【摘要】：隨著世界人口數(shù)量的劇增,人類對于農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量的需求也隨之大幅提高,而為了滿足這一要求,化肥及農(nóng)藥使用量急劇增加,已經(jīng)嚴重超過了土壤負荷能力,造成了土壤板結(jié)和肥力下降等很多嚴重的環(huán)境問題。因此精細農(nóng)業(yè)的實施就顯得尤為重要,而精細農(nóng)業(yè)中的一個重要組成部分就是精細施肥。精細施肥的前提是實時準確地獲取土壤中植物生長所須營養(yǎng)物質(zhì)的準確含量,然后在施肥過程中再依據(jù)這些準確數(shù)據(jù)對化肥和農(nóng)藥的施加量進行科學的配比,實現(xiàn)以最小的化學投入量獲得最大的產(chǎn)出效益。而目前對于土壤養(yǎng)分含量的測量方法主要有兩種:一種是目前使用最為廣泛也最準確的化學分析方法,另一種是近年來剛剛發(fā)展起來但并不成熟的近紅外光譜分析法。實驗室化學檢測手段存在著檢測效率低下、成本高、檢測復(fù)雜和操作人為因素影響大等弊端,而近紅外光譜法目前僅停留在實驗室階段,存在著近紅外光譜儀器成本高昂、缺乏專用檢測儀器等缺點,導致近紅外檢測方法無法在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中實現(xiàn)田間在線實時檢測的應(yīng)用。本研究利用近紅外光譜法原理實現(xiàn)土壤養(yǎng)分的田間在線實時準確檢測,并分別針對近紅外檢測土壤養(yǎng)分中的在線檢測儀器設(shè)計、近紅外傳感器研制、光譜數(shù)據(jù)處理方法等幾個關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。研究的主要內(nèi)容如下:1.研究基于近紅外技術(shù)的土壤養(yǎng)分在線實時檢測終端儀器的設(shè)計與實現(xiàn)。在研究過程中針對檢測儀器中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)和部件進行小型化設(shè)計,控制各部件尺寸,分別完成儀器的光路結(jié)構(gòu)、硬件電路和軟件程序的設(shè)計。在光路結(jié)構(gòu)的設(shè)計中,確定了漫反射原理的檢測方式,采用了Czerny-Turner交叉復(fù)折式光路結(jié)構(gòu)和平面閃耀光柵實現(xiàn)光線的色散,以完成從近紅外復(fù)合光到近紅外單色光的轉(zhuǎn)換。然后通過光電轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換,獲取土壤的近紅外光譜數(shù)據(jù),并研究了儀器的測量方法,考核了儀器的性能指標。2.依據(jù)MEMS技術(shù)研制了一種新型PbS/CuPc復(fù)合集成一體的近紅外光敏傳感器。通過在玻璃基片上采用化學鍍膜法制備硫化鉛光電導型感知單元,采用真空蒸發(fā)鍍膜法制備酞菁銅感知單元,實現(xiàn)了在一個玻璃基片上同時制備兩種光敏材料以形成兩種不同原理的光敏傳感器,拓寬了近紅外光譜檢測范圍。通過采用一個復(fù)合集成式傳感器替代原有的多個傳感器組合,簡化了儀器結(jié)構(gòu),解決了在線檢測儀器的小型化難題;同時研究敏感膜和傳感器芯片的制備方法;并分析了傳感器的光敏特性、敏感膜微觀結(jié)構(gòu)表征和環(huán)境溫度影響等關(guān)鍵參數(shù)。3.采用網(wǎng)格采樣法研究了以東北黑土類型的土壤為試樣制備方法,利用化學檢測方法對所采集的試樣中有機質(zhì)和全氮含量進行了測定,建立了土壤樣品的有機質(zhì)和全氮含量的樣品庫。分別研究了窗口平滑法、S-G卷積法、小波分析法等不同方法對黑土類型的土壤光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理效果并進行對比,確定了以小波分析為最佳的黑土類型土壤光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理方法。4.通過采用以小波分析為主體,融合了偏最小二乘、小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和最小二乘-支持向量機三種不同的預(yù)測模型建立方法,分別建立黑土類型土壤有機質(zhì)和全氮含量的預(yù)測模型。并通過模型的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差兩個參數(shù)對比不同建模方法的效果,分別確定了小波分析-最小二乘-支持向量機和小波分析-小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為黑土類型土壤有機質(zhì)和全氮含量的最佳預(yù)測模型建立方法,提高儀器的預(yù)測準確性。研究結(jié)果表明:采用近紅外光譜技術(shù)可以實現(xiàn)對黑土類型土壤中有機質(zhì)和全氮含量的預(yù)測,預(yù)測效果和采用實驗室檢測方法所得到準確值有較大的相關(guān)性,相關(guān)系數(shù)最高分別可以達到98.8%和95.7%,預(yù)測效果良好,完全可實現(xiàn)土壤有機質(zhì)和全氮含量的田間在線測量。
【學位授予單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：S158;TP212
【圖文】：

粒子層吸附反應(yīng)法在硅基片上得到了 PbS 薄的研究。有機光傳感器件研究的深入，有機光伏傳感器機光探測器的典型結(jié)構(gòu)一般選擇透光性好且導透明的聚合物作為陽極材料。陰極材料一般為層夾在陰極和陽極之間。2008 年，Hashimot合物光電探測器。如圖 1-2 所示，量子效率在，能量轉(zhuǎn)化效率為 2.18%。

活性層夾在陰極和陽極之間。2008 年，Hashimoto[51]等的聚合物光電探測器。如圖 1-2 所示，量子效率在 650 40%，能量轉(zhuǎn)化效率為 2.18%。

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