1 问题的提出
便携式土壤养分速测仪是从农业测土配方施肥的生产实践的需要出发而提出的。长期以来农业测土施肥依赖于常规仪器分析,从田间取回的土样烘干后再拿到实验室进行测定,这种方式存在许多缺点,如测土耗时长、设备投资大、不便携带、操作复杂、所依赖的辅助设备多和测试费用高等,不适合农村田间测土,严重地制约了科学合理施肥在基层农村实施。为此急需研制适合于我国生产实际的土壤养分速测仪。根据速测土壤的需要,便携式速测土壤测试仪应能在线完成对土壤养分、水分[11]、pH值、温度等多参数的测量,有条件的应内嵌入指导施肥系统,使用户完成测土后直接将数据应用于指导施肥;仪器应采用LCD汉字显示测量步骤,避免LED显示在阳光下看不清楚的缺点;支持微型打印机打印测试结果;支持交流电和电池两种供电方式,适于田间操作。
2 便携式土壤速测仪技术状况
根据测试方法不同国内外土壤速测仪可划分为五种:1)由比色盒组成的土壤养分速测箱,通过目示比色定性分析土壤养分状况,如AccuGrow公司的速测箱等;2)基于离子选择电极和场效应管设计的电子土壤测试仪,如国内的中国科学院南京土壤所研制的敏感电极土壤养分速测仪、美国S.J. Birrell, J.W. Hummel, T.R Peck and R.G. Hoeft①研制的基于场效应管敏感膜而研制的速测土壤养分测试方法以及Lamotte公司研制开发的电子土壤速测仪等;3)基于分光和滤光的光电比色仪定量精确测试的有河南农大机电技术开发中心的YN系列产品和HACH公司研制的系列产品如DR/800等;4)采用反射计试纸交换法测量土壤养分,如当定性半定量分析结果不能满足测量要求或测量点频繁变化时而采用的Reflectoquant系统,该系统在土壤养分交换到试纸上后几秒钟内可以实现可靠和精确的测量;5)美国SpectrumTechnology公司研制开发的基于光学物理方法测量植株中叶绿素含量间接测量氮的含量,如SPAD 502叶绿素测试仪。许多研究表明,SPAD的测量值与叶子的N的含量有很高的相关性。由于采用先进的光学技术,仪器性能稳定、精确度高和操作简便。
基于比色盒的定性土壤分析装置开发最早,河南农业大学早在70年代就已经开发研制成功。LaMotte速测箱使用的药剂是粉剂而非液体,保存期大大延长。这种定性分析一般用于花草、果木、园林和温室大棚。电子土壤养分速测仪中使用的敏感电极极不稳定[13],若保存不当性能很容易发生变化,采用场效应管敏感膜而研制的速测土壤养分测试仪尽管传感器性能稳定保存期长但目前还处于研发阶段。用于土壤精确测定最通常的方法还是基于光电比色仪的化学分析法,其关键技术是解决便携性和农村测土脱离常规实验室的问题,这也是我们的首选方案。从长期发展的眼光来看,随着测试技术的发展物理测试方法将逐步取代化学分析方法,比如Spectrum公司研制的叶绿素测氮仪就很有发展前景,若与GPS系统相结合前景更加广阔[12]。
3 技术路线
作者认为土壤养分速测仪与一般测试仪器不同,因为测土的速度不仅在于仪器的速度,而且在于前处理的速度;测土的成本不仅在于仪器的价格,而且在于测土全周期的耗用工时。因此我们把速测仪不仅看作是一种专用光电比色仪,而且看作低成本
速测技术的载体,看作载有成套速测技术的测土装备。只有这样才能使研制的速测仪在农村基层真正用起来,我们的技术路线如图1所示。
4 YN型土壤养分速测仪设计技术
在充分了解国内外相关技术发展的情况下,我们采用了技术成熟的光电比色原理研制土壤养分速测仪,力求解决好如下一些关键技术:低成本、单色光的生成、光源选择、电源供应、比色槽的设计和避光、土样水分的测定、仪器的体积和便携性、推荐施肥方案和药剂配套等。仪器设计的总体框图如图2所示。
4.1 硬件设计
采用微处理器技术尤其是内含A/D的具有Flash EPROM的单片计算机,其性能优越,价格较低,可方便实现显示器和键盘的接口。系统主要检测光电信号,而这一光电信号是一个慢速变化信号,对采样速率要求不高,因此可以选择A/D 7135作模数转换器[4],选用128×64的LCD液晶显示器,可实现四行每行8个字符一屏共32个字符的显示,另根据设计要求选择键盘按键的数量。除此之外还有构成基本微处理系统所必须的地址译码、时钟与复位电路等。根据功能需要,系统中还设置有其它功能模块,可通过RS-232串行接口与微机通信,把测量数据送入上位机以便农业管理部门为本地区的土壤管理建立数据库。要求存储器模块里包括一定容量的存储器来存放液晶显示数据、打印数据以及测量过程中的测量数据、运算数据、控制程序,参数数据,汉字库,对数和反对数表,以及推荐施肥专家系统等[6]。
4.2 光 源
仪器的光源可用普通聚光白炽灯、卤素灯、发光二极管和激光管等几种,通常情况下卤素灯性能稳定,寿命长,但是光功率强,发热量大,使用时应考虑散热,否则效果不够理想。发光二极管和激光也可考虑,如果有相应的单色性比较好的发光器件我认为应是首选方案。普通聚光白炽灯如果在聚光和可调整方面设计得比较好完全可以达到理想的效果,比如光功率调整技术就能很好地解决光源的稳定性问题,如图3所示的光功率调整方案。用MOSFET来控制光强,让CPU控制调节数字电位计1,改变VGS,把流过灯的电流稳定在某一强度。
4.3 光电传感器选择
光电传感器有光压、光电流和光导等几种,根据土壤养分浓度测试朗伯比尔原理,透过溶液的光强可用光电流来反映,因此可选择光电流传感器。在光电信号处理上通常有两种方法,一种是选择光电流传感器,然后通过电流电压变换器来获得电压信号并送给CPU进行处理,另一种方法是选择内部已经集成了运算放大器的光电压传感器如Ti仪器公司就专门生产此种传感器,这种传感器是随着微电子技术的发展而发展起来的,它具有价格低,性能好,集成度高,互换性好优点,在光电仪器设计中应用较多。
4.4 单色光的产生
如果选择的光源是单色性好的LED管和LASER管,此部分内容可不考虑。不同的离子对光的吸收性是不一样的,根据土壤养分测试机理,土壤的N,P,K和有机质分别具有相应的最大吸收波长,比如土壤中的P2O5对650nm的波长具有最大吸收性等,因此应使仪器具有不同波长产生的功能,当然土壤养分测试仪所分析的养分种类是有限的,通常只用到少数几个波长。在进行单色光生成器设计时可有两种方案:一种是采用光栅或棱镜分光方法生成单色光,一种是采用单色滤光片生成单色光方案。考虑仪器专用性和价格低的要求,后一种方案是经济的。
4.5 推荐施肥专家系统[1]
推荐施肥系统是土壤养分测试仪得以发挥效率的关键,在我们承担的科技部项目《便携式土壤成分快速分析仪研制开发》项目的可行性论证中,专家抱着前沿性和战略眼光,提出了与养分测试仪配套的测土推荐施肥系统研制要求。推荐施肥的专家系统在微处理单片计算机中实现技术难度很大。
4.6 水分测量
土样水分的测定在基层测土配方施肥中意义重大,只有实现了土壤水分速测才能实现新鲜土的养分测定,从而提高土壤养分的分析时间。土壤是干土、水分和空气三者组成的混合物[7]。由于水的介电常数比干土的介电常数高出一个数量级[10](水的介电常数是80,干土的介电常数约为2.7),所以土壤含水量发生变化时,其等效介电常数会有较大的变化,从而引起电容传感器的电容量变化[9]。根据这一原理设计的电容传感器,可以将土壤的含水量的变化转换成电容量变化并最终转换成电压信号,通过标定即可得到实测土样含水量值(ΔU~δ)[8]。
除了上述几个与土壤养分速测仪有关的几个关键技术外,还有电源的设计和测试用药剂的配套性及小型配套辅助装置是最终实现全土壤参数速测的关键,在设计时必须予以考虑。
5 仪器精度
仪器设计完成了土壤养分、pH值、水分、温度、打印、快捷性和便携性等使用指标要求,满足了测土施肥技术推广的国家相应规范和国家相关标准。如表1所示仪器的稳定性、重复性、线性误差和灵敏度技术指标[3]。
6 速测土壤分析技术
速测分析技术是决定土壤养分速测仪应用于基层和提高测试精度的关键,它决定了仪器是否具有生命力,表2列出几种主要土壤养分速测技术。
7 便携式土壤养分速测仪测土综合误差
速测仪主要几种测试项目综合测土误差[5]如表3所示:
8 结 语
便携式土壤养分速测仪应满足农村生产实际的需要,注重便携式、低成本和高稳定性。依托国家科技部项目资助开发的YN型土壤养分速测仪采用了光源恒功率技术和光强自动调整技术,使光强按照不同波长自动调整到最佳状态并稳定不变,使仪器的稳定性几乎超过国家检定规程一个数量级;采用了吸光度线性自动修正技术,对由于光的非单色性带来的误差进行自动校正,使滤光式光电比色计的测试线性度达到分光光度计线性效果;仪器的线性误差比国家检定规程小1~1.5倍;在速测仪上首次采用仪载施肥咨询系统,与同类仪器相比具有最高的智能化水平;实现光电比色、pH测定、水分测定、温度显示与校正结合一体,一仪多用,适于农村基层单位使用。
参考文献
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[2]于天仁,王振权,主编.土壤分析化学.北京:科学出版社1988
[3]国家技术监督局计量司量传处.国家计量检定规程汇编(化学).北京:中国计量出版社,1991
[4]杜廷发.现代仪器分析.长沙:国防科技大学出版社. 1994
[5]董振亚,郑世清,译.土壤诊断法.天津:天津科学技术出版社.1987
[6]陈伦寿,李仁岗,主编.农田施肥原理与实践.北京:农业出版社. 1989
[7] E.C.克里切夫斯基.水分检测原理与装置,李福彬译北京:中国计量出版社,1986
[8]隋吉东.用低频电磁波速测土壤水分的研究,农业机械学报,1998 (1) 42~46
[9]刘振忠.土壤水分测定的数学模型的研究,黑龙江八一农垦大学学报,1997(3) 20~25
[10]滕召胜.新型粮食水分快速测定仪研究,湖南大学学报,1999(1) 90~94
[11]陶士珩.土壤含水率测定的误差分析及控制,干旱地区农业研究,1997(2) 84~88
[12]何立民.单片机应用文集,北京:北京航空航天大学出版社,1991
[13]袁希光.传感器技术手册,北京:国防工业出版社,1986
本文作者：胡建东 段铁城
