專利名稱：反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及農(nóng)業(yè)技術(shù)中農(nóng)作物含水量檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種反射式近紅外 植物葉片含水量的無損檢測裝置及方法。
背景技術(shù)：
水是作物的主要組成部分，水分虧缺直接影響植物的生理生化過程和形態(tài)結(jié)構(gòu)， 從而影響植物的生長、產(chǎn)量和品質(zhì)。作物含水量狀況是一個十分重要的參數(shù)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者在 決定是否需灌溉或何時灌溉時；作物育種工作者在進(jìn)行抗旱作物育種時；農(nóng)學(xué)家在研究水 脅迫對作物生長和產(chǎn)量的影響時；以及生理生態(tài)學(xué)家在研究水脅迫對生理生化過程的影響 時；都需要測定這一參數(shù)。定量快速獲取植物含水量狀況，對農(nóng)業(yè)、園藝、森林水分管理及潛 在火災(zāi)的評估有重要作用。含水量測量的標(biāo)準(zhǔn)方法是烘干法，但烘干法是有損測量，需破壞樣品，且測量時間 很長，步驟繁瑣。于是出現(xiàn)了含水量的儀器測量法，有微波水分法、電容水分法、中子水分 法、電極水分法等等。對植物葉片含水量測量的一般方法是烘干法、電容法、電磁波法等，但 是這些方法一般都有破壞性、非連續(xù)性，并且很費(fèi)時間。隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，用光譜法測量葉片含水量成為一個研究的熱點(diǎn)。但用連續(xù) 光譜(具有多個波長點(diǎn))來分析葉片含水量，所用儀器體積大、重量重、價格昂貴，只適合在 實(shí)驗(yàn)室使用。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是如何提供一種反射式近紅外植物葉片含水量、體積 小重量輕，而且攜帶方便的無損檢測裝置，以快速、無損地檢測植物葉片的含水量。( 二 )技術(shù)方案為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢 測裝置，包括單片機(jī)、與單片機(jī)相連接的光源、檢測器、顯示器、鍵盤，以及與光源和檢測器 分別相連接的樣品室；其中，所述光源用于產(chǎn)生波長為970nm或900nm的單色光，作為作用光照射樣品室中的 樣品，所述單色光的反射光成為承載樣品信息的分析光；所述檢測器用于檢測作用光或分析光的光強(qiáng)，并將檢測到的作用光或分析光轉(zhuǎn)換 為頻率與作用光或分析光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號發(fā)送到單片機(jī)；所述鍵盤用于控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對采集信號的測量、存儲和顯示；所述單片機(jī)用于根據(jù)采集信號計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率，根 據(jù)葉片在970nm或900nm處的反射率計(jì)算葉片的水分指數(shù)，并根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉 片含水量；所述顯示器用于實(shí)現(xiàn)對采集信號檢測結(jié)果的顯示；
所述樣品室用于放置待測葉片樣品。優(yōu)選地，所述單片機(jī)進(jìn)一步包括計(jì)數(shù)器TO和定時器Tl，其中TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成 的采集信號頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計(jì)數(shù)時間。優(yōu)選地，所述鍵盤包括四個按鍵，其中，按鍵一用于測量、存儲和顯示照射葉片前的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值；按鍵二用于測量、存儲和顯示經(jīng)過葉片反射的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值；按鍵三用于計(jì)算、存儲和顯示本次測量的葉片含水量；按鍵四用于顯示上一次測量的葉片含水量。優(yōu)選地，所述光源為發(fā)光二極管LED ；所述檢測器為光頻轉(zhuǎn)換芯片TSL230 ；所述單 片機(jī)為 STC12C5A60S2。本發(fā)明還提供了一種利用上述無損檢測裝置進(jìn)行無損檢測的方法，其特征在于， 該方法包括步驟A、檢測器對照射葉片前和經(jīng)過葉片反射的波長為970nm或900nm的單色光進(jìn) 行檢測，并將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換成頻率與照射光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號發(fā)送給單 片機(jī)；步驟B、單片機(jī)根據(jù)采集信號計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率；步驟C、單片機(jī)根據(jù)葉片在波長為970nm或900nm處的反射率計(jì)算葉片的水分指 數(shù)；步驟D、單片機(jī)根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉片含水量。優(yōu)選地，在所述步驟B中，所述計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率的公式為R = I/I0 = f/f0其中，R為反射率，I為波長為970nm或900nm的單色光經(jīng)過葉片反射的光強(qiáng)，I。 為波長為970nm或900nm的單色光照射葉片前的光強(qiáng)；f為與I成正比的采集信號頻率；fQ 為與Itl成正比的采集信號頻率。 優(yōu)選地，在所述步驟B中，所述計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率的公式為R = n/n0其中，η和Iitl分別為f和&在同一時間內(nèi)的計(jì)數(shù)值。優(yōu)選地，在所述步驟C中，所述計(jì)算葉片的水分指數(shù)的公式為WI = R900/R970其中，WI為葉片的水分指數(shù)，R970為葉片在波長為970nm處的反射率，R900為葉片 在波長為900nm處的反射率。優(yōu)選地，在所述步驟D中，所述根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉片含水量的公式為PffC = kXWI+b其中，PffC為葉片含水量，k、b為待定系數(shù)，通過下述方法確定WI、k、b 測量出多 個葉片在波長為970nm或900nm處的反射率，并求出相應(yīng)的水分指數(shù)WI ；用標(biāo)準(zhǔn)法測量所述多個葉片各自的含水量，利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立預(yù)測模型，得出系數(shù)k和b。優(yōu)選地，所述采集信號為方波或脈沖信號。(三)有益效果本發(fā)明采用反射法，使用波長處于短波近紅外區(qū)域的LED光源、光頻轉(zhuǎn)換器、單片 機(jī)系統(tǒng)，組成反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置，在葉片水分吸收的特征波長 970nm和參比波長900nm處，測量植物葉片在此兩個波長處的反射率，求得水分指數(shù)，利用 最小二乘法確定植物葉片含水量與水分指數(shù)的定量關(guān)系，無損地檢測植物葉片的含水量。 該裝置具有體積小、重量輕、攜帶方便，能快速、無損地檢測植物葉片的含水量的特點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例的反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置結(jié)構(gòu)示意 圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例的反射式近紅外植物葉片含水量無損檢測方法流程圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例中利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合的示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。本發(fā)明的核心思想是采用反射法，使用波長處于短波近紅外區(qū)域的LED光源、光 頻轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)，組成反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置，在葉片水分吸 收的特征波長970nm和參比波長900nm處，測量植物葉片在此兩個波長處的反射率，求得水 分指數(shù)，利用最小二乘法確定植物葉片含水量與水分指數(shù)的定量關(guān)系，無損地檢測植物葉 片的含水量。圖1是本發(fā)明實(shí)施例的反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置結(jié)構(gòu)示意 圖；參見圖1，所述裝置包括單片機(jī)、與單片機(jī)相連接的光源、檢測器、顯示器、鍵盤，以及 與光源和檢測器分別相連接的樣品室。所述光源用于產(chǎn)生波長為970nm或900nm的單色光，作為作用光照射樣品室中 的樣品，所述單色光的反射光成為承載樣品信息的分析光，其可以為LED(Light Emitting Diode，發(fā)光二極管)。所述檢測器用于檢測作用光或分析光的光強(qiáng)，并將檢測到的作用光或分析光轉(zhuǎn)換 為頻率與作用光或分析光成正比關(guān)系的采集(例如，方波或脈沖)信號發(fā)送到單片機(jī)，其可 以為光頻轉(zhuǎn)換芯片TSL230。所述鍵盤用于控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對采集信號的測量、存儲和顯示。鍵盤包括四個按鍵，按鍵一用于測量、存儲和顯示照射葉片前的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值；按鍵 二用于測量、存儲和顯示經(jīng)過葉片反射的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值；按鍵三用于計(jì)算、存儲和顯示本次測 量的葉片含水量；按鍵四用于顯示上一次測量的葉片含水量。所述單片機(jī)用于根據(jù)采集信號計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率，根 據(jù)葉片在970nm或900nm處的反射率計(jì)算葉片的水分指數(shù)，并根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉 片的含水量。其可以為STC12C5A60S2。
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所述單片機(jī)進(jìn)一步包括計(jì)數(shù)器TO和定時器Tl，其中TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的采集 信號頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計(jì)數(shù)時間。所述顯示器用于實(shí)現(xiàn)對采集信號檢測結(jié)果的顯示。所述樣品室用于放置待測葉片樣品。圖2是本發(fā)明實(shí)施例的反射式近紅外植物葉片含水量無損檢測方法流程圖。參見 圖2，所述方法包括步驟A、檢測器對照射葉片前和經(jīng)過葉片反射的波長為970nm或900nm的單色光進(jìn) 行檢測，并將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換成頻率與照射光強(qiáng)度成正比關(guān)系的采集(例如方波或者 脈沖)信號發(fā)送給單片機(jī)；植被在970nm、1450nm和1940nm附近的光譜反射率吸收峰反映著植物的含水量狀 況。當(dāng)選用LED作為光源時，可以選用970nm為測量波長。在900nm的波段，水分吸收較少， 并且吸收曲線趨于平坦。因此，選用900nm作為參比波長。為了得到葉片含水量，需要知道波長為970nm或900nm的單色光經(jīng)過葉片反射的 光強(qiáng)I和照射葉片前的光強(qiáng)Ιο。本步驟采用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230作為檢測器，對波長為970nm或900nm的單色光經(jīng) 過葉片反射的光強(qiáng)I和照射葉片前的光強(qiáng)Itl進(jìn)行檢測后，將上述光信號分別轉(zhuǎn)換成頻率與 照射光強(qiáng)度成正比的采集(例如方波或者脈沖)信號發(fā)送給單片機(jī)。步驟B、單片機(jī)根據(jù)采集信號計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率；在本步驟中，反射率為R = I/I0 = f/f0 (1)其中，f，fQ為經(jīng)過光頻轉(zhuǎn)換以后輸出的采集信號的頻率，分別與波長為970nm或 900nm的單色光經(jīng)過葉片反射的光強(qiáng)I及照射葉片前的光強(qiáng)Itl成正比關(guān)系。在本步驟中，還可以利用單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)數(shù)器TO和定時器Tl。TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn) 換成的采集信號進(jìn)行計(jì)數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計(jì)數(shù)時間。因此，光頻轉(zhuǎn)換器輸出的采集信號 頻率與在一定時間內(nèi)TO的計(jì)數(shù)值成正比，而反射率為R = η/η。 (2)其中，Iuntl分別為單片機(jī)對經(jīng)過葉片反射以后與照射葉片前的光強(qiáng)經(jīng)過光頻轉(zhuǎn)換 以后，同一時間(例如50ms)內(nèi)輸出信號的計(jì)數(shù)值。因此，只要測量出波長為970nm或900nm的單色光照射葉片前后的光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的 采集信號頻率或光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的采集信號頻率的計(jì)數(shù)值，就可以分別根據(jù)公式(1)和(2)計(jì) 算出葉片在上述兩種不同波長單色光照射下的反射率R9tltl和R9TO。步驟C、單片機(jī)根據(jù)葉片在波長為970nm或900nm處的反射率計(jì)算葉片的水分指 數(shù)；在本步驟中，計(jì)算葉片的水分指數(shù)WI可以根據(jù)葉片在波長為970nm或900nm處的 反射率由以下的公式(3)求得WI = R900/R970 ( 3)步驟D、單片機(jī)根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉片的含水量。在本步驟中，主要是根據(jù)計(jì)算得到的葉片水分指數(shù)利用最小二乘法建模，即PffC = kXWI+b (4)
其中，PWC為葉片的含水量，k、b為待定系數(shù)。通過建模可求得系數(shù)k、b。S卩，測量 出多個(至少20 30個)葉片在970nm或900nm的反射率，并求出相應(yīng)的水分指數(shù)WI ； 用標(biāo)準(zhǔn)法(烘干法)測量所述多個葉片各自的含水量。利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建 立預(yù)測模型，得出系數(shù)k和b，將得到的系數(shù)k和b的值代人上述公式(4)中，則可以利用上 述公式(4)直接計(jì)算葉片的含水量。在本發(fā)明實(shí)施例中，所述裝置的光源利用水分吸收特征波長970nm和吸收水分很 少的波長900nm的單色光為作用光，建立反射指數(shù)WI和葉片含水量之間的數(shù)據(jù)關(guān)系模型。 所述裝置的檢測器選用了把光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換成采集信號頻率的TSL230，從而可以用反射前后 的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值的比值來反映單色光的反射率，進(jìn)而求得WI的值。例如，采集一組植株葉片(30-40個)，用本裝置測量葉片在970nm或900nm的反射 率，則可求出水分指數(shù)WI ；同時用標(biāo)準(zhǔn)法(烘干法)測量葉片的含水量。建立葉片含水量 與水分指數(shù)的一階方程，將解方程得到的系數(shù)k和b的值代人上述公式(4)中。此時可用 此裝置直接預(yù)測葉片的含水量。本裝置的鍵盤包括4個按鍵，按鍵一按下時，將光頻轉(zhuǎn)換器所采集到的光強(qiáng)計(jì)數(shù) 值存儲并顯示。按鍵二的功能與按鍵一相同，只是計(jì)數(shù)值存在異于按鍵一的地方。因此，可 用這兩個按鍵來分別測量、存儲和顯示照射葉片前和經(jīng)過葉片反射后的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值。按鍵 三按下時，單片機(jī)將根據(jù)測量的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值來計(jì)算WI，并根據(jù)WI和含水量之間的已建好的 數(shù)學(xué)模型來計(jì)算葉片含水量并將其顯示。按鍵四具有上翻功能，即可以查看當(dāng)前含水量預(yù) 測值的前幾個含水量預(yù)測值的記錄。例如，試驗(yàn)采集37個葉片。利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立預(yù)測模 型。數(shù)據(jù)擬合結(jié)果如圖3所示，橫軸為水分指數(shù)，縱軸為含水量。由圖3可知，PWC = 88. 3957XWI-11. 3608。即 k = 88. 3957，b = -11. 3608，把 k 和 b 的值代入公式(4)，當(dāng)用 本發(fā)明所述裝置測量出葉片的WI值之后，所述裝置中的單片機(jī)可通過公式(4)直接求出葉 片含水量PWC的預(yù)測值。本發(fā)明上述實(shí)施例中，采用短波近紅外發(fā)光二極管LED做光源，可降低能耗，減小 體積。采用光頻轉(zhuǎn)換器TSL230作為檢測器，直接將光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成頻率送入單片機(jī)，可簡化電 路結(jié)果，提高抗干擾的能力。本發(fā)明采用反射測量法，能直接測量出植物葉片的含水量，具 有便于攜帶、測量快速、使用簡便、價格低廉等優(yōu)點(diǎn)。以上實(shí)施方式僅用于說明本發(fā)明，而并非對本發(fā)明的限制，有關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，還可以做出各種變化和變型，因此所有 等同的技術(shù)方案也屬于本發(fā)明的范疇，本發(fā)明的專利保護(hù)范圍應(yīng)由權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
一種反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置，其特征在于，包括單片機(jī)、與單片機(jī)相連接的光源、檢測器、顯示器、鍵盤，以及與光源和檢測器分別相連接的樣品室；其中，所述光源用于產(chǎn)生波長為970nm或900nm的單色光，作為作用光照射樣品室中的樣品，所述單色光的反射光成為承載樣品信息的分析光；所述檢測器用于檢測作用光或分析光的光強(qiáng)，并將檢測到的作用光或分析光轉(zhuǎn)換為頻率與作用光或分析光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號發(fā)送到單片機(jī)；所述鍵盤用于控制單片機(jī)實(shí)現(xiàn)對采集信號的測量、存儲和顯示；所述單片機(jī)用于根據(jù)采集信號計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率，根據(jù)葉片在970nm或900nm處的反射率計(jì)算葉片的水分指數(shù)，并根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉片含水量；所述顯示器用于實(shí)現(xiàn)對采集信號檢測結(jié)果的顯示；所述樣品室用于放置待測葉片樣品。
2.如權(quán)利要求1所述的無損檢測裝置，其特征在于，所述單片機(jī)進(jìn)一步包括計(jì)數(shù)器TO 和定時器Tl，其中TO用于對光強(qiáng)轉(zhuǎn)換成的采集信號頻率進(jìn)行計(jì)數(shù)；Tl用于設(shè)定TO的計(jì)數(shù) 時間。
3.如權(quán)利要求1所述的無損檢測裝置，其特征在于，所述鍵盤包括四個按鍵，其中， 按鍵一用于測量、存儲和顯示照射葉片前的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值；按鍵二用于測量、存儲和顯示經(jīng)過葉片反射的光強(qiáng)計(jì)數(shù)值； 按鍵三用于計(jì)算、存儲和顯示本次測量的葉片含水量； 按鍵四用于顯示上一次測量的葉片含水量。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的無損檢測裝置，其特征在于，所述光源為發(fā)光二極 管LED ；所述檢測器為光頻轉(zhuǎn)換芯片TSL230 ；所述單片機(jī)為STC12C5A60S2。
5.一種利用如權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述無損檢測裝置進(jìn)行無損檢測的方法，其特征 在于，該方法包括步驟A、檢測器對照射葉片前和經(jīng)過葉片反射的波長為970nm或900nm的單色光進(jìn)行 檢測，并將檢測到的光信號轉(zhuǎn)換成頻率與照射光的光強(qiáng)成正比關(guān)系的采集信號發(fā)送給單片 機(jī)；步驟B、單片機(jī)根據(jù)采集信號計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率； 步驟C、單片機(jī)根據(jù)葉片在波長為970nm或900nm處的反射率計(jì)算葉片的水分指數(shù)； 步驟D、單片機(jī)根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉片含水量。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟B中， 所述計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率的公式為 R = I/I0 = f/f0其中，R為反射率，I為波長為970nm或900nm的單色光經(jīng)過葉片反射的光強(qiáng)，I0為波 長為970nm或900nm的單色光照射葉片前的光強(qiáng)；f為與I成正比的采集信號頻率；fQ為與 Itl成正比的采集信號頻率。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步驟B中， 所述計(jì)算葉片在波長為970nm或900nm處的反射率的公式為R = n/n0其中，η和Iitl分別為f和&在同一時間內(nèi)的計(jì)數(shù)值。
8.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，在所述步驟C中， 所述計(jì)算葉片的水分指數(shù)的公式為WI — R900/R970其中，WI為葉片的水分指數(shù)，R970為葉片在波長為970nm處的反射率，R900為葉片在波 長為900nm處的反射率。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步驟D中， 所述根據(jù)葉片的水分指數(shù)計(jì)算葉片含水量的公式為PffC = kXWI+b其中，PWC為葉片含水量，k、b為待定系數(shù)，通過下述方法確定WI、k、b 測量出多個葉 片在波長為970nm或900nm處的反射率，并求出相應(yīng)的水分指數(shù)WI ；用標(biāo)準(zhǔn)法測量所述多 個葉片各自的含水量，利用最小二乘法進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，建立預(yù)測模型，得出系數(shù)k和b。
10.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于，所述采集信號為方波或脈沖信號。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置及方法，該裝置包括單片機(jī)、與單片機(jī)相連接的光源、檢測器、顯示器、鍵盤，以及與光源和檢測器分別相連接的樣品室；本發(fā)明采用反射法，使用波長處于短波近紅外區(qū)域的LED光源、光頻轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)系統(tǒng)，組成反射式近紅外植物葉片含水量的無損檢測裝置，在葉片水分吸收的特征波長970nm和參比波長900nm處，測量植物葉片在此兩個波長處的反射率，求得水分指數(shù)，利用最小二乘法確定植物葉片含水量與水分指數(shù)的定量關(guān)系，無損地檢測植物葉片的含水量。該裝置具有體積小、重量輕、攜帶方便，能快速、無損地檢測植物葉片的含水量的特點(diǎn)。
文檔編號G01N21/47GK101968443SQ201010276399
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月7日
發(fā)明者吉海彥, 賈建楠 申請人:中國農(nóng)業(yè)大學(xué)