CN102798601A - 一种土壤有机质检测装置以及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种土壤有机质检测装置，包括：采样车；安装在所述采样车底部的取样模块；用于向取样模块中的土壤样品发射检测光的光照探头模块；用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块；用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块。本发明土壤有机质检测装置结构紧凑，所用的LED点光源能耗少且稳定性强，移动性强，适合现场检测，检测结构不受外部光线干扰。本发明还公开了一种利用所述土壤有机质检测装置检测土壤有机质的方法，其检测精度高，速度快，稳定性强，可以实现土壤有机质的实时监测。
Description
技术领域
本发明涉及土壤检测领域，具体涉及一种土壤有机质检测装置以及检测方法。
背景技术
土壤有机质是土壤固相部分的重要组成成分，是反映土壤肥力高低的重要指标之一，对于改善土壤物理性状、提高土壤保肥能力等方面具有重要作用。
尽管土壤有机质的含量只占土壤总量的很小一部分，但它对土壤形成、环境保护及农林业可持续发展等方面具有重要意义。
土壤有机质的含量在不同土壤中差异很大，含量高的可达20～30％以上(如泥炭土，某些肥沃的森林土壤等)，含量低的不足0.5～1％(如荒漠土和风沙土等)。在土壤学中，一般把耕作层中有机质含量20％以上的土壤称为有机质土壤，有机质含量在20％以下的土壤称为矿质土壤。
土壤有机质一般以三种类型状态存在：
(1)新鲜的有机物：进入土壤中尚未被微生物分解的动、植物残体，它们仍保留着原有的形态等特征；
(2)分解的有机物：经微生物的分解，使进入土壤中的动、植物残体失去了原有的形态等特征，有机质已部分分解，并且相互缠结，呈褐色，包括有机质分解产物和新合成的简单有机化合物；
(3)腐殖质：有机质经过微生物分解后并再合成的一种褐色或暗褐色的大分子胶体物质，与土壤矿物质土粒紧密结合，是土壤有机质存在的主要形态类型，占土壤有机质总量的85％。
申请号为200910156632.6的发明公开了一种移动式土壤检测中样品的预处理方法，包括以下步骤：a、在土壤测量点处取得土壤样品，并将其放置在加热器上，所述加热器设置在研磨单元上；b、所述加热器烘干土壤样品；c、移动所述加热器或筛子，将土壤样品导入研磨单元；利用研磨单元研磨其内部的土壤样品；d、使筛子处于工作状态，翻转所述研磨单元，将研磨后的土壤样品过筛。
申请号为200920295569.X的实用新型公开了一种移动式土壤检测中样品的预处理装置，所述预处理装置包括：用于盛装和研磨土壤样品的研磨单元；用于筛选研磨后土壤样品的筛子；用于放置、加热土壤样品的加热器；所述加热器和筛子设置在研磨单元上。
现有的土壤有机质含量测定基于化学分析方法，需要专业人员制样，且存在制样繁琐、检测时间长以及检测成本高等缺点。
发明内容
本发明提供了一种土壤有机质检测装置以及检测方法，可以实现土壤样品有机质的现场快速检测，操作简单，使用方便。
一种土壤有机质检测装置，包括：
采样车；
安装在所述采样车底部的取样模块；
用于向取样模块中的土壤样品发射检测光的光照探头模块；
用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块；
用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块。
所述取样模块安装在采样车底部，在取样车前进的过程中可一次性完成土壤样品取样及制样过程，土壤样品制样完成后，所述光照探头模块向土壤样品发射特定波长的检测光，经土壤样品反射后得到反射光，所述光谱采集模块采集反射光，由所述光谱处理模块对所采集的反射光的信号进行处理，得到土壤样品的有机质含量。
作为优选，所述光照探头模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列以及聚焦透镜，所述LED点光源阵列包括420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的LED光源各一盏，所有LED光源呈圆环形排列且均匀分布。
所述LED电光源阵列发出不同波长的检测光，不同波长的检测光经聚焦透镜聚焦后照射至土壤样品上。
作为优选，每盏LED光源的光轴与所述圆环形的轴线成45度夹角。
所述每盏LED光源的光轴与所述圆环形的轴线成45度夹角，即所有LED光源的光轴与所述圆环形的轴线相交，该交点位于LED光源发出的检测光光路前进方向。
作为优选，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的光纤以及接收该光纤所传送信号的光敏传感器。
所述光敏传感器相对应不同波长的检测光设置，即相对应波长420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm分别设有光敏传感器，所述光敏传感器接收来自土壤样品的不同波长的反射光。
作为优选，所述取样模块包括沿采样车前进方向依次连接的暗箱、压紧块以及双面犁，所述暗箱底面带有采样口，所述LED点光源阵列、聚焦透镜以及光纤的信号采集端均位于所述暗箱中。
采样车前进时，所述双面犁先将土壤表层去除，利用所述压紧块将土壤样品压实，采样车继续前进，去除表层土壤并压实的土壤样品进入所述暗箱内，所述LED点光源阵列发射检测光，经聚焦透镜聚焦后照射至土壤样品，土壤样品反射后得到反射光，所述光纤信号采集端采集反射光信号，该信号经光纤传输至光谱处理模块，经处理后，得到土壤样品有机质含量。
土壤样品置于所述暗箱中，避免了外界光线对于土壤样品反射光信号采集的干扰，提高土壤样品有机质含量测量的精确度。
作为优选，所述采样车螺纹配合有竖直布置的丝杠，所述丝杠的底端与所述压紧块转动配合且轴向限位，所述丝杠的顶端固定有旋转把手。
转动所述旋转把手，可以调节所述压紧块相对于土壤的高度，也即调节土壤的压实程度。采样车前进时，所述双面犁先将土壤表层去除，压紧块行进至该土壤表面，通过转动旋转把手，使压紧块下降，将土壤样品压实，采样车继续前进，去除表层土壤并压实的土壤样品进入所述暗箱内。
为了使土壤样品的压实更加便捷，优选地，所述压紧块的底面为斜面，该斜面一侧与双面犁的底面平齐衔接，另一侧逐渐降低。所述采样车前进时，双面犁将土壤表层去除后，压紧块行进至该土壤，由于压紧块远离双面犁的一侧逐渐降低，在采样车行进时，即可同时完成土壤样品的压实。
本发明一种土壤有机质检测装置结构紧凑，所用的LED点光源能耗少且稳定性强，移动性强，适合现场检测，检测结构不受外部光线干扰，检测精度高，速度快，可以满足对土壤有机质含量实时检测的需求。
本发明还提供了一种利用所述的土壤有机质检测装置检测土壤有机质的方法，包括如下步骤：
(1)利用所述取样模块采集土壤样品，利用所述光照探头模块向土壤样品发射波长为420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的检测光；
(2)利用所述光谱采集模块接收土壤样品的反射光，利用光谱处理模块提取土壤样品在不同波长处的反射率；
(3)利用光谱处理模块将所得反射率通过
方程计算得到土壤样品有机质含量；
其中，C为土壤样品有机质含量；
λi为检测光的波长；
R(λi)为波长λi的检测光的反射率；
a0～a7分别为：-111.6、124.2、6.4、-633.8、-367.5、918.9、-206.4、117.6；
b为：32.2。
通过提取土壤样品对波长为420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的检测光的反射信息，得到土壤样品在不同波长处的反射率，将所得反射率带入计算得到土壤样品有机质含量。
所述
中系数a0～a7以及b通过测试不同土壤样品有机质含量后，利用偏最小二乘法建模得到。
作为优选，向所述土壤样品发射检测光之前，刮除土壤样品表面层并压实。土壤样品表面层的有机质含量不同于土壤样品，将土壤样品表面层去除后，减小对土壤样品有机质含量测定的误差。土壤样品压实可以避免不同松散度样品的带来的测量误差。
本发明提供的土壤有机质检测方法，检测精度高，速度快，稳定性强，可以实现土壤有机质的实时监测。
附图说明
图1为本发明一种土壤有机质检测装置示意图；
图2为本发明一种土壤有机质检测装置取样模块示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明一种土壤有机质检测装置做详细描述。
本发明一种土壤有机质检测装置，包括采样车、安装在采样车底部的取样模块、用于向取样模块中的土壤样品发射检测光的光照探头模块、用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块以及用于接收并处理来自光谱采集模块的信号的光谱处理模块。
采样车包括车体15以及车轮1，移动方便，适合于土壤样品有机质的现场测量。
光照探头模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列以及聚焦透镜，LED点光源阵列包括420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的LED光源各一盏，所有LED光源呈圆环形排列且均匀分布，每盏LED光源的光轴与圆环形的轴线成45度夹角。
车体内设有恒流电源14以及电源稳压装置13，产生24v直流电，向LED点光源供电。
光谱采集模块包括接收样品反射光的光纤2以及接收该光纤2所传送信号的光敏传感器7，光敏传感器7相对应LED点光源不同波长的检测光设置，即相对应波长420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm分别设有光敏传感器7，光敏传感器7接收来自土壤样品的不同波长的反射光。
取样模块包括沿采样车前进方向依次连接的暗箱17、压紧块19以及双面犁20，暗箱17、压紧块19以及双面犁20可以一体成型，也可以焊接成一整体，暗箱17底面带有采样口，LED点光源阵列、聚焦透镜以及光纤2的信号采集端均位于暗箱17中，暗箱17顶部设有通孔16，光纤2贯穿该通孔16，使光纤2的信号采集端位于暗箱17中。
采样车螺纹配合有竖直布置的丝杠6，丝杠6的底端与压紧块19转动配合且轴向限位，压紧块19顶端设有与丝杠6螺纹配合的开孔18，丝杠6的顶端固定有旋转把手8。
压紧块19的底面为斜面，该斜面一侧与双面犁20的底面平齐衔接，另一侧逐渐降低。
光谱采集模块及光谱处理模块位于采样车内，本发明所述的光照探头模块、光谱采集模块以及光谱处理模块均为用电部件，为了保证光照探头模块、光谱采集模块以及光谱处理模块的正常工作，在没有特殊说明的前提下应当理解为光照探头模块、光谱采集模块以及光谱处理模块均连接有相匹配的电源，光照探头模块、光谱采集模块以及光谱处理模块可以采用同一总电源，也可以根据实际需要单独设置电源，或者是通过光照探头模块、光谱采集模块以及光谱处理模块之间的电路实现电源信号的传递。各用电部件之间的空间位置关系没有严格限制，但为了便于加工和安装尽可能的采用集成度较高的电路布置。
采样车上还设有相应的光谱采集模块开关12、整个土壤有机质检测装置的总开关11以及光谱处理模块处理结果的显示屏10。
光谱处理模块包括电路板PCM-9361，通过COM口和RS232线与显示屏10进行通讯，电路板PCM-9361通过USB线给显示屏10供电，电路板PCM-9361通过数据线将数据写入/读出数据存储器。
本发明一种土壤有机质检测装置工作时，移动采样车至需要测量土壤有机质的采样点，双面犁20除去土壤表面层，压紧块19将出去表面层后的土壤压实得到土壤样品，土壤样品移入暗箱17中，光照探头模块紧贴土壤样品，打开总开关11，向土壤样品发射不同波长的检测光，打开光谱采集模块开关12，检测光经土壤样品反射后，通过光纤2采集反射信号传递至光谱处理模块，光谱处理模块处理后，将土壤样品的有机质含量显示在显示屏10上。
本发明利用所述土壤有机质检测装置检测土壤有机质的方法，8、一种利用如权利要求1～7任一所述的土壤有机质检测装置检测土壤有机质的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用所述取样模块采集土壤样品，利用所述光照探头模块向土壤样品发射波长为420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的检测光；
(2)利用所述光谱采集模块接收土壤样品的反射光，利用光谱处理模块提取土壤样品在不同波长处的反射率；
(3)利用光谱处理模块将所得反射率通过
方程计算得到土壤样品有机质含量；
其中，C为土壤样品有机质含量；
λi为检测光的波长；
R(λi)为波长λi的检测光的反射率；
a0～a7分别为：-111.6、124.2、6.4、-633.8、-367.5、918.9、-206.4、117.6；
b为：32.2。
由该式计算得到的土壤有机质含量单位为g/kg。
利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，建模集表示建立模型时，利用土壤样品的反射率以及现有方法测试得到的有机质含量拟合得到模型方程，预测集表示，建立完模型后，使用土壤样品依据模型方程得到的有机质含量拟合得到标准曲线。
表1
实施例1～10
利用本发明提供的装置和方法对土壤样品有机质含量进行测试，测试结果见表2。
表2
由表2数据，可以看出，利用本发明方法测得的土壤有机质含量与现有方法测试得到的数据接近，利用本发明可以快速测定土壤中有机质含量，结果可靠。
Claims (9)
1.一种土壤有机质检测装置，其特征在于，包括：
采样车；
安装在所述采样车底部的取样模块；
用于向取样模块中的土壤样品发射检测光的光照探头模块；
用于接收土壤样品反射光的光谱采集模块；
用于接收并处理来自所述光谱采集模块的信号的光谱处理模块。
2.如权利要求1所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，所述光照探头模块包括在光路上依次布置的LED点光源阵列以及聚焦透镜，所述LED点光源阵列包括420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的LED光源各一盏，所有LED光源呈圆环形排列且均匀分布。
3.如权利要求2所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，每盏LED光源的光轴与所述圆环形的轴线成45度夹角。
4.如权利要求3所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，所述光谱采集模块包括接收样品反射光的光纤以及接收该光纤所传送信号的光敏传感器。
5.如权利要求4所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，所述取样模块包括沿采样车前进方向依次连接的暗箱、压紧块以及双面犁，所述暗箱底面带有采样口，所述LED点光源阵列、聚焦透镜以及光纤的信号采集端均位于所述暗箱中。
6.如权利要求5所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，所述采样车螺纹配合有竖直布置的丝杠，所述丝杠的底端与所述压紧块转动配合且轴向限位，所述丝杠的顶端固定有旋转把手。
7.如权利要求6所述的土壤有机质检测装置，其特征在于，所述压紧块的底面为斜面，该斜面一侧与双面犁的底面平齐衔接，另一侧逐渐降低。
8.一种利用如权利要求1～7任一所述的土壤有机质检测装置检测土壤有机质的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)利用所述取样模块采集土壤样品，利用所述光照探头模块向土壤样品发射波长为420nm、450nm、486nm、583nm、650nm、740nm、920nm和1130nm的检测光；
(2)利用所述光谱采集模块接收土壤样品的反射光，利用光谱处理模块提取土壤样品在不同波长处的反射率；
(3)利用光谱处理模块将所得反射率通过
方程计算得到土壤样品有机质含量；
其中，C为土壤样品有机质含量；
λi为检测光的波长；
R(λi)为波长λi的检测光的反射率；
a0～a7分别为：-111.6、124.2、6.4、-633.8、-367.5、918.9、-206.4、117.6；
b为：32.2。
9.如权利要求8所述的检测土壤有机质的方法，其特征在于，向所述土壤样品发射检测光之前，刮除土壤样品表面层并压实。
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