一种土壤元素在线检测装置与方法制造方法及图纸

一种土壤元素在线检测装置与方法，该装置包括入土检测部件和激光发射及检测系统，所述入土检测部件通过光纤与所述激光发射及检测系统连接，所述入土检测部件包括壳体和设置在所述壳体内的聚焦透镜，所述激光发射及检测系统包括激光发射系统、激光采集系统和控制系统，所述激光发射系统分别与所述聚焦透镜及所述控制系统连接，所述激光采集系统分别与所述聚焦透镜及所述控制系统连接。该方法包括如下入土检测、采集土壤等离子体衰减光谱信息、形成待测土壤的激光等离子体光谱及计算待测土壤中元素成分的含量步骤。本发明专利技术可在大田环境下实现土壤的在线和原位检测。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种土肥检测方法和装置，特别是一种对大田土壤养分进行实时、在线快速检测分析的土壤元素(特别是氮磷钾元素)在线检测装置与方法。
技术介绍
土壤养分检测是测土配方施肥的基础环节，是精细施肥管理的重要前提和保障，它通过对土壤中氮、磷、钾、有机质、水分、电导率、PH值等重要信息的检测，协调分析土壤供肥力、作物需肥量和肥料养分含量之间的关系，确定科学合理的施肥种类、数量、时间和方法。目前土壤养分实验室检测中采用了大量的大(中)型检测仪器进行分析，如高效气相色谱仪、离子色谱仪、连续流动注射分析仪和分光光度仪等，虽可实现多化学成分的同时测量，检测结果稳定、精度较高。但在实践应用过程中，现行方法也存在如下弊端:第一，检测价格偏高。受检测仪器、人员培训及化学试剂成本限制，目前土壤检测实验室对单样本的测试费用在100 200元左右，在产出投入盈利状况不明显的情况下，大多数农民很难主动推行农田养分检测。第二，检测结果代表性差。我国人均耕地面积不足0.lhm2，生产管理分散，耕地肥力差异较大。然而，《测土配方施肥技术规范(试行)》提出的田间采样单元为5 15hm2。这样的土壤样品采集方法对我国北方一些大规模农场可能适用，而对我国普遍存在的小规模农田适用性不强。第三，测土时效性较差。从采集土样，送至县级以上实验室，经实验室测定后反馈测土信息，到最终给出施肥指导建议的周期至少需5 10天。实际应用中，农民往往拿到了实验室的分析结果，却错过了作物施肥的最佳时间。因此，这已成为精细农业实践中实现节本增效、精细变量施肥面临的瓶颈性问题。而土壤在线速测技术相较于常规实验室分析方法，时效性更好，成本更低廉，测试设备更简便，测试精度不必过高只需满足应用要求即可，因此该技术是农业土壤养分测量领域的研究热点，随着测土配方施肥在全国范围内推广应用，迫切需要推进研究快速、可靠的土壤肥料在线测试方法。土壤是复杂多相的聚合体，受多因素的影响土壤养分在线快速检测技术一直都是精准农业前端信息获取难以突破的技术瓶颈，因此探索适用于农田现场土壤氮磷钾快速在线实时检测方法，并开发专用检测仪器装备，对于高效、精确地了解农田土壤养分空间分布状况，降低土地化肥施用，减少环境污染，提升农产品品质，保证现代农业快速可持续发展，促进农业科技进步有着重要的现实意义。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种用于大田环境下土壤氮磷钾等元素检测的方法以及装置，以解决土肥在线快速检测的技术瓶颈，实现土壤的在线和原位检测。为了实现上述目的，本专利技术提供了 一种土壤元素在线检测装置，其中，包括入土检测部件和激光发射及检测系统，所述入土检测部件通过光纤与所述激光发射及检测系统连接，所述入土检测部件包括壳体和设置在所述壳体内的聚焦透镜，所述激光发射及检测系统包括激光发射系统、激光采集系统和控制系统，所述激光发射系统分别与所述聚焦透镜及所述控制系统连接，所述激光采集系统分别与所述聚焦透镜及所述控制系统连接，所述激光采集系统用于采集待测土壤等离子衰减过程中生成的原子光谱信号并传输至所述控制系统，所述控制系统处理分析所述原子光谱信号并与土壤成分定量分析模型比较计算得到待测土壤中元素成分的含量。上述的土壤元素在线检测装置，其中，所述入土检测部件还包括破土机构，所述破土机构设置在所述壳体的前端，用于减小所述壳体在土壤中前进的工作阻力，所述破土机构包括犁型开沟器，所述犁型开沟器设置在所述壳体的前端底部。上述的土壤元素在线检测装置，其中，所述破土机构还包括破土刃，所述破土刃设置在所述犁型开沟器的上方并安装在所述壳体上。上述的土壤元素在线检测装置，其中，所述入土检测部件还包括一刮板，用于平整待测土壤的检测面，所述刮板设置在所述犁型开沟器的后方并安装在所述壳体的底端。上述的土壤元素在线检测装置，其中，所述入土检测部件还包括一遮光板，用于屏蔽外界杂光的干扰，所述遮光板安装在所述壳体的底部并相对于所述刮板设置。上述的土壤元素在线检测装置，其中，所述激光采集系统包括单色仪、直接频率合成器、检测控制器和延时产生器，所述单色仪通过光纤与所述聚焦透镜连接，所述直接频率合成器与所述单色仪连接，所述检测控制器分别与所述单色仪及所述控制系统连接，所述延时产生器分别与所述检测控制器及所述控制系统连接。 上述的土壤元素在线检测装置，其中，所述入土检测部件还包括一测距传感器，用于实时检测所述壳体的入土深度，所述测距传感器通过一支架安装在所述壳体的上端并与所述控制系统连接。为了更好地实现上述目的，本专利技术还提供了一种土壤元素在线检测方法，采用上述的土壤元素在线检测装置，其中，包括如下步骤:a、入土检测，使所述入土检测部件到达待测土壤指定深度；b、采集土壤等离子体衰减光谱信息，所述控制系统启动激光发射及检测系统，所述激光发射系统发射激光并通过所述光纤传导入所述聚焦透镜，经所述聚焦透镜汇聚光线后直接照射于土壤待测面，得到待测土壤等离子衰减过程中生成的原子光谱信号并经所述光纤传导至所述激光采集系统中，所述激光采集系统采集所述原子光谱信号并经AD转换后传输至所述控制系统；C、形成待测土壤的激光等离子体光谱，所述控制系统处理并分析所述原子光谱信号，得到待测土壤的激光等离子体光谱；d、计算待测土壤中元素成分的含量，利用待测土壤的激光等离子体光谱和土壤成分定量分析模型，计算得到待测土壤中元素成分的含量。上述的土壤元素在线检测方法，其中，所述土壤成分定量分析模型采用如下步骤获得:S1、采用a c所述的步骤得到待测土壤的激光等离子体光谱；s2、建立光谱数据样品集，对所述激光等离子体光谱进行预处理，删除所述激光等离子体光谱的数据异样样本点，建立删选后的所述激光等离子体光谱的数据样品集；S3、建立土壤成分定量分析模型，根据确定波长的土壤养分元素特征等离子光谱线，采用内标法对所述激光等离子体光谱的数据样品集校正分析，并建立所述土壤成分定量分析模型。上述的土壤元素在线检测方法，其中，步骤S3中，确定土壤氮元素为744.23nm和746.83nm, 土壤磷元素为 255.32nm 和 253.56nm, 土壤钾元素为 766.49nm 和 769.90nm 的波长处的光谱发射强度和内标元素发射强度之比，利用二元线性回归方法建立所述土壤成分定量分析模型。本专利技术的技术效果在于:本专利技术克服了传统农田土肥检测技术价格高、代表性低、时效性差的不足，解决了土肥在线快速检测的技术瓶颈，实现了土壤的“在线”和“原位”检测。本专利技术的装置可直接悬挂于拖拉机后，实现土壤氮磷钾等元素大范围在线检测，在较短时间内生成土壤养分空间分布图，有效地指导后续精准农业变量化作业。以下结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述，但不作为对本专利技术的限定。附图说明图1为本专利技术一实施例的检测装置结构示意图；图2为本专利技术一实施例的入土检测部件结构示意图；图3为土壤氮元素等离子光谱特征谱线；图4为土壤磷元素等离子光谱特征谱线；图5为土壤钾元素等离子光谱特征谱线；图6为本专利技术一实施例的检测方法流程图；图7为本专利技术一实施例的建立土壤成分定量分析模型流程图。其中，附图标记I入土检测部件11 壳体12聚焦透镜13破土机构131开沟器132 破土刃14 刮板15遮光板16测距传感器17 支架1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种土壤元素在线检测装置，其特征在于，包括入土检测部件和激光发射及检测系统，所述入土检测部件通过光纤与所述激光发射及检测系统连接，所述入土检测部件包括壳体和设置在所述壳体内的聚焦透镜，所述激光发射及检测系统包括激光发射系统、激光采集系统和控制系统，所述激光发射系统分别与所述聚焦透镜及所述控制系统连接，所述激光采集系统分别与所述聚焦透镜及所述控制系统连接，所述激光采集系统用于采集待测土壤等离子衰减过程中生成的原子光谱信号并传输至所述控制系统，所述控制系统处理分析所述原子光谱信号并与土壤成分定量分析模型比较计算得到待测土壤中元素成分的含量。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张小超，张俊宁，
申请(专利权)人：中国农业机械化科学研究院，
类型：发明
国别省市：