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基于LED的便携式土壤有机质检测仪的研制

牛雅亮  
【摘要】:土壤有机质是土壤养分的重要组成成分,它的含量与土壤肥力有密切关系。传统的土壤有机质测量方法普遍存在测量周期长、成本高、工作繁琐等问题,因此开发一款基于光谱原理的便携式土壤有机质检测仪,有着重要意义。本文主要开展如下工作:(1)简要阐述了土壤有机质的基本性质及常见测量方法,分析了光谱法测量土壤有机质的基本原理,介绍了国内外土壤有机质测定仪研究的进展。(2)将采集的土样进行过筛、烘干、标号等处理后,选取6个典型样本,利用美国ASD (Analytical Spectral Device)公司的FieldSpec3光谱仪进行测定,得到它们的光谱图。对原始数据进行预处理,并比较6个样本的光谱曲线,得出土壤有机质含量越高,吸光度值也越大,同时分析其一维光谱图,得出450-680nm是土壤有机质的敏感波段。(3)利用二维相关光谱技术,可以将光谱信号扩展到二维,从而得到原始谱图数据中难以发现的信息。对实验数据进行二维相关分析后,得到了更精确的土壤有机质敏感波段,在可见光区域600nnm左右土壤有机质与吸光度的相关性最高,为下一步便携式土壤有机质快速测定仪的开发提供了理论基础。(4)开发第一代基于LED光源的便携式土壤有机质检测仪。以低功耗、便携、效率高为基本原则,设计了仪器总体系统结构。选用体积小、亮度高、寿命长、成本低的LED作为光源,采用灵敏度高、暗电压低的TSL253作为光信号探测器,以Y型光纤进行光的传导。仪器包含光路和电路两部分,LED光源、特制光纤、光电探测器组成了系统光路部分,放大电路、A/D转换、1602液晶显示组成系统电路部分。(5)在特制的暗室中对仪器进行了实验验证。对仪器进行重复性实验,其误差仅为1.13%,满足了一般仪器的要求。用自主开发的仪器测量了10个土壤样本的有机质含量。对所测得数据与土壤实际值数据进行分析,建立了一元线性模型,预测了另外5个土样的有机质含量,系统的平均误差为6.64%,符合便携式仪器的误差要求。


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