柱侧面固定且连通；盖板一端伸入固定立柱的内部将所在处固定立柱的中空截面完全封闭；盖板上开设有贯通的孔洞，用于固定安装检测探头，盖板与检测探头的连接处封闭；检测探头的蓝宝石窗口玻璃与所在处盖板的顶面平齐；检测探头的光纤与供电电源线均经固定立柱的中空通道穿过盖板，并分别与外部的光谱传感器相连和外部电源相连；盖板、底座和固定立柱共同构成包围检测探头的密闭不透光空间，使从光源发射出的光线仅能通过蓝宝石窗口玻璃照射到外部的土壤上，并在土壤上发生散射或漫反射后通过蓝宝石窗口玻璃经光纤准直器入射到光纤的入射端面。作为优选，所述盖板与固定立柱通过第三固定件连接固定，盖板与底座通过第二固定件连接固定。进一步的，所述第三固定件和第二固定件均为螺丝。作为优选，所述检测探头的探头基座上开设有沉头孔，螺栓穿过沉头孔将检测探头固定于盖板上。本专利技术的第三目的在于提供一种基于上述任一所述检测装置检测土壤光谱的方法，其具体如下：将固定立柱固定在牵引车的悬挂机构上，通过调节悬挂机构向下移动使检测装置的拓土端位于土壤的额定深度处；在检测过程中，悬挂机构始终对检测装置产生向下的镇压力，使蓝宝石窗口玻璃被土壤包裹并覆盖；控制牵引车以额定速度向前移动，通过悬挂机构带动检测装置同步向前移动；检测装置的底座在悬挂机构的作用下前后端受力不完全相同，底座的尖端产生朝前朝下的翻转趋势，使得底座的尖端连续切入土壤中；切开的土壤紧贴盖板的倾斜段斜向上移动并连续覆盖蓝宝石窗口玻璃；光源发出的光线经反射镜反射后通过蓝宝石窗口玻璃照射到位于蓝宝石窗口玻璃外连续移动覆盖的土壤上，在土壤表面发生散射或漫反射；土壤表面经过散射或漫反射的光能量通过蓝宝石窗口玻璃后经光纤准直器准直后入射到光纤的入射端面，由光纤传输到光谱传感器中；工作电脑与光谱传感器相连，通过安装在电脑中的控制软件设置光谱传感器的采样频率；在检测装置随悬挂机构移动的过程中，连续实时检测外部的土壤光谱，并实时保存于电脑中。本专利技术相对于现有技术而言，具有以下有益效果：1)本专利技术是利用检测装置切开农田耕层土壤，同时利用本专利技术内置的检测探头采集土壤高光谱数据并经光纤传输给光谱传感器，实现野外农田耕层土壤快速实时检测；2)本专利技术检测装置的设计，一方面解决了由于作用在检测装置上的镇压力不够而使得检测探头的通光孔暴露在外界光环境下而带来的环境光干扰，使得本专利技术检测装置的检测结果具有高可靠性；另一方面，本专利技术的检测装置是在外力的牵引作用下，实现了对野外农田耕层土壤主光谱的快速实时连续检测，使得大范围农田耕层土壤高光谱数据的连续实时检测结果更加有效可靠。附图说明图1是本专利技术检测装置的结构示意图；图2是本专利技术检测探头的结构示意图；图3是本专利技术检测装置的内部结构示意图；图4是本专利技术检测装置检测土壤光谱时的工作示意图；图中：1、固定立柱，2、盖板，3、第一固定件，4、蓝宝石窗口玻璃，5、探头基座，6、第二固定件，7、第三固定件，8、底座，9、光源，10、反射镜，11、光纤准直器，12、线路通道，13、供电电源线，14、光纤，15、第一安装孔，16、第二安装孔，17、沉头孔，18、通光孔，19、悬挂机构，20、土壤。具体实本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种土壤高光谱检测探头，其特征在于，包括探头基座(5)、通光孔(18)、光纤准直器(11)、光源(9)和蓝宝石窗口玻璃(4)；/n所述探头基座(5)上开设有深入内部的通光孔(18)；蓝宝石窗口玻璃(4)安装于探头基座(5)的表面，将通光孔(18)与外部连通处完全封闭；探头基座(5)上开设有与通光孔(18)连通的第一安装孔(15)和第二安装孔(16)，第一安装孔(15)和第二安装孔(16)内分别固定安装有光纤准直器(11)和光源(9)；光纤准直器(11)通过光纤(14)与光谱传感器相连，光源(9)通过供电电源线(13)与外部电源相连；在光纤准直器(11)的顶端设有与光纤准直器(11)横截面平行的反射镜(10)，反射镜(10)与光源(9)的发光端具有间隔；光纤准直器(11)和光源(9)的横截面中轴线成45°角，蓝宝石窗口玻璃(4)横截面的几何中心垂线与反射镜(10)的法线成45°角；从光源(9)发射出的光线能通过反射镜(10)的反射作用，垂直蓝宝石窗口玻璃(4)的横截面照射到外部的土壤(20)上，在土壤(20)上发生散射或漫反射的光通过蓝宝石窗口玻璃(4)后经光纤准直器(11)准直后入射到光纤(14)的入射端面。/n...

【技术特征摘要】
1.一种土壤高光谱检测探头，其特征在于，包括探头基座(5)、通光孔(18)、光纤准直器(11)、光源(9)和蓝宝石窗口玻璃(4)；
所述探头基座(5)上开设有深入内部的通光孔(18)；蓝宝石窗口玻璃(4)安装于探头基座(5)的表面，将通光孔(18)与外部连通处完全封闭；探头基座(5)上开设有与通光孔(18)连通的第一安装孔(15)和第二安装孔(16)，第一安装孔(15)和第二安装孔(16)内分别固定安装有光纤准直器(11)和光源(9)；光纤准直器(11)通过光纤(14)与光谱传感器相连，光源(9)通过供电电源线(13)与外部电源相连；在光纤准直器(11)的顶端设有与光纤准直器(11)横截面平行的反射镜(10)，反射镜(10)与光源(9)的发光端具有间隔；光纤准直器(11)和光源(9)的横截面中轴线成45°角，蓝宝石窗口玻璃(4)横截面的几何中心垂线与反射镜(10)的法线成45°角；从光源(9)发射出的光线能通过反射镜(10)的反射作用，垂直蓝宝石窗口玻璃(4)的横截面照射到外部的土壤(20)上，在土壤(20)上发生散射或漫反射的光通过蓝宝石窗口玻璃(4)后经光纤准直器(11)准直后入射到光纤(14)的入射端面。


2.根据权利要求1所述的土壤高光谱检测探头，其特征在于，所述通光孔(18)开设于探头基座(5)的中心处。


3.根据权利要求1所述的土壤高光谱检测探头，其特征在于，所述第一安装孔(15)和第二安装孔(16)均为横截面为圆形的通孔。


4.根据权利要求1所述的土壤高光谱检测探头，其特征在于，所述反射镜(10)的表面与光纤准直器(11)的顶端平齐。


5.根据权利要求1所述的土壤高光谱检测探头，其特征在于，所述光源(9)为卤钨灯光源。


6.一种具有权利要求1～5任一所述土壤高光谱检测探头的全时侵入检测装置，其特征在于，包括固定立柱(1)、底座(8)和盖板(2)；
所述底座(8)呈楔形，其顶面上开设有凹槽，且所述凹槽的开口由盖板(2)封闭，所述底座(8)非尖端一侧与内部中空的固定立柱(1)侧面固定且连通；盖板(2)一端伸入固定立柱(1)的内部将所在处固定立柱(1)的中空截面完全封闭；
盖板(2)上开设有贯通的孔洞，用于固定安装检测探头，盖板(2)与检测探头的连接处封闭；检测探头的蓝宝石窗口玻璃(4)与所在处盖板...

【专利技术属性】
技术研发人员：周炼清，史舟，田硕，徐翰懿，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33