用于原位土壤分析的装置和方法

本发明涉及土壤分析领域，具体地是但不限于用于农业或园艺目的的土壤的技术分析。具体地，本发明涉及一种用于原位土壤分析的传感器装置、用于原位土壤分析的方法和被布置成执行所述土壤分析方法的装置，由此，此装置与所述传感器装置中的一个或多个传感器装置一起并且合作构成用于原位土壤分析的系统。

在土壤分析领域，当前主要使用基于实验室的分析方法，所述分析方法基于以下：从待分析的土壤中采集一个或多个样品，将所述一个或多个样品运送到适合的实验室进行处理和分析。此后，准备对应的分析报告并且发送给接收者或客户。通常，从采集样品到通知分析结果之间至少要花几天时间，但大多数情况下要花几周时间，特别是在需求旺盛的时间期间，如例如春季(对于中欧)。在用于土壤分析的典型标准实验室中，可以借助于基于标准化实验室的分析方法测定水含量、微量和常量养分含量、电导率、土壤类型、pH值以及可用的氮、磷和碳的总量或浓度。针对农场主的典型土壤样品包含例如土壤类型、氮、磷、钾、镁、硼、铜、锌、锰和铁含量的参数以及土壤的pH值和其对关于石灰要求的可能说明。尽管在此类实验室分析中使用的方法非常准确，但是其不能“原位”使用，即无法在没有事先取样且现场取样的情况下在待分析的土壤上(例如在用于农业或园艺用途的区域上)使用，因为出于此目的所需的技术设备是不可移动的或因为所述分析要求只有在实验室中才能实现的标准化环境条件。

作为实验室中土壤分析的替代方案，如今已经有一些土壤原位或半原位分析方法可用。然而，可用的分析范围仅限于根据土壤样品分析水含量、pH值、电导率和土壤类型。然而，其它参数如具体地涉及钾、镁、铜、锰、锌、溴、铁、有效磷、腐殖质含量以及总氮含量和总碳含量的与农场主和园艺家高度相关的参数目前还不能进行原位分析。另外，迄今为止，尚无已知的原位分析方法能够靠其自己以可靠的方式记录测量结果或分析结果，从法律角度来看，许多国家可能需要以此作为验证法律法规(如法定肥料法规等)的基础。

在此背景下，本发明的目的是提供用于原位土壤分析的改进的装置和方法。具体地，本发明的目的是提供用于原位土壤分析的装置和方法，与迄今为止已知的解决方案相比，所述装备和方法使得分析另外的土壤性质和/或实现改进的分析结果质量成为可能。

根据独立权利要求的教导来实现此目的的解决方案。本发明的各个实施例和进一步的发展是从属权利要求的主题。

本发明的第一方面涉及一种用于原位土壤分析的传感器装置。

所述传感器装置包括传感器组合件，所述传感器组合件具有一个或多个传感器，所述一个或多个传感器被单独地或累积地配置成同时原位测量待分析土壤的以下土壤性质中的至少两种、优选地至少三种或所有土壤性质并且提供对应的相应测量数据：(a)阻抗谱；(b)温度；(c)在从NIR(近红外光谱范围)到UV(紫外光谱范围)的光谱范围内的吸收光谱NIR-VIS-UV；以及(d)酸性或碱性特性，具体地是pH值。相对于其相应的被测换能器限定的所述传感器组合件的每两个传感器之间的距离值不超过10cm，优选地5cm并且特别优选地3cm。

在本发明的意义上，表述“原位土壤分析”旨在被理解为意指对土壤，具体地是对用于农业或园艺目的的区域中的土壤进行的分析，其中在现场在土壤本身执行对期望土壤性质的测量，而无需从土壤中取样。具体地，执行原位土壤分析的方式可以为使得将对应的传感器装置至少部分地布置在待分析土壤上或上方或引入到其中，使得传感器装置的感测组件可以测量土壤的相关性质，由此使土壤位置至少基本上保持不变。出于除仅仅获取测量数据以外的进一步的土壤分析的目的，还可以“原位”(即在测量位置处，但这并非是强制性的)执行对已经借助于一个或多个原位测量而产生的测量数据的评估。与此相反，土壤分析基于以下事实：首先从待分析土壤中取样，然后在相同或不同位置处对其进行测量，并且如果适用的话，则进一步的分析不是本发明意义上的原位土壤分析。

表述若干种土壤性质的“同时”原位测量旨在被理解为意指其中用于测量所述待测量土壤性质中的至少两种土壤性质的测量时段至少部分地重叠的“原位”测量过程。因此，具体地，事实上精确地同时发生的若干种土壤性质的测量在本发明的意义上也是同时测量，如其中例如用于测量第一土壤性质的第一测量时段与用于第二土壤性质的第二测量时段并不精确地一致，但存在其中同时测量两种性质的至少一个时间间隔的测量。在此上下文中，将用于土壤性质的测量时段定义为以下时间段：在所述时间段期间，对应的感测组件是有源的以对土壤性质本身或用于间接确定所述土壤性质的量执行相应测量。

在本发明的意义上，表述“阻抗谱”旨在被理解为意指表示根据例如借助于电极施加到材料(在此情况下是待测量土壤的一部分)上的交流测量电压的频率(ω)而变化的所述土壤部分的交流电阻(阻抗Z)的谱，这具体地可以借助于数学函数Z(ω)完成。在此上下文中，将双极网络元件(此处为土壤部分)的交流电阻定义为电压与电流之比。

在本发明的意义上，吸收光谱旨在被理解为意指含有“暗”谱线(即，光谱范围内的切口)的电磁光谱，所述“暗”谱线在电磁辐射照射或穿过物质并且某些波长或波长范围的辐射量子(光子)被所述物质吸收时产生。在此上下文中，一种或多种不同的吸收机制可能会发生，这主要取决于波长。特别地，原子、分子或晶体或其它固体的不同能级之间的电子跃迁(例如在发光的上下文中)以及其它自由度的激发，具体地是分子和固体的旋转或振动自由度的激发是可能的。借助于对所获得的吸收光谱(具体地是反射光谱)与对应的参考光谱进行比较，可以得出关于所测量物质的材料组成的定性和/或定量结论。

在本发明的意义上，表述“被测换能器”或简称为“换能器”旨在被理解为意指测量装置(即直接对被测作出响应的传感器)的一部分。因此，换能器是测量链的第一元件。具体地，换能器可以但不限于此以一个或多个电极、光学接收器或温度传感器的形式实施。两个换能器之间的距离应被理解为其之间的最短距离。

根据本发明的第一方面的传感器装置的特征在于以下事实：一方面，其能够以基于传感器的方式并且至少基本上以非破坏性方式检测至少两种不同的土壤性质，另外，选择所述土壤性质的方式为使得其之间存在的明确相关性使得借助于数据融合从借助于测量获得的测量数据中实现增加的测量精度成为可能，并且因此与单独测量相比实现增加的土壤分析质量。另外，传感器的被测换能器集中在非常小的区域中(例如在≤100cm

另外，测量是同时发生的，使得可以使时间依赖性测量误差最小化。这种测量误差可能会以其它方式发生，例如，如果阻抗测量导致土壤局部变暖，则然后将在随后的不同时间进行的温度测量的情况下导致温度读数失真。另外，上文提及的不同测量方法的组合允许通过组合单独测量的测量数据来实现土壤性质，这超出了原位测量的先前可能性。而且，与纯顺序的单独测量相比，同时测量降低了测量过程所需的总时间。

由于不需要采集土壤样品或将其带到非原位实验室，因此可以在尽可能最短的时间内(而且具体地是在现场)在测量过程期间立即获得土壤分析的结果，使得直到在获得分析结果之前没有显著的时间延迟。

在下文中，将描述传感器装置的优选实施例，只要不是明确地排除或只要不是技术上不可能，就可以以任何期望的方式彼此组合以及与本文所描述的本发明传感器的其它方面组合。

在一些实施例中，所述传感器组合件包括用于原位检测所述待分析土壤的阻抗谱的阻抗传感器。所述阻抗传感器包括(i)第一支撑元件；(ii)两个导电轨道，所述两个导电轨道布置在所述第一支撑元件上但与所述第一支撑元件电绝缘并且彼此电绝缘，其中所述两个导电轨道中的至少一个导电轨道含有导电的、耐腐蚀的聚合物或复合材料；(iii)以及控制装置。所述控制装置被配置成在所述两个导电轨道之间施加AC电压以在预定频率范围内改变其频率，并且在此过程期间在所述传感器装置的操作期间，当将所述AC电压引入到所述待分析土壤中的方式为使得所述导电轨道与所述待分析土壤电接触时，响应于通过所述导电轨道施加到所述待分析土壤上的所述AC电压而检测所述待分析土壤的阻抗谱，并且以对应的测量数据的形式提供所述阻抗谱。以此方式，传感器装置能够记录待分析土壤的阻抗谱，具体地，在所述阻抗谱的帮助下，可以确定各种土壤类型、土壤质地、电导率、水含量、离子浓度和离子类型。

支撑元件上的导电轨道的特定构造以及用于这些轨道的材料的特定选择使得能够实现与周围土壤的特别良好的电接触以及高电阻(具体地是相对于土壤的抗磨性和抗腐蚀性)并且因此延长传感器装置的使用寿命。

具体地，导电轨道缠绕在第一支撑元件上的方式可以优选地为使得两个导电轨道彼此平行地运行，这是一种特别精确的解决方案，并且在空间使用方面是最佳的。此处，术语“电导率”旨在被理解为意指指示物质能够传导电流的程度的物理量。因此，在本发明的意义上，表述“导电”旨在被理解为意指(在25℃下)至少为106S/m的电导率，即至少等于金属电导率的电导率。

在一些另外的实施例中，所述第一支撑元件至少在由所述导电轨道覆盖的区域中是导电的，具体地是金属导电的，并且所述控制装置被进一步配置成在检测所述待分析土壤的所述阻抗谱期间向此至少一个区域施加接地电位。以此方式，可以降低或甚至避免由外部电磁耦合引起的所记录阻抗谱的信号失真。在此上下文中，接地电位可以具体地是传感器装置的电源(例如出于此目的使用的电池)的接地电位(零电位)。

在一些另外的实施例中，所述预定频率范围包含的范围为100Hz到1MHz，这使得确定光谱成为可能，所述光谱由于其在电磁光谱内的宽度和位置而允许得出关于大量不同土壤性质的特别好的结论。

在一些另外的实施例中，所述第一支撑元件被构造为长钉，所述长钉是至少部分地中空的，以至少部分引入到所述待分析土壤中。另外，绝缘层施加到所述长钉的表面，所述两个导电轨道进而布置(具体地缠绕)在所述绝缘层上；所述控制装置定位于所述第一支撑元件的中空部分的内部。第一支撑元件以呈长钉形式的构造用于使第一支撑元件能够至少部分地引入(刺入)到待分析土壤中，并且从而使用作阻抗传感器的被测换能器的导电轨道与土壤接触。借助于绝缘，导电轨道彼此电解耦并且与长钉电解耦，具体地，所述长钉可以如上文已经描述的连接到接地电位。另外，在第一支撑元件的中空部分的内部，保护控制装置免受不期望的影响，具体地是不受土壤或环境的其它部分的影响，具体地是不受灰尘、湿气和引起腐蚀的物质的影响。

在一些另外的实施例中，所述传感器组合件包括用于检测所述待分析土壤的温度的温度传感器，由此所述温度传感器与所述阻抗传感器一起被构造为集成阻抗/温度传感器组合件，所述集成阻抗/温度传感器组合件被配置成同时并原位检测所述待分析土壤的阻抗谱以及温度并且使其分别以对应的测量数据的形式可用。以此方式，不但确定了至少两个不同的测量量，如上文已经解释的，这使得拓宽可以确定的土壤性质的范围以及提高分析质量成为可能，而且还使得实现特别高的集成密度成为可能，这允许传感器组合件以特别节省空间的方式构造。

具体地，温度传感器或其部分可以就像控制装置一样定位于第一支撑元件的中空部分的内部以像控制装置一样免受不期望的外部影响。

第一支撑元件和/或所述导电轨道中的至少一个导电轨道还可以具体地用作温度测量探针(即被测换能器)，并且出于此目的，可以以导热方式连接到温度传感器。优选地，因此，第一支撑元件或至少一个导电轨道(视情况而定)使用具有良好导热性的材料(具体地是金属(如例如铝))或具有良好导热性的聚合物或复合材料构造。

在一些实施例中，温度传感器集成到控制装置中(例如在共同PCB或共同集成电路上)，这在传感器装置的高集成并且因此节省空间的集成方面再次是有利的，具体地同样是与为了实现传感器装置的各个传感器的被测换能器的布置在密度方面尽可能优化。

在一些实施例中，温度传感器定位于第一支撑元件的导电部分的内部，使得当向其施加AC电压时，温度传感器至少部分地被屏蔽以免受导电轨道产生的任何电磁相互作用的影响，因此，可以增加测量精度并且可以抵消不期望的干扰效应。

在一些实施例中，所述传感器组合件包括用于原位检测所述待分析土壤的吸收光谱的吸收光谱仪组合件。所述吸收光谱仪组合件包括具体地基于法布里-珀罗干涉仪构造的至少两个MEMS吸收光谱仪(即吸收光谱仪，所述吸收光谱仪至少部分地借助于MEMS技术制造，并且具体地含有MEMS组件)，所述至少两个MEMS吸收光谱仪的光谱覆盖至少在电磁光谱的一些部分上有所不同，由此所述待分析土壤的吸收光谱能够通过整个所述MEMS吸收光谱仪累积地检测，所述吸收光谱具有在NIR范围内以及在VIS范围内以及同样在UV范围内的部分。具体地，光谱覆盖以不中断地从NIR范围延伸到UV范围，并且可以具体地包含350nm到1700nm的范围以使得在通常与土壤分析具体相关的光谱范围内的特别高差异性的测量成为可能。

在一些实施例中，所述吸收光谱仪组合件进一步包括可移动载台，具体地是可旋转和/或可平移的可移位载台，所述吸收光谱仪布置在所述可移动载台上的方式为使得当所述载台在所述传感器装置的所述测量操作期间相对于所述待分析土壤搁置的虚拟测量表面移动时，所述吸收光谱仪能够光谱地测量有待由所述吸收光谱仪扫描的所述土壤的区域以检测在所述待扫描区域上整合的吸收光谱。以此方式，可以实现从统计学的角度来看更好地使用并且更加精确的结果，由此可以理想地以尽可能最小的距离扫描尽可能最大的土壤区域。在可旋转载台的情况下(具体地是在载台的旋转角度上)以及在平移移动的情况下(具体地是在此平移移动的距离上)，可以对所测量的吸收光谱进行整合或平均化。以此方式，平均化的土壤的非特定特性(例如小石头或树枝等)对获得的测量结果仅具有降低的影响，具体地是较小的影响，另外，所述影响至少可以具体地借助于有针对性的过滤(例如借助于阈值)在很大程度上进行消除。

在一些实施例中，至少一个电磁辐射源也布置在可移动载台上，所述电磁辐射源被配置成在测量操作期间用电磁辐射照射在载台相对于测量表面移动期间有待由吸收光谱仪扫描的土壤区域以便生成待测量吸收光谱。以此方式，可能的是，一方面由于移动而扫描扩大的土壤区域，但另一方面使辐射源与吸收光谱仪的相对定位保持不变，这具体地可能会导致测量精度增加并且有助于降低或避免调整的需要。

在一些实施例中，所述吸收光谱仪组合件进一步包括可移动光阀装置。所述可移动光阀装置被配置成将屏幕暂时移动到在所述吸收光谱仪与所述测量表面之间限定的空间中，由此校准基准(如例如具体地是Spectralon)布置在所述屏幕的面向所述吸收光谱仪的一侧上，以校准所述吸收光谱仪中的至少一个、优选地所有吸收光谱仪。这使得传感器装置能够例如在一定预定数量的测量程序之后，具体地是同样在原位土壤分析本身的上下文中自动地(例如借助于暗电流和参考校准)自行校准。

在一些实施例中，所述吸收光谱仪组合件还具有光学系统，所述光学系统在与所述待检测吸收光谱相对应的波长范围内至少基本上是光学透明的，所述光学系统布置在所述吸收光谱仪与所述测量表面之间的所述空间中，以便使其在空间上彼此分离。光学系统在其朝向测量表面的一侧上设置有亲水性纳米涂层，当与构成光学系统的主体的材料相比时，所述亲水性纳米涂层具体地还可以具有更高的耐刮擦性。为了实现尽可能最高的耐刮擦性，光学系统具体地也可以由蓝宝石玻璃制成。空间分离具体地用于保护吸收光谱仪以及如果适用的话，光阀装置免受例如来自待分析土壤的不期望的外部影响(具体地是免受灰尘、湿气、机械影响)。

在一些实施例中，所述传感器组合件包括用于原位检测所述待分析土壤的酸性或碱性特性(具体地是pH值)的电位测量组合件。所述电位测量组合件包括以下：(i)第二支撑元件；(ii)电解质/金属参比电极，所述电解质/金属参比电极布置在所述第二支撑元件中或所述第二支撑元件上；(iii)金属氧化物电极，所述金属氧化物电极布置在所述第二支撑元件的表面上，所述表面旨在在测量操作期间接触所述待分析土壤；(iv)离子隔膜，所述离子隔膜布置在所述第二支撑元件上、位于所述金属氧化物电极与所述电解质/金属参比电极之间并且与所述电解质/金属参比电极接触；(v)耐腐蚀校准电极，所述耐腐蚀校准电极布置在所述第二支撑元件的所述表面上，所述第二支撑元件被设置成接触所述待分析土壤，并且所述耐腐蚀校准电极与所述金属氧化物电极电绝缘；以及(vi)测量装置。所述测量装置被配置成：(a)为了确定所述金属氧化物电极的电流状态，当所述校准电极和所述金属氧化物电极各自与所述待分析土壤接触时测量在这两个电极之间产生的电阻和/或测量在其间产生的电容；以及(b)为了确定所述待分析土壤的酸性或碱性特性，具体地是pH值，当所述参比电极和所述金属氧化物电极各自与所述待分析土壤接触时，在考虑到先前基于所述金属氧化物电极的所确定的电流状态而确定的测量校准的情况下来测量在这两个电极之间产生的电位差。

因此，借助于电位测量组合件对土壤的酸性或碱性特性的测量在操作中执行的方式可以为使得根据上述辅助特征(b)测量在参比电极与金属氧化物电极之间产生的电位差。此电位差依赖于在测量过程期间与两个电极接触的土壤的酸性或碱性特性，使得所述电位差可以用于测量土壤的酸性或碱性特性。所测量的电位与两个电极之间的氧化还原电位相对应或至少与之一致，由此相关联的化学氧化还原反应式如下：

氧化还原

此处，缩写“Me”代表金属。因此，电位差依赖于金属氧化物/基于金属的传感器，具体地是pH传感器的特定电化学性质，由此金属氧化物/金属系统可以具体地是Sb

氧化还原电位差通过测量在穿过离子隔膜的两个电极之间流动的离子电流来确定，由此优选地出于增加可测量性和测量精度的目的，另外设置有阻抗转换器或放大器以便在对其进行测量之前转换或放大可能很弱的电流。相对于(第二)支撑元件的尺寸，离子隔膜的尺寸也优选地被选择为尽可能大，以便为流过离子隔膜的离子电流提供尽可能最大的横截面面积。

然而，金属氧化物通常仅具有对酸或碱的有限的耐腐蚀性，使得当用于土壤分析时，金属氧化物电极经常随时间而降解，这具体地可能会导致金属氧化物电极的层厚度降低，从而导致电阻并且因此电流强度的变化，并且因此进而导致测量结果的变化。因此，所述测量装置被进一步配置成当所述校准电极和所述金属氧化物两者各自与所述待分析土壤接触然后使两个电极电连接时通过测量在这两个电极之间产生的电阻(或电导率)和/或在其间产生的电容来根据辅助特征(a)确定所述金属氧化物电极的电流状态，具体地是电流层厚度。所述测量具体地可以循环地执行。如果事先不知道，则土壤的电导率和/或容量可以具体地借助于上文提及的传感器装置的阻抗传感器来确定，使得因此可以通过测量装置借助于上文提及的测量来确定电导率或电阻或金属氧化物层的容量，由此金属氧化物电极的电导率或容量直接与其金属氧化物层的厚度相关。因此，如果必要的话，则具体地也可以以预防性、周期性的方式借助于测量装置来基于金属氧化物电极的状态的测量来重新校准测量，以便即使在超长时间段的情况下并且即使在金属氧化物降解的情况下也能确保测量精度。

在一些实施例中，所述校准电极由含有导电且耐腐蚀的聚合物和/或复合材料的材料制成。这些材料可以提供优点，如具体地是低重量、高耐腐蚀性以及长的耐久性和稳定性作为校准参考。

在一些实施例中，所述第二支撑元件被构造为长钉以至少部分地引入到所述待分析土壤中，由此绝缘层施加到所述长钉的表面，所述金属氧化物电极、所述离子隔膜和/或所述校准电极布置在所述绝缘层上。这允许实现特别紧凑的实施方案。另外，电解质/金属参比电极可以有利地布置在(第二)支撑元件即长钉内部，并且因此免受不期望的外部影响。

在一些实施例中，所述传感器装置进一步包括通信装置，所述通信装置用于将获取的测量数据传输到相对于所述传感器装置处于外部的对应物以进行评估。对应物可以具体地是例如在云环境中的单独的评估装置或远程计算平台或是后端服务器或分布式计算机网络。以此方式，可以从传感器装置中外包用于确定土壤分析的最终结果的测量数据的进一步处理，这可以具体地用于需要复杂、耗时的计算的情况下，所述计算由中央或专用计算系统执行比由传感器装置本身在本地执行更快或更佳。

然而，在其它实施例中，同样有可能在传感器装置本身中提供评估测量结果所必需的设备。但是，即使在此情况下，在传感器装置中提供上文提及的通信装置也可能是有用的，至少使能够远程更新用于评估和/或控制传感器装置的软件。

在一些实施例中，所述通信装置被配置成借助于基于LoRa无线电技术和/或窄带物联网、NB-IoT、无线电技术的通信来无线地传输所述测量数据。具体地，如果传感器装置旨在用于其中缺少或未充分提供例如通过常规移动式无线电的其它无线电数据覆盖的位置，则这些技术特别有利。上文提及的无线电技术允许在长达30km的距离上进行无线数据传输，所述距离大约是常规移动式无线电技术的最大范围(终端-基站)的两倍。能耗通常非常低，使得这些技术还可以有用地具体地应用于移动式电池供电装置中。另外，在许多国家，至少可能在无许可证的基础上使用LoRa技术，这对操作成本具有对应的积极影响。

所述通信装置还可以具体地被配置成接收数据，具体地是与土壤分析的结果有关的数据，所述数据已经在装置外部得以确定，使得用户可在传感器装置本身上在适合的人机界面例如显示装置或光学或声音输出装置处原位获得对应的信息。

在一些实施例中，所述传感器装置进一步包括安全存储装置，所述安全存储装置用于存储所述传感器装置的唯一装置标识和/或至少一个用于加密借助于所述通信装置传输的测量数据和/或元数据的加密密钥以防止未经授权的访问。元数据可以具体地但不限于表示用传感器装置原位执行的测量的位置、时间点和/或测量模式以及装置标识或用户标识。具体地，以此方式，可以实现通过通信装置的通信(具体地是免受“中间人”攻击的通信)以及免受未经授权的修改的装置身份。

在一些实施例中，所述通信装置被进一步配置成将待传输的测量数据和/或元数据写入到充当外部对应物的区块链中或使另一外部对应物将传输到其的所述测量数据和/或元数据写入到区块链中。从法律角度来看，这些实施例具体地在关于以可靠的方式记录测量结果方面是有利的。另外，这些实施例还允许实现通信保护，具体地是关于防止随后对获得的测量结果或土壤分析结果进行伪造。

在一些实施例中，所述传感器装置被配置成执行对所述传感器装置的用户的认证并且只有在所述认证已经成功的情况下才允许将测量数据和/或元数据传输到外部对应物。所述措施还可以用于保护测量结果的通信和记录免受攻击，具体地是关于伪造测量数据。通过使用上文提及的保护性措施中的一种或多种保护性措施，对于实现测量结果记录的要求从法律角度来看是可靠的，并且视情况而定可能是法律所要求的，因此可以满足。

在一些实施例中，所述传感器装置进一步包括位置确定装置，所述位置确定装置用于确定所述传感器装置的当前位置并且提供表征所述位置的对应元数据。具体地，这还使得借助于对应的元数据与测量数据一起提供测量位置成为可能。另外，可以以此方式对关于传感器装置的空间位置实施监测，这还提供另外的保护以防止滥用，具体地是未经授权的人员的滥用。

在一些实施例中，传感器装置被构造为便携式单元。这具体地意指所述装置的尺寸和重量允许人类使用者在没有不适当问题的情况下例如容易地将其携带到农业用地上的测量位置。因此，理想地，传感器装置在每个方向上的尺寸最大为几分米(例如<50cm)，并且重量优选地小于25kg，理想地小于10kg。以此方式，传感器装置可以以非常灵活的方式使用并且无需载具或其它操纵装置的帮助。

本发明的第二方面涉及一种用于土壤分析的方法，所述方法包括：

(i)接收与待分析土壤的以下土壤性质中的至少两种、优选地至少三种或所有土壤性质相关的测量数据：(a)阻抗谱；(b)温度；(c)在从NIR延伸到UV的光谱范围内的吸收光谱NIR-VIS-UV；(d)酸性或碱性特性，具体地是pH值；以及(ii)基于接收到的测量数据的组合来借助于数据融合确定所述土壤性质中的至少一种土壤性质或从其中得出的至少一种土壤性质以获得针对待确定的至少一种土壤性质的相应测量结果。因此，在此方法的帮助下，在数据融合的框架内将关于所述土壤性质的测量结果联系起来是可能的，由此必须再次指出选择所述土壤性质的方式为使得至少对于一些组合而言，其之间存在相关性，所述相关性可以在数据融合的框架内使用以获得有关土壤分析的更精确的或另外的结果。具体地，数据融合可以基于模糊逻辑和/或一个或多个人工神经网络来实施。

在此的一些实施例中，测量数据通过根据本发明的第一方面所述的传感器装置，具体地是根据其所描述的实施例中的一个或多个实施例所述的传感器装置来获取。然后，所述方法遵循实际的原位测量以获取测量数据，由此，出于此目的，传感器装置可以具体地如上文所描述的借助于其通过对应通信链路的通信装置将测量数据以及另外的元数据(如果适用的话)传输到执行所述方法的中心或空间分布式装置。

在一些实施例中，所述方法在网络的至少一个中心节点中执行，具体地是在云环境或分布式计算机网络中执行，为了接收相应测量数据，所述至少一个中心节点被配置成与用于获取所述相应测量数据的多个传感器装置，具体地是根据本发明的第一方面所述的传感器装置通信连接。这具体地使能够有力且可变地使用资源来执行所述方法。而且，因此，改变(具体地是用于执行所述方法的软件的更新)可以集中地实施，而不必分布到相应传感器装置中的每个传感器装置，使得可以容易地进一步开发以及更新整个系统。

本发明的第三方面涉及一种计算机程序，所述计算机程序被配置成当在处理器平台上运行时执行根据本发明的第二方面所述的方法，具体地是根据其所描述的实施例中的一个或多个实施例所述的方法。所述处理器平台可以含有单个或多个处理器，并且可以以本地集中式的方式实施，例如在单个计算机中或相反地也可以在去中心化的分布式计算机网络上实施。具体地，所述处理器平台和所述计算机程序也可以存在于传感器装置本身中，以便使其能够执行所述方法。

所述计算机程序可以具体地存储在非易失性数据载体上。优选地，这是光学数据载体或闪存存储器模块形式的数据载体。如果所述计算机程序同样地意指要独立于有待在其上执行一个或多个程序的处理器平台进行交易，则这可能是有利的。在不同的实施方案中，所述计算机程序可以作为文件设置在数据处理单元上，具体地是在服务器上，并且可以通过数据连接(例如因特网)或专用数据连接(如专有或本地网络)下载。另外，所述计算机程序可以包括多个相互作用的、单独的程序模块。

本发明的第四方面涉及一种用于土壤分析的装置，其中所述装置被布置成执行根据本发明的第二方面所述的方法，具体地是根据其所描述的实施例中的一个或多个实施例所述的方法。所述装置可以具体地包括所述处理器平台，并且因此可以具体地包括单个数据处理单元如计算机或去中心化的分布式计算机网络。

具体地，对于一些实施例，所述装置本身可以包括用于获取测量数据的根据本发明的第一方面所述的传感器装置，具体地是根据其所描述实施例中的一个或多个实施例所述的传感器装置。如果用于获得关于土壤分析的进一步结果的测量数据的分析有待原位(即在现场在传感器装置本身)执行，则这是特别有利的，这具体也使离线操作成为可能，以及使确定独立于到外部处理器平台的通信链路的质量的此类结果成为可能。

关于本发明的第二方面所解释的特征和优点类似地适用于本发明的第三和第四方面。

根据以下结合附图的详细描述，本发明的其它优点、特征和可能的应用将变得显而易见。

在附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的实施例的传感器装置；

图2示意性地示出了根据本发明的另外一实施例的以模块化方式构造的传感器装置，其中除测量模块以外还设置了操作/无线电模块；

图3A示意性地示出了根据本发明的实施例的用于传感器装置的集成阻抗/温度传感器组合件，并且图3B示出了针对此的简化等效电路图；

图4示意性地示出了根据本发明的实施例的用于传感器装置的电位测量组合件，具体地是pH传感器组合件；

图5示意性地示出了根据本发明的实施例的用于传感器装置的吸收光谱仪组合件；

图6示出了根据本发明的实施例的用于土壤分析的整个系统的示意图；并且

图7以举例的方式示出了单独被测物之间的各种相关性的概览，所述相关性可以通过根据图1或2的传感器装置的传感器来检测并且可以根据本发明的方法借助于所述相关性来在数据融合的范围内确定所述各种土壤性质。

在附图中，相同的附图标记始终用于本发明的相同或相互对应的元件。

图1所示的根据本发明的实施例的传感器装置1被构造为模块，所述模块进而包括在共同壳体2中的若干个组合件，具体地是传感器组合件。这些组合件中的第一组合件是组合的阻抗/温度传感器组合件3，所述阻抗/温度传感器组合件至少部分地构造为杆状或长钉状的第一支撑元件并且所述第一支撑元件被配置成刺入到待分析土壤中。所述组合件中的另一组合件是电位测量组合件4，具体地是pH传感器组合件，所述电位测量组合件借助于第二支撑元件形成，所述第二支撑元件与第一支撑元件一样具有杆状或长钉状形状并且同样被构造成刺入到待分析土壤中。在这两个组合件3与4之间以及其附近布置有吸收光谱仪组合件5作为所述组合件中的另一组合件，所述吸收光谱仪组合件5具有测量窗口，所述测量窗口定位的方式为使得当第一支撑元件和第二支撑元件两者均刺入到待分析土壤时搁置在土壤上或上方。因此，三个传感器组合件集中在较小区域中，优选地集中在小于100cm

单独的组合件(具体地是传感器装置1的传感器组合件2、3和4)也可以各自被构造为可单独去除或更换的模块，这具体地使得以简单和动态的方式生成不同的传感器配置以及取决于其老化或可服务性状态单独维护或替换单独的传感器组合件成为可能。

因此，每次测量，传感器装置1允许使用至多四种不同的传感器类型和其不同的测量原理以获得对应的测量数据，在此基础上在相关性或数据融合的帮助下，可以原位实现超越对土壤性质的直接测量的对土壤性质的确定，其中所述精度在任何情况下对于许多应用而言都足够高。具体地，例如，待测量土壤的阻抗、土壤温度，其在整个UV-VIS-IR光谱范围内的吸收光谱以及其pH值可以同时测量并且在尽可能最小的空间内测量。正是各种传感器组合件2、3和4的被测换能器的此紧密相邻布置使得成功地出于确定土壤性质的目的对测量数据与典型应用(具体地是农业技术应用)所需的精度执行关联成为可能。另外，被测换能器的密集布置还允许生成超高分辨率的土壤图，即具有网格单元面积小于100cm

图2示出了根据本发明的另外一实施例的以模块化方式构造的传感器装置1，所述传感器装置除传感器模块6a以外还具有借助于可释放连接耦合到传感器模块6a的操作/无线电模块6b。两个模块6a和6b在图2中一方面示出为单独模块(左下)，并且另一方面示出为处于连接条件下(右上)。优选地，两个模块6a和6b的壳体被构造的方式为使得当两个模块彼此连接时在连接区中形成有手提或操纵把手10，所述手提或操纵把手10可以容易地用手抓紧(具体地是收拢)，这具体地还适合于从土壤中去除已经刺入到土壤中以进行分析的传感器装置1。如图2所示，把手可以具体地被构造为降低在两个模块6a与6b之间的连接区中的传感器装置1的横截面。操作/无线电模块6b配备有定位装置7，在所述定位装置的帮助下使得确定传感器装置1的位置(具体地是在测量过程期间的位置)并且生成对应的位置数据作为属于例如与基于卫星的位置识别系统(如例如GPS、GALILEO或GLONASS)合作或者在移动式无线电辅助定位的帮助下进行的测量的元数据。

另外，操作/无线电模块6b配备有通信装置8，所述通信装置具体地可以被设置成借助于移动式无线电技术(例如3G、LTE、5G)与或另一种无线电技术(如LoRa和/或NB-IoT)执行与外部对应物的数据通信，具体地以便将借助于传感器装置1获得的测量数据发送到外部数据处理中心进行进一步评估，并且视情况而定进而以接收由这种评估产生的土壤分析结果，以便在人机界面9处将所述土壤分析结果输出到传感器装置1本身。这种人机界面9可以具体地以显示装置(优选地，关于节省尽可能多的空间的解决方案，作为控制显示器)的形式设置在传感器装置1上，所述控制显示器使用户能够通常例如用触摸屏输入以及输出信息。

图3A示出了根据本发明的实施例的用于传感器装置的集成阻抗/温度传感器组合件3，所述集成阻抗/温度传感器组合件3已经刺入到待分析土壤11中并且可以具体地设置在如图1或图2所示的传感器装置1中。与此同时，图3B示出了阻抗/温度传感器组合件3的阻抗测量支路的简化等效电路图。

图3A的传感器组合件3包括呈长钉形状的第一支撑元件12，所述第一支撑元件具体地可以由金属，优选地由耐腐蚀金属制成。长钉可以具体地具有大致圆柱形形状并且可以在其旨在刺入到土壤中的端面处逐渐变细以促进刺入动作。钝化层13施加到通常在刺入条件下与周围土壤接触的表面区上的第一支撑元件12上，所述钝化层13可以具体地含有一种或多种聚合物材料并且充当电绝缘体。在钝化层13上，两个导电轨道14在彼此平行并且彼此不接触的情况缠绕在第一支撑元件12上。因此，两个导电轨道14借助于钝化层13与支撑元件12电绝缘。阻抗/温度传感器组合件3在其与可以刺入到土壤中的尖端相对的一端包括印刷电路板(PCB)15，所述印刷电路板布置在支撑元件12的内部并且借助于定位于其上方的金属盖16(金属壳体)进行保护，控制装置15a、信号前置放大器15b和温度传感器15c以集成电路或半导体传感器组件的形式设置在所述印刷电路板(PCB)15上。金属盖16不但用于机械保护，而且还用作定位于内部的温度传感器15c、控制装置15a和信号前置放大器15b的电磁屏蔽。除用于控制传感器组合件3以外，控制装置15a还用于测量阻抗并且提供对应的测量数据，并且所述控制装置通过信号前置放大器15b电连接至两个导电轨道14中的每一个导电轨道。温度传感器15c还可以连接到导电轨道14，由此，在此情况下，所述导电轨道另外地或可替代地用于第一支撑元件12、用作温度传感器15c的被测换能器，而在任何情况下所述导电轨道均用作用于阻抗测量的测量电极。

因此，就其阻抗测量支路而言，阻抗/温度传感器组合件3可以借助于图3B中所描述的简化等效电路图进行描述。在阻抗测量过程期间，控制装置15a在两个第一导电轨道14的第一导电轨道14a与对应的第二导电轨道14b之间施加限定的交流测量电压。由于在测量过程期间，具有定位于其上的导电轨道14的第一支撑元件11刺入到待分析土壤11中，因此两个导电轨道14a、14b与其周围的土壤11电接触，然后使得后者在电阻器R

基于所获得的此阻抗谱Z(ω)，关于土壤类型、土壤质地、电导率、水含量、离子浓度和离子类型的区别可以通过进一步评估(具体地借助于介电混合物模型(例如布鲁格曼模型、麦克斯韦加尼特模型))来实现。以此方式进行定量评估也是可能的。在进行阻抗测量的同时，还可以借助于温度传感器执行温度测量，由此，如已经提及的，两个导电轨道14和/或第一支撑元件12可以用作被测换能器。在一些实施例中，阻抗/温度传感器组合件3可以具体地表示传感器装置1中的全部传感器或甚至表示传感器装置1本身。

图4示出了根据本发明的实施例的电位测量组合件4，具体地是pH传感器组合件，所述电位测量组合件已经刺入到待分析土壤11中并且可以具体地设置在根据图1或图2的传感器装置1中。电位测量组合件4包括长钉形式的第二支撑元件17，所述第二支撑元件的形状可以具体地与阻抗/温度传感器组合件3的第一支撑元件12的形状基本上相对应。在第二支撑元件17的表面部分上设置有钝化层18，具体地是聚合物钝化层(例如HDPE)，所述表面部分旨在与待分析土壤11在刺入条件下接触。

在此钝化层18上，一方面金属氧化物电极21以及校准电极22以环形导电轨道的形式布置，在所述环形导电轨道的帮助下，如果已知土壤11的电阻，则可以具体地借助于阻抗/温度传感器组合件3进行确定，金属氧化物电极21的状态(具体地是层厚度)可以借助于通过土壤11电耦合的两个电极21与22之间的电阻测量或电导率测量来确定。然后，层厚度可以用作校准量以实际测量土壤11的酸性或碱性特性，具体地是pH值。具体地，所述测量可以在每次pH测量之前或以预定时间间隔周期性地执行。以此方式，电位测量组合件能够独立地执行(原位)自动校准。

金属氧化物电极21以及校准电极22各自通过钝化层18与可以具体地由金属制成的第二支撑元件17电绝缘并且彼此电绝缘。校准电极22可以具体地含有导电聚合物材料和/或导电复合材料或完全由其制成。金属氧化物电极21以及校准电极22各自分别包括电触点21a和22a，所述电触点可以具体地由与相关联电极21和22相同的材料制成。

为了借助于电位测量来测量土壤的酸性或碱性特性，电位测量组合件4进一步包括电解质/金属参比电极19(例如AgCl/Ag电极)，所述电解质/金属参比电极含有作为组件布置在金属壳体23(金属盖)中或被构造为第二支撑元件17的部分或补充的用于容纳液体或糊状电解质19a作为电解质参比电极的电解质容器19b以及与电解质容器19b和定位于其中的电解质19a导电接触的金属参比电极19c。具体地，借助于金属壳体23实现对参比电极19的稳健的机械保护。

金属氧化物电极21、电解质/金属参比电极19以及布置在第二支撑元件17的表面之间并且与电解质/金属参比电极19离子导电接触并且也可以在测量过程期间通过周围的土壤11与金属氧化物电极离子导电接触的离子隔膜20的组合表示一种用于基于上文已经提及的化学氧化还原反应测量土壤11的酸性或碱性特性的测量装置：

所述氧化还原反应的反应平衡在很大程度上还由存在于土壤11中的氢离子(H

图5示意性地示出了用于根据本发明的传感器装置的吸收光谱仪组合件5，所述吸收光谱仪组合件具体地可以是根据图1或图2的传感器装置1。根据此，在下文中再次对传感器装置1进行参考。吸收光谱仪组合件5包括大致盘状的载台24，所述载台可绕轴线A旋转并且安装在两个传感器组合件3与4之间的传感器装置1的壳体2中，其中载台24的一个盘形表面面向壳体2的开口，所述开口用作吸收光谱仪组合件5的测量开口或测量窗口。定位于其外部几何边界处的此开口的虚拟区域也可以被称为测量表面M，所述测量表面在测量操作中通常至少基本上平行于待分析土壤11的表面或与之重合并且在图5中以虚线示出。载台24相对于此测量表面M定位的方式为使得其在测量操作期间位于土壤表面上方，由此最小距离由壳体2的形状限定。在载台24的面向测量表面的一侧，两个(或更多个)单独的MEMS吸收光谱仪26a、26b布置在载台24上，所述吸收光谱仪中的每个吸收光谱仪至少部分地覆盖不同的光谱范围并且由此其累积地覆盖UV-VIS-NIR光谱范围，其具体地包含350nm到1700nm的光谱范围。使用MEMS技术来制造吸收光谱仪使得产生特别小的并且因此空间高效的实施例成为可能。

另外，用于电磁辐射的源25设置在载台24的同一侧，例如卤素灯，其辐射覆盖此UV-VIS-NIR光谱范围。源25和吸收光谱仪26a、26b相对于彼此布置或任选地通过形成在载台24上的屏幕彼此光学分离的方式为使得源25的辐射可能只能以反射辐射的形式间接到达吸收光谱仪26a、26b。

另外，吸收光谱仪组合件5包括保护性光学系统27，所述保护性光学系统可以具体地以由耐刮擦材料组成的盘形式构造，所述耐刮擦材料在所提及的光谱范围内至少很大程度上是透明的，例如具有改善刮擦保护的亲水性纳米涂层的蓝宝石玻璃盘。纳米涂层使光学系统更容易保持清洁，并且也意味着更容易进行清洁，并且增加了光学系统的机械强度。保护性光学系统27定位于其上定位有光学组件25、26a、26b的载台24与测量表面之间(与之相距例如大约3cm)，所述保护性光学系统可以保护光学组件免受有害的外部影响，具体地是来自待分析土壤11的有害外部影响，如灰尘和湿气以及机械引起的损坏。

进一步地，吸收光谱仪组合件5包括闭合或光阀装置28，所述闭合或光阀装置基本上是盘状屏幕，所述盘状屏幕可以优选地平行于保护性光学系统27延伸(并再次缩回)到在具有光学组件25、26a、26b的载台24与保护性光学系统27之间限定的空间中。此屏幕在其面向光学组件25、26a、26b的一侧上涂覆有校准涂层29，例如Spectralon。Spectralon是一种由烧结PTFE制成的材料，所述材料在电磁光谱的紫外(UV)和可见光(VIS)范围以及近红外(NIR)范围内具有极高且均匀的反射比。其表现出朗伯反射行为，即非常分散或无光泽地反射。当已经出于此目的将屏幕延伸到吸收光谱仪26a、26b与保护性光学系统27之间的空间中时，校准涂层29用作校准参考，在所述校准参考的帮助下，吸收光谱仪26a、26b可以进行原位校准。然而，在用于土壤分析的测量过程期间，将屏幕缩回以免干扰光学组件25、26a、26b与土壤11之间的光束路径。

另外，吸收光谱仪组合件5被构造的方式为使得载台24在待分析土壤11的土壤表面至少基本上与测量表面重合(然后基本上垂直于测量表面)时在测量操作期间绕旋转轴线A旋转，同时激活源25和两个吸收光谱仪26a、26b，以便基于在土壤表面处反射的源25的辐射在吸收光谱仪26a、26b处在所提及的光谱范围内记录吸收光谱。

图6示出了根据本发明的实施例的用于土壤分析的(整个)系统30的示意图。系统30包括一个或通常若干个传感器装置，具体地是根据图1或2的传感器装置1(此处仅示出了其中的一个)，所述传感器装置用于现场(即原位)获得表征待分析土壤的性质的测量数据。然后，这些测量数据可以借助于通信装置8通过可以被具体地构造为区块链传递的通信链路从相应的传感器装置1传输到装置外部对应物33，所述装置外部对应物具体地可以以计算机网络或云环境中的一个或多个网络节点(例如服务器)的形式实施。

在示出的实例中，传输发生在若干个阶段，其中测量数据以及用于测量的任何相关联的元数据(如果适用的话)首先通过无线通信链路(具体地可以借助于LoRa或NB-IoT无线电技术实施)传输到网关32，所述网关可以定位于例如使用系统30的农场主的农场上。根据此网关32，测量数据和元数据可以进一步例如以经典方式通过无线或有线因特网连接传输到对应物33以进行评估。可以设想，优选地再次使用区块链传递，使得借助于区块链技术来实施传感器装置1与对应物33之间的整个通信。此通信路径是双向的，使得其也可以在相反的方向上使用，具体地是用于将通过对应物33获得的分析数据基于传输到其的测量数据和元数据传输到相应的传感器装置1。取决于特定实施例，由相应的传感器装置1获取的元数据可以具体地含有关于执行的土壤测量的时间点和位置的信息以及唯一的装置标识和/或用户标识。

另外或作为替代方案，可以在对应物33与一个或多个用户终端装置34之间设置另一个通信链路35，另外的通信链路35具体地可以被构造为例如通过web门户的远程访问，并且可以再次有利地借助于区块链技术来实施。出于维持数据安全性并且防止操纵的目的，系统中的所有通信链路优选地例如借助于已知的非对称或对称加密方法进行加密。通信链路35提供了访问所获得的分析数据的另一种方式。例如，即使在执行测量之后相当长的时间段里，农场主或园艺家也可以例如从其农场或甚至在移动中通过对应的终端装置34以此方式访问分析数据，而不必随身携带传感器装置1。

图7以举例的方式示出了单独被测物之间的各种相关性的概览，所述相关性可以通过根据图1或2的传感器装置的传感器来检测并且可以根据本发明的方法借助于所述相关性来在数据融合(或此处同义：传感器融合)的范围内确定所述各种土壤性质。借助于对应的带标记的箭头标记相关性，由此标记指示可以在数据融合的范围内使用的那些物理量或化学量，具体地以便在通过传感器组合件3到5直接产生的各种测量量之间形成相关性，这使能够确定另外的得出的土壤性质和/或使能够增加可实现的结果的精度。具体地，可以以此方式确定用于农业和园艺的许多重要参数，所述参数具体地包含总氮含量、总腐殖质含量、氮与有机物的比例、有效磷的量、有效钾的量、有效镁的量、电导率、土壤湿度和土壤pH值。

尽管上文已经描述了至少一个示例实施例，但是应注意，针对此存在许多变型。还应注意，已经描述的示例实施例仅表示非限制性实例，并且不旨在因此限制此处所描述的装置和方法的范围、适用性或配置。相反，前述描述将向技术人员提供用于实施至少一个示例实施例的指令，由此应理解，可以在不偏离所附权利要求以及其法律等效物分别定义的主题的情况下针对示例实施例所描述的元件的功能性和布置进行各种改变。

附图标记清单

1 传感器装置

2 壳体

3 阻抗/温度传感器组合件

4 电位测量组合件，具体地是pH传感器组合件

5 吸收光谱仪组合件

6a 传感器模块

6b 操作/无线电模块

7 位置确定装置

8 通信装置

9 人机界面，具体地是操作显示器

10 手提把手或操纵把手

11 土壤

12 (第一)支撑元件，呈长钉形状

13 第一支撑元件的钝化，具体地是聚合物钝化

14 导电轨道

14a 第一导电轨道

14b 第二导电轨道

15 具有控制装置和温度传感器的集成PCB

15a 控制装置

15b 信号前置放大器

15c 温度传感器

16 第一支撑元件的金属壳体，具体地是金属盖

17 (第二)支撑元件，呈长钉形状

18 第二支撑元件的钝化，具体地是聚合物钝化

19 电解质/金属参比电极

19a 电解质参比电极(电解质)

19b 电解质容器

19c 金属参比电极

20 离子隔膜

21 金属氧化物电极

21a 金属氧化物电极的接触

22 校准电极

22a 校准电极的接触

23 第二支撑元件的金属壳体，具体地是金属盖

24 旋转轴线为A的可旋转载台

25 电磁辐射源

26a、b 具有测量表面M的MEMS吸收光谱仪

27 (保护性)光学系统，具体地是具有亲水性纳米涂层的蓝宝石玻璃

28 光阀装置

29 校准参考，具体地是校准涂层

30 用于原位土壤分析的系统

31 通讯链路，具体地是区块链传递

32 网关

33 对应物，具体地是区块链/云环境或本地评估装置

34 用户终端装置

35 远程访问