土壤養(yǎng)分速測儀的研究技術(shù)路線以及參數(shù)分析

 便攜式土壤養(yǎng)分速測儀是從農(nóng)業(yè)測土配方施肥的生產(chǎn)實(shí)踐的需要出發(fā)而提出的。長期以來農(nóng)業(yè)測土施肥依賴于常規(guī)儀器分析，從田間取回的土樣烘干后再拿到實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測定，這種方式存在許多缺點(diǎn)，如測土耗時(shí)長、設(shè)備投資大、不便攜帶、操作復(fù)雜、所依賴的輔助設(shè)備多和測試費(fèi)用高等，不適合農(nóng)村田間測土，嚴(yán)重地制約了科學(xué)合理施肥在基層農(nóng)村實(shí)施。為此急需研制適合于我國生產(chǎn)實(shí)際的土壤養(yǎng)分速測儀。

根據(jù)速測土壤的需要，便攜式速測土壤測試儀應(yīng)能在線完成對土壤養(yǎng)分、水分、pH值、溫度等多參數(shù)的測量，有條件的應(yīng)內(nèi)嵌入指導(dǎo)施肥系統(tǒng)，使用戶完成測土后直接將數(shù)據(jù)應(yīng)用于指導(dǎo)施肥；儀器應(yīng)采用LCD漢字顯示測量步驟，避免LED顯示在陽光下看不清楚的缺點(diǎn)；支持微型打印機(jī)打印測試結(jié)果；支持交流電和電池兩種供電方式，適于田間操作。

技術(shù)路線

專家認(rèn)為土壤養(yǎng)分速測儀與一般測試儀器不同，因?yàn)闇y土的速度不僅在于儀器的速度，而且在于前處理的速度；測土的成本不僅在于儀器的價(jià)格，而且在于測土全周期的耗用工時(shí)。因此我們把速測儀不僅看作是一種光電比色儀，而且看作低成本速測技術(shù)的載體，看作載有成套速測技術(shù)的測土裝備。只有這樣才能使研制的速測儀在農(nóng)村基層真正用起來，便攜式土壤養(yǎng)分速測儀的技術(shù)路線如圖1所示。

土壤養(yǎng)分速測儀設(shè)計(jì)技術(shù)

在充分了解國內(nèi)外相關(guān)技術(shù)發(fā)展的情況下，我們采用了技術(shù)成熟的光電比色原理研制土壤養(yǎng)分速
測儀，力求解決好如下一些關(guān)鍵技術(shù)：低成本、單色光的生成、光源選擇、電源供應(yīng)、比色槽的設(shè)計(jì)和避光、土樣水分的測定、儀器的體積和便攜性、推薦施肥方案和藥劑配套等。儀器設(shè)計(jì)的總體框圖如圖2所示。

便攜式土壤養(yǎng)分速測儀硬件設(shè)計(jì)

采用微處理器技術(shù)尤其是內(nèi)含A/D的具有Flash EPROM的單片計(jì)算機(jī)，其性能*，價(jià)格較低，可方便實(shí)現(xiàn)顯示器和鍵盤的接口。系統(tǒng)主要檢測光電信號，而這一光電信號是一個(gè)慢速變化信號，對采樣速率要求不高，因此可以選擇A/D 7135作模數(shù)轉(zhuǎn)換器，選用128×64的LCD液晶顯示器，可實(shí)現(xiàn)四行每行8個(gè)字符一屏共32個(gè)字符的顯示，另根據(jù)設(shè)計(jì)要求選擇鍵盤按鍵的數(shù)量。除此之外還有構(gòu)成基本微處理系統(tǒng)所必須的地址譯碼、時(shí)鐘與復(fù)位電路等。根據(jù)功能需要，系統(tǒng)中還設(shè)置有其它功能模塊，可通過RS-232串行接口與微機(jī)通信，把測量數(shù)據(jù)送入上位機(jī)以便農(nóng)業(yè)管理部門為本地區(qū)的土壤管理建立數(shù)據(jù)庫。要求存儲(chǔ)器模塊里包括一定容量的存儲(chǔ)器來存放液晶顯示數(shù)據(jù)、打印數(shù)據(jù)以及測量過程中的測量數(shù)據(jù)、運(yùn)算數(shù)據(jù)、控制程序，參數(shù)數(shù)據(jù)，漢字庫，對數(shù)和反對數(shù)表，以及推薦施肥專家系統(tǒng)等。

光 源

儀器的光源可用普通聚光白熾燈、鹵素?zé)?、發(fā)光二極管和激光管等幾種，通常情況下鹵素?zé)粜阅芊€(wěn)定，壽命長，但是光功率強(qiáng)，發(fā)熱量大，使用時(shí)應(yīng)考慮散熱，否則效果不夠理想。發(fā)光二極管和激光也可考慮，如果有相應(yīng)的單色性比較好的發(fā)光器件則認(rèn)為應(yīng)是方案。普通聚光白熾燈如果在聚光和可調(diào)整方面設(shè)計(jì)得比較好*可以達(dá)到理想的效果，比如光功率調(diào)整技術(shù)就能很好地解決光源的穩(wěn)定性問題，如圖3所示的光功率調(diào)整方案。用MOSFET來控制光強(qiáng)，讓CPU控制調(diào)節(jié)數(shù)字電位計(jì)1，改變VGS，把流過燈的電流穩(wěn)定在某一強(qiáng)度。

光電傳感器選擇

光電傳感器有光壓、光電流和光導(dǎo)等幾種，根據(jù)土壤養(yǎng)分濃度測試?yán)什葼栐?，透過溶液的光強(qiáng)可用光電流來反映，因此可選擇光電流傳感器。在光電信號處理上通常有兩種方法，一種是選擇光電流傳感器，然后通過電流電壓變換器來獲得電壓信號并送給CPU進(jìn)行處理，另一種方法是選擇內(nèi)部已經(jīng)集成了運(yùn)算放大器的光電壓傳感器，這種傳感器是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展起來的，它具有價(jià)格低，性能好，集成度高，互換性好優(yōu)點(diǎn)，在光電儀器設(shè)計(jì)中應(yīng)用較多。

單色光的產(chǎn)生

如果選擇的光源是單色性好的LED管和LASER管，此部分內(nèi)容可不考慮。不同的離子對光的吸收性是不一樣的，根據(jù)土壤養(yǎng)分測試機(jī)理，土壤的N，P，K和有機(jī)質(zhì)分別具有相應(yīng)的zui大吸收波長，比如土壤中的五氧化二磷對650nm的波長具有zui大吸收性等，因此應(yīng)使儀器具有不同波長產(chǎn)生的功能，當(dāng)然土壤養(yǎng)分測試儀所分析的養(yǎng)分種類是有限的，通常只用到少數(shù)幾個(gè)波長。在進(jìn)行單色光生成器設(shè)計(jì)時(shí)可有兩種方案：一種是采用光柵或棱鏡分光方法生成單色光，一種是采用單色濾光片生成單色光方案?？紤]儀器性和價(jià)格低的要求，后一種方案是經(jīng)濟(jì)的。

水分測量

土樣水分的測定在基層測土配方施肥中意義重大，只有實(shí)現(xiàn)了土壤水分速測才能實(shí)現(xiàn)新鮮土的養(yǎng)分測定，從而提高土壤養(yǎng)分的分析時(shí)間。

土壤是干土、水分和空氣三者組成的混合物。由于水的介電常數(shù)比干土的介電常數(shù)高出一個(gè)數(shù)量級（水的介電常數(shù)是80，干土的介電常數(shù)約為2.7），所以土壤含水量發(fā)生變化時(shí)，其等效介電常數(shù)會(huì)有較大的變化，從而引起電容傳感器的電容量變化。根據(jù)這一原理設(shè)計(jì)的電容傳感器，可以將土壤的含水量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化并zui終轉(zhuǎn)換成電壓信號，通過標(biāo)定即可得到實(shí)測土樣含水量值。

除了上述幾個(gè)與土壤養(yǎng)分速測儀有關(guān)的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)外，還有電源的設(shè)計(jì)和測試用藥劑的配套性及小型配套輔助裝置是zui終實(shí)現(xiàn)全土壤參數(shù)速測的關(guān)鍵，在設(shè)計(jì)時(shí)必須予以考慮。

儀器精度

儀器設(shè)計(jì)完成了土壤養(yǎng)分、pH 值、水分、溫度、打印、快捷性和便攜性等使用指標(biāo)要求，滿足了測土施肥技術(shù)推廣的國家相應(yīng)規(guī)范和國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。如表1所示儀器的穩(wěn)定性、重復(fù)性、線性誤差和靈敏度技術(shù)指標(biāo)。

速測土壤分析技術(shù)

速測分析技術(shù)是決定土壤養(yǎng)分速測儀應(yīng)用于基層和提高測試精度的關(guān)鍵，它決定了儀器是否具有生命力，表2列出幾種主要土壤養(yǎng)分速測技術(shù)。

便攜式土壤養(yǎng)分速測儀測土綜合誤差

速測儀主要幾種測試項(xiàng)目綜合測土誤差如表3所示:

總結(jié)：

便攜式土壤養(yǎng)分速測儀應(yīng)滿足農(nóng)村生產(chǎn)實(shí)際的需要，注重便攜式、低成本和高穩(wěn)定性。本研究的便攜式土壤養(yǎng)分速測儀采用了光源恒功率技術(shù)和光強(qiáng)自動(dòng)調(diào)整技術(shù)，使光強(qiáng)按照不同波長自動(dòng)調(diào)整到*狀態(tài)并穩(wěn)定不變，使儀器的穩(wěn)定性幾乎超過國家檢定規(guī)程一個(gè)數(shù)量級；采用了吸光度線性自動(dòng)修正技術(shù)，對由于光的非單色性帶來的誤差進(jìn)行自動(dòng)校正，使濾光式光電比色計(jì)的測試線性度達(dá)到分光光度計(jì)線性效果；儀器的線性誤差比國家檢定規(guī)程小1~ 1.5倍；在速測儀上采用儀載施肥咨詢系統(tǒng)，與同類儀器相比具有zui高的智能化水平；實(shí)現(xiàn)光電比色、pH 測定、水分測定、溫度顯示與校正結(jié)合一體，一儀多用，適于農(nóng)村基層單位使用。