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多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置及方法
【专利摘要】本发明涉及光谱检测【技术领域】，尤其涉及一种用于番茄种植现场检测番茄叶片丙二醛含量的光谱装置和方法。该装置包括有光谱探头、光源，还包括有全方位旋转仪和隔光装置，全方位旋转仪由圆弧悬挂板、圆环轨道板、电驱滚轮、支腿组成，该方法包括：（a）设备准备；（b）光谱白板矫正；（c）叶片光谱的角度自动调整采样；（d）叶片光谱的多点采样；（e）理化值计算。该发明在番茄种植现场架设，可获取活株番茄叶片丙二醛的光谱数据；可全方位多角度地测量番茄叶片；电驱滚轮自动旋转，同时摄像头配合观测监控，检测效率高。
【专利说明】多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置及方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及光谱检测【技术领域】，尤其涉及一种用于番茄种植现场检测番茄叶片丙 二醛含量的光谱装置。

【背景技术】
[0002] 番茄果实含有大量的糖类、蛋白质、氨基酸、维生素及无机盐类等多种营养元素。 所以番茄在我国非常受老百姓欢迎，每年的产量很大。丙二醛（malondialdehyde，MDA)是 番茄叶片在衰老时或逆境条件下发生膜脂过氧化的产物之一，它含量的多少能够反映出作 物受到迫害的强弱，能够代表膜脂过氧化的程度，在番茄叶片衰老和抗性生理研宄中，丙二 醛含量是一个非常重要的指标，测定番茄植株叶片中丙二醛积累量等其他的生理生化指标 对研宄番茄植株生长，监控生长环境变化具有重要意义。传统的测定丙二醛含量的方法为 硫代巴比妥酸（TBA)比色法，该化学方法需要在实验室进行破坏性的实验才能得到结果， 实验过程费时、费力，分析过程有较多的机械性操作，并且一般不适宜对大量样本进行分 析，无法实现番茄叶片生长过程中丙二醛的连续监测，且化学分析需要使用化学试剂，势必 对环境造成污染，兼顾测定数据的准确性、操作便捷及环保无污染的特性，利用光谱学技术 替代常规的化学分析方法已经得到一定程度的应用。
[0003] 如图1所示，因番茄叶片生长形态各异，现场测量对光源投射角度和光谱探头入 射角度要求很高，现有的番茄叶片丙二醛光谱检测的方法大多采用采摘新叶，装袋碎冰保 鲜防止叶片变质以影响丙二醛光谱测量的准确性，对测量丙二醛含量实时性要求高。


【发明内容】

[0004] 针对上述问题，本发明的目的在于提供一种适用于现场检测、测量准确的一种多 角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置和方法。
[0005] 为达上述目的，本发明采用的技术方案为：一种多角度原位光谱检测番茄叶片丙 二醛含量装置，包括有光谱探头、光源，其不同之处在于，还包括有全方位旋转仪和隔光装 置，全方位旋转仪由圆弧悬挂板、圆环轨道板、电驱滚轮、支腿组成，圆弧悬挂板弧形均匀设 置一排安装孔，光源和光谱探头根据投射角度和入射角度分别选择其中一个安装孔连接在 圆弧悬挂板上，圆弧悬挂板两头端装配有电驱滚轮，圆环轨道板上设有开口向上的凹槽，电 驱滚轮嵌入凹槽内沿凹槽轨迹行进，圆环轨道板底面连接有起支撑作用的支腿；检测时番 茄活株处于圆环轨道板中心位置，隔光装置将全方位旋转仪连同被测番茄活株罩入其中。
[0006] 较佳地，所述隔光装置包括有隔光罩、支架，隔光罩由隔光材料制成，顶部开有线 孔，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，线孔处设有密封塞。
[0007] 较佳地，所述圆弧悬挂板上还连接有摄像头。
[0008] 较佳地，所述电驱滚轮由滚轮和步进电机组成，步进电机输出轴与滚轮转轴连接。
[0009] 较佳地，所述支腿与圆环板间设有调节圆环板离地高度的可调螺栓。
[0010] 较佳地，所述圆弧悬挂板呈半圆形，并在侧壁上标有表示悬挂板圆弧角度的刻度 线。
[0011] 较佳地，所述圆弧悬挂板的安装孔个数为18,相邻两孔夹角为10°。
[0012] 较佳地，所述隔光装置还包括有电动萌芦，隔光罩顶部设有吊环，电动萌芦的吊钩 与吊环配合，电动萌芦悬挂在支架上。
[0013] 较佳地，所述支架为三脚支架。
[0014] -种多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛的方法：包括如下步骤： (a) 设备准备：架设支架，起吊隔光罩，架设全方位旋转仪并水平找平，番茄活株处于全 方位旋转仪的圆环轨道板中心位置，将光谱探头和光源分别通过安装孔安装在圆弧悬挂板 上，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，放下隔光罩； (b) 光谱白板矫正：白板与番茄活株叶片高度平齐放置，进行光谱白板矫正； (c) 叶片光谱的角度自动调整采样：电驱滚轮启动，驱动圆弧悬挂板连同光谱探头和光 源转过一定角度，并配合调节圆环轨道板高度，通过摄像头观测监控以保证检测点的光程 一致，入射角和反射角呈90° ;光源向第一个检测点发送检测光，利用光谱探头采集检测点 处的波长为800nm、853nm、1158nm、1520nm、1935nm、2012nm、2012nm、2250nm和 2352 nm所对应番茄叶片的反射率； (d) 叶片光谱的多点采样：采样完成后，重复步骤（c)，完成另外两个检测点的采样； (e) 理化值计算：将所得三个点反射率分别输入控制单元，控制单元依据多元线性回归 方程： Y=15. 336X1+20. 256X2+32. 114X3-26. 458X4+358. 542X5-489. 668X6+256. 334X7+214. 789X8-395. 225X9+32. 15,计算得到番茄叶片的丙二醛含量，式中Y为番茄叶 片中丙二醛含量，X1~X9 分别为波长 800nm、853nm、1158nm、1520nm、1935nm、2012nm、 2012nm、2250nm和2352nm所对应的番茄活株叶片的反射率，三个检测点得到三个丙二醛 含量值，Yl，Y2和Y3,将Yl，Y2和Y3求和取平均为番茄叶片中丙二醛含量Y。
[0015] 本发明的有益效果有： (1)全方位旋转仪在番茄种植现场架设，可获取活株番茄叶片丙二醛的光谱数据，避免 因离体后番茄叶片丙二醛含量数据不准确的问题。
[0016] (2)采用圆弧悬挂板在圆环轨道板水平旋转，并选择不同悬挂角度，可全方位多角 度地测量番茄叶片，可根据不同番茄叶片的自然生长形态，便捷地改变光谱投射角度和入 射角度，获取较佳的测量角度。
[0017] (3)可调螺栓调节圆环板离地高度，能根据不同的作物生长高度，保持光谱探头与 作物距离相对恒定，以获取较优的光谱数据。
[0018] (4)使用隔光材料制成的隔光罩将测试仪器连同被测作物一起罩入，阻挡外界环 境对光谱数据的影响，测量更准确。
[0019] (5)在不起吊隔光装置情况下，电驱滚轮自动驱动圆弧悬挂板在圆环轨道板水平 旋转，同时摄像头配合观测监控以保证检测点的光程一致，解决无电驱滚轮和摄像头必须 多次起吊隔光装置，检测效率低下的问题。
[0020] (6 )整个装置简单实用，成本低廉，易于推广。

【专利附图】

【附图说明】
[0021] 图1为番茄叶片示意图； 图2为本发明实施例中全方位旋转仪结构示意图； 图3为本发明实施例中隔光装置结构示意图； 图4为本发明实施例中实施测量番茄叶片丙二醛含量结果； 图中标记注明：1一摄像头，2 -圆弧悬挂板，3-光谱探头，4一凹槽，5 -圆环轨道板， 6 -电驱滚轮，7-可调螺检，8-支腿，9-光源，10-支架，11-线孔，12-隔光罩，13-电动 萌芦，14一光源连接座，15-摄像头连接座，16-光谱探头连接座，17-番茄活株。

【具体实施方式】
[0022] 为了更好地理解本发明，下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案做进一 步的说明，参见图2、图3和图4 : 按本发明实施的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，主要作用是方便现场 架设，且能适用不同自然生长形态番茄叶片，所以采用全方位旋转仪悬挂光谱探头3和光 源9,以快速地改变光谱投射角度和入射角度，获取较佳的测量角度。隔光装置阻挡外界环 境对光谱数据的影响，测量更准确。
[0023] 全方位旋转仪具体的结构：包括圆弧悬挂板2、圆环轨道板5、电驱滚轮6、支腿8， 圆弧悬挂板2弧形均匀设置一排安装孔，光谱探头3和光源9根据投射角度和入射角度分 别选择其中一个安装孔，分别通过光源连接座14和光谱探头连接座16连接在圆弧悬挂板2 上。为了能快速地找到较好的测量角度，本实施例中安装孔总数为18个，每相邻两孔夹角 为10°。为了记录比对测量结果，在呈半圆形的圆弧悬挂板2侧壁上标有表示悬挂板圆弧 角度的刻度线。圆弧悬挂板2两头端装配有电驱滚轮6,圆环轨道板5为中空环状结构，其 上设有开口向上的凹槽4,电驱滚轮6嵌入凹槽4内沿其轨迹行进，推动圆弧悬挂板2连同 光谱探头3 -同在圆环轨道板5平面转动，同时通过圆弧悬挂板2的安装孔调整光源9和 光谱探头3的入射角和反射角呈90°，达到全方位多角度测量的目的。
[0024] 圆环轨道板5底面连有起支撑作用的支腿8，为了根据不同的作物生长高度，保持 光谱探头3与作物距离相对恒定，以获取较优的光谱数据。本实施例中在支腿8与圆环轨 道板5间设有调节圆环轨道板5离地高度的可调螺栓7。
[0025] 隔光装置阻挡外界环境光，检测时番茄活株17处于圆环轨道板5中心位置，隔光 罩12将全方位旋转仪连同被测番茄活株17罩入其中。所述隔光装置由隔光罩12、支架10 组成，隔光罩12由隔光材料制成，顶部开有线孔11，光谱探头3和光源9的电缆线和数据线 从线孔11穿出，线孔11处设有密封塞。隔光装置还包括有电动萌芦13,隔光罩12顶部设 有吊环，电动萌芦13的吊钩与吊环配合，电动萌芦13悬挂在支架10上。所述支架10为三 脚支架10。隔光罩12罩上后，为了更好地实时了解内部情况，本实施例中在圆弧悬挂板2 上通过摄像头连接座15安装有摄像头1。
[0026] 本发明实施例工作时，检测番茄叶片丙二醛含量的方法，包括如下步骤： (a) 设备准备：架设支架10,起吊隔光罩12,架设全方位旋转仪并水平找平，番茄活株 17处于全方位旋转仪的圆环轨道板中心位置，将光谱探头和光源分别通过安装孔安装在圆 弧悬挂板上，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，放下隔光罩； (b) 光谱白板矫正：白板与番茄活株17叶片高度平齐放置，进行光谱白板矫正； (C)叶片光谱的角度自动调整采样：电驱滚轮6启动，驱动圆弧悬挂板2连同光谱探头 3和光源9转过一定角度，并配合调节圆环轨道板5高度，通过摄像头1观测监控以保证检 测点的光程一致，入射角和反射角呈90° ;光源9向第一个检测点发送检测光，利用光谱探 头 3采集检测点处的波长为800nm、853nm、1158nm、1520nm、1935nm、2012nm、2012nm、 2250nm和2352nm所对应番茄叶片的反射率； (d) 叶片光谱的多点采样：采样完成后，重复步骤（c)，完成另外两个检测点的采样； (e) 理化值计算：将所得三个点反射率分别输入控制单元，控制单元依据多元线性回归 方程： Y=15. 336X1+20. 256X2+32. 114X3-26. 458X4+358. 542X5-489. 668X6+256. 334X7+214. 789X8-395. 225X9+32. 15,计算得到番茄叶片的丙二醛含量，式中Y为番茄叶 片中丙二醛含量，X1~X9 分别为波长 800nm、853nm、1158nm、1520nm、1935nm、2012nm、 2012nm、2250nm和2352nm所对应的番茄活株17叶片的反射率，三个检测点得到三个丙 二醛含量值，Yl，Y2和Y3,将Yl，Y2和Y3求和取平均为番茄叶片中丙二醛含量Y。
[0027] 从微观上说，组成番茄叶片的分子的活动状态受到检测光的能量激发，产生不同 的能级跃迀，吸收和释放能量，形成与分子对应的的反射光谱和吸收光谱。不同的化学键， 如O-H、N-H、C-H等，化学键的转动以及伸缩振动，在能级间的跃迀会吸收特定波长的光，并 激发产生特征峰，依据特征峰的强度以及波数可以判断物质的组成。
[0028] 所用波长与番茄叶片的丙二醛及相关化学成分中的N-H、C-N、N-H等化学键的振 动信息相关，这些信息能够反映梨番茄叶片中丙二醛含量的多少。例如800nm反映了番茄 叶片丙二醛的胺基信息，853nm反映了番茄叶片丙二醛的芳烃信息，1158nm反映了番茄叶 片丙二醛的次甲基信息，1520nm反映了番茄叶片丙二醛的甲基信息，1935nm反映了番茄 叶片丙二醛的伯酰胺信息，2012nm反映了番茄叶片丙二醛的肿酰胺信息，2012nm反映了 番茄叶片丙二醛的肿酰胺信息，2250nm和2352nm反映了番茄叶片丙二醛的基团CH3、CH2 和CH信息。应用多元线性回归算法对上述特征波长进行建模分析，建立番茄叶片的丙二醛 含量与特征波长的线性方程。
[0029] 本发明所选定的特征波长仅针对番茄叶片的丙二醛含量的快速检测，如果需要测 量其他指标，需要重新选定特定波长，通过多元线性回归，建立模型，计算得到相应的指标 值。
[0030] 利用本发明提供的方法建立模型的相关指标见表1，其中，建模集表示建立模型 时，利用番茄叶片的反射率以及现有方法测试得到的番茄叶片丙二醛含量拟合得到模型方 程，预测集表示，预测时，即建立完模型后，依据模型方程，将番茄叶片光谱的特征波长反射 率代入模型方程计算得到的番茄叶片丙二醛含量。
[0031] 表 1

【权利要求】
1. 一种多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，包括有光谱探头、光源，其特 征在于，还包括有全方位旋转仪和隔光装置，全方位旋转仪由圆弧悬挂板、圆环轨道板、电 驱滚轮、支腿组成，圆弧悬挂板弧形均匀设置一排安装孔，光源和光谱探头根据投射角度和 入射角度分别选择其中一个安装孔连接在圆弧悬挂板上，圆弧悬挂板两头端装配有电驱滚 轮，圆环轨道板上设有开口向上的凹槽，电驱滚轮嵌入凹槽内沿凹槽轨迹行进，圆环轨道板 底面连接有起支撑作用的支腿；检测时番茄活株处于圆环轨道板中心位置，隔光装置将全 方位旋转仪连同被测番茄活株罩入其中。
2. 根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述隔光装置包括有隔光罩、支架，隔光罩由隔光材料制成，顶部开有线孔，光谱探头和 光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，线孔处设有密封塞。
3. 根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述圆弧悬挂板上还连接有摄像头。
4. 根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述电驱滚轮由滚轮和步进电机组成，步进电机输出轴与滚轮转轴连接。
5. 根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述支腿与圆环板间设有调节圆环板离地高度的可调螺栓。
6. 根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述圆弧悬挂板呈半圆形，并在侧壁上标有表示悬挂板圆弧角度的刻度线。
7. 根据权利要求1所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述圆弧悬挂板的安装孔个数为18,相邻两孔夹角为10°。
8. 根据权利要求2所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述隔光装置还包括有电动萌芦，隔光罩顶部设有吊环，电动萌芦的吊钩与吊环配合， 电动萌芦悬挂在支架上。
9. 根据权利要求2所述的多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量装置，其特征在 于：所述支架为三脚支架。
10. -种多角度原位光谱检测番茄叶片丙二醛含量的方法，其特征在于：包括如下步 骤： (a) 设备准备：架设支架，起吊隔光罩，架设全方位旋转仪并水平找平，番茄活株处于全 方位旋转仪的圆环轨道板中心位置，将光谱探头和光源分别通过安装孔安装在圆弧悬挂板 上，光谱探头和光源的电缆线和光纤线从线孔穿出，放下隔光罩； (b) 光谱白板矫正：白板与番茄活株叶片高度平齐放置，进行光谱白板矫正； (c) 叶片光谱的角度自动调整采样：电驱滚轮启动，驱动圆弧悬挂板连同光谱探头和光 源转过一定角度，并配合调节圆环轨道板高度，通过摄像头观测监控以保证检测点的光程 一致，入射角和反射角呈90° ;光源向第一个检测点发送检测光，利用光谱探头采集检测点 处的波长为800 nm、853 nm、1158 nm、1520 nm、1935 nm、2012 nm、2012 nm、2250 nm和 2352 nm所对应番茄叶片的反射率； (d) 叶片光谱的多点采样：采样完成后，重复步骤（c)，完成另外两个检测点的采样； (e) 理化值计算：将所得三个点反射率分别输入控制单元，控制单元依据多元线性回归 方程： Y=15. 336X1+20. 256X2+32. 114X3-26. 458X4+358. 542X5-489. 668X6+256. 334 X7+214. 789X8-395. 225X9+32. 15,计算得到番茄叶片的丙二醛含量，式中Y为番茄叶 片中丙二醛含量，X1~X9 分别为波长 800 nm、853 nm、1158 nm、1520 nm、1935 nm、2012 nm、 2012 nm、2250 nm和2352 nm所对应的番茄活株叶片的反射率，三个检测点得到三个丙二醛 含量值，Yl，Y2和Y3,将Yl，Y2和Y3求和取平均为番茄叶片中丙二醛含量Y。
【文档编号】G01N21/31GK104458596SQ201410794938
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月21日 优先权日:2014年12月21日
【发明者】章海亮, 刘雪梅 申请人:华东交通大学, 章海亮, 刘雪梅