机械一体化土壤养分自动检测系统及检测方法

1.本发明涉及土壤养分检测技术领域，特别是涉及一种机械一体化土壤养分自动检测系统及检测方法。


背景技术：

2.土壤硝态氮、铵态氮、速效钾和有效磷，直接影响到作物生长发育状况以及最终产量，因此，粮食产量的提高不仅需要保证土壤能够提供充足的有效态氮磷养分，还要防止过多土壤有效态氮磷流失衍生出来的一系列生态环境问题。为了提高肥料的利用效率、减少过度施肥对环境的污染，通过对土壤养分的快速检测以准确获取土壤中养分的信息就显得尤为重要。
3.对于大量的土壤样品测定而言，如果依靠常规实验室的测试方法来完成，则由于其操作过程复杂、劳动强度大而变得十分困难。为了提高土壤养分检测的效率、减少人工成本，迫切需要能够快速精确获取土壤中养分含量的自动化仪器。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于克服现有技术的不足之处，提供了机械一体化土壤养分自动检测系统及检测方法。
5.为实现上述目的，本发明提供的技术方案之一是：一种机械一体化土壤养分自动检测系统，包括土壤自动取样装置、自动倾倒装置、自动粉碎装置、微波辅助提取装置、微流控芯片、数据采集装置、自动清洗装置、上位机和控制器；所述土壤自动取样装置包括取土钻和推动器；所述推动器用于将所述取土钻取好的土壤样本送入所述自动倾倒装置；所述自动倾倒装置包括加热板、转轴和底座；所述加热板通过所述转轴与所述底座转动连接，所述底座上装设有与转轴连接的角度传感器和质量传感器，所述自动倾倒装置用于将送入的土壤样本加热烘干称重后并控制所述加热板的倾倒的角度以使土壤样本送入所述自动粉碎装置；所述自动粉碎装置用于粉碎、研磨和筛取土壤样本并将其通过土样进样管路定量输送至所述微波辅助提取装置；所述微波辅助提取装置包括微波浸提容器、微波谐振腔，所述微波谐振腔包括用于传输电磁波的波导和腔壁，以使电磁波在腔内壁间多次放射、叠加形成驻波场，以强化土壤样本在所述微波浸提容器中土壤试液的浸提；所述微波浸提容器通过一夹管阀和y型三通与蠕动泵连接以切换浸提剂和清洗液注入所述微波浸提容器内；所述微波浸提容器中的土壤试液通过试液进样管路输送至所述微流控芯片；所述微波辅助提取装置还包括缓冲液瓶，所述缓冲液瓶中的缓冲液通过缓冲液进样管路输送至所述微流控芯片；
所述土壤试液和所述缓冲液在所述微流控芯片中混合并通过所述微流控芯片中的检测电极进行检测，得到的土壤养分信息由数据采集装置采集；所述自动清洗装置用于清洗所述土壤自动取样装置、所述自动倾倒装置和所述自动粉碎装置中的土壤废渣，以及通过清洗管路清洗所述试液进样管路、所述缓冲液进样管路和所述微流控芯片；所述土壤自动取样装置、所述自动倾倒装置、所述自动粉碎装置、所述微波辅助提取装置、所述微流控芯片、所述数据采集装置和所述自动清洗装置与所述控制器相连接；所述控制器与所述上位机相连接。
6.优选地，所述土壤自动取样装置还包括电机，所述电机连接所述取土钻；所述自动倾倒装置还包括转动电机，用于控制自动倾倒装置倾倒土壤样本。
7.优选地，所述取土钻设有螺旋式刀头。
8.优选地，所述土样进样管路上还设有质量控制开关，用于定量控制进入微波辅助提取装置中的土壤样本的质量。
9.优选地，所述试液进样管路设有夹管阀、三通和蠕动泵，所述缓冲液进样管路设有另一个夹管阀、另一个三通和另一个蠕动泵；所述清洗管路连通两个所述夹管阀、两个所述三通和两个所述蠕动泵。
10.优选地，所述微流控芯片包括进样通道、缓冲液通道和检测通道；所述进样通道连接所述试液进样管路；所述缓冲液通道连接所述缓冲液进样管路；所述进样通道和所述缓冲液通道汇合至所述检测通道并可呈y字型布局；所述检测通道中设有所述检测电极，所述检测电极包括用于检测土壤试液中亚硝酸根离子、磷酸根离子以及钾离子的工作电极、用于为所述工作电极提供稳定的参考电位的参考电极、以及用于与工作电极组成回路并使所述工作电极上的电流流通的对电极。
11.优选地，所述自动清洗装置包括气泵、喷头、第一清洗液瓶、废渣收集瓶和第一废液瓶；所述气泵与所述喷头通过空气管路连接，用于将所述土壤自动取样装置、所述自动倾倒装置和所述自动粉碎装置中的土壤废渣通过气流吹入所述废渣收集瓶；所述第一清洗液瓶通过所述清洗管路连通所述试液进样管路、所述缓冲液进样管路和所述微流控芯片，所述微流控芯片通过废液管路连通所述第一废液瓶。
12.本发明提供的技术方案之二是：一种利用机械一体化土壤养分自动检测系统的检测方法，所述土壤自动取样装置取样后将土壤样本送入所述自动倾倒装置，所述自动倾倒装置对土壤样本进行加热烘干称重后送入所述自动粉碎装置，所述自动粉碎装置粉碎、研磨和筛取土壤样本并将其通过土样进样管路定量输送至所述微波辅助提取装置，所述微波辅助提取装置将土壤样本浸提后的土壤试液通过所述试液进样管路送入所述微流控芯片，所述微波辅助提取装置还将缓冲液通过所述缓冲液进样管路送入所述微流控芯片，所述微流控芯片中的检测电极对混合的土壤试液和缓冲液进行土壤养分的检测，检测结果由数据采集装置采集；再由所述自动清洗装置对所述土壤自动取样装置、所述自动倾倒装置、所述自动粉碎装置、所述试液进样管路、所述缓冲液进样管路和所述微流控芯片进行清洗；所述控制器与所述土壤自动取样装置、所述自动倾倒装置、所述自动粉碎装置、所述微波辅助提取装置、所述微流控芯片、所述数据采集装置和所述自动清洗装置相连接，起到中枢控制作用；所述上位机与所述控制器
相连接，通过下发命令至所述控制器从而实现检测系统的运行。
13.需要说明的是，本发明所涉及的各个装置单一的处理过程为公知常识，本领域的技术人员根据上述的描述都可以利用上述装置完成这些处理过程。本发明的发明点在将各个装置组合使用，故而这些装置的具体操作步骤不做详细描述。
14.本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：本发明针对农田土壤主要养分信息快速获取这一具有重大应用价值的难题，基于检测电极的土壤养分快速检测的方法，开展可靠、快速、低成本自动检测系统的研究，搭建了面向农田土壤主要养分自动检测平台。
附图说明
15.图1为本发明实施例的机械一体化土壤养分自动检测系统结构图；图2为本发明一优选实施例的微波辅助提取装置结构图。
16.附图标记：1.土壤自动取样装置，11.电机，12.取土钻，13.液压推动器；2.自动倾倒装置，21.加热板，22.质量传感器，23.角度传感器，24.转轴，25.底座；3.自动粉碎装置，31.质量控制开关；4.微波辅助提取装置，41.微波浸提容器，42.夹管阀，43.y型三通，44.蠕动泵，45.微波谐振腔，46.浸提剂瓶，47.第二清洗液瓶，48.第二废液瓶，49.缓冲液瓶；5.微流控芯片，51.进样通道，52.缓冲液通道，53.检测通道；6.数据采集装置；7.自动清洗装置，71.气泵，72.喷头，73.第一清洗液瓶，74.废渣收集瓶，75.第一废液瓶；8.上位机；9.控制器；a.土样进样管路，b.试液进样管路，c.缓冲液进样管路，d.废液管路，e.空气管路，f.清洗管路，g.浸提剂/清洗液进样管道。
具体实施方式
17.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
18.在本发明的描述中，需要理解的是，可能涉及的术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“横”、“竖”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图中的立体图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，可能涉及的术语“第一”、“第二”、“一个”、“另一个”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
19.本实施例提供一种机械一体化土壤养分自动检测系统，如图1所示，包括土壤自动取样装置1、自动倾倒装置2、自动粉碎装置3、微波辅助提取装置4、微流控芯片5、数据采集装置6、自动清洗装置7、上位机8和与上位机8连接的控制器9。
20.土壤自动取样装置1上安装有电机11，该电机11与控制器9连接，控制器9控制电机11工作，电机11带动取土钻12转动取样，取土钻12例如为安装有螺旋式刀头的螺旋取土钻。土壤自动取样装置1上安装有液压推动器13，用于将取土钻12取好的土壤样本推入自动倾倒装置2中，液压推动器13与控制器9连接。
21.自动倾倒装置2上安装有加热板21，用于加热烘干土壤样本，加热板21与控制器9连接；自动倾倒装置2上安装有质量传感器22，用于检测控制烘干完毕后准备倒入自动粉碎装置3中的土壤样本质量，质量传感器22与控制器9连接，具体地，所述自动倾倒装置2包括加热板21、质量传感器22、角度传感器23、转轴24以及底座25，所述质量传感器22、角度传感器23装设在所述底座25上，自动倾倒装置2还连接转动电机（未在附图中示出）以对转轴24的倾斜角度进行操作，而所述角度传感器23与所述转轴24连接，用于控制加热板21倾倒的角度，所述质量传感器22用于检测加热板中土壤样品的质量，其中，所述质量传感器22、角度传感器23以及转动电机（未在附图中示出）分别与控制器9进行连接，以便于统一控制，在烘干后的土壤样本质量检测完毕后，控制自动倾倒装置2倾倒，将需要的土壤样本倒入自动粉碎装置3，或者是将不需要的土壤样本倾倒入废渣收集瓶74。
22.自动粉碎装置3用于粉碎、研磨和筛取土壤样本，通过控制器9连接控制，自动粉碎装置3连接土样进样管路a，土样进样管路a连接微波辅助提取装置4；土样进样管路a安装有质量控制开关31，用于控制进入微波辅助提取装置4中的土壤样本质量，质量控制开关31连接控制器9；质量控制开关31控制适宜质量的土壤样本经土样进样管路a进入微波辅助提取装置4，剩余的土壤样本可排入废渣收集瓶74。
23.微波辅助提取装置4包括微波浸提容器41，用于装盛土壤样本和浸提剂，并通过浸提剂浸提土壤样本得到土壤试液；所述的微波萃取容器使用玻璃材料；所述微波浸提容器41通过控制器9连接控制。微波浸提容器41连接试液进样管路b，试液进样管路b连接微流控芯片5的进样通道51；具体地，试液进样管路b安装有蠕动泵44，微波浸提容器41通过夹管阀42和y型三通43与蠕动泵44连接，蠕动泵44抽取微波浸提容器41中的土壤试液，将其注入微流控芯片5中的进样通道51中。
24.如图2所示，所述微波辅助提取装置4还包括微波谐振腔45、浸提剂瓶46、第二清洗液瓶47、以及第二废液瓶48，其中，所述微波谐振腔45包括波导（图中未示出）和腔壁。所述波导用于传输电磁波，所述腔壁由金属铜材料构成，用于将微波封闭在腔体内部，使电磁波在腔内壁间多次放射，叠加形成驻波场，以强化土壤样本在所述微波浸提容器中土壤试液的浸提。所述腔壁上方设有两个孔，其用于安装浸提剂/清洗液进样管道g和试液进样管路b。所述浸提剂/清洗液进样管道g上安装有夹管阀42、y型三通43、蠕动泵44，通过y型三通43上位于同侧的连通口分别与浸提剂瓶46和第二清洗液瓶47管路连通并汇至浸提剂/清洗液进样管道g，通过浸提剂/清洗液进样管道g上装设的蠕动泵44，用以实现浸提剂与清洗液的切换并注入微波浸提容器41中。所述试液进样管路b则通过蠕动泵44与微流控芯片5连接。此外，所述微波浸提容器41的下方设有一个开孔，其安装有废液管道并与第二废液瓶48相连，以排出微波浸提容器41内的废液。
25.微波辅助提取装置4还包括缓冲液瓶49，缓冲液瓶49内盛装有缓冲液，缓冲液瓶49连接缓冲液进样管路c，缓冲液进样管路c连接微流控芯片5的缓冲液通道52，具体地，缓冲液通道52安装有另一个蠕动泵44，缓冲液瓶49通过另一个夹管阀42和另一个y型三通43与
另一个蠕动泵44连接，另一个蠕动泵44抽取缓冲液瓶49中的缓冲液，将其注入微流控芯片5中的缓冲液通道52中。两个蠕动泵44、两个夹管阀42连接控制器9。
26.微流控芯片5包括进样通道51、缓冲液通道52和检测通道53。进样通道51一端连接试液进样管路b，进样通道51另一端连接检测通道53，缓冲液通道52一端连接缓冲液进样管路c，缓冲液通道52另一端连接检测通道53，即进样通道51和缓冲液通道52汇合至检测通道53；检测通道53安装有检测电极，检测电极连接数据采集装置6，数据采集装置6连接控制器9；具体来说，所述检测电极包括工作电极、参比电极、对电极，各电极的输出端分别与数据采集装置6的输入端连接。所述工作电极为稀土纳米材料修饰的电极，用于检测土壤试液中的亚硝酸根离子、磷酸根离子以及钾离子；所述参比电极采用银-氯化银电极，用于为工作电极提供稳定的参考电位；所述对电极为碳电极，用于与工作电极组成回路，使工作电极上的电流流通。检测通道53还与废液管路d连通，废液管路d连接第一废液瓶75。
27.自动清洗装置7安装有气泵71，用于抽取空气，气泵71与喷头72通过空气管路e连接，喷头72用于清理土壤自动取样装置1、自动倾倒装置2和自动粉碎装置3中剩余的土壤废渣并排入废渣收集瓶74，气泵71与喷头72与控制器9连接。自动清洗装置7还安装有第一清洗液瓶73，第一清洗液瓶73连接清洗管路f，清洗管路f与微流控芯片5的进样通道51和缓冲液通道52相连通，具体地，第一清洗液瓶73通过两个夹管阀42和两个y型三通43与两个蠕动泵44连接，进而分别与试液进样管路b和缓冲液进样管路c连通，即其中之一的夹管阀42、y型三通43以及蠕动泵44的组合，通过夹管阀42、y型三通43来切换试液与清洗液注入试液进样管路b，而另一组合，则是通过夹管阀42、y型三通43来切换缓冲液与清洗液注入缓冲液进样管路c；清洗时两个蠕动泵44分别抽取第一清洗液瓶73中的清洗液，将清洗液注入微流控芯片的进样通道51和缓冲液通道52，对进样通道51、缓冲液通道52和检测通道53进行清洗，并通过废液管路d排放至第一废液瓶75。
28.本实施例现场使用方式如下：上位机8发送指令通过控制器9启动电机11带动取土钻12取样，控制液压推动器13将取好的土壤样本推入自动倾倒装置2，经加热板21加热烘干和质量传感器22检测后，转动电机（未在附图中示出）带动自动倾倒装置2倾倒将土壤样本倒入自动粉碎装置3，自动粉碎装置3粉碎、研磨、筛取后，由质量控制开关31控制适宜质量的土壤样本通过土样进样管路a进入微波辅助提取装置4，在微波浸提容器41中处理得到土壤试液，土壤试液由试液进样管路b进入微流控芯片5的进样通道51，同时缓冲液瓶49中的缓冲液由缓冲液进样管路c进入微流控芯片5的缓冲液通道52，土壤试液与缓冲液在微流控芯片5的检测通道53中混合并由检测电极检测，检测数据由数据采集装置6采集并通过控制器9传送至上位机8。随后启动自动清洗装置7进行清洗。
29.自动清洗装置7工作时，上位机8发送指令通过控制器9控制气泵71和蠕动泵44启动。喷头72对土壤自动取样装置1、自动倾倒装置2和自动粉碎装置3喷气，将土样废渣喷出至废渣收集瓶74。控制器9控制夹管阀42工作，使清洗管路f开启、试液进样管路b和缓冲液进样管路c关闭，通过蠕动泵44对试液进样管路b、缓冲液进样管路c和微流控芯片5进行清洗，清洗后的废液排放至第一废液瓶75。
30.以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。