專利名稱：一種土壤總含氮量檢測裝置以及方法
技術領域：
本發明涉及土壤檢測領域，具體涉及一種土壤總含氮量檢測裝置以及方法。
背景技術：
土壤總含氮量是鑒別土壤肥力的重要指標，氮是植物生長發育所必需的營養元素。土壤中的氮分為無機氮和有機氮，土壤中的有機含氮化合物主要為蛋白質、多肽、核酸、肽聚糖、幾丁質等，也有少量水溶性有機含氮化合物，如氨基酸、氨基糖和尿素等。蛋白質及多肽通常占有機含氮化合物總量的20 50%，氨基糖占5 10%，除可溶性氨基酸夕卜，其余有機含氮化合物都不能被植物直接吸收，必須經過微生物分解，將氨釋放出來，才 能供植物利用。微生物分解有機含氮化合物是由分泌在體外的水解酶將大分子水解成小分子，例如蛋白質被分解時，先由分泌至胞外的蛋白酶將蛋白質水解成氨基酸；核酸被分解時，由核酸水解酶降解為氨基酸、磷酸、尿素和氨，尿素再由脲酶分解為氨和二氧化碳。申請號為200910083480. I的發明公開了一種土壤無機氮含量的測定法，所述測定法包括以下步驟(1)浸提往土壤樣品中加入浸提液，浸提出土壤中的硝態氮和銨態氮，過濾后得到過濾液；(2)氧化往步驟(I)得到過濾液中加入氧化試劑，將銨態氮氧化成硝態氮，得到土壤總硝態氮溶液；(3)將土壤總硝態氮溶液進行雙波長進行比色測定，根據比色得到的吸光值計算出土壤無機氮含量。申請號為200810012906. X的發明公開了一種土壤全氮全磷聯合測定的方法，包括如下步驟(1) 土壤同步消煮預處理稱取風干過篩土壤樣品于消煮管內，加入加速劑，再加入濃硫酸溶液，置于高溫條件下消煮；(2) 土壤待測液制備消煮完畢的消煮液，冷卻后加入蒸餾水定容，即可用于土壤全氮含量測定；吸取土壤全氮待測液，通過堿液調整溶液PH值，即可用于土壤全磷含量測定；(3) 土壤全氮全磷含量測定分別利用連續流動注射分析儀自動測定。測量土壤的總氮含量是了解土壤肥力的重要途徑，獲取土壤總氮含量信息對于農業和環境等方面的研究很有意義。現有技術中測量含氮量方法為凱氏定氮法或杜馬斯燃燒定氮法，測量過程費時、費力、耗材成本高，且中間過程容易產生化學污染。因此，需要提供一種能夠快速、準確地檢測土壤中總氮含量的方法。
發明內容
本發明提供了一種土壤總含氮量檢測方法，操作簡單，能夠快速準確地實現土壤樣品中總含氮量的檢測。一種土壤總含氮量檢測裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱；用于向暗箱中的土壤樣品發射檢測光的光照模塊；
用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊；用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊；所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點光源陣列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED點光源各一盞，所有LED點光源呈圓環形排列且均勻分布。土壤樣品置于所述暗箱中，所述光照模塊向暗箱中的土壤樣品發射特定波長的檢測光，所述光譜采集模塊采集不同波長處土壤樣品的反射光，所述光譜處理模塊接收所述的反射光，提取不同波長的反射光的反射率，利用式Y = 783. 5^-261. 1X2_182. 8X3+806. 9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 計算得到土壤樣品總含氮量。土壤樣品置于所述暗箱內，隔離外界光線，避免外界光線對土壤樣品反射光的采集形成干擾，提高土壤樣品總含氮量檢測結果的準確性。所述LED點光源發出特定波長的光，經反射蓋反射后，由第一聚焦透鏡變為平行光，該平行光經第二聚焦透鏡聚焦后，進入輸出光纖，由輸出光纖傳遞至暗箱中所述土壤樣品的上方。作為優選，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與所述圓環形的軸線成45度夾角。所述每盞LED點光源的光軸與所述圓環形的軸線成45度夾角，所述每盞LED點光源發出的光經所述反射蓋反射后進入第一聚焦透鏡，變為平行光。作為優選，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光 纖所傳送信號的光敏傳感器。所述光敏傳感器相對應不同波長的檢測光設置，即相對應波長383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm分別設有光敏傳感器,所述光敏傳感器接收來自土壤樣品的不同波長的反射光。作為優選，所述輸出光纖的發射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內。所述光照模塊的輸出光纖將LED點光源陣列發出的光傳遞至輸出光纖位于暗箱內的發射端，向土壤樣品發射不同波長的檢測光，檢測光經土壤樣品反射后得到反射光，反射光由所述接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至光譜處理模塊，由光譜處理模塊處理得到土壤樣品總氮含量。作為優選，設有調節輸出光纖以及第二聚焦透鏡間距的伸縮機構。所述伸縮機構可以調節所述輸出光纖與第二聚焦透鏡間的距離，即調節輸出光纖接受到的第二聚焦透鏡輸出的檢測光光強大小，經過土壤樣品反射后，得到合適的反射光光強，用于計算土壤樣品總氮含量。作為優選，設有與所述暗箱固定連接的光纖支架，該光纖支架上設有由暗箱頂部插入暗箱內的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內。所述光纖套管可以對輸出光纖以及接收光纖起到一定的保護作用。為了調整所述輸出光纖以及接收光纖與土壤樣品的距離，優選地，所述光纖支架上設有緊固夾，所述光纖套管豎直的夾持在緊固夾中。本發明還公開了一種利用所述的土壤總含氮量檢測裝置檢測土壤含氮量的方法，包括如下步驟(I)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發射波長為383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的檢測光；(2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長處的反射率；(3)利用光譜處理模塊將所得反射率依據方程Y = 783. 5X^261. 1Χ2_182· 8Χ3+806.9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 計算得到土壤樣品總含氮量；其中，Y為土壤樣品總含氮量；X1 X8 分別為土壤樣品在波長 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm處檢測光的反射率。通過向土壤樣品發射不同波長的光，采集土壤樣品的反射光信息，提取不同波長 處土壤樣品的反射率，計算得到土壤中總含氮量。本發明所選定的特征波長僅針對土壤總含氮量的檢測，不適用于土壤其他指標的檢測，如果需要檢測土壤樣品的其他指標，需重新選定特征波長，通過多元線性回歸建立模型，得到相應的計算公式。本發明土壤總含氮量檢測裝置結構簡單，可以根據需要選擇不同的特定波長的濾光片，利用多元線性回歸建立模型，用于測量土壤樣品的不同指標，檢測過程簡便快捷、檢測結果準確可靠、檢測成本低、無污染。
圖I為本發明一種土壤總含氮量檢測裝置示意圖；圖2為本發明一種土壤總含氮量檢測裝置光照模塊示意圖；圖3為圖2的側視圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明一種土壤總含氮量檢測裝置做詳細描述。一種土壤總含氮量檢測裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱、用于向暗箱中的土壤樣品發射檢測光的光照模塊2、用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊、用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊3。暗箱設有推拉門，土壤樣品放入暗箱后，關閉推拉門，防止外界光線對光譜采集模塊采集土壤樣品反射光的干擾。光照模塊2包括在光路上依次布置的LED點光源20陣列、反射蓋24、第一聚焦透鏡21、第二聚焦透鏡16以及輸出光纖，LED點光源20陣列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED點光源各一盞，所有LED點光源呈圓環形排列且均勻分布，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與圓環形的軸線成45度夾角。光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號的光敏傳感器，光敏傳感器相對應LED點光源20不同波長的檢測光設置，即相對應波長383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 分別設有光敏傳感器，光敏傳感器接收來自土壤樣品的不同波長的反射光。輸出光纖的發射端以及接收光纖的采集端均位于暗箱內，光照模塊2的輸出光纖將LED點光源20陣列發出的光傳遞至輸出光纖位于暗箱內的發射端，向土壤樣品發射不同波長的檢測光，檢測光經土壤樣品反射后得到反射光，反射光由接收光纖的采集端采集后，由接收光纖傳輸至光譜處理模塊3，由光譜處理模塊3處理得到土壤樣品總氮含量。設有調節輸出光纖以及第二聚焦透鏡16間距的伸縮機構15，伸縮機構15可以調節輸出光纖與第二聚焦透鏡16間的距離，即調節輸出光纖接受到的第二聚焦透鏡16輸出的檢測光光強大小，經過土壤樣品反射后，得到合適的反射光光強，用于計算土壤樣品總氮含量。設有放置光照模塊2，光譜采集模塊以及光譜處理模塊3的支架1，支架I上還設有顯示光譜處理模塊3處理結果的顯示屏4、光譜采集模塊開關6以及電源開關5。設有與暗箱10固定連接的光纖支架12，該光纖支架12上設有由暗箱10頂部插入暗箱10內的光纖套管13，輸出光纖以及接收光纖沿光纖套管13延伸入暗箱10內，光纖支架12上設有緊固夾，光纖套管13豎直的夾持在緊固夾中，通過調節緊固夾的夾持位置，可以調節光纖套管13深入暗箱10中的長度，從而使輸出光纖的發射端以及接收光纖的采集 端與土壤樣品9緊密接觸。本發明所述的光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3均為用電部件，為了保證光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3的正常工作，在沒有特殊說明的前提下應當理解為光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3均連接有相匹配的電源，光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3可以采用同一總電源，也可以根據實際需要單獨設置電源，或者是通過光照模塊2、光譜采集模塊以及光譜處理模塊3之間的電路實現電源信號的傳遞。各用電部件之間的空間位置關系沒有嚴格限制，但為了便于加工和安裝盡可能的采用集成度較高的電路布置。本發明土壤含氮量檢測裝置工作時，將土壤樣品9放入暗箱10內，關閉推拉門8，通過光纖支架12緊固夾，調節光纖套管13插入暗箱10的高度，使輸出光纖14的發射端以及接收光纖的采集端緊貼土壤樣品9，打開電源開關5，光照模塊22發出383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm波長的光,經輸出光纖14的發射端照射至土壤樣品9，打開光譜采集模塊開關6，土壤樣反射后，經接收光纖的采集端采集，傳遞至光譜處理模塊3，經光譜處理模塊3處理后，將土壤樣品9總氮含量顯示在顯示屏4上。土壤氮含量單位為mg/kg。利用所述的土壤總含氮量檢測裝置檢測土壤總含氮量的方法，包括如下步驟(I)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發射波長為383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的檢測光；(2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長處的反射率；(3)利用光譜處理模塊將所得反射率依據方程Y = 783. 5X^261. 1Χ2_182· 8Χ3+806.9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7_307. 1X8+156. 5 計算得到土壤樣品總含氮量；其中，Y為土壤樣品總含氮量；X1 X8 分別為土壤樣品在波長 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm處檢測光的反射率。本發明所選定的特征波長(其中有一個作為參照波長，其余7個參與計算)僅針對土壤總氮含量的快速檢測，如果需要測量土壤的其他指標，需要重新選定特定波長，通過多元線性回歸，建立模型，計算得到相應的指標值。利用本發明提供的方法建立模型的相關指標見表1，其中，建模集表示建立模型時，利用土壤樣品的反射率以及現有方法測試得到的總含氮量擬合得到模型方程，預測集表示，建立完模型后，使用土壤樣品依據模型方程得到的總含氮量擬合得到標準曲線。表I
權利要求
1.一種土壤總含氮量檢測裝置，其特征在于，包括 用于放置土壤樣品的暗箱； 用于向暗箱中的土壤樣品發射檢測光的光照模塊； 用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊； 用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊； 所述光照模塊包括在光路上依次布置的LED點光源陣列、反射蓋、第一聚焦透鏡、第二聚焦透鏡以及輸出光纖，所述LED點光源陣列包括383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm和1060nm的LED點光源各一盞，所有LED點光源呈圓環形排列且均勻分布。
2.如權利要求I所述的土壤總含氮量檢測裝置，其特征在于，每盞LED點光源的光軸沿光路方向與所述圓環形的軸線成45度夾角。
3.如權利要求2所述的土壤總含氮量檢測裝置，其特征在于，所述光譜采集模塊包括接收樣品反射光的接收光纖以及接收該接收光纖所傳送信號的光敏傳感器。
4.如權利要求3所述的土壤總含氮量檢測裝置，其特征在于，所述輸出光纖的發射端以及接收光纖的采集端均位于所述暗箱內。
5.如權利要求4所述的土壤總含氮量檢測裝置，其特征在于，設有調節輸出光纖以及第二聚焦透鏡間距的伸縮機構。
6.如權利要求5所述的土壤有機質檢測裝置，其特征在于，設有與所述暗箱固定連接的光纖支架，該光纖支架上設有由暗箱頂部插入暗箱內的光纖套管，所述輸出光纖以及接收光纖沿所述光纖套管延伸入暗箱內。
7.如權利要求6所述的土壤有機質檢測裝置，其特征在于，所述光纖支架上設有緊固夾，所述光纖套管豎直的夾持在緊固夾中。
8.利用如權利要求I 7任一所述的土壤總含氮量檢測裝置檢測土壤含氮量的方法，其特征在于，包括如下步驟 (1)將土壤樣品放入所述暗箱中，利用光照模塊向土壤樣品發射波長為383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和 1060nm 的檢測光； (2)利用光譜采集模塊采集土壤樣品的反射光，利用光譜處理模塊提取土壤樣品在不同波長處的反射率； (3)利用光譜處理模塊將所得反射率依據方程Y= 783. 5Xr261. 1X2-182. 8X3+806. 9X4+193. 5X5-162. 9X6+169. 8X7-307. 1X8+156. 5 計算得到土壤樣品總含氮量； 其中，Y為土壤樣品總含氮量； X1 X8 分別為土壤樣品在波長 383nm、442nm、492nm、665nm、740nm、837nm、905nm 和1060nm處檢測光的反射率。
全文摘要
本發明公開了一種土壤總含氮量檢測裝置，包括用于放置土壤樣品的暗箱；用于向暗箱中的土壤樣品發射檢測光的光照模塊；用于接收土壤樣品反射光的光譜采集模塊；用于接收并處理來自所述光譜采集模塊的信號的光譜處理模塊。本發明還公開了一種利用所述土壤總含氮量檢測裝置檢測土壤總含氮量的方法。本發明土壤總含氮量檢測裝置結構簡單，可以根據需要選擇不同的特定波長的濾光片，利用多元線性回歸建立模型，用于測量土壤樣品的不同指標，檢測過程簡便快捷、檢測結果準確可靠、檢測成本低、無污染。
文檔編號G01N21/25GK102798597SQ20121028635
公開日2012年11月28日 申請日期2012年8月13日 優先權日2012年8月13日
發明者何勇, 章海亮 申請人:浙江大學