本實(shí)用新型涉及土壤氧氣的實(shí)時(shí)測量，特別是高分辨率的土壤氧氣的二維分布的測量裝置，屬于光學(xué)，化學(xué)和環(huán)境科學(xué)等技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

土壤中的氧氣含量是調(diào)控土壤生物化學(xué)反應(yīng)的關(guān)鍵因素之一。氧氣的可利用性直接影響土壤微生物的組成與活性，還能改變土壤營養(yǎng)元素的可利用性以及利用效率(Silver et al.,1999；Teh et al.,2005)。到目前為止已有一系列技術(shù)用來測量氧氣含量。氣相色譜熱導(dǎo)檢測器(GC/TCD)已被用于在土壤氧氣的含量分析。然而，該技術(shù)非常依賴于土壤空氣取樣裝置并且不適合氧氣的連續(xù)監(jiān)測。測量氧氣的另一廣泛使用技術(shù)是Clark型電極(Clark et al.,1953)，利用鉑表面催化來測量氧氣。

Clark型電極具有高精度和快速響應(yīng)的優(yōu)勢。此外，它的微型電極是測量土壤微環(huán)境中氧氣含量的極佳工具(Markfoged et al.,2011).然而，Clark電極的主要缺點(diǎn)是部分氧氣會消耗于傳感器尖端，從而引起異常讀數(shù)。此外，Clark微電極只能測量單獨(dú)的點(diǎn)，或者是一維垂直剖面，這樣的監(jiān)測顯然無法揭示自然土壤的真正復(fù)雜性。特別是在土壤，有肥料施加的情況下，異質(zhì)性更高，這些技術(shù)的使用無法全面的表達(dá)土壤氧氣含量的動態(tài)分布。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型為克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，本實(shí)用新型目的是為了一種土壤氧氣二維分布測量裝置，能夠方便地在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)的土壤氧氣測量，測量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地、實(shí)時(shí)地反映土壤氧氣含量在時(shí)間和空間的變化。

本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是：一種土壤氧氣二維分布測量裝置，包括土 壤培養(yǎng)箱、數(shù)碼相機(jī)、LED光源、用于調(diào)控LED光源電流的控制開關(guān)和與控制數(shù)碼相機(jī)電性連接的終端，所述土壤培養(yǎng)箱內(nèi)設(shè)有土壤氧氣傳感器；所述數(shù)碼相機(jī)正對土壤培養(yǎng)箱內(nèi)的土壤氧氣傳感器方向處正面設(shè)置；所述LED光源設(shè)置于所述土壤培養(yǎng)箱的斜上方。

優(yōu)選的，所述土壤氧氣傳感器為平面電極傳感膜。

優(yōu)選的，所述土壤培養(yǎng)箱由樹脂玻璃拼接而成，其中一處于正面的樹脂玻璃內(nèi)嵌有普通玻璃；所述平面電極傳感膜噴涂所述普通玻璃的內(nèi)表面。

優(yōu)選的，所述LED光源前置有長波濾光片。

優(yōu)選的，所述數(shù)碼相機(jī)前置有短波濾光片。

優(yōu)選的，所述LED光源以45度角照射于土壤培養(yǎng)箱的正面。

優(yōu)選的，所述LED光源由7個藍(lán)光組成。

由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本實(shí)用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)：

本實(shí)用新型的一種土壤氧氣二維分布測量裝置，結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，能夠在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)時(shí)的測量土壤氧氣測量的二維分布，并且對土壤結(jié)構(gòu)的破壞極小，測量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地、實(shí)時(shí)地反映土壤氧氣含量在時(shí)間和空間的變化。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本實(shí)用新型技術(shù)方案作進(jìn)一步說明：

附圖1為本實(shí)用新型的土壤氧氣二維分布測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖2為本實(shí)用新型的土壤氧氣二維分布測量裝置中LED光源的結(jié)構(gòu)示意圖；

附圖3為本實(shí)用新型的土壤氧氣的二維分布示意圖；

圖中：1-土壤培養(yǎng)箱；2-LED光源；3-數(shù)碼相機(jī)；4-LED光源的控制開關(guān)；5-終端；11-土壤氧氣傳感器；12-普通玻璃；21-散熱器；22-集成藍(lán)光； 23-金屬管；24-短波濾光片；25-電線；31-長波濾光片。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。

如附圖1所示，本實(shí)用新型的土壤氧氣二維分布測量裝置，該裝置可以實(shí)時(shí)測量培養(yǎng)箱中土壤氧氣含量，具體包括：土壤培養(yǎng)箱1，LED光源2，數(shù)碼相機(jī)3，LED光源的控制開關(guān)4，全面控制數(shù)碼相機(jī)3的終端(筆記本電腦)5。土壤培養(yǎng)箱1內(nèi)嵌有土壤氧氣傳感器11，傳感器為熒光染料，被LED光源中的藍(lán)光激發(fā)后發(fā)出紅光，用于測量土壤中的氧氣含量，數(shù)碼相機(jī)3用于記錄與氧氣接觸后的熒光強(qiáng)度，在數(shù)碼相機(jī)3前置有長波濾光片31，用于過濾來自LED的光線干擾。土壤培養(yǎng)箱1由樹脂玻璃拼接而成，其中一處于正面的樹脂玻璃內(nèi)嵌有普通玻璃12。

如圖2所示，LED光源由以下部件組成：散熱器21、7個LED組成的集成藍(lán)光22、鏤空的鋁制金屬管23、集成藍(lán)光22前置有短波濾光片24和電線25。LED光源連接于LED光源的控制開關(guān)4，可以在電腦終端的交互軟件上自由調(diào)控LED光強(qiáng)。

本發(fā)明的土壤氧氣傳感器11為采用平面電極傳感膜噴涂在普通玻璃12的內(nèi)表面直接接觸于土壤，無氧氣消耗，對土壤結(jié)構(gòu)的破壞極小，測量數(shù)據(jù)能夠真實(shí)地、實(shí)時(shí)地反映土壤中氧氣在時(shí)間和空間上含量變化。

數(shù)碼相機(jī)3正對土壤培養(yǎng)箱的正面，聚焦于其內(nèi)嵌普通玻璃的平面電極傳感膜噴涂處。數(shù)碼相機(jī)3與土壤培養(yǎng)箱1的距離可自由調(diào)節(jié)，以聚焦清晰為準(zhǔn)。LED光源2以45度角照射于培養(yǎng)箱的正面，距離為1米。

此裝置在無外來光源的影響下，可以獲取100微米清晰度的土壤氧氣二維分布，成像響應(yīng)時(shí)間小于10秒，可以持續(xù)在線測量。

下面通過實(shí)施例闡述本實(shí)驗(yàn)新型的工作原理和過程：

可以將待測土壤置于土壤培養(yǎng)箱1，與箱內(nèi)的氧氣傳感器11直接接觸。在暗室內(nèi)，將全套裝置連接在一起，如附圖1所示。暗室可以排除其他光源對熒光反應(yīng)的干擾。在電腦終端的交互軟件上通過調(diào)節(jié)電流強(qiáng)度以設(shè)置LED光強(qiáng)(600-1000mA)，并設(shè)置適宜的單反相機(jī)參數(shù)(比如，AF 1.8和ISO 400)，單反相機(jī)的存照為TIFF格式的紅綠藍(lán)三通道的原始圖片。打開LED光源，并用單反相機(jī)快速拍照三次，以三次拍照的平均值為一組采樣圖片。拍照借宿后關(guān)閉LED光源。在電腦的交互軟件上可以事先設(shè)置好拍照序列從而實(shí)現(xiàn)無需值守的持續(xù)拍照測量。將紅綠藍(lán)三通道的原始圖片通過圖片處理軟件計(jì)算處理，可以獲得土壤氧氣分布圖如附圖3所示：土壤氧氣的二維分布(3×6cm)。土壤密度為1.5g/cm³，水分含量為27.4％。

本發(fā)明光化學(xué)氧氣傳感器利用特定熒光染料被光激發(fā)后，其發(fā)出的熒光強(qiáng)度與氧氣濃度呈反比的特性，可以非常精確的測量氧氣濃度。該方法靈敏度更高，選擇性更強(qiáng)，并且具有數(shù)據(jù)可靠、校準(zhǔn)頻率低等特點(diǎn)。此外，在傳感器尖端沒有氧氣消耗，響應(yīng)時(shí)間短(毫秒)，無天線噪音，同時(shí)適用于氣相、液相和固相中氧氣的測量(Wolfbeis,2004；Papkovsky&Dmitriev,2013)。

以上僅是本實(shí)用新型的具體應(yīng)用范例，對本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不構(gòu)成任何限制。凡采用等同變換或者等效替換而形成的技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型權(quán)利保護(hù)范圍之內(nèi)。