[发明专利]土壤养分传感器

说明书

技术领域

本发明涉及传感谢器技术领域，具体涉及一种基于MEMS技术的土壤养分传感器。

背景技术

精准农业是指信息科学、控制科学、遥感科学、生命科学等多学科相互融合的农业综合系统工程，通过多种传感器系统获取土壤和作物水分、氮素、产量等信息，根据农业专家系统运算，实现精准播种、收割、平衡施肥、灌溉、作物动态监控技术等。

目前，我国农业如何实现由传统农业向现代农业的转变，由粗放农业走向精准农业，从而走出一条具有中国特色的农业现代化之路，是一个亟待探索的重大课题；精准农业相对于传统农业的一个最大特点，是以高科技投入和管理获取资源的最大节约和农业产出的最佳效益。它的最重要的价值和意义就在于能够实现农业的科学化、标准化、定量化、高效化。它代表了我国农业发展的方向，是农业走低耗、高效、优质、可持续发展之路的必然选择。特别是我国化学品粗放投放导致农作物和土壤污染严重，精准农业有利于减少不必要化学药剂使用和减缓化学污染；因此，我们开发出基于MEMS技术的土壤养分传感器，它通过在田间实时在线获取土壤的近红外反射光谱，获取土壤中多种有机元素的光谱信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种精密化、集成化，精度更高，便于携带，节省能耗的土壤养分传感器。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，

一种土壤养分传感器，包括集成在电路板卡上的电路系统和光路系统，所述的电路系统包括为电路系统和光路系统供电的电源模块、控制模块、数模转化模块、运算放大器；

所述的电源模块为锂离子电池供电和市电变压稳压电路；

所述的控制模块为DSP(微处理器芯片)或FPGA(可编程逻辑器件)等高速通用控制芯片的任意一种；

所述的模数转化模块为高速24位A/D转化器；

所述的光路系统包括光学芯片、校准模块及探测器，电路板卡不仅具有半导体工艺中常用的电路系统以外，还集成了光学芯片。

所述的光学芯片分为近红外光源和微机电分光系统，所述的光学芯片包括光学元件、光学平台、冷却平台、铜壳，再无尘条件下将所述的光学元件安装在光学平台上，所述的光学平台固定在冷却平台上以确保整个光学芯片稳定工作，然后用铜壳将光学元件、光学平台以及冷却平台封装，电路通过侧边的碟状引脚引出，焊接在电路板卡上。

所述的近红外光源采用可调谐超辐射发光二极管(SLED)，该光源功率很高，而且功率可通过改变电流进行调节。

所述的校准模块包括两块分光镜和两个探测器，并通过两块分光镜和两个探测器来实现波长和功率双校准功能，所述的分光镜一和分光镜二将该光分别提供给探测器一进行波长测量和探测器二进行功率测量，测量结果将反馈到控制模块，再通过改进参数实现光路模块进一步调整波长和功率，直至完成波长和功率校准。

所述近红外光源发出的光通过透镜准直后形成平行光，经过45℃起偏器P1起偏后，再经过补偿板和楔状双折射晶体RC1以及楔状双折射晶体RC2，再经过负45℃检偏器P2；通过压电陶瓷控制楔状双折射晶体RC2移动，移动方向与楔状双折射晶体RC1斜边平行，实现光程的改变；氦氖激光器发出的光的传播方向与近红外光源传播的方向反向；所述氦氖激光器发出的光经过带通滤光片进入光电探测器；所述的带通滤波片将其他的光滤除，只让氦氖光通过；每当光电探测器探测到的信号为零时，则通过光电探测器感应氦氖激光强度来触发探测器的信号。

所述的光学芯片采用MEMS(微机电系统)技术制作，以碟状封装芯片安装在电路板卡上，该光路系统没有移动部件，抗震动，抗干扰，并采用LIGA(深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制)加工技术实现光学芯片光学元件制作。

所述光学元件通过X光深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制三个工艺步骤制造成型；X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使用深度同步辐射光刻、电铸制模和注模复制技术能够制造出高宽比达到500μm、厚度大于1500μm、结构侧壁光滑且平行度偏差在亚微米范围内的三维立体结构，从而保证光学元件的高精密度。

本发明通过光纤将光学系统发出的近红外光照射到土壤样品上，并通过探测器采集样品反射光获取样品的吸收谱，从而获取土壤养分信息。

本发明的有益效果是：

1、本发明可批量制作，集微型传感器、微型执行器以及信号处理和控制电路、直至接口、通信和电源等于一体的微型器件或系统；