土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)及測量方法，涉及土壤檢測領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括：可調(diào)諧激光二極管，用于產(chǎn)生波長連續(xù)變化的激光光譜，并將其散射到待測土壤表面；光電探測模塊，用于接收所述待測土壤表面反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；二次諧波提取模塊，用于提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值；測量模塊，用于將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算所述待測土壤的有機(jī)質(zhì)含量。本發(fā)明實現(xiàn)了土壤有機(jī)質(zhì)含量的快速測量。
【專利說明】土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)及測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及土壌檢測領(lǐng)域，特別涉及一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)及測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]土壌有機(jī)質(zhì)是土壌中含碳的有機(jī)化合物，盡管其含量只占土壤總量的很小一部分，卻對土壤形成、土壌肥力、環(huán)境保護(hù)及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展等方面有著極其重要的意義。土壌有機(jī)質(zhì)含量是衡量土壌肥力高低的重要指標(biāo)之一，與土壌肥力水平密切相關(guān)。通常在其他條件相同或者相近的情況下，在一定范圍內(nèi)，有機(jī)質(zhì)的含量與土壌肥力水平呈正相關(guān)，因此需要了解土壌的肥力狀況，必須進(jìn)行土壌有機(jī)質(zhì)含量的檢測。
[0003]傳統(tǒng)的土壌有機(jī)質(zhì)含量常用測量方法為:使用標(biāo)準(zhǔn)酸滴定由干燒法(高溫電爐灼燒)或濕燒法(重鉻酸鉀氧化)放出的C02、使用標(biāo)準(zhǔn)硫酸亞鐵溶液滴定過量硫酸條件下剩余氧化劑重鉻酸鉀或者直接計算高溫灼燒后有機(jī)質(zhì)失去的重量。
[0004]根據(jù)以上分析可以看出，傳統(tǒng)的方法中整個過程需要經(jīng)過土壤樣品制備及處理、化學(xué)物品準(zhǔn)備及配置等流程，其測量過程操作復(fù)雜、測量周期較長。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005](一 )要解決的技術(shù)問題
[0006]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)及測量方法，以實現(xiàn)土壌有機(jī)質(zhì)含量的快速測量。
[0007]( ニ )技術(shù)方案
[0008]為實現(xiàn)以上目的，本發(fā)明通過以下技術(shù)方案予以實現(xiàn):
[0009]本發(fā)明提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)，包括有:
[0010]可調(diào)諧激光二極管，用于產(chǎn)生波長連續(xù)變化的激光光譜，并將其散射到待測土壤表面；
[0011]光電探測模塊，用于接收所述待測土壌表面反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；
[0012]二次諧波提取模塊，用于提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值；
[0013]測量模塊，用于將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
[0014]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括電流驅(qū)動模塊，用于為所述可調(diào)諧激光二極管提供線性變化的電流信號。
[0015]優(yōu)選的，所述電流驅(qū)動模塊進(jìn)一歩包括:
[0016]鋸齒波信號發(fā)生器和正弦波信號發(fā)生器，分別用于產(chǎn)生波長調(diào)制所需的鋸齒波信號和正弦波信號；
[0017]調(diào)制子模塊，用于將所述鋸齒波信號和正弦波信號疊加，進(jìn)行波長調(diào)制；[0018]V / I轉(zhuǎn)換子模塊，用于為所述可調(diào)諧激光二極管提供線性變化的電流信號。
[0019]其中，所述可調(diào)諧激光二極管進(jìn)一歩用于通過毛玻璃將所述激光光譜散射到所述待測土壤表面，其中，所述毛玻璃為半光半毛的光學(xué)毛玻璃，其毛面面向所述待測土壌表面。
[0020]其中，所述二次諧波提取模塊根據(jù)所述正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號，提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值。
[0021]優(yōu)選的,所述測量模塊進(jìn)ー步包括:
[0022]A / D轉(zhuǎn)換子模塊，用于將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號；
[0023]MCU模塊，用于根據(jù)所述數(shù)字信號，計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
[0024]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括:信號處理模塊，用于對所述光電探測模塊轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行帶通濾波及放大處理，并將其傳送給所述二次諧波提取模塊。
[0025]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括封閉三角支架，用于使所述待測土壌表面平整光滑。
[0026]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括溫控模塊，用于將所述可調(diào)諧激光二極管保持恒溫。
[0027]本發(fā)明還提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量方法，包括以下步驟:
[0028]S1、將可調(diào)諧激光二極管產(chǎn)生的激光光譜散射到待測土壤表面，所述激光光譜的波長能連續(xù)變化；
[0029]S2、接收所述待測土壤表面反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；
[0030]S3、提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值；
[0031]S4、將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
[0032](三)有益效果
[0033]本發(fā)明提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)及測量方法，根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)對激光光譜反射及吸收特性，通過選用與土壌有機(jī)質(zhì)相關(guān)的可調(diào)諧激光二極管，提取經(jīng)土壌反射回來的光束對應(yīng)電信號的二次諧波系數(shù)峰值，反演得到土壌有機(jī)質(zhì)含量，整個過程不需要經(jīng)過土壤樣品制備及處理、化學(xué)物品準(zhǔn)備及配置等流程，實現(xiàn)了土壌有機(jī)質(zhì)含量的快速測量。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。
[0035]圖1為本發(fā)明一實施例的系統(tǒng)框圖；
[0036]圖2為本發(fā)明一實施例的方法流程圖；
[0037]圖3為本發(fā)明ー實施例的另一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]其中，1-毛玻璃，2-光學(xué)比例鏡片，3- 土壤樣品，4-光學(xué)透鏡，5-三角支架，6_鋸齒波信號發(fā)生器，7-正弦波信號發(fā)生器，8-調(diào)制子模塊，9-V / I轉(zhuǎn)換子模塊，10-可調(diào)諧激光二極管，11-溫控模塊，12-光纖，13-光電探測模塊,14-信號處理模塊,15-二次諧波提取模塊，16-A / D轉(zhuǎn)換子模塊，17-顯示模塊，18-MCU模塊?！揪唧w實施方式】
[0039]為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0040]實施例1:
[0041]如圖1所示，本發(fā)明提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)，包括有:
[0042]可調(diào)諧激光二極管，用于產(chǎn)生波長連續(xù)變化的激光光譜，并將其散射到待測土壤表面；其中，選取的所述可調(diào)諧激光二極管其中心波長與土壌有機(jī)質(zhì)含量有極大的相關(guān)性。
[0043]光電探測模塊，用于接收所述待測土壌表面反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；所述光電探測模塊通常為硅光電ニ極管陣列，提高探測的靈敏度；
[0044]二次諧波提取模塊，用于提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值；
[0045]測量模塊，用于將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
[0046]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括電流驅(qū)動模塊，用于為所述可調(diào)諧激光二極管提供線性變化的電流信號；所述電流驅(qū)動模塊進(jìn)一歩包括:
[0047]鋸齒波信號發(fā)生器和正弦波信號發(fā)生器，分別用于產(chǎn)生波長調(diào)制所需的鋸齒波信號和正弦波信號；所述正弦波信號發(fā)生器還用于提取所述二次諧波提取模塊所需的二倍頻正弦波信號；
[0048]調(diào)制子模塊，用于將所述鋸齒波信號和正弦波信號疊加，進(jìn)行波長調(diào)制；
[0049]V / I轉(zhuǎn)換子模塊，通過V / I轉(zhuǎn)換電路，用于為所述可調(diào)諧激光二極管提供線性變化的電流信號，實現(xiàn)激光波長在一定寬度內(nèi)連續(xù)變化。
[0050]其中，所述可調(diào)諧激光二極管進(jìn)一歩用于通過毛玻璃將所述激光光譜散射到所述待測土壤表面，使得激光光譜可以從各個角度更大范圍的散射到土壌表面，從而增強(qiáng)激光光譜與土壌表面的作用面積；其中，所述毛玻璃為半光半毛的光學(xué)毛玻璃，其毛面面向所述待測土壤表面。
[0051]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括光學(xué)透鏡，其選用K9材質(zhì)，用來匯聚所述待測土壌表面反射回來的激光光束。
[0052]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括光學(xué)玻璃鏡片，其使用K9材質(zhì)，用來保護(hù)所述毛玻璃及光學(xué)透鏡。
[0053]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括:信號處理模塊，用于對所述光電探測模塊轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行帶通濾波及放大處理，并將其傳送給所述二次諧波提取模塊。
[0054]其中，所述二次諧波提取模塊根據(jù)所述正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號，提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值。
[0055]優(yōu)選的，所述測量模塊進(jìn)ー步包括:
[0056]A / D轉(zhuǎn)換子模塊，用于將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號；
[0057]MCU模塊，用于根據(jù)所述數(shù)字信號，計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
[0058]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括封閉三角支架，其選用不銹鋼材質(zhì)，用于使所述待測土壌表面平整光滑；由于待測土壌表面的不平整及不同地勢濕度不同，利用所述封閉三角支架一方面用來支撐探頭，另一方面可以保證土壌表面的平整光滑，降低測量誤差。
[0059]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括溫控模塊，通過使用帕爾貼以及溫度控制電路，用于將所述可調(diào)諧激光二極管保持恒溫。
[0060]優(yōu)選的，所述系統(tǒng)還包括顯示模塊，用于對計算出的所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量值進(jìn)行顯示。
[0061]如圖2所示，本發(fā)明還提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量方法，包括以下步驟:
[0062]S1、將可調(diào)諧激光二極管產(chǎn)生的激光光譜散射到待測土壤表面，所述激光光譜的波長能連續(xù)變化；
[0063]S2、接收所述待測土壤表面反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號；
[0064]S3、提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值；
[0065]S4、將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
[0066]實施例2:
[0067]如圖3所示，本實施例對實施例1的系統(tǒng)和方法做進(jìn)ー步介紹:
[0068]光學(xué)玻璃鏡片2距離地面的高度為5cm，距離由所述封閉三角支架5處理完成的待測土壤表面3的高度為2cm，在此位置對土壤有機(jī)質(zhì)含量進(jìn)行測量。在本實施例中，鋸齒波信號發(fā)生器6為DDS芯片，正弦波信號發(fā)生器7為D / A芯片；所述調(diào)制子模塊8為運(yùn)算放大器，所述V / I轉(zhuǎn)換子模塊9為三極管。
[0069]其中，首先鋸齒波信號發(fā)生器6和正弦波信號發(fā)生器7分別產(chǎn)生波長調(diào)制所需的正弦波信號和鋸齒波信號；然后通過調(diào)制子模塊8完成鋸齒波與正弦波的波長調(diào)制，在低頻的鋸齒波上加載ー個高頻的正弦波，隨后經(jīng)過V / I轉(zhuǎn)換子模塊9為可調(diào)諧激光二極管10提供線性變化的驅(qū)動電流，同時溫控模塊11根據(jù)設(shè)定的恒溫溫度，對可調(diào)諧激光二極管10進(jìn)行溫度調(diào)整與控制，所述可調(diào)諧激光二極管發(fā)出的波長連續(xù)變化的激光光譜經(jīng)過光纖12及毛玻璃I照射到待測土壤表面3上，所述待測土壌表面反射回來的激光光束經(jīng)過光學(xué)透鏡4耦合進(jìn)入光纖12，所述光電探測模塊13接收光纖12傳來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號，所述信號處理模塊14將該電信號進(jìn)行帶通濾波及放大后傳送給二次諧波提取模塊15，所述二次諧波提取模塊15提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值，并將所述峰值通過A / D轉(zhuǎn)換子模塊16轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號后進(jìn)入MCU模塊18，通過MCU模塊計算處理，得出二次諧波系數(shù)峰值對應(yīng)的土壌有機(jī)質(zhì)的含量，并在顯示模塊17上進(jìn)行顯示。
[0070]綜上所述，本發(fā)明提供一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)及測量方法，根據(jù)土壤有機(jī)質(zhì)對激光光譜反射及吸收特性，其具有以下有益效果:
[0071]I)通過選用與土壌有機(jī)質(zhì)相關(guān)的可調(diào)諧激光二極管，提取經(jīng)土壌反射回來的光束對應(yīng)電信號的二次諧波系數(shù)峰值，反演得到土壌有機(jī)質(zhì)含量，整個過程不需要經(jīng)過土壤樣品制備及處理、化學(xué)物品準(zhǔn)備及配置等流程，實現(xiàn)了土壌有機(jī)質(zhì)含量的快速測量。
[0072]2)利用波長調(diào)制技術(shù)及鎖相放大技術(shù)，提高了系統(tǒng)的測量精度。
[0073]3)所述可調(diào)諧激光二極管通過毛玻璃將所述激光光譜散射到所述待測土壌表面，擴(kuò)大了激光光譜與待測土壤的接觸面，提高了系統(tǒng)的靈敏度。
[0074]需要說明的是，在本文中術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有
的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括ー個......”限定的要素，并不排除在包
括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0075]以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解:其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量系統(tǒng)，其特征在于，包括有: 可調(diào)諧激光二極管，用于產(chǎn)生波長連續(xù)變化的激光光譜，并將其散射到待測土壤表面； 光電探測模塊，用于接收所述待測土壌表面反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號； 二次諧波提取模塊，用于提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值； 測量模塊，用于將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
2.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括: 電流驅(qū)動模塊，用于為所述可調(diào)諧激光二極管提供線性變化的電流信號。
3.如權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述電流驅(qū)動模塊進(jìn)一歩包括: 鋸齒波信號發(fā)生器和正弦波信號發(fā)生器，分別用于產(chǎn)生波長調(diào)制所需的鋸齒波信號和正弦波信號； 調(diào)制子模塊，用于將所述鋸齒波信號和正弦波信號疊加，進(jìn)行波長調(diào)制； V / I轉(zhuǎn)換子模塊，用于為所述可調(diào)諧激光二極管提供線性變化的電流信號。
4.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述可調(diào)諧激光二極管進(jìn)一歩用于通過毛玻璃將所述激光光譜散射到所述待測土壌表面，其中，所述毛玻璃為半光半毛的光學(xué)毛玻璃，其毛面面向所述待測土壌表面。
5.如權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征在干，所述二次諧波提取模塊根據(jù)所述正弦波信號發(fā)生器產(chǎn)生的正弦波信號，提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值。
6.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述測量模塊進(jìn)一歩包括: A / D轉(zhuǎn)換子模塊，用于將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成對應(yīng)的數(shù)字信號； MCU模塊，用于根據(jù)所述數(shù)字信號，計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
7.如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括: 信號處理模塊，用于對所述光電探測模塊轉(zhuǎn)換后的電信號進(jìn)行帶通濾波及放大處理，并將其傳送給所述二次諧波提取模塊。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括封閉三角支架，用于使所述待測土壌表面平整光滑。
9.如權(quán)利要求8任一項所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述系統(tǒng)進(jìn)ー步包括溫控模塊，用于將所述可調(diào)諧激光二極管保持恒溫。
10.一種土壤有機(jī)質(zhì)含量的測量方法，其特征在于，包括以下步驟: S1、將可調(diào)諧激光二極管產(chǎn)生的激光光譜散射到待測土壤表面，所述激光光譜的波長能連續(xù)變化； S2、接收所述待測土壤表面反射回來的激光信號，并將其轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號； S3、提取所述電信號的二次諧波系數(shù)峰值； S4、將所述二次諧波系數(shù)峰值轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并計算所述待測土壌的有機(jī)質(zhì)含量。
【文檔編號】G01N21/39GK103528991SQ201310512689
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月25日
【發(fā)明者】矯雷子, 鄭文剛, 趙賢德, 董大明, 鮑鋒, 郭瑞, 梁居寶 申請人:北京農(nóng)業(yè)智能裝備技術(shù)研究中心