一种基于人工嗅觉的土壤养分快速检测装置的制作方法

本发明属于检测仪器设备，具体涉及一种基于人工嗅觉的土壤养分快速检测装置。

背景技术：

土壤养分的快速检测在测土配方施肥中具有重要作用。测土配方施肥的基础就是土壤养分空间变异分布图，而土壤养分的快速、实时检测一直是现代农业的技术瓶颈，使得测土配方施肥技术的推广受到严重的制约。传统的土壤养分检测采用的是实验室化学分析法，存在样品采集困难、分析时效差、检测费用高等问题。

在迅速发展的电化学、电磁技术、激光技术、光谱技术的支撑下，越来越多的新技术被应用于土壤养分现场实时检测，并取得了良好的预测效果。例如离子选择电极电化学传感器方法、土壤电导率间接测定法、光谱快速检测方法等。目前存在的最大问题是：如何消除土壤含水率、质地和粒度等因素对土壤养分检测的影响。

气味是物质的重要特性之一，能够代表物质的本质。物质所产生的气味就是对外界传播其本质特征的信息，物质的气味最能代表物质的本质。有经验的土壤学家经常利用土壤的气味判定土质的优劣。目前气味检测方法主要有传统方法、生物嗅觉方法以及人工嗅觉方法三种。传统方法，比如色谱分析法等，很难区分气味整体所包含的类别与含量；生物嗅觉方法具有优越的检测性能，但不适应于危险气体的检测，且容易受主观情绪的影响；人工嗅觉方法，比如电子鼻等，通过模仿生物嗅觉系统进行设计，不但拥有生物嗅觉检测优势，而且不受主观差异影响。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了解决现有土壤养分检测技术的不足，提供一种基于人工嗅觉的土壤养分快速检测装置，以达到对土壤养分的快速、实时、精确测量、为测土配方施肥的实施提供技术支持的目的。

本发明创造的目的是这样实现的：在由多个半圆管依次串接构成的密闭检气腔体管道的首、尾端部上分别连通安装l型进气接管和l型排气接管，气源选择阀通过干燥管与l型进气接管连通，直型接头与漏斗型接头分别与气源选择阀的两个进气口一一对应连通，l型排气接管与吸气泵连通，在l型进气接管和l型排气接管与密闭检气腔体管道的连接接口处、及密闭检气腔体管道上的相邻半圆管连接接口处均分别可转动控制的呈直立或横立状态的安装气膜圆环，在密闭检气腔体管道的每个半圆管内壁面和外壁面上分别配置安装气体传感器阵列和温度调制模块，所述温度调制模块分别与气体传感器阵列和信号调理电路连接，气体传感器阵列与信号调理电路连接，所述信号调理电路、气源选择阀、吸气泵分别与嵌入式处理模块连接，至此构成一种基于人工嗅觉的土壤养分快速检测装置。

本发明以人工嗅觉机理为理论基础，利用金属氧化物薄膜在不同温度下对混合气体的选择性吸附特性，实现土壤气味成分检测，并通过传感器阵列式设计一次性完成多次采样操作，实现了土壤养分的快速、实时测量。本发明装置克服了土壤含水率、土壤粒度等对检测精度的影响，为测土配方施肥的实施提供技术支持。

附图说明

图1是一种基于人工嗅觉的土壤养分快速检测装置总体结构示意图；

图2是气体传感器阵列结构示意图；

图3是气体传感器阵列中的气体传感器结构示意图；

图4是气体传感器输出信号调理过程结构示意图；

图5是一种基于人工嗅觉的土壤养分快速检测装置工作流程图

图6是气膜圆环结构示意图；

图7是气体传感器对气味脉冲的动态响应曲线图。

图中件号说明：

1、直型接头、2、漏斗型接头、3、气源选择阀、4、干燥管、5、l型进气接管、6、气膜圆环、7、密闭检气腔体管道、8、气体传感器阵列、9、温度调制模块、10、l型排气接管、11、吸气泵、12、信号调理电路、13、嵌入式处理模块、14、陶瓷管、15、输出电极、16、金属氧化物薄膜、17、电热丝、18、气体传感器、19、安装孔、20、弧形基底板、21、电热丝组、22、电桥电路、23、测量放大电路、24、采样保持电路、25、模数转换电路、26、dsp处理器、27、显示器、28、存储器、29、按键单元、30、通信接口、31、金属圆环、32、透气膜/半透膜、33、安装圆孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明创造实施方案进行详细描述。一种基于人工嗅觉的土壤养分快速检测装置，在由多个半圆管依次串接构成的密闭检气腔体管道7的首、尾端部上分别连通安装l型进气接管5和l型排气接管10，气源选择阀3通过干燥管4与l型进气接管5连通，直型接头1与漏斗型接头2分别与气源选择阀3的两个进气口一一对应连通，l型排气接管10与吸气泵11连通，在l型进气接管5和l型排气接管10与密闭检气腔体管道7的连接接口处、及密闭检气腔体管道7上的相邻半圆管连接接口处均分别可转动控制的呈直立或横立状态的安装气膜圆环6，在密闭检气腔体管道7的每个半圆管内壁面和外壁面上分别配置安装气体传感器阵列8和温度调制模块9，所述温度调制模块9分别与气体传感器阵列8和信号调理电路12连接，气体传感器阵列8与信号调理电路12连接，所述信号调理电路12、气源选择阀3、吸气泵11分别与嵌入式处理模块13连接。所述气体传感器阵列8的结构是：在弧形基底板20上依次设置多个安装孔19，多个气体传感器18依次通过多个安装孔19固装在弧形基底板20上；所述气体传感器18由陶瓷管14、金属氧化物薄膜16、电热丝17及输出电极15构成，所述金属氧化物薄膜16均布包容覆盖在陶瓷管14外表面上，电热丝17穿过陶瓷管14管心配装，两根输出电极15分别连接在陶瓷管14两端部上，多个电热丝17依次串接构成气体传感器阵列8的电热丝组21。所述信号调理电路12包括依次相互连接的电桥电路22、测量放大电路23、采样保持电路24和模数转换电路25，所述气体传感器阵列8的气体传感器18的输出电极15与电桥电路22连接。所述嵌入式处理模块13包括dsp处理器26、显示器27、存储器28、按键单元29和通信接口30，所述dsp处理器26分别与吸气泵11、显示器27、存储器28、按键单元29、通信接口30及气源选择阀3、信号调理电路12连接；所述dsp处理器26内设置数字信号处理程序和气体分析识别算法；按键单元29为人机交互接口，包括启动按钮、检气按钮、洗气按钮和关机按钮。所述气膜圆环6由透气膜/半透膜32与金属圆环31装配构成，所述透气膜/半透膜32固装在金属圆环31内部，在所述金属圆环31外沿部上均布设置两个安装圆孔33，所述两个安装圆孔33与密闭检气腔体管道7内壁面安装配合。

本发明装置的工作流程为：

(1)预热操作：按下按键单元29的启动按钮，dsp处理器26根据不同检测区内对检测温度的需要，可输出多种预设的温度调制信号作用于温度调制模块9，温度调制模块9迅速加热电热丝组21，使之达到预设工作温度。

(2)洗气操作：按下按键单元29的洗气按钮，气源选择阀3与直型接头1连通，dsp处理器26自动调节气膜圆环6使之处于横立状态，dsp处理器26同时输出调制信号使吸气泵11的吸气速度处于快速状态；在吸气泵11作用下，空气依次快速流过直型接头1、气源选择阀3、干燥管4、进气接管5、密闭检气腔体管道7和l型排气接管10；洗气时间可根据密闭检气腔体管道7的腔体长度设定，一般地，如果密闭检气腔体管道7的检测区数量小于10，则洗气时间可以控制在30s左右；洗气不仅能够将密闭检气腔体管道7中残留的待测气体消除，还可以为基线值的采集做准备。

(3)基线值采集：气体传感器18在使用过程中不可避免地会产生漂移现象，为了提高测量准确率，每次对待测气体检测前需要测量气体传感器18的基线值zij(0)，以实现漂移补偿；基线值zij(0)经信号调理电路12后可产生对应的矫正值xij(0)。

(4)检气操作：按下按键单元29的检气按钮，气源选择阀3与漏斗型接头2连通，dsp处理器26自动调节气膜圆环6使之处于直立状态，同时使吸气泵11处于低速工作状态；在吸气泵11作用下，待测气体逐渐向各个检测区扩散，在流经气膜圆环6时，受透气膜/半透膜32的影响，待测气体中不同的气味分子在腔体内的扩散速度不同，致使它们在腔体内不同检气区存在组分和浓度差异；这些存在组分和浓度差异的气味分子与检测区内的气体传感器18接触后，可使气体传感器18输出电阻信号zij(t)，电阻信号zij(t)经信号调理电路12后产生数字信号xij(t)。

(5)信号预处理：dsp处理器26内集成了数字信号预处理程序可对采集到的数字信号进行滤波、基线矫正、特征选择与特征提取操作。

数字滤波处理采用的是均值滤波法，即对于各个检测区内的每一个采样点，用其邻域内的平均值代替该采样点；数字滤波处理可以削弱空气噪声和硬件本身干扰的影响，提高信噪比。

基线矫正采用差分法：

yij(t)＝(xij(t)+δa)-(xij(0)+δa)＝xij(t)-xij(0)

式中，yij(t)为经基线矫正后的数据值，δa为加性噪声或漂移；由此可看出，加性噪声或漂移在相减过程中被消除。

特征选择：对预处理后的数据yij(t)采用取最大值、最小值、积分值和平均微分值作为数据集特征。

特征提取：对特征选择后产生的数据集特征采用主成分分析法进行降维处理，得到综合特征。

(6)分类识别：dsp处理器内部集成了分类识别算法，该算法采用bp神经网络建立土壤气味分类识别模型，能够将步骤(5)所得到的综合特征作为模型输入，然后根据降维后的可视化结果以及样本组分/浓度的等级划分，得到待测土壤气味的组分和浓度信息，最后将获得的组分和浓度信息作为模型输出。