土壤養分速測儀的研究技術路線以及參數分析

便攜式土壤養分速測儀是從農業測土配方施肥的生產實踐的需要出發而提出的。長期以來農業測土施肥依賴于常規儀器分析，從田間取回的土樣烘干后再拿到實驗室進行測定，這種方式存在許多缺點，如測土耗時長、設備投資大、不便攜帶、操作復雜、所依賴的輔助設備多和測試費用高等，不適合農村田間測土，嚴重地制約了科學合理施肥在基層農村實施。為此急需研制適合于我國生產實際的土壤養分速測儀。

根據速測土壤的需要，便攜式速測土壤測試儀應能在線完成對土壤養分、水分、pH值、溫度等多參數的測量，有條件的應內嵌入指導施肥系統，使用戶完成測土后直接將數據應用于指導施肥；儀器應采用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；支持微型打印機打印測試結果；支持交流電和電池兩種供電方式，適于田間操作。

技術路線

專家認為土壤養分速測儀與一般測試儀器不同，因為測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格，而且在于測土全周期的耗用工時。因此我們把速測儀不僅看作是一種專用光電比色儀，而且看作低成本速測技術的載體，看作載有成套速測技術的測土裝備。只有這樣才能使研制的速測儀在農村基層真正用起來，便攜式土壤養分速測儀的技術路線如圖1所示。

土壤養分速測儀設計技術

在充分了解國內外相關技術發展的情況下，我們采用了技術成熟的光電比色原理研制土壤養分速
測儀，力求解決好如下一些關鍵技術：低成本、單色光的生成、光源選擇、電源供應、比色槽的設計和避光、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。儀器設計的總體框圖如圖2所示。

便攜式土壤養分速測儀硬件設計

采用微處理器技術尤其是內含A/D的具有Flash EPROM的單片計算機，其性能優越，價格較低，可方便實現顯示器和鍵盤的接口。系統主要檢測光電信號，而這一光電信號是一個慢速變化信號，對采樣速率要求不高，因此可以選擇A/D 7135作模數轉換器，選用128×64的LCD液晶顯示器，可實現四行每行8個字符一屏共32個字符的顯示，另根據設計要求選擇鍵盤按鍵的數量。除此之外還有構成基本微處理系統所必須的地址譯碼、時鐘與復位電路等。根據功能需要，系統中還設置有其它功能模塊，可通過RS-232串行接口與微機通信，把測量數據送入上位機以便農業管理部門為本地區的土壤管理建立數據庫。要求存儲器模塊里包括一定容量的存儲器來存放液晶顯示數據、打印數據以及測量過程中的測量數據、運算數據、控制程序，參數數據，漢字庫，對數和反對數表，以及推薦施肥專家系統等。

光 源

儀器的光源可用普通聚光白熾燈、鹵素燈、發光二極管和激光管等幾種，通常情況下鹵素燈性能穩定，壽命長，但是光功率強，發熱量大，使用時應考慮散熱，否則效果不夠理想。發光二極管和激光也可考慮，如果有相應的單色性比較好的發光器件則認為應是首選方案。普通聚光白熾燈如果在聚光和可調整方面設計得比較好完全可以達到理想的效果，比如光功率調整技術就能很好地解決光源的穩定性問題，如圖3所示的光功率調整方案。用MOSFET來控制光強，讓CPU控制調節數字電位計1，改變VGS，把流過燈的電流穩定在某一強度。

光電傳感器選擇

光電傳感器有光壓、光電流和光導等幾種，根據土壤養分濃度測試朗伯比爾原理，透過溶液的光強可用光電流來反映，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進行處理，另一種方法是選擇內部已經集成了運算放大器的光電壓傳感器，這種傳感器是隨著微電子技術的發展而發展起來的，它具有價格低，性能好，集成度高，互換性好優點，在光電儀器設計中應用較多。

單色光的產生

如果選擇的光源是單色性好的LED管和LASER管，此部分內容可不考慮。不同的離子對光的吸收性是不一樣的，根據土壤養分測試機理，土壤的N，P，K和有機質分別具有相應的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，因此應使儀器具有不同波長產生的功能，當然土壤養分測試儀所分析的養分種類是有限的，通常只用到少數幾個波長。在進行單色光生成器設計時可有兩種方案：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。考慮儀器專用性和價格低的要求，后一種方案是經濟的。

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，只有實現了土壤水分速測才能實現新鮮土的養分測定，從而提高土壤養分的分析時間。

土壤是干土、水分和空氣三者組成的混合物。由于水的介電常數比干土的介電常數高出一個數量級（水的介電常數是80，干土的介電常數約為2.7），所以土壤含水量發生變化時，其等效介電常數會有較大的變化，從而引起電容傳感器的電容量變化。根據這一原理設計的電容傳感器，可以將土壤的含水量的變化轉換成電容量變化并zui終轉換成電壓信號，通過標定即可得到實測土樣含水量值。

除了上述幾個與土壤養分速測儀有關的幾個關鍵技術外，還有電源的設計和測試用藥劑的配套性及小型配套輔助裝置是zui終實現全土壤參數速測的關鍵，在設計時必須予以考慮。

儀器精度

儀器設計完成了土壤養分、pH 值、水分、溫度、打印、快捷性和便攜性等使用指標要求，滿足了測土施肥技術推廣的國家相應規范和國家相關標準。如表1所示儀器的穩定性、重復性、線性誤差和靈敏度技術指標。

速測土壤分析技術

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

便攜式土壤養分速測儀測土綜合誤差

速測儀主要幾種測試項目綜合測土誤差如表3所示:

總結：

便攜式土壤養分速測儀應滿足農村生產實際的需要，注重便攜式、低成本和高穩定性。本研究的便攜式土壤養分速測儀采用了光源恒功率技術和光強自動調整技術，使光強按照不同波長自動調整到zui佳狀態并穩定不變，使儀器的穩定性幾乎超過國家檢定規程一個數量級；采用了吸光度線性自動修正技術，對由于光的非單色性帶來的誤差進行自動校正，使濾光式光電比色計的測試線性度達到分光光度計線性效果；儀器的線性誤差比國家檢定規程小1~ 1.5倍；在速測儀上首次采用儀載施肥咨詢系統，與同類儀器相比具有zui高的智能化水平；實現光電比色、pH 測定、水分測定、溫度顯示與校正結合一體，一儀多用，適于農村基層單位使用。