[发明专利]一种高等植物生化参数非接触监测装置

说明书

技术领域

本发明属于封闭环境的自动监测领域，涉及一种高等植物生化参数非接触监测装置。 

背景技术

植物生化参数无损监测技术主要是用于精细农业管理或者科学实验培养技术中对植物生长情况的检测和产量估计。目前，对植物参数无损监测和产量估计的方法主要有两种，一种是间接监测，通过检测植物生长环境(土壤或者液体培养液)中某些营养元素及水分含量，来反映植物自身的生长状态；另一种是直接监测，通过各种装置及仪器检测植物自身的叶绿素，氮素，水分等生化参数的含量从而反映植物的生长情况及估计其产量。间接监测的方法不仅不能及时放映植物对营养元素的需求情况还容易造成资源的浪费，因此目前发展的趋势是对植物生化参数进行直接监测。 

现有直接检测植物生化参数的装置主要分为两类，一类是基于多光谱成像技术，另一类是基于可见/近红外光谱技术，通过光谱仪采集到植物的光谱之后，再通过后续的化学计量学方法进行计算得到参数含量。 

中国发明专利CN2864669Y公开了一种基于近红外光谱的植物生长信息获取装置，该专利可以同时检测植物的叶绿素、水分、氮素等含量。采用近红外发光二极管作为光源，通过检测透过植物叶片的光获得植物的光谱，上下检测臂与置物台之间构成一个封闭的检测环境。该装置不能实现叶片在体检测，不能达到无损检测。另外，该专利采用发光二极管做光源，测量不同参数时需要更换光源，使用很不方便。 

中国发明专利CN1715873A公开了一种便携式无损检测田间植物色素的系 统和方法，通过叶片夹的设计实现了对植物叶绿素浓度的无损检测，并且采用中性参比样解决了测量入射光时光电检测器饱和问题。但中性参比样的增加使得测量装置的结构和操作变得复杂，并且无法实现自动化检测，需要人工操作。 

目前所公开的专利和文章都没有关于非接触，自动检测的基于光谱的生化参数检测装置，但是在一些特殊情况下，需要对植物生化参数进行自动的无人照料、无损检测，比如对航天受控生态生命保障系统中植物培养箱，或者植物科学实验培养箱中植物生化参数的监测。 

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的是提供一种高等植物生化参数非接触监测装置，能在类似植物培养箱中实现无损、非接触实时地监测高等植物生化参数。由于可见/近红外光谱检测技术，具有实时、快速、无损检测的特点，尤其是结合光纤采样，适合于被测空间狭小、被测样品在空间不规则分布或者现场条件比较恶劣的情况。因此本发明采用光谱检测技术对该系统中高等植物在冠层水平上的水分、氮素、叶绿素含量进行无损实时检测，将来便于将检测情况反馈到植物生长控制系统，从而进行对植物生长的监控管理。为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的： 

一种高等植物生化参数非接触监测装置，包括： 

一体化探头，用于为光谱采集提供稳定光照并通过非接触方式采集植物光谱；其从微控制系统获取稳定的可调驱动电流，在微控制系统的控制下对目标进行光谱采集，并通过光纤将采集的信号传输给分光和光电转化系统； 

所述一体化探头由光源及多个采样探头组成，所述采样探头由多根采样光纤、聚光透镜组成；所述光源位于一体化探头的中部，所述采样探头均匀分布于光源的周围； 

分光和光电转化系统，用于将一体化探头采集到的混合光分离成光谱形式并转化为电信号输出给数据采集系统； 

数据采集系统，用于将分光和光电转化系统输出的初级模拟电信号转化成 高信噪比、高稳定性的数字信号并输出到微控制系统； 

微控制系统，用于向一体化探头提供恒流驱动，并依据检测过程实现一体化探头的工作模式的切换；还用于对数据采集系统进行控制，以及执行数据计算、数据存储、输入输出控制。 

进一步地，所述分光和光电转化系统采用后分光色散光路，由一体化探头收集到的携带了叶片信息的可见/近红外光，经光纤传输，投射到透镜被准直之后，经装置中的分光系统分成独立于波长的光信号，到达探测器后，转化成为相应的电信号，输出给数据采集系统，其中分光部件可以是滤光片组或者光栅，分光器件和探测器的波长响应范围必须包括500-1100nm。 

进一步地，所述数据采集系统包括：信号调理电路和模数转换电路； 

信号调理电路包括小信号放大电路和信号滤波电路，用于实现将分光和光电转化系统输出的初始电信号转换成能满足模数转换电路输入要求的标准电平信号；模数转换电路用于将信号调理电路输出的模拟信号转换为符合信噪比和分辨率要求的数字信号输出到微控制系统。 

进一步地，所述微控制系统包括：