基于可見-近紅外光譜技術(shù)的土壤養(yǎng)分檢測裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及精細農(nóng)業(yè)土壤養(yǎng)分快速檢測領(lǐng)域，具體是一種基于可見-近紅外光譜技術(shù)的土壤養(yǎng)分檢測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]土壤中養(yǎng)分的豐缺是進行科學(xué)施肥、實現(xiàn)作物優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全生產(chǎn)的重要基礎(chǔ)。然而，人們?yōu)榱俗非蟾弋a(chǎn)往往對作物大量盲目施肥，致使化肥的利用率很低。我國氮肥當(dāng)季利用率僅為30%左右，遠低于美國和日本氮素利用率60%?70%?；适┯昧康脑黾雍屠寐实南陆担粌H在經(jīng)濟上造成巨大損失，還會引起嚴(yán)重的環(huán)境污染，致使地表水富營養(yǎng)化，地下水和蔬菜中營養(yǎng)元素含量超標(biāo)等問題。大面積快速獲取土壤養(yǎng)分含量信息，根據(jù)土壤養(yǎng)分的豐缺合理適量施肥，對于我國農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。近幾年，我國每年投入上億元資金大規(guī)模推廣“測土配方施肥技術(shù)”，該技術(shù)以農(nóng)田土壤養(yǎng)分化學(xué)分析測試為基礎(chǔ)，根據(jù)作物需肥規(guī)律提出氮、磷、鉀及中、微量元素等肥料的施用方案。但是由于實驗室化學(xué)分析過程復(fù)雜、周期長、成本高、實時性差，使得實際測試樣本數(shù)量偏少，很難客觀反映農(nóng)田土壤養(yǎng)分實際分布情況，從而制約了該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用。另外，大量的土壤化驗分析會產(chǎn)生酸堿廢棄液，處理不當(dāng)會引起環(huán)境污染。因此，農(nóng)作物生產(chǎn)上迫切需要一種快速、現(xiàn)場原位、連續(xù)且無污染的檢測方法。
[0003]可見-近紅外光譜技術(shù)是一種快速無損檢測技術(shù)，從上世紀(jì)80年代以來，隨著計算機技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)理論的不斷發(fā)展，可見-近紅外光譜技術(shù)得到廣泛研究和應(yīng)用?？梢?近紅外光譜技術(shù)具有分析速度快，分析效率高，分析成本低，測試重現(xiàn)性好等優(yōu)點，不需添加試劑，便于在線分析。近年來，采用可見-近紅外光譜技術(shù)測量土壤養(yǎng)分信息受到了國內(nèi)外研究學(xué)者的青睞。
[0004]可見-近紅外光譜容易受到土壤含水率，土壤顆粒大小和土壤表面粗糙度的影響。為了減小這些因素對光譜采集帶來的影響，大部分研究學(xué)者都將農(nóng)田采集到的土壤拿到實驗室中進行碾磨、過篩、烘干等處理，然后再進行光譜數(shù)據(jù)測試，難以實現(xiàn)現(xiàn)場在線檢測。另一方面，將光源和光纖探頭直接暴露在野外環(huán)境下進行連續(xù)不間斷測量，容易造成儀器損傷?，F(xiàn)有常見的有土壤中涉及總氮含量的檢測裝置，但該檢測裝置在測量前，需要使用人工對土壤樣品進行碾磨和過篩處理，檢測過程不連續(xù)，這在大面積應(yīng)用時有很強的局限性。
[0005]土壤可見-近紅外光譜容易受到土壤質(zhì)地類型的影響，不同土壤樣品之間的預(yù)測機制可能存在很大差異。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決【背景技術(shù)】中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于可見-近紅外光譜技術(shù)的土壤養(yǎng)分檢測裝置，該裝置能夠在農(nóng)田中對土壤養(yǎng)分進行大面積連續(xù)不間斷的檢測。本發(fā)明裝置能夠從農(nóng)田中選擇出具有代表性的土壤樣本作為建模集，用于建立光譜校正模型，有利于提高模型的通用性和預(yù)測精度。
[0007]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:
[0008]本發(fā)明包括前后帶有滾輪的移動平臺，還包括安裝在移動平臺上的測量箱室，安裝在測量箱室內(nèi)的光源、光纖探頭、光譜儀和控制器，安裝在移動平臺頂部的GPS模塊和液晶顯示模塊以及安裝在移動平臺前端的用于提供電能的發(fā)電機和用于連接拖拉機的三點懸掛裝置；
[0009]所述的測量箱室五面密封，底部開口與土壤表面接觸，光源安裝在測量箱室內(nèi)頂部并朝向下方，光纖探頭安裝在測量箱室內(nèi)的中間，光纖探頭位于移動平臺前后兩個滾輪的之間，光纖探頭朝向正下方，光源發(fā)出光經(jīng)土壤漫反射后由光纖探頭采集漫反射光譜，并將光譜信息傳送至可見-近紅外光譜儀；光纖探頭經(jīng)光譜儀連接控制器，GPS模塊和液晶顯示模塊均連接到控制器。
[0010]所述的光譜儀，將光纖探頭傳送來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并傳送至控制器；
[0011 ] 所述GPS模塊，記錄裝置采集時土壤樣品的位置信息傳送至控制器；
[0012]所述控制器，控制光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)并進行建模分析和聚類分析，最后將處理結(jié)果顯示在液晶顯示模塊上；
[0013]所述三點懸掛裝置，通過聯(lián)結(jié)銷與拖拉機的尾部相連，使得移動平臺被拖拉機牽引移動；
[0014]所述發(fā)電機，連接光源、光譜儀、控制器、GPS模塊和液晶顯示模塊以提供電能。
[0015]進一步地，所述的滾輪均由實心鋼質(zhì)材料制成，直徑25厘米，寬度I米。
[0016]進一步優(yōu)選地，所述的光源主要由多盞同一型號的鹵素?zé)艚M成，多盞鹵素?zé)粢怨饫w探頭為圓心間隔均布地置于周圍的圓周上。
[0017]進一步優(yōu)選地，所述的各個光源均朝向光纖探頭向內(nèi)傾斜，光源的光軸沿光路方向向內(nèi)并與圓周中軸線成45度夾角。
[0018]所述的光纖探頭通過伸縮套筒安裝，并沿伸縮套筒上下移動，伸縮套筒位于圓周中軸線上。
[0019]所述三點懸掛裝置主要由三條懸掛臂組成懸掛系統(tǒng)，懸掛臂后側(cè)安裝有輔助支架，輔助支架的兩條拉桿與中間懸掛臂對稱連接，兩條支撐臂垂直固定在箱架和移動平臺上，支撐臂分別經(jīng)各自的兩條拉桿與中間懸掛臂連接，中間懸掛臂連接到拖拉機尾部。
[0020]所述發(fā)電機連接拖拉機動力輸出軸，并內(nèi)含儲能電池。
[0021]進一步優(yōu)選地，所述的液晶顯示模塊安裝在測量箱室頂部，與水平夾角為120度。本發(fā)明只需要在液晶顯示模塊的液晶屏上進行操作，就可控制光譜儀采集光譜數(shù)據(jù)，并對光譜數(shù)據(jù)和土壤位置信息進行處理。
[0022]由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明的有益效果是:
[0023]本發(fā)明裝置由拖拉機牽引在農(nóng)田中自由移動，整個檢測過程無污染，適用于農(nóng)田大面積連續(xù)不間斷檢測。
[0024]并且本發(fā)明能將土壤樣品的可見-近紅外光譜數(shù)據(jù)進行聚類分析，選擇具有代表性的土壤樣品進行處理，能提高土壤養(yǎng)分檢測的精度。
【附圖說明】
[0025]圖1為本發(fā)明裝置的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2為本發(fā)明裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖3為光源和光纖探頭模塊的俯視圖結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖中:1_三點懸掛裝置，2-輔助支架，3-光源，4-控制器，5-旋轉(zhuǎn)開關(guān)，6-液晶顯示模塊，7-光譜儀，8-GPS模塊，9-滾輪，10-測量箱室，11-光纖探頭，12-伸縮套筒，13-移動平臺，14-發(fā)電機。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0030]如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括前后帶有滾輪9的移動平臺13，安裝在移動平臺上的測量箱室10，安裝在測量箱室10內(nèi)的光源3、光纖探頭11、光譜儀7和控制器4，安裝在移動平臺13頂部的GPS模塊8和液晶顯示模塊6以及安裝在移動平臺13前端的用于提供電能的發(fā)電機14和用于連接拖拉機的三點懸掛裝置I。
[0031]測量箱室10五面密封，底部開口與土壤表面接觸，光源3安裝在測量箱室10內(nèi)頂部并朝向下方，光纖探頭11安裝在測量箱室10內(nèi)的中間，光纖探頭11位于移動平臺13前后兩個滾輪9的之間，光纖探頭11朝向正下方，光源3發(fā)出光經(jīng)土壤漫反射后由光纖探頭11采集漫反射光譜，并將光譜信息傳送至可見-近紅外光譜儀7 ;光纖探頭11經(jīng)光譜儀7連接控制器4，GPS模塊8和液晶顯示模塊6均連接到控制器4。測量箱室五面密封，底部開口與土壤表面接觸，這樣能有效隔離了外界光線，從而避免了外界光線對光譜測量帶來的影響。
[0032]具體實施中的滾輪9均由實心鋼質(zhì)材料制成，直徑25厘米，寬度I米。在拖拉機的牽引下，滾輪9會將土壤表面乳平，使得土壤表面平整，從而減小土壤顆粒大小、土壤表面粗糙度對光譜測量帶來的影響。
[0033]光源3主要由多盞同一型號的鹵素?zé)艚M成，多盞鹵素?zé)粢怨饫w探頭11為圓心間隔均布地置于周圍的圓周上。各個光源3均朝向光纖探頭11向內(nèi)傾斜，光源3的光軸沿光路方向向內(nèi)并與圓周中軸線成45度夾角。光纖探頭11通過伸縮套筒12安裝，沿伸縮套筒12上下移動，并設(shè)有旋轉(zhuǎn)開關(guān)5控制光纖探頭11的位置以實現(xiàn)光纖探頭11與土壤之間距離的調(diào)整，伸縮套筒12位于圓周中軸線上。
[0034]多盞鹵素?zé)舭l(fā)出的光聚焦于土壤表面，匯聚中心在光纖探頭所在的軸線上，光纖探頭外部套有可伸縮圓柱形套筒，用于調(diào)整光纖探頭離地面的高度，光源發(fā)出的光作用到待測土壤樣品表面形成漫反射光譜，漫發(fā)射光譜由光纖探頭收集并傳送至光譜儀。
[0035]光譜儀7，將光纖探頭11傳送來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并傳送至控制器4。