测量土壤中的温度和氮含量对农业系统很重要，但很难将它们分开检测。 Huanyu “Larry” Cheng，James L. Henderson， Jr. 宾夕法尼亚州立大学工程科学与力学纪念副教授，领导研究人员开发了一种多参数传感器，可以有效地解耦温度和氮气信号，以便可以准确测量每个信号。研究结果最近由Advanced Materials发表。
“为了高效施肥，需要对土壤条件进行连续和实时监测，特别是氮利用和土壤温度，”程说。“这对于评估作物健康、减少环境污染和促进可持续和精准农业至关重要。
使用氮作为肥料是农业中的常见做法，目标是使用理想的量来获得最佳作物产量。当氮使用太少时，作物的产量可能低于最佳水平。当使用过多时，肥料就会浪费，植物会燃烧，有害的氮气会释放到环境中。准确检测氮水平 - 特别是以气体形式损失的氮 - 可以帮助农民实现植物生长的最佳施肥水平。
“植物生长也受到温度的影响，温度会影响土壤中的物理，化学和微生物过程，”共同作者，中国河北工业大学人工智能学院教授李阳说。“持续监测使农民能够在温度对他们的作物来说太热或太冷时制定策略和干预措施。
不幸的是，气体和温度以及相对湿度变化都会导致传感器电阻读数的变化，因此传感器无法区分它们。Cheng表示，能够相互独立地获得氮气和温度测量值的传感机制很少被报道。
Cheng的团队设计并制造了一种高性能传感器，以完全解耦氮损失和土壤温度的检测。多参数传感器基于掺钒、激光诱导的石墨烯泡沫。氧化钒可以吸附氮气并与氮气相互作用，石墨烯中的掺杂金属配合物也被发现可以提高气体吸附和检测灵敏度。
传感器由可阻挡氮气渗透的软膜封装，因此传感器仅响应温度变化。此外，可以移除封装，传感器在高温下工作。这样做消除了土壤中相对湿度和温度的影响，从而可以准确测量氮气。封装传感器和未封装传感器的组合可以完全解耦温度和氮气而不会受到干扰。
Cheng表示，可以利用解耦温度变化和氮气排放来设计和应用具有解耦传感机制的多模式设备，以便在所有天气条件下实现精准农业。
“同时检测超低氮氧化物浓度和小温度变化的能力为开发未来具有解耦传感机制的多模态电子设备铺平了道路，用于精准农业，健康监测和其他应用，”Cheng说
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