电极法测定土壤硝态氮精度的提高方法

离子选择性电极为土壤硝态氮含量分析提供了一种快速、低成本的技术方案。以提高基于电极法的土壤硝态氮检测精度为目的,探讨了电极信号特点与环境因素对检测精度的影响;从硬件电路和软件测量模型两方面研究减少误差、提高精度的方法;进行了有、无阻抗变换-滤波模块电极电势信号采集的对比实验,并通过软件编程将不同测量模型(线性回归模型与温度校正模型)嵌入到检测仪表,进行了温度变化时土壤硝态氮检测的对比实验。结果表明,设计的硬件抗干扰电路可以使测量仪表准确采集混杂在高频噪声中的离子选择性电极电势信号(误差和波动均小于1 m V),具有良好的准确度和抗干扰能力;当温度变化时,嵌入温度校正模型时仪表测量的相对误差不大于8.20%,与离子色谱法(参考值)进行相关性分析的相关系数R达到0.998 6,可有效减小由温度变化引起的电极测量误差,提高检测精度。     

基于极限学习机的土壤硝态氮预测模型研究

利用极限学习机模型解译高氯离子干扰下盐碱土中硝酸根离子选择电极响应信号,系统分析了漂移校正算法、能斯特及极限学习机模型对电极法硝态氮(NO~-_3-N)预测结果准确性的影响差异。结果表明,漂移校正算法可明显提高传感器标定方程的重复性和一致性,响应斜率及截距电位的波动范围分别缩小了3.67%和7.25%;极限学习机模型的最优隐含层节点数为14;基于极限学习机的电极法NO~-_3-N质量浓度预测模型可较好抑制盐碱土中氯离子干扰,与标准检测结果之间的最大绝对误差和均方根误差分别为6.36 mg/L和4.02 mg/L。相关研究结论可为电极法测土过程中的信号校正、数据处理模型和模型参数选取提供参考。     

基于ISE的湿土硝态氮检测方法研究

分析了含水率对离子选择电极（ISE）湿土硝态氮直测的影响,建立了一种融合土壤含水率的ISE湿土直测方〖JP2〗法。结果表明：未修正含水率影响的ISE湿土直测结果与光学检测方法结果间的绝对偏差范围为3.79~44.81mg/L,〖JP〗均方根误差大于17.00mg/L,无法满足应用需求;湿土质量含水率、浸提液添加量及干土折算量间存在线性函数关系,融合湿土质量含水率的ISE湿土硝态氮直测结果与光学检测方法结果之间具有较好的一致性,与光学检测结果回归方程的调整决定系数为0.97,绝对偏差范围为0.17~17.95mg/L,均方根误差小于7.05mg/L,检测精度和稳定性与实验室ISE干土测定性能相近,比未修正含水率影响前有明显提高。     

基于复合纳米介导固态电极的原位土壤硝态氮检测研究

采用新型纳米复合材料金纳米簇复合石墨烯为固态离子选择电极介导材料,以土壤渗出液为对象开展原位NO-3的影响。结果表明：电极寿命达到65d,响应斜率为44.02mV/dec,对硝酸根选择性较好,对土壤中主要共存阴离子抗干扰性良好;采样探头包埋深度每下降10cm,硝态氮质量浓度增加30~60mg/L;含水率对渗出液硝态氮影响不明显;土壤颗粒粒径大于2.5mm后,硝态氮质量浓度下降约19.5%;原位渗出液电极测定结果与光学法一致性较好,约为标准浸提液检测值5~6倍。     

基于多参数融合的土壤硝态氮检测方法

针对土壤悬液组分复杂以及单输入变量时电极预测精准度有限的问题,以提高离子选择电极预测土壤硝态氮含量精准度为目标,建立基于多参数融合的支持向量机(SVM)土壤硝态氮预测模型。采用灰色关联分析法对影响电极法测定土壤硝态氮的主要干扰因素进行排序,建立以主干扰因素及硝酸根电极检测电势的多参数融合SVM预测模型,并与传统Nernst模型和干扰因素全输入下的SVM模型作对比验证算法可行性。实验结果表明,土壤电导率、温度与Cl -电极检测电势为影响电极预测硝态氮精准度的主要干扰因素;输入参数为硝态氮电极检测电势、土壤电导率、温度与Cl -电极检测电势时,SVM土壤硝态氮预测模型效果最优,与光学法测定结果回归方程的调整决定系数为0.98,平均绝对偏差为3.38 mg/L,均方根误差为4.51 mg/L,基于多参数融合的SVM预测模型可显著提高电极法硝态氮检测精准度。     

土壤硝态氮电极法测定的快速前处理工艺研究

改进土壤样品前处理工艺,探讨利用微波炉、离心机、高速漩涡振荡器替代干燥箱、摇床等传统装置的可行性。单因素试验筛选微波时间、振荡时间、离心速率及离心时间的优选调控水平,进而设计正交试验进行方差分析,确定土样快速前处理优选工艺参数。59个土样检测试验结果表明,在微波时间9 min、振荡时间40 s、离心转速1 000 r/min、离心时间60 s条件下,电极法与光学法检测值之间不存在统计差异,平均相对误差为7.48%,绝对误差的绝对值范围为0.14~22.92 mg/L,均方根误差为7.91 mg/L,快速前处理工艺处理时间小于15 min,可满足土壤硝态氮快速测量准确性及时效性要求。     

离子色谱法测定土壤中的硝态氮

该文建立了采用离子色谱作为检测手段的土壤硝态氮含量测定方法。分析比较了不同的样品处理条件,确立了以0.01molL氯化钙溶液作为提取剂,液样比例1∶5（VW）,20～25℃水浴振荡30min,结合以氢氧化钾溶液为淋洗液,阴离子交换柱分离,电导检测器检测的离子色谱检测手段。该方法的精密度及准确度试验结果显示其适用于大部分类型土壤中硝态氮含量的测定。      

基于ISE的土壤硝态氮多参数检测仪研究

电极法检测土壤硝态氮时,共存氯离子是影响检测精度的重要因素。针对当前检测仪为单一离子离线检测的问题,设计了基于嵌入式开发的ISE土壤硝态氮多参数检测仪。仪器嵌入BP神经网络模型,实现土壤硝态氮的在线实时检测。针对BP算法收敛速度慢、易陷入局部极小值的缺点,采用5种方法进行改进;采用两个校正方法校准检测仪检测结果;采用稳定判断程序提高电势采集的稳定性。开展标准溶液检测试验,验证检测仪检测精度;开展土壤硝态氮检测试验,并将检测结果与传统的一元线性模型结果和光学法检测结果进行对比,验证检测仪排除氯离子干扰的效果及检测土壤硝态氮的准确性。结果表明,检测仪对离子的检测结果与离子计检测结果误差不超过1.0mV,满足精度要求;检测仪对土壤硝态氮含量的检测结果与光学法检测结果的平均相对误差为8.83%,低于一元线性模型与光学法检测结果的平均相对误差12.17%,拟合系数R2均大于0.97。基于ISE的土壤硝态氮多参数检测仪可有效减小氯离子干扰,准确性高,可用于土壤硝态氮的在线检测。     

水培种植营养液控制系统研究

营养液控制系统是实现作物工厂化水培种植的关键难题.通过对水培流程分析,提出了营养液水质循环检测、循环供养的概念与系统构架,同时给出了营养液成分控制的原理与实现方法.实际应用表明,该系统性能稳定,能有效满足作物种植要求.     

水耕栽培营养液循环控制系统的设计与控制性能分析

设计了一套水耕栽培营养液循环利用装置以及综合控制系统(包括营养液循环检测与控制系统).在营养液循环检测与控制系统中,溶氧、温度采用比例控制方式,EC及pH采用PWM控制方式.试验结果表明:营养液溶氧可控制在6mg/L以上,温度可控制在±1℃范围内,pH可控制在±0.4范围内,EC可控制在±0.2mS/cm范围内,完全能保证水耕栽培营养液循环控制的技术要求.     

基于斜率-截距校正算法的番茄营养液ISE监测

利用斜率-截距校正算法(SBC)解决离子选择电极连续在线测量电势漂移问题,结合Nernst线性模型预测无土栽培番茄苗期至果期营养液NO3-N、K+、Ca2+含量变化。结果表明:SBC校正算法可有效减少离子选择电极(ISE)电势漂移,提高线性预测模型重复性,校正后ISE响应斜率漂移范围不超过0.4 m V/decade,截距漂移范围可控制在1 m V以内。SBC校正算法可提高Nernst线性模型预测精度,NO3-N、K+、Ca2+含量预测平均相对误差分别从校正前的43.31%、38.46%、93.83%降至校正后的5.99%、7.44%、27.96%。校正后ISE可实现番茄营养液在线连续监测,反映营养液中目标离子含量变化。番茄花期养分吸收较活跃,NO3-N、K+、Ca2+含量分别下降45.19%、36.46%和27.92%。     

沼液对水培生菜生长、养分及水分利用效率的影响

采用深液流水培法,对生菜在不同沼液替换比例配制有机无机复合营养液条件下的生理生长、产量及其对营养液养分和水分利用效率进行了研究。结果表明沼液对生菜叶面积、产量,养分及水分利用效率的提高有显著的作用,在沼液替换比例为10%、20%、40%的条件下,生菜的叶面积、产量、养分及水分利用效率均随着沼液替换比例的提高而增加。在60%和80%的沼液替换比例条件下,生菜的产量和植株对养分、水分的吸收利用率都有所下降,过高沼液替换营养液比例不利于生菜的生长。在这种复合营养液条件下,生菜对于氮、磷及镁元素的吸收利用率较高,对于钾和钙的需求量较低。     

无糖组织培养营养液系统的设计

无糖组织培养采用以CO2气体为碳源,采用人工光照和营养液提供养分的方法培养组培苗。根据无糖组织培养的特点,设计了一种营养液系统,介绍了系统结构和工作原理,论述了pH值、电导率值、溶存氧和液体温度的控制策略。试验表明,系统结构简单,自动化程度高,控制精度满足无糖组培苗生产的需要。     

异常水培生菜自动分选系统设计与试验

为解决水培生菜包装前分选机械化程度低、分选任务重的问题,结合深度学习方法设计了一种异常水培生菜自动分选系统。该系统由信息感知、信息处理以及分选动作执行3个子系统组成。根据水培生菜异常叶片与正常叶片间差异性进行水培生菜分类,采用从下向上的三摄像头配合拍摄方式进行图像信息感知,并基于语义分割DeepLabV3+深度学习网络实现水培生菜图像信息实时处理,其处理性能为：平均联合交并比达83.26%,像素精度为99.24%,单幅图像处理时间为(193.4±4) ms。为便于实现异常水培生菜分选,基于水培生菜的表型及采收模式,设计了一种托架式异常水培生菜分选执行子系统,并以横向支撑杆角度、纵向支撑杆角度和步进电机转速为试验因素,以分选动作执行子系统的分选成功率为评价指标,设计二次正交旋转组合试验。建立了各因素与指标间回归数学模型,运用Design-Expert软件的多目标优化算法进行参数优化。获得参数最优组合为：横向支撑杆角度146°、纵向支撑角度150°、步进电机转速11 r/min。依据参数最优组合进行性能试验,得到分选动作执行子系统的分选成功率为98%,异常水培生菜自动分选系统的分选成功率为...     

基于马利奥特装置的无土栽培营养液管理控制系统研究

营养液配置及灌溉控制技术已成为无土栽培中的关键技术,然而目前营养液管理控制中存在配置流程繁琐、营养液配比不精准及灌溉策略单一等问题,阻碍了无土栽培技术的大面积推广应用。针对上述问题,设计了一种基于马利奥特装置的营养液管理控制系统,该系统主要由营养液配制系统与营养液灌溉控制系统两部分组成。通过EC（电导率）和pH值传感器实时获取营养液成分,建立配液系统,依据不同作物营养需求自动、快速配置目标营养液。根据不同用户的需求,结合作物栽培区的气象参数和应用环境,制定了3种不同的灌溉策略：参比蒸散灌溉模式、光照辐射灌溉模式、定时灌溉模式。实验表明,该系统可以快速、准确地实现营养液的管理控制,为作物的无土栽培技术的大面积推广应用奠定了基础。     

基于马利奥特装置的无土栽培营养液管理控制系统研究

营养液配置及灌溉控制技术已成为无土栽培中的关键技术,然而目前营养液管理控制中存在配置流程繁琐、营养液配比不精准及灌溉策略单一等问题,阻碍了无土栽培技术的大面积推广应用。针对上述问题,设计了一种基于马利奥特装置的营养液管理控制系统,该系统主要由营养液配制系统与营养液灌溉控制系统两部分组成。通过EC(电导率)和pH值传感器实时获取营养液成分,建立配液系统,依据不同作物营养需求自动、快速配置目标营养液。根据不同用户的需求,结合作物栽培区的气象参数和应用环境,制定了3种不同的灌溉策略：参比蒸散灌溉模式、光照辐射灌溉模式、定时灌溉模式。实验表明,该系统可以快速、准确地实现营养液的管理控制,为作物的无土栽培技术的大面积推广应用奠定了基础。     

混沌-步长加速法在营养液系统中的应用

将步长加速法与混沌优化方法结合,解决了混沌优化方法收敛速度慢和步长加速法只适合于局部寻优的缺陷.为此,介绍了无糖组培营养液循环控制系统的设计和构成,并采用混沌-步长加速法针对无糖组培营养液控制系统的PID控制器参数寻优,以实现营养液的自动调配.仿真结果表明:该优化方法搜索效率高,所得参数较好地满足了系统控制要求.     

皇冠梨糖度可见/近红外光谱在线检测模型传递研究

在水果内部品质检测分级实际生产中往往存在多通道测量,由于仪器不同或加工精度不同而存在多通道间检测模型不具通用性问题,应用多种模型传递方法研究了在线检测条件下两个不同可见/近红外光谱仪间的皇冠梨糖度预测模型传递及预测比较分析。结果表明:从仪器的光谱数据经直接校正算法(DS)和基于平均光谱差值校正的DS算法(MSSC-DS)转换后用于主仪器所建模型的预测结果相对较好,预测均方根误差小于0.5°Brix,可以满足实际生产。但通过模型转换后的预测结果均比利用从仪器数据直接建模的预测结果要差(预测均方根误差为0.381°Brix),因而在实际生产中,需要从成本和分级精度的要求来考虑选择建模的方式。     

温室黄瓜无土栽培营养液氮素管理模型的研究

通过温室无土栽培黄瓜不同定植期不同施氮水平试验,分析了不同定植期黄瓜叶片含氮量随生育期的变化规律,以及叶片含氮量与叶片净光合作用速率和产量的定量关系,确定了不同光温条件下黄瓜叶片适宜含氮量的求算方法,以及盛果期黄瓜叶片含氮量与营养液氮素浓度的关系。在此基础上,建立了温室黄瓜无土栽培营养液氮素管理模型。结果表明,叶片适宜含氮量在开花前随生育期推进而增加,到开花期达到最大,开花后叶片适宜含氮量随生育期推进而逐渐降低,到盛果期达到较为稳定的状态。因此,盛果期的叶片含氮量可以作为温室黄瓜氮素管理指标。黄瓜叶片净光合作用速率和产量随盛果期叶片含氮量升高按负指数规律增加,在相同氮浓度的营养液灌溉条件下,春夏茬黄瓜盛果期的叶片适宜含氮量低于秋冬茬,春夏茬和秋冬茬黄瓜盛果期适宜的叶片含氮量分别为3.3%和3.6%,春夏茬和秋冬茬黄瓜无土栽培营养液适宜的氮素浓度分别为124 mg/L和96 mg/L。