CN208872661U - 一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，包括壳体和设置在所述壳体内的检测***，所述壳体的一侧有向壳体内延伸的凹槽作为载物台，所述凹槽的上壁和下壁相对地分别设置有通光孔；所述检测***包括单片机以及与所述单片机电连接的光源组、光电检测传感器和显示单元，所述光电检测传感器设置在所述载物台的正上方或正下方，所述光源组设置在所述载物台的正下方或正上方；所述壳体呈倒“L”形，所述载物台设置在倒“L”形向下延伸部分，倒“L”形的水平延伸部是手持握把。本实用新型结构简单，在降低成本的同时兼有较好的准确性和易操作性。

Description

一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置

技术领域

本实用新型属于植物叶片叶绿素检测技术领域，具体涉及一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置。

背景技术

叶绿素是绿色植物进行光合作用时吸收、转化和传递光能的主要物质，植物叶片中的叶绿素含量与植物的光合作用，营养吸收密切相关，也反应了植物的含氮量水平，是能够反映植物生长状况的一个重要指标。现有的植物叶绿素测定方法主要有分光光度法和快速检测法，分光光度法是测定植物叶绿素的标准方法，也是最准确的方法。但是需要破坏植物叶片，将植物叶片中的叶绿素提取出来然后进行测定，检测时间长，过程复杂，专业性强，不利于推广使用；以SPAD仪为代表的快速检测方法是利用光电传感器直接测量植物叶片的叶绿素含量，具有快速检测结果，无损植物叶片的优点，应用相对简易，但价格昂贵、成本高且SPAD仪检测面积小，在同一植物叶片的不同位置检测结果差异大，不能很好地反映植物叶片的叶绿素含量的平均水平。

中国专利公开号CN104266970A，公开日2015年01月07日，实用新型创造名称为“三波长漫反射光学叶绿素检测装置”，该申请公开了一种三波长漫反射光学叶绿素检测装置，利用反射光谱理论，实现对植物叶片的叶绿素含量的检测，其不足之处在于装置结构复杂。

中国专利公开号CN104777108A，公开日2015年07月15日，实用新型创造名称为“一种叶绿素含量的检测装置及方法”，该申请公开了一种叶绿素含量的检测装置及方法，该方法分别用波长为645nm和663nm的光照射样品，通过光电传感器测量透射光的强度可以得到对应波长下的吸光度值，从而计算出叶绿素的相对浓度值。其不足之处是只选择了叶绿素敏感波长的光作为检测光源，且这两个敏感波段为645nm和663nm，波长较为接近，区别不明显。

综上所述，现有技术存在结构复杂，稳定性和重复性不高的问题。

实用新型内容

本实用新型设计了一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，解决了现有的叶绿素检测装置和方法成本高、稳定性差、结构复杂的问题。本实用新型在降低成本的同时兼有较好的准确性和易操作性。

第一方面，本实用新型提供一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，包括：壳体和设置在所述壳体内的检测***，所述壳体的一侧有向壳体内延伸的凹槽作为载物台，所述凹槽的上壁和下壁相对地分别设置有通光孔；所述检测***包括单片机以及与所述单片机电连接的光源组、光电检测传感器和显示单元，所述光电检测传感器设置在所述载物台的正上方或正下方，所述光源组设置在所述载物台的正下方或正上方。所述检测***产生的三种波长的入射光穿过所述载物台的通光孔被光电检测传感器检测。

进一步，所述检测***的光源组包括三个单波长光源，所述三个单波长光源呈等边三角形布置在同一平面内。

进一步，所述三个单波长光源分别是460nm蓝色LED光源、650nm红色LED光源和940nm近红外LED光源。

进一步，所述光源组通过圆形底座安装在所述壳体的底部，位于所述通光孔的正下方，所述壳体的底部设置有与圆形底座匹配的圆形槽；所述光源组设置在所述圆形底座的中央。

进一步，在与所述检测***的光源组相邻的通光孔内设置有凸透镜。

进一步，所述显示单元包括显示屏，所述显示屏设置在所述壳体的顶部。

进一步，所述检测***的电源是可充电电池，可拆卸地安装在所述壳体内的电池槽中。

进一步，电源开关设置在所述壳体的侧面；功能按键设置在所述壳体的顶部。

进一步，功能按键包括检测按键、存储按键和查询按键。

进一步，所述壳体呈倒“L”形，所述载物台设置在倒“L”形向下延伸的部分，倒“L”形的水平延伸部是手持握把。

进一步，所述壳体采用不透光材料。

进一步，所述壳体外形尺寸长×宽×高为80mm×90mm×44mm，其中手持握把部分的尺寸长×宽×高为66mm×34mm×44mm。

第二方面，本实用新型提供一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测方法，包括：

进行校准：检测装置获取三种波长的入射光的原始光强数据；

检测透过被测植物叶片的光强：检测装置获取透过被测植物叶片后的三种波长的入射光的光强数据；

计算并显示：检测装置的单片机根据“光强变化——植物叶片叶绿素”数学模型对上述获取的数据进行处理，从而得出被测植物叶片的叶绿素含量并显示，叶绿素含量的单位是mg/g。

具体地，进行校准时，开启检测装置的电源开关，并根据显示单元的显示屏“进行校准”的字幕提示，按下检测装置的检测按键，三种波长的平行入射光分别依次穿过载物台的两通光孔到达光电检测传感器，检测装置获取三种波长的入射光的原始光强数据。

具体地，检测透过被测叶片的光强时，将被测植物叶片平整放入载物台，按下检测按键，三种波长的平行入射光分别依次穿过一通光孔、载物台上的被测植物叶片、另一通光孔到达光电检测传感器，检测装置获取透过被测叶片后的三种波长的入射光的光强数据。

具体地，所述的“光强变化——植物叶片叶绿素含量”数学模型是：

其中θ₀、θ₁、θ₂为常数，建模时得到；CHL为植物叶片叶绿素含量，单位mg/g；RA₄₆₀是植物叶片对460nm波长光的相对吸光度，RA₆₅₀是植物叶片对650nm波长光的相对吸光度；

I_940t为940nmLED发射的原始光强，I_940o为透过植物叶片后940nmLED的光强；

I_460t为460nmLED发射的原始光强，I_460o为透过植物叶片后460nmLED的光强；

I_650t为650nmLED发射的原始光强，I_650o为透过植物叶片后650nmLED的光强。

具体地，所述光强变化和植物叶片叶绿素含量CHL的数学模型的建模过程为：

1.设入射光强度为I₀，透射光强度I_t，吸收强度I_a反射光强度I_s，那么

I₀＝I_t+I_s+I_a

2.定义透过率T：透射光强度(I_t)占入射光强度(I₀)的比例的大小。透过率T越大，植物叶片对光的吸收越少；透过率T越小，植物叶片对光的吸收越大；

3.定义吸光度A：吸光度表示植物叶片叶绿素对光的吸收程度，透过率的负对数称为吸光度

A＝-lgT，A＞0

4.采用460nm和650nm两个波段进行测试，940nm进行对比，得到相对吸光度RA：

RA₄₆₀＝A₄₆₀-A₉₄₀；

RA₆₅₀＝A₆₅₀-A₉₄₀；

即：

经过多次实验得到光强变化和叶片叶绿素含量CHL的数学模型是：

CHL＝θ₀+θ₁·RA₄₆₀+θ₂·RA₆₅₀

优选地，还包括数据及检测结果的存储和查询：通过存储按键对相应数据及检测结果进行存储；通过查询按键对相应数据及检测结果进行查询。

该基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置及检测方法具有以下有益效果：

(1)本实用新型采用透射原理，选用3个波段的LED光源，充分考虑叶绿素a和叶绿素b的含量，并以960nm的近红外光为对照，提高了检测的准确性。通过测量叶绿素含量得出绿素植物的含氮量，为植物的生长提供了又一重要指标。便于全面的了解叶片的生长情况。

(2)本实用新型中，在与光源组相邻的通光孔上加了一凸透镜，将LED射出的点光源转换成平行线光源，减小了光的散射等影响，使透过植物叶片的光更加均匀，保证了测量结果的准确性。

(3)本实用新型中，壳体内部为吸光材料，能够起到很好的遮光效果，减小外部光照的影响；在电池槽内安装了易于拆装的可充电电池，节能环保，也能保证测定仪的长时间使用。

(4)本实用新型中，电源组通过圆形底座安装在壳体内底部设置的圆形槽内，圆形槽、通光孔和圆形底座易于同心，有利于保证装置的检测精度。

(5)本实用新型中，壳体呈倒“L”形，结构巧妙，既能适应普通人手大小，便于持握，方便携带，又能满足内部空间需求。

(6)本实用新型结构简单，在降低成本的同时兼有较好的准确性和易操作性。

附图说明

图1：本实用新型实施方式中基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置的外部结构示意图；

图2：本实用新型实施方式中基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置的内部结构示意图；

图3：本实用新型实施方式中基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置的内部局部示意图；

图4：本实用新型实施方式中光源组的立体结构示意图；

图5：本实用新型实施方式中光源组的俯视图。

附图标记说明：

1—壳体；11—载物台；12—下通光孔；13—上通光孔；2—凸透镜；3—光电检测传感器；4—电源开关；5—显示屏；6—检测按键；7—存储按键；8—查询按键；9—电池槽；10—光源组；101—460nm蓝色LED光源；102—650nm红色LED光源；103—940nm近红外LED光源；104—底座。

具体实施方式

下面结合附图，对本实用新型做进一步说明：

图1至图5示出了本实用新型基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置的具体实施方式。图1和图2是本实施方式中基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置的结构示意图；图3是本实施方式中基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置的内部局部示意图；图4和图5是本实施方式中光源组的结构示意图。

如图1和图2所示，本实施方式中的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，包括壳体1和设置在壳体1内的检测***，壳体1的一侧有向壳体1内延伸的凹槽作为载物台11，所述凹槽的上壁和下壁相对地分别设置有通光孔；所述检测***包括单片机以及与所述单片机电连接的光源组10、光电检测传感器3和显示单元，光电检测传感器3设置在载物台11的正上方或正下方，光源组10设置在载物台11的正下方或正上方。所述检测***产生的三种波长的平行入射光穿过载物台11的通光孔被光电检测传感器3检测。单片机在本实施例的附图中未画出。

本实施例中，所述凹槽的上壁设置有上通光孔13，所述凹槽的下壁设置有下通光孔12，上通光孔13和下通光孔12相对设置，如图3所示。

优选地，所述检测***的光源组10包括三个单波长光源，所述三个单波长光源呈等边三角形布置在同一平面内，如图4和图5所示。

优选地，所述三个单波长光源分别是460nm蓝色LED光源101、650nm红色LED光源102和940nm近红外LED光源103。

优选地，如图4和图5所示，光源组10通过圆形底座104安装在壳体1的底部，位于通光孔的正下方；光源组10设置在圆形底座104的中央。本实施例中，壳体1的底部设置有与圆形底座104匹配的圆形槽，如图3所示，圆形槽、通光孔和圆形底座104易于同心，有利于保证装置的检测精度。

优选地，在与所述检测***的光源组10相邻的通光孔内设置有凸透镜2，将点光源发射的检测入射光变为平行入射光。本实施例中，下通光孔12内设置有凸透镜2，如图3所示。

优选地，所述显示单元包括显示屏5，显示屏5设置在壳体1的顶部。

优选地，所述检测***的电源是可充电电池，可拆卸地安装在壳体1内的电池槽9中。本实施例中，电池槽9设置在壳体1手持握把的空腔内，如图2所示。

优选地，电源开关4设置在壳体1的侧面；功能按键设置在壳体1的顶部。本实施例中，功能按键包括检测按键6、存储按键7和查询按键8，如图1所示。

优选地，壳体1呈倒“L”形，载物台11设置在倒“L”形向下延伸的部分，电源组、载物台、光电检测传感器依次一条龙设置在倒“L”形向下延伸部分的空腔部分，倒“L”形的水平延伸部是手持握把，如图1所示。既能适应普通人手大小，便于持握，又能满足内部空间需求。

本实施例中，载物台11设置在倒“L”形向下延伸部分的下部。

优选地，壳体1采用不透光材料。减少了外界可见光影响，提高了准确性。本实施例中，壳体1采用黑色不透光材料，效果更佳。

本实施例中，壳体1的外形尺寸长×宽×高为80mm×90mm×44mm，其中手持握把部分的尺寸长×宽×高为66mm×34mm×44mm。体积小，便于携带，便于持握，既能适应普通人手大小，又能满足内部空间需求。

检测时，首先进行校准：即检测装置获取三种波长的入射光的原始光强数据；

然后，检测透过被植物测叶片的光强：即检测装置获取透过被测植物叶片后的三种波长的入射光的光强数据；

最后，计算并显示：检测装置的单片机根据光强变化和植物叶片叶绿素含量CHL的数学模型对上述获取的数据进行处理，从而得出被测叶片的叶绿素含量并显示，叶绿素含量的单位是mg/g。

优选地，还包括数据及检测结果的存储和查询：通过存储按键7对相应数据及检测结果进行存储；通过查询按键8对相应数据及检测结果进行查询。

具体地，进行校准时，开启检测装置的电源开关4，并根据显示单元的显示屏5“进行校准”的字幕提示，按下检测装置的检测按键6，三种波长的平行入射光分别依次穿过载物台11的两通光孔到达光电检测传感器3，检测装置获取三种波长的入射光的原始光强数据。

具体地，检测透过被测植物叶片的光强时，将被测植物叶片平整放入载物台11，按下检测按键6，三种波长的平行入射光分别依次穿过一通光孔、载物台11上的被测植物叶片、另一通光孔到达光电检测传感器3，检测装置获取透过被测叶片后的三种波长的入射光的光强数据。

具体地，所述的“光强变化——植物叶片叶绿素含量”数学模型是：

其中θ₀、θ₁、θ₂为常数，建模时得到；CHL为植物叶片叶绿素含量，单位：mg/g；RA₄₆₀和RA₆₅₀是相对吸光度；

I_940t为940nmLED发射的原始光强，I_940o为透过植物叶片后

940nmLED的光；

I_460t为460nmLED发射的原始光强，I_460o为透过植物叶片后

460nmLED的光强；

I_560t为940nmLED发射的原始光强，I_560o为透过植物叶片后560nmLED的光强。

本实用新型的原理是：利用叶绿素对波长为460nm和650nm附近的光具有明显的吸收作用，并以波长940nm的近红外光作为对照以减少植物叶片厚度和其他因素对测量精度的影响，通过光电检测传感器来检测透过植物叶片前后这三种波长的入射光的光强，然后利用事先建立的“光强变化——植物叶片叶绿素含量”数学模型进行计算，从而获得被测植物叶片的叶绿素含量。

本实用新型采用透射原理，选用3个波段的LED光源，充分考虑叶绿素a和叶绿素b的含量，并以960nm的近红外光做对照，提高了检测的准确性。通过测量叶绿素含量得出绿素植物的含氮量，为植物的生长提供了又一重要指标。便于全面的了解植物的生长情况。

本实用新型中，在与电源组相邻的通光孔上加了一凸透镜，将LED射出的点光源转换成平行线光源，减小了光的散射等影响，使透过植物叶片的光更加均匀，保证了测量结果的准确性。

本实用新型中，壳体内部为吸光材料，能够起到很好的遮光效果，减小外部光照的影响；在电池槽内安装了易于拆装的可充电电池，节能环保，也能保证测定仪的长时间使用。

上面结合附图对本实用新型进行了示例性的描述，显然本实用新型的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，包括壳体和设置在所述壳体内的检测***，所述壳体的一侧有向壳体内延伸的凹槽作为载物台，所述凹槽的上壁和下壁相对地分别设置有通光孔；所述检测***包括单片机以及与所述单片机电连接的光源组、光电检测传感器和显示单元，所述光电检测传感器设置在所述载物台的正上方或正下方，所述光源组设置在所述载物台的正下方或正上方。

2.根据权利要求1所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，所述光源组包括三个单波长光源，所述三个单波长光源呈等边三角形布置在同一平面内。

3.根据权利要求2所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，所述三个单波长光源分别是460nm蓝色LED光源、650nm红色LED光源和940nm近红外LED光源。

4.根据权利要求1、2或3所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，在与所述光源组相邻的通光孔内设置有凸透镜。

5.根据权利要求1、2或3所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，所述显示单元包括显示屏，所述显示屏设置在所述壳体的顶部。

6.根据权利要求1、2或3所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，所述检测***的电源是可充电电池，可拆卸地安装在所述壳体内的电池槽中。

7.根据权利要求1、2或3所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，电源开关设置在所述壳体的侧面；功能按键设置在所述壳体的顶部；功能按键包括检测按键、存储按键和查询按键。

8.根据权利要求1、2或3所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，所述壳体呈倒“L”形，所述载物台设置在倒“L”形向下延伸的部分，倒“L”形的水平延伸部是手持握把。

9.根据权利要求8所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，所述壳体外形尺寸长×宽×高为80mm×90mm×44mm，其中手持握把部分的尺寸长×宽×高为66mm×34mm×44mm。

10.根据权利要求1、2、3或9所述的基于三波长的植物叶片叶绿素含量检测装置，其特征在于，所述壳体采用不透光材料。