薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐春保，劉靖怡，蘇清茂，靳 偉，王登輝，王萬(wàn)超，丁幼春

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

徐春保，劉靖怡，蘇清茂，靳 偉，王登輝，王萬(wàn)超，丁幼春※

（1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，武漢 430070；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部長(zhǎng)江中下游農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430070）

針對(duì)小麥高速播種作業(yè)過(guò)程中高頻排種種子流精準(zhǔn)檢測(cè)困難的問(wèn)題，該研究設(shè)計(jì)了一套薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置。基于將高通量變?yōu)榈屯慷嗤ǖ啦⑿型綑z測(cè)的思路，設(shè)計(jì)了種子流分流結(jié)構(gòu)。根據(jù)小麥種子物理特性，在已有傳感原理的基礎(chǔ)上，提出了一種“LED燈珠+窄縫”產(chǎn)生薄面光層，結(jié)合凸透鏡折射原理擴(kuò)大有效檢測(cè)面積的方法，通過(guò)光路分析和窄縫尺寸分析確定了凸透鏡焦距、薄面LED窄縫尺寸及傳感元器件關(guān)鍵參數(shù)。利用多通道并行檢測(cè)傳感原理，設(shè)計(jì)了多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)。為提升檢測(cè)準(zhǔn)確率，建立檢測(cè)準(zhǔn)確率-排種頻率之間的關(guān)系，通過(guò)分析檢測(cè)裝置的誤差規(guī)律，構(gòu)建了準(zhǔn)確率補(bǔ)償模型。臺(tái)架試驗(yàn)表明：排種器轉(zhuǎn)速在80～180 r/min時(shí)，田間正常排種頻率范圍為52.10～321.55 Hz，檢測(cè)準(zhǔn)確率均高于96.68%。田間播種試驗(yàn)表明：在2～9 km/h的小麥播種機(jī)作業(yè)速度下，田間排種頻率為67.65～323.95 Hz，檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率高于95.28%。檢測(cè)裝置能夠檢測(cè)排種器的排種頻率、各通道排種量、排種總量。正常田間小麥播種作業(yè)中機(jī)械振動(dòng)、強(qiáng)光照和土壤粉塵對(duì)檢測(cè)裝置沒(méi)有明顯影響。該檢測(cè)裝置可為小麥高速播種作業(yè)中高頻種子流精準(zhǔn)檢測(cè)、漏播檢測(cè)以及補(bǔ)種提供有效支撐。

農(nóng)業(yè)機(jī)械；設(shè)計(jì)；試驗(yàn)；小麥種子流；多通道；并行檢測(cè)；多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)；精準(zhǔn)計(jì)數(shù)

0 引 言

中國(guó)是小麥生產(chǎn)大國(guó)，小麥種植面積和產(chǎn)量均居世界前列[1-2]。播種是小麥生產(chǎn)的關(guān)鍵作業(yè)環(huán)節(jié)，播種質(zhì)量直接影響小麥生長(zhǎng)和產(chǎn)量[3]。播種過(guò)程中，小麥種子處于全封閉環(huán)境，駕駛員實(shí)時(shí)了解排種器運(yùn)行狀態(tài)困難，容易因種管堵塞或排種器異常造成減產(chǎn)[4]。根據(jù)小麥播種農(nóng)藝要求，結(jié)合播種機(jī)高速作業(yè)需要，小麥排種頻率可達(dá)320 Hz[5-6]，形成高通量種子流，種子流在檢測(cè)裝置內(nèi)部發(fā)生碰撞、混疊概率提高，導(dǎo)致多粒種子同時(shí)穿越感應(yīng)區(qū)概率增大，造成檢測(cè)準(zhǔn)確率降低[7]。因此，研究一種適應(yīng)高頻排種的小麥種子流檢測(cè)裝置對(duì)于實(shí)現(xiàn)小麥播種過(guò)程播量監(jiān)測(cè)、漏播檢測(cè)，提升小麥播種智能化水平具有重要意義。

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家已實(shí)現(xiàn)多種作物的全程機(jī)械化，目前正逐步向智能化方向發(fā)展[8-9]。在播種監(jiān)測(cè)技術(shù)與裝備方面，國(guó)外研究起步較早，開發(fā)日漸完善，Taghinezhad等[10]研制了一套集成電容式甘蔗排種器播種質(zhì)量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)甘蔗播種過(guò)程中漏播和重播檢測(cè)；Gierz等[11]利用PVDF薄膜研制了壓電傳感檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了谷物計(jì)數(shù)和堵塞檢測(cè)?，F(xiàn)階段國(guó)外播種檢測(cè)產(chǎn)品更專業(yè)化、標(biāo)準(zhǔn)化和系列化。美國(guó)John Deere公司的N540、法國(guó)KHUN公司的MAXIMA 3e、德國(guó)HORSCH公司的Maestro SW等播種機(jī)，均配備播種量檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小麥、玉米、大豆等作物的排種總量、漏播率、播種面積等參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[12]。上述播種檢測(cè)裝備促進(jìn)了農(nóng)業(yè)智能化的發(fā)展，但相關(guān)檢測(cè)裝置只能與相應(yīng)的播種機(jī)配套使用，且價(jià)格昂貴，難以在國(guó)內(nèi)大面積推廣應(yīng)用。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)相關(guān)播種機(jī)械的研制開發(fā)推動(dòng)了播種檢測(cè)技術(shù)與裝備的快速發(fā)展[13]。周利明等[14]設(shè)計(jì)了基于電容信號(hào)的排種性能檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小麥排種器轉(zhuǎn)速50～70 r/min時(shí)的在線檢測(cè)；陳建國(guó)等[15-16]設(shè)計(jì)了小麥播量檢測(cè)系統(tǒng)，建立了小麥種數(shù)與電容積分的關(guān)系模型，實(shí)現(xiàn)播種量105～225 kg/hm2，播種機(jī)速度為1.4～4.1 km/h的小麥播種檢測(cè)；姜萌等[17]研制了基于紅外檢測(cè)原理的內(nèi)插式播種量檢測(cè)傳感器，滿足播種量120～180 kg/hm2、作業(yè)速度2.5～4.6 km/h條件下的精少量小麥播量檢測(cè)要求；丁永前等[18]研發(fā)稱量式播量檢測(cè)裝置，在作業(yè)面積大于0.033 hm2時(shí)，檢測(cè)裝置的最大絕對(duì)相對(duì)偏差為9.61%；盧彩云等[19]利用高速攝影系統(tǒng)采集精密排種器的排出種子的運(yùn)動(dòng)軌跡，通過(guò)圖像分析實(shí)現(xiàn)了排種性能的檢測(cè)；王金武等[20]研制了基于壓電薄膜的水稻播種的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)精準(zhǔn)檢測(cè)水稻直播機(jī)播種狀態(tài)；在高通量顆粒流精準(zhǔn)檢測(cè)方面，丁幼春等[21]設(shè)計(jì)了基于分流機(jī)制與薄面激光-硅光電池結(jié)合的高通量小粒徑種子流檢測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)了油菜等小粒徑種子高通量檢測(cè)。

綜上，現(xiàn)有研究主要利用電容檢測(cè)法[22]、機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)法[23]、壓電檢測(cè)法[24]和光電檢測(cè)法[25]實(shí)現(xiàn)播種量不超過(guò)225 kg/hm2，播種機(jī)速度不超過(guò)7 km/h時(shí)的油菜、玉米、小麥、馬鈴薯、棉花等種子播種過(guò)程的實(shí)時(shí)檢測(cè)。其中電容檢測(cè)靈敏度高、抗污染能力強(qiáng)，但易受溫度和濕度的影響，田間穩(wěn)定性有待提高；視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)可真實(shí)反應(yīng)整個(gè)排種過(guò)程，主要適應(yīng)于精量排種，成本較高、易受外界光線干擾。壓電檢測(cè)法具有成本低和低頻準(zhǔn)確率高的特點(diǎn)，感應(yīng)元件易受振動(dòng)影響，對(duì)高頻排種檢測(cè)精度不高；光電檢測(cè)法利用種子對(duì)光線遮擋時(shí)產(chǎn)生的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為脈沖信號(hào)，信號(hào)處理識(shí)別系統(tǒng)讀取脈沖信號(hào)，實(shí)現(xiàn)播種檢測(cè)，其主要應(yīng)用于玉米、大豆等作物精少量播種播量檢測(cè)，但不能直接用于小麥等高速播種高頻種子流播種檢測(cè)（播種量為225 kg/hm2，速度為9 km/h），主要原因是高頻種子流多粒種子容易相互重疊，影響檢測(cè)精度。針對(duì)小麥高頻排種種子流精準(zhǔn)計(jì)數(shù)困難的問(wèn)題，本文提出將高通量變?yōu)榈屯慷嗤ǖ啦⑿型綑z測(cè)方法，運(yùn)用凸透鏡折射和非接觸式光電感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置，對(duì)其進(jìn)行試驗(yàn)。以期為實(shí)現(xiàn)小麥高頻排種種子流精準(zhǔn)計(jì)數(shù)提供參考。

1 多通道并行檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 檢測(cè)裝置結(jié)構(gòu)

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置如圖 1所示，其主要由種子分流結(jié)構(gòu)、薄面LED光發(fā)射模組、光源接收模組、多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)、播種狀態(tài)顯示屏、電源指示燈、電源開關(guān)、電源等組成。種子分流結(jié)構(gòu)由入種管14、錐形分流盤13、四通道分流管11等組成；薄面LED光發(fā)射模組由LED陣列光源6、薄面LED窄縫5、LED光源支架4等組成；光源接收模組由凸透鏡10、硅光電池9、光源接收模組支架8組成。

1.電源指示燈 2.電源開關(guān) 3.電源 4.LED光源支架 5.薄面LED窄縫 6.LED陣列光源 7.OLED顯示屏 8.光源接收模組支架 9.硅光電池 10.凸透鏡 11. 四通道分流管 12.多路信號(hào)同步采集系統(tǒng) 13.錐形分流盤 14.入種管

1.2 工作原理

工作時(shí)，小麥排種器排出高頻的小麥種子流經(jīng)導(dǎo)種管進(jìn)入檢測(cè)裝置入種管，隨后下落至錐形分流盤，在分流盤作用下均勻分流成4路低頻小麥種子流；分流后的種子流相互獨(dú)立，當(dāng)種子流穿過(guò)LED光層時(shí)對(duì)光層產(chǎn)生局部遮擋，從而減小硅光電池上的光強(qiáng)，引起硅光電池電壓變化；同時(shí)，多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)對(duì)微小電壓變化信號(hào)進(jìn)行濾波、二次放大、二極管整流、電壓比較、光耦隔離等處理，最終轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定脈沖信號(hào)供單片機(jī)識(shí)別，信號(hào)經(jīng)單片機(jī)處理后在OLED屏幕顯示；穿過(guò)光層后的小麥種子重新匯聚，經(jīng)檢測(cè)裝置出種管排出，完成小麥種子播種檢測(cè)。

2 檢測(cè)裝置主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)包括分流結(jié)構(gòu)和感應(yīng)結(jié)構(gòu)，其中感應(yīng)結(jié)構(gòu)由薄面LED光發(fā)射模組和光源接收模組組成。檢測(cè)裝置主要參數(shù)有分流管直徑、支架窄縫寬度、凸透鏡焦距。為確定各元件位置、獲得較好光層尺寸，進(jìn)行光路分析與窄縫尺寸分析。

2.1 分流結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)長(zhǎng)江中下游稻麥輪作區(qū)小麥播種的農(nóng)藝要求，結(jié)合播種機(jī)高速作業(yè)需要，小麥播種量一般少于225 kg/hm2，以拖拉機(jī)前進(jìn)速度9 km/h，幅寬2.0 m，播種行數(shù)8為計(jì)算依據(jù)[26]，小麥品種選用魯豐22號(hào)，其千粒質(zhì)量為44.67 g。此時(shí)，小麥排種頻率可達(dá)320 Hz，形成高通量種子流，當(dāng)多粒種子相互重疊時(shí)僅能檢測(cè)出1粒，從而影響檢測(cè)精度。為提高檢測(cè)準(zhǔn)確率，需減少檢測(cè)通道內(nèi)小麥種子流數(shù)量，因此提出一種變高通量為低通量多通道并行同步檢測(cè)的方法。根據(jù)課題組前期試驗(yàn)數(shù)據(jù)，光電檢測(cè)法在排種頻率超過(guò)80 Hz后，裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率顯著下降，因此單路有效檢測(cè)頻率取80 Hz[27]。由此計(jì)算出分流路數(shù)為4路，考慮高速直播作業(yè)對(duì)小麥排種影響，即可確定該分流結(jié)構(gòu)采用“一分四”形式。

基于變高通量為低通量多通道并行同步檢測(cè)的思路，為實(shí)現(xiàn)單路高頻小麥種子均勻分流為4路低頻小麥種子流，設(shè)計(jì)分流結(jié)構(gòu)。如圖2所示，分流結(jié)構(gòu)主要分為入種管、錐形分流盤、入種腔、分流管4部分。

為保證小麥通過(guò)分流結(jié)構(gòu)的流暢性，分流結(jié)構(gòu)內(nèi)部曲面應(yīng)盡可能光滑，同時(shí)分流結(jié)構(gòu)各管道管徑大小應(yīng)滿足高頻排種流通量要求。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，最大內(nèi)切圓直徑（分流管內(nèi)徑）與小麥種子尺寸關(guān)系應(yīng)滿足[27]

式中d為小麥種子三軸尺寸最大值，mm。根據(jù)小麥種子三軸尺寸測(cè)定數(shù)據(jù)，3.45≤≤6.82 mm，帶入式（1）得≥13.64 mm。

分流結(jié)構(gòu)主要參數(shù)有分流管高度L，分流管內(nèi)徑，錐形分流盤高度等。入種管與小麥播種機(jī)導(dǎo)種管相連，故取分流結(jié)構(gòu)入種管內(nèi)徑為40 mm；為保證小麥種子能快速進(jìn)入分流管，設(shè)計(jì)1為10 mm，為25 mm。

1.入種管 2.錐形分流盤 3.入種腔 4.分流管

1. Seeding tube 2.Conical splitter plate 3.Seeding cavity 4.Shunt pipe

注：為錐形分流盤錐體弧面半徑，mm；1為錐形分流盤錐體底面半徑，mm；為錐形分流盤高度，mm；L為分流管高度，mm；為分流管內(nèi)徑，mm。

Note:is the arc radius of the cone of the conical distributor，mm;1is the radius of the cone bottom of the conical splitter disc, mm;is the height of the conical distributor, mm;Lis the height of shunt pipe, mm;is the inner diameter of the shunt pipe, mm.

圖2 分流結(jié)構(gòu)三維示意圖

Fig.2 Three-dimensional diagram of the shunt structure

為防止小麥種子堵塞分流管，設(shè)計(jì)分流管高度L為40 mm，根據(jù)農(nóng)藝要求，小麥種子的排種頻率和分流管內(nèi)徑的關(guān)系需滿足以下關(guān)系式[28]。

式中為重力加速度，m/s2；為小麥通過(guò)分流管時(shí)間，s；為小麥排種頻率，Hz；1為單通道小麥排種頻率，Hz；11為小麥種子三軸尺寸中較大的兩個(gè)值，mm。

根據(jù)式（2）可知，在分流管高度一定的情況下，影響小麥通過(guò)性的因素主要有分流管內(nèi)徑、小麥種子的三軸尺寸。其中經(jīng)過(guò)測(cè)量11取6.82和3.60 mm，1為80 Hz，計(jì)算得到此時(shí)的分流管內(nèi)徑為15.03 mm，綜合考慮裝置裝配關(guān)系、體積等因素，最后取分流管內(nèi)徑為18 mm可行。

2.2 小麥種子感應(yīng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光路分析

課題組前期基于薄面激光-硅光電池傳感原理設(shè)計(jì)了一種小粒徑種子流監(jiān)測(cè)裝置[25]，實(shí)現(xiàn)了小粒徑種子流的檢測(cè)。但所用的薄面激光發(fā)射模組成本較高，占用空間體積較大。本文提出LED燈珠作為光源，利用窄縫產(chǎn)生薄面光層，并利用凸透鏡折射原理擴(kuò)大有效檢測(cè)面積，提升種子流通過(guò)性。如圖3所示，小麥種子感應(yīng)結(jié)構(gòu)主要包括LED陣列光源、光源支架、凸透鏡、硅光電池、硅光電池支架，LED陣列光源用于產(chǎn)生高亮度光，硅光電池接收強(qiáng)光光線。本設(shè)計(jì)選用小體積高亮度貼片LED作為光源，其光照強(qiáng)度滿足需求。感應(yīng)元件選取尺寸較大的2DU10硅光電池。單通道光源由兩個(gè)貼片LED燈珠組成，對(duì)稱布置于凸透鏡軸線兩側(cè)，檢測(cè)裝置共4個(gè)通道，總計(jì)有8個(gè)貼片LED燈珠。LED燈珠工作時(shí)光呈160°向外擴(kuò)散，安裝貼片LED燈珠時(shí)，為保證最佳光層效果，燈珠中心平面應(yīng)與窄縫中心平面重合。實(shí)際光傳播過(guò)程中，薄面光分為三段，即窄縫段、檢測(cè)段、匯聚段。工作時(shí)，LED燈珠發(fā)出的發(fā)散光經(jīng)窄縫變?yōu)楸∶婀?，最后?jīng)凸透鏡匯聚在硅光電池上。硅光電池位于凸透鏡焦點(diǎn)，窄縫的中心軸、凸透鏡的光軸、硅光電池的中心軸三軸共線。

1.LED陣列光源 2.LED發(fā)散光 3.光源支架 4.LED平面光 5.小麥種子 6.分流管 7.硅光電池支架 8.凸透鏡 9.硅光電池 I.窄縫段 II.檢測(cè)段 III.匯聚段

為合理設(shè)計(jì)凸透鏡焦距，進(jìn)行了無(wú)盲區(qū)理想點(diǎn)光源光路分析。LED貼片于凸透鏡光軸兩側(cè)呈對(duì)稱式布置，將LED簡(jiǎn)化成理想點(diǎn)光源，即重點(diǎn)分析考慮窄縫的過(guò)濾作用下，穿過(guò)窄縫的光層，簡(jiǎn)化被遮擋光束和通過(guò)窄縫之后衰減光束的影響，構(gòu)建雙理想點(diǎn)光源光路分析圖（圖 3的軸負(fù)方向）。如圖4，由S1和S2位置LED發(fā)射的光經(jīng)凸透鏡折射，匯聚到硅光電池上。圖中白色區(qū)域2為檢測(cè)盲區(qū)，遮擋該區(qū)域的LED光對(duì)硅光電池兩端電壓變化無(wú)影響，若種子從該區(qū)域通過(guò)，檢測(cè)裝置無(wú)法檢測(cè)；淺灰色區(qū)域?yàn)閱吸c(diǎn)光源檢測(cè)區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)只有單塊LED光照射，種子從該區(qū)域掉落后，硅光電池能夠捕捉到光強(qiáng)的變化；深灰色區(qū)域?yàn)殡p點(diǎn)光源檢測(cè)區(qū)域，該區(qū)域被LED光照射兩次，光線更加充足，種子從該區(qū)域落下后，光強(qiáng)變化大，硅光電池兩端電壓變化明顯，容易實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)。

在理想點(diǎn)光源條件下，對(duì)單個(gè)點(diǎn)光源光路進(jìn)行分析，構(gòu)建單理想點(diǎn)光源的極限位置光路分析如圖5所示。

根據(jù)分流管內(nèi)徑最大尺寸，得到為無(wú)盲區(qū)長(zhǎng)度。根據(jù)幾何關(guān)系可得

式中為凸透鏡焦距，mm。

1.理想點(diǎn)光源 2.檢測(cè)盲區(qū) 3.單點(diǎn)光源檢測(cè)區(qū)域 4.雙點(diǎn)光源檢測(cè)區(qū)域 5.凸透鏡 6.硅光電池

1.Ideal point light source 2.Detection blind area 3.Single point light source detection area 4.Double point light source detection area 5.Convex lens 6.Silicon photocell

注：S1、S2為理想點(diǎn)光源點(diǎn)；S1'、S2'分別為S1、S2在透鏡中的投影。

Note: S1and S2are the ideal point light source point;S1and S2are the projections of S1and S2in the lens respectively.

圖4 雙理想點(diǎn)光源極限位置光路分析圖

Fig.4 Optical path analysis diagram of limit position of double ideal point light source

注：B為光線與凸透鏡的軸線交點(diǎn)；C為硅光電池感光區(qū)域邊界；A為光線與凸透鏡的交點(diǎn)；S′為S點(diǎn)在透鏡中的投影；u為點(diǎn)光源離凸透鏡的距離，mm；v為物像離凸透鏡的距離，mm；h為點(diǎn)光源離凸透鏡軸線的距離，mm；h'為物像離凸透鏡軸線的距離，mm；L為無(wú)盲區(qū)最大長(zhǎng)度，mm；z為凸透鏡焦點(diǎn)和光路與凸透鏡的交點(diǎn)之間的長(zhǎng)度，mm；a為硅光電池的有效長(zhǎng)度，mm；O為凸透鏡端面中心點(diǎn)。

根據(jù)式（3）得：

根據(jù)裝置設(shè)計(jì)整體尺寸，結(jié)合元件外形尺寸，取=48 mm、=7 mm、=10 mm代入式（4）可得，≤21.4 mm。考慮到裝置的體積因素，選擇焦距為20 mm的凸透鏡。

2.3 窄縫尺寸設(shè)計(jì)與性能分析

為獲得較好效果的薄面光，進(jìn)行薄面LED窄縫尺寸設(shè)計(jì)。其中，“薄面光”為L(zhǎng)ED燈珠產(chǎn)生發(fā)散光經(jīng)過(guò)窄縫，依次通過(guò)分流管出口和凸透鏡，最終匯聚到硅光電池上的光層。薄面LED光發(fā)射模組的窄縫寬度影響光層厚度與發(fā)散度。若窄縫寬度過(guò)窄，則會(huì)減小種子穿越光層時(shí)硅光電池的光強(qiáng)變化，降低檢測(cè)精度，增加加工難度；反之，會(huì)增加種子穿越光層的時(shí)間，降低檢測(cè)性能。在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，以有效感應(yīng)區(qū)域的光層厚度（凸透鏡上光的厚度）不大于1.5 mm且不小于1.0 mm為宜。忽略被遮擋光束和通過(guò)窄縫之后衰減無(wú)效光束的影響，構(gòu)建薄面LED光層、窄縫與硅光電池的幾何關(guān)系如圖 6所示（圖3中軸負(fù)方向）：

1.LED燈珠 2.窄縫 3.凸透鏡

1.LED light bead 2.Narrow slit 3.Convex lens

注：為凸透鏡上光層厚度，mm；為窄縫寬度，mm；1為L(zhǎng)ED燈和窄縫之間的距離，mm；2為窄縫長(zhǎng)度，mm；3為凸透鏡距離窄縫距離，mm；為光線發(fā)射角度，(°)。

Note:is the thickness of optical layer on the convex lens, mm;is narrow slit width, mm;1is the distance between LED lamp and narrow slit, mm;2is the length of narrow slit, mm;3is the distance from convex lens to narrow slit, mm;is the ray emission angle, (°).

圖6 薄面LED窄縫與光路關(guān)系

Fig.6 Relationship between thin-surface LED narrow slit and light path

光層厚度關(guān)系有

根據(jù)式（5）得：

根據(jù)分流管內(nèi)徑=18 mm，取3==18 mm，結(jié)合檢測(cè)裝置整體尺寸，取窄縫長(zhǎng)度2=24 mm。為了得到厚度1.0 mm≤≤1.5 mm的光層，由式（6）計(jì)算得出窄縫寬度0.4 mm≤≤0.6 mm。

為得到合適窄縫寬度，分別設(shè)計(jì)了窄縫寬度為0.4、0.5和0.6 mm的LED光源支架，并在不同排種頻率下開展了小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置準(zhǔn)確率臺(tái)架對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)使用的LED光源支架實(shí)物圖與其在裝配體上的位置關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同窄縫寬度LED光源支架實(shí)物及其位置關(guān)系裝配圖

將小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置入種管與排種器（農(nóng)哈哈小麥排種器）出種口用導(dǎo)種管相連，接種杯置于檢測(cè)裝置出種管正下方用來(lái)收集排出的小麥種子。調(diào)節(jié)旋鈕使排種器工作頻率設(shè)定值，開展20～320 Hz頻率范圍內(nèi)的臺(tái)架試驗(yàn)，20 Hz為一個(gè)頻率梯度，共15個(gè)頻率水平等級(jí)，每個(gè)頻率下排種20 s，結(jié)束后記錄顯示屏上的小麥種子數(shù)量，接種杯中的小麥種子通過(guò)人工統(tǒng)計(jì)的方式得實(shí)際粒數(shù)，重復(fù)3次，取平均值利用檢測(cè)種子數(shù)與實(shí)際種子數(shù)的比值計(jì)算準(zhǔn)確率。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖 8所示。

1.排種器 2.導(dǎo)種管 3.調(diào)速器 4.檢測(cè)裝置 5.接種盒

不同窄縫寬度下排種頻率和檢測(cè)準(zhǔn)確率的關(guān)系，如圖9所示。

圖9 檢測(cè)準(zhǔn)確率隨排種頻率變化曲線圖

由圖9可知，當(dāng)排種頻率低于60 Hz時(shí)，3種窄縫寬度檢測(cè)裝置的檢測(cè)準(zhǔn)確率無(wú)明顯差異，檢測(cè)準(zhǔn)確率高于95.27%；當(dāng)排種頻率在60～80 Hz時(shí)，0.5 mm窄縫寬度檢測(cè)裝置的檢測(cè)準(zhǔn)確率最高，0.4和0.6 mm的無(wú)明顯差異；當(dāng)排種頻率高于80 Hz時(shí)，檢測(cè)準(zhǔn)確率由高到低分別為0.5、0.6、0.4 mm。試驗(yàn)表明，在適當(dāng)范圍內(nèi)減小窄縫寬度能夠提高檢測(cè)準(zhǔn)確率，但窄縫寬度過(guò)小也會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)準(zhǔn)確率降低，故合適窄縫寬度為0.5 mm，此時(shí)凸透鏡光層厚度為1.25 mm。

窄縫光路距離1、2、3關(guān)系為

聯(lián)立式（5）～（7）可得LED燈與窄縫距離1、凸透鏡光層厚度、窄縫寬度關(guān)系為

將=48 mm、=0.5 mm、1.25 mm代入公式（8）可得，LED燈與窄縫距離1為5.9 mm。

3 多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)及檢測(cè)流程

3.1 小麥種子感應(yīng)信號(hào)分析

為保證精準(zhǔn)檢測(cè)小麥種子，利用示波器（UNIT UTD2012CEL）采集和分析小麥種子原始信號(hào)。測(cè)試時(shí)，在自然光照條件下，貼片LED燈珠提供穩(wěn)定持續(xù)光照，經(jīng)光源支架轉(zhuǎn)換為薄面光，經(jīng)凸透鏡匯聚，照射到硅光電池上，產(chǎn)生300 mV的偏置電壓。小麥種子下落穿越薄面光層時(shí)，會(huì)使硅光電池的偏置電壓瞬間減小，之后恢復(fù)常態(tài)。根據(jù)光伏效應(yīng)原理，由于小麥種子尺寸差異和投影角度不同，種子穿越光層時(shí)產(chǎn)生的遮擋面積也不一樣，種子穿越光層時(shí)硅光電池產(chǎn)生值為15～35 mV范圍內(nèi)的偏置電壓變化信號(hào)。圖10為不同投種角度的小麥種子感應(yīng)原始及放大信號(hào)波形圖。

注：圖中投種方向?yàn)楣鈱悠矫娣ň€方向；實(shí)線為原始信號(hào)；虛線為放大信號(hào)；方向1為小麥種子長(zhǎng)軸垂直于光路的方向；方向2為小麥種子長(zhǎng)軸平行于光路的方向；方向3為小麥種子長(zhǎng)軸與光線平面成一定角度方向。

種子穿越光層時(shí)間直接影響檢測(cè)裝置靈敏度，根據(jù)能量守恒定律，分析小麥種子運(yùn)動(dòng)規(guī)律[28]。為簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)過(guò)程，忽略空氣阻力與管壁碰撞對(duì)小麥種子速度的影響，小麥種子到達(dá)光層速度與裝置結(jié)構(gòu)關(guān)系如下：

根據(jù)式（9）得小麥種子穿越光層最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間為

3.2 多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為準(zhǔn)確分析和處理小麥種子信號(hào)，基于小麥種子信號(hào)特性分析，設(shè)計(jì)多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)，如圖11所示。該系統(tǒng)主要由電路供電模塊、多路信號(hào)同步采集模塊、信號(hào)處理模塊及顯示模塊組成。

圖11 信號(hào)采集系統(tǒng)框圖

多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)工作時(shí)，電路供電模塊為整個(gè)檢測(cè)裝置供電，硅光電池兩端電壓因小麥種子穿過(guò)光層時(shí)對(duì)光層產(chǎn)生局部遮擋而變化，采集模塊同步采集4通道電壓信號(hào)；信號(hào)處理模塊進(jìn)行濾波、放大、比較、光耦隔離等環(huán)節(jié)，將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖信號(hào)，完成信號(hào)調(diào)理；利用Mega2560最小系統(tǒng)的外部中斷同步處理功能，同時(shí)將4通道種子信號(hào)轉(zhuǎn)化為播種信息；顯示模塊顯示各通道種子數(shù)、排種頻率、排種量等信息，最終實(shí)現(xiàn)4路小麥種子的精準(zhǔn)計(jì)數(shù)。

3.3 檢測(cè)流程

多通道并行檢測(cè)裝置小麥種子流計(jì)數(shù)流程如圖12所示。小麥種子由入種管進(jìn)入檢測(cè)裝置，在分流盤作用下均勻分流成4路低頻小麥種子流；分流后的種子流相互獨(dú)立，當(dāng)種子流穿過(guò)LED光層時(shí)對(duì)光層產(chǎn)生局部遮擋信號(hào)；信號(hào)經(jīng)濾波、放大、比較、光耦隔離等處理流程，轉(zhuǎn)化為數(shù)字中斷信號(hào)；單片機(jī)采集外部中斷個(gè)數(shù)并處理成種子數(shù)量num++（=1,2,3,4。為通道號(hào)），此時(shí)的總數(shù)sum為各通道數(shù)之和，sum′為前1 s各通道數(shù)之和。定時(shí)器中斷在此過(guò)程中，記錄1 s的播量信息，利用sum和sum′的差值，計(jì)算排種頻率fre，OLED屏更新顯示各通道數(shù)num1～num4、總數(shù)sum以及頻率fre。

圖12 小麥種子流檢測(cè)流程圖

4 檢測(cè)裝置臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料與設(shè)備

臺(tái)架試驗(yàn)所用材料為魯豐22號(hào)小麥種子，試驗(yàn)前人工挑選出缺損開裂的小麥種子。試驗(yàn)所用主要儀器及設(shè)備為農(nóng)哈哈勺輪小麥排種器、固定臺(tái)架、接種盒、可調(diào)直流穩(wěn)壓電源、直流電機(jī)、塑膠軟管、秒表。同時(shí)，利用塑封袋、數(shù)粒儀、標(biāo)簽紙等對(duì)檢測(cè)的結(jié)果進(jìn)行記錄。整體試驗(yàn)裝置圖8所示。

4.2 試驗(yàn)方法與結(jié)果分析

試驗(yàn)?zāi)康脑谟谠u(píng)估小麥種子流檢測(cè)裝置對(duì)不同排種頻率小麥種子流檢測(cè)的準(zhǔn)確率及可靠性。

試驗(yàn)前，調(diào)整各試驗(yàn)設(shè)備，使測(cè)試系統(tǒng)保持穩(wěn)定并處于理想工作狀態(tài)。將薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置固定于勺輪小麥排種器投種口下方合適位置，利用接種盒收集通過(guò)檢測(cè)裝置的種子。試驗(yàn)時(shí)，控制排種電機(jī)轉(zhuǎn)速，開展80～180 r/min電機(jī)轉(zhuǎn)速下的臺(tái)架試驗(yàn)，20 r/min為一個(gè)速度梯度，每個(gè)轉(zhuǎn)速下排種20 s，并重復(fù)3次試驗(yàn)；SLY-C微電腦自動(dòng)數(shù)粒儀在低頻狀態(tài)下（8 Hz以下）對(duì)小麥數(shù)粒準(zhǔn)確率近似于100%，利用這一特性，調(diào)節(jié)數(shù)粒儀數(shù)粒頻率置低頻，將接種盒內(nèi)種子進(jìn)行數(shù)粒儀統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)完成后將實(shí)際種子數(shù)量記錄在標(biāo)簽紙上；剔除試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的異常數(shù)據(jù)，在當(dāng)時(shí)的轉(zhuǎn)速下重新開始試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合檢測(cè)準(zhǔn)確率-排種頻率曲線，觀察播量檢測(cè)準(zhǔn)確率隨排種頻率變化，使結(jié)果盡可能接近真實(shí)排種頻率，試驗(yàn)結(jié)果如圖 13所示。

圖13 檢測(cè)準(zhǔn)確率隨小麥排種頻率變化曲線

由圖13可得，小麥排種器轉(zhuǎn)速在80～180 r/min時(shí)，對(duì)應(yīng)田間正常排種頻率范圍為49.55～329.55 Hz，隨著排種頻率增加，各通道內(nèi)種子重疊概率加大，檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率逐漸降低。經(jīng)過(guò)線性擬合后排種頻率-檢測(cè)準(zhǔn)確率特性曲線關(guān)系式為()-0.0742100.16，決定系數(shù)2為0.979，排種頻率-檢測(cè)準(zhǔn)確率線性關(guān)系顯著。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中沒(méi)有出現(xiàn)種子堵塞和種子流通不暢現(xiàn)象，也沒(méi)有發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸顯示故障。

4.3 檢測(cè)裝置誤差分析及準(zhǔn)確率補(bǔ)償模型

為進(jìn)一步提高小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率，分析傳感檢測(cè)流程。如圖14所示，光層存在一定的厚度，小麥種子完全穿過(guò)光層時(shí)需要2.03 ms左右，在此期間如果存在其他種子穿過(guò)光層，引起多粒種子的震蕩信號(hào)重疊，單片機(jī)無(wú)法識(shí)別出多粒種子而引發(fā)漏記；在排種過(guò)程中，高頻率排種出現(xiàn)種子相互堆疊，同一時(shí)間穿過(guò)光層的種子數(shù)量過(guò)多，多粒種子信號(hào)被識(shí)別為一個(gè)，也會(huì)引發(fā)漏記。

1.LED燈珠 2.窄縫邊界 3.分流管 4.小麥種子 5.薄面光層 6.凸透鏡 7.硅光電池

為優(yōu)化檢測(cè)裝置性能，提升檢測(cè)準(zhǔn)確率，基于排種頻率-檢測(cè)準(zhǔn)確率曲線，建立了補(bǔ)償模型，補(bǔ)償模型為

式中是補(bǔ)償后檢測(cè)粒數(shù)；k是補(bǔ)償系數(shù)；是補(bǔ)償前檢測(cè)粒數(shù)。

補(bǔ)償系數(shù)k是關(guān)于排種頻率的函數(shù)，取值隨的增大而增大，補(bǔ)償系數(shù)k和檢測(cè)準(zhǔn)確率()的關(guān)系如下：

為驗(yàn)證構(gòu)建補(bǔ)償模型后裝置的檢測(cè)準(zhǔn)確率提升效果，開展了檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率極限試驗(yàn)，排種頻率一直增加，直至準(zhǔn)確率降低至80%以下。試驗(yàn)過(guò)程無(wú)堵塞現(xiàn)象，結(jié)果如圖15所示。

圖15 使用補(bǔ)償模型后檢測(cè)準(zhǔn)確率隨小麥排種頻率變化曲線

Fig.15 Variation curve of detection accuracy with wheat seeding frequency after using compensation model

對(duì)比圖13和圖15可知：未使用補(bǔ)償模型的裝置，當(dāng)排種頻率達(dá)320 Hz時(shí)，檢測(cè)準(zhǔn)確率為77.03%，使用補(bǔ)償模型后，在相同頻率下準(zhǔn)確率可達(dá)96.68%，檢測(cè)準(zhǔn)確率提升了19.65個(gè)百分點(diǎn)。綜上所述，小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置在構(gòu)建補(bǔ)償模型之后，在正常田間排種頻率范圍52.10～321.55 Hz內(nèi)，檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率均高于96.68%，在正常性能得到較大提升，頻率可測(cè)范圍更廣，檢測(cè)準(zhǔn)確率更高。

4.4 對(duì)比試驗(yàn)

為了驗(yàn)證多通道并行檢測(cè)裝置對(duì)高通量小麥種子流檢測(cè)準(zhǔn)確率提升效果，開展單通道檢測(cè)裝置和多通道并行檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率的對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)時(shí)，將檢測(cè)裝置入種管與排種器出種口用導(dǎo)管相連，接種杯置于檢測(cè)裝置出種管正下方用于收集排出的小麥種子。每次排種時(shí)間20 s，結(jié)束后記錄排種量；人工統(tǒng)計(jì)接種杯內(nèi)的實(shí)際粒數(shù)，計(jì)算準(zhǔn)確率。試驗(yàn)結(jié)果如圖16所示。

圖16 單通道與多通道并行檢測(cè)裝置對(duì)比試驗(yàn)

由圖16可知，排種頻率不超過(guò)32.75 Hz時(shí)，兩種檢測(cè)裝置均具有較高可靠性，檢測(cè)準(zhǔn)確率不低于96.64%；在田間正常排種頻率范圍49.40～320.75 Hz內(nèi)，隨著排種頻率增加，單通道檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率明顯下降，多通道并行檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率保持穩(wěn)定，單通道檢測(cè)準(zhǔn)確率最低為26.67%，多通道并行檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率最低為96.53%，說(shuō)明分流后多通道并行檢測(cè)提高了小麥種子檢測(cè)準(zhǔn)確率。

5 田間試驗(yàn)

為探究播種過(guò)程中機(jī)械振動(dòng)、強(qiáng)光照和土壤粉塵等惡劣條件對(duì)小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置的影響，開展田間試驗(yàn)。

5.1 模擬試驗(yàn)

光照干擾試驗(yàn)時(shí)，直播作業(yè)機(jī)組靜置于田間，啟動(dòng)小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置，在陽(yáng)光照射、人為遮擋外界光和人為照射光3種情況下分別保持20 s。振動(dòng)粉塵干擾試驗(yàn)時(shí)，清空播種機(jī)種箱，開啟小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置，啟動(dòng)拖拉機(jī)模擬正常直播作業(yè)直行50 m，直行過(guò)程中通過(guò)抬升下降播種機(jī)人為制造振動(dòng)和灰塵，重復(fù)5次。測(cè)試者跟隨小麥播種作業(yè)機(jī)組，觀察并記錄顯示的排種頻率及排種總量。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 檢測(cè)裝置田間抗干擾試驗(yàn)結(jié)果

由表1試驗(yàn)結(jié)果可知，檢測(cè)裝置在陽(yáng)光照射、人為遮擋外界光和人為照射光3種情況，測(cè)試頻率示數(shù)、各通道數(shù)量、總播種量始終不變，沒(méi)有發(fā)生誤計(jì)，即田間各種光照條件對(duì)檢測(cè)裝置無(wú)明顯影響。檢測(cè)裝置在播種機(jī)常見(jiàn)振動(dòng)中，沒(méi)有發(fā)生誤計(jì)，即作業(yè)環(huán)境中的各種振動(dòng)工況對(duì)檢測(cè)裝置無(wú)明顯影響。正常播種作業(yè)情況對(duì)檢測(cè)裝置工作性能無(wú)明顯影響。

5.2 田間試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證檢測(cè)裝置在不同排種頻率下的檢測(cè)準(zhǔn)確率，于2021年10月在湖北省襄陽(yáng)市襄州區(qū)龍王鎮(zhèn)開展了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置田間試驗(yàn)，播種機(jī)選用外槽輪式小麥排種器。薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置固定在播種機(jī)上，檢測(cè)裝置的入種管和排種器用導(dǎo)種管相連，出種管下接導(dǎo)種管，并在導(dǎo)種管末端處用塑封袋收集每次試驗(yàn)所排出的種子，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖17所示。

1.紐荷蘭拖拉機(jī) 2.種箱 3.塑封袋 4.排種器 5.導(dǎo)種管 6.檢測(cè)裝置

參考GB/T 9478—2005《谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法》中相關(guān)試驗(yàn)方法[29]，結(jié)合《2021—2022年湖北小麥高質(zhì)量生產(chǎn)指導(dǎo)意見(jiàn)的通知》相關(guān)方法，播種量為稻茬麥播種量187.5～225 kg/hm2。根據(jù)小麥播種機(jī)常用作業(yè)速度，開展2～9 km/h拖拉機(jī)速度下的播種試驗(yàn)，以1 km/h為一個(gè)速度梯度，設(shè)定8個(gè)適宜的直播機(jī)工作速度水平，共8個(gè)速度水平等級(jí)，每個(gè)作業(yè)速度排種時(shí)間設(shè)定20 s，測(cè)定工作距離=40 m，重復(fù)3次。每次試驗(yàn)所排出的種子用塑封袋裝好，并記錄裝置顯示屏上排種頻率、播種總量，試驗(yàn)結(jié)束后進(jìn)行人工數(shù)粒得到實(shí)際的播種量。田間播量監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

表2 裝置田間試驗(yàn)結(jié)果

從表2可以看出，在2～9 km/h的小麥播種機(jī)作業(yè)速度下，排種頻率為67.65～323.95 Hz，薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率高于95.28%，且在試驗(yàn)中未出現(xiàn)堵塞情況。

長(zhǎng)江中下游稻麥輪作區(qū)小麥播種時(shí)，水稻殘茬秸稈量大、土壤黏重板結(jié)、含水率波動(dòng)大，造成播種機(jī)晃動(dòng)，導(dǎo)致各通道種子均勻性降低，易出現(xiàn)單通道種子流量大，檢測(cè)準(zhǔn)確率降低，進(jìn)而影響整體檢測(cè)準(zhǔn)確率。未來(lái)可利用離散隨機(jī)化勻種裝置，提升分流結(jié)構(gòu)在不同傾角作用下的分流均勻性，提高檢測(cè)系統(tǒng)精度。

6 結(jié) 論

本文針對(duì)小麥高頻播種狀態(tài)下難以精準(zhǔn)計(jì)數(shù)的問(wèn)題，基于將高通量變?yōu)榈屯慷嗤ǖ啦⑿型綑z測(cè)的思路，運(yùn)用凸透鏡折射和非接觸式光電感應(yīng)原理，設(shè)計(jì)了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置，開展了檢測(cè)裝置準(zhǔn)確率、抗振性及抗塵性試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了小麥種子準(zhǔn)確、穩(wěn)定、可靠的檢測(cè)。

1）設(shè)計(jì)了種子流分流結(jié)構(gòu)，根據(jù)小麥種子物理特性，在課題組已有傳感原理的基礎(chǔ)上，提出了一種“LED燈珠+窄縫”產(chǎn)生薄面光層，結(jié)合凸透鏡折射原理擴(kuò)大有效檢測(cè)面積的方法，通過(guò)光路分析和窄縫尺寸分析確定了凸透鏡焦距、薄面LED窄縫尺寸及傳感元器件關(guān)鍵參數(shù)。

2）分析了不同投種角度小麥種子感應(yīng)信號(hào)特征，獲得不同投種角度下原始信號(hào)，通過(guò)種子穿越光層運(yùn)動(dòng)規(guī)律分析，得出種子穿越光層時(shí)間；設(shè)計(jì)了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置多路信號(hào)同步采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)同步采集、分析、處理4通道種子信號(hào)，實(shí)現(xiàn)4路小麥種子的精準(zhǔn)計(jì)數(shù)。

3）為提升檢測(cè)準(zhǔn)確率，進(jìn)行了檢測(cè)準(zhǔn)確率-排種頻率測(cè)試，結(jié)果表明：隨著排種頻率增加，檢測(cè)準(zhǔn)確率逐漸降低，排種頻率-檢測(cè)準(zhǔn)確率線性關(guān)系顯著，通過(guò)分析檢測(cè)裝置的誤差規(guī)律，構(gòu)建了準(zhǔn)確率補(bǔ)償模型。臺(tái)架試驗(yàn)表明：排種器轉(zhuǎn)速在80～180 r/min時(shí)，正常排種頻率范圍為52.10～321.55 Hz，檢測(cè)準(zhǔn)確率均高于96.68%。田間播種試驗(yàn)表明：在2～9 km/h的小麥播種機(jī)作業(yè)速度下，田間正常排種頻率為67.65～323.95 Hz，檢測(cè)裝置檢測(cè)準(zhǔn)確率高于95.28%。且在試驗(yàn)中未出現(xiàn)堵塞情況。

[1] 韓天富，李亞貞，曲瀟林，等. 中國(guó)農(nóng)田小麥和玉米產(chǎn)量時(shí)空演變及驅(qū)動(dòng)因素[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(1)：100-108.

Han Tianfu, Li Yazhen, Qu Xiaolin, et al. Spatio-temporal evolutions and driving factors of wheat and maize yields in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(1): 100-108. (in Chinese with English abstract)

[2] 中華人民共和國(guó)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局. 國(guó)家數(shù)據(jù)[EB/OL]. （2021-09-15）[2022-04-06] http: //www. stats. gov. cn/tjsj/.

[3] 廖慶喜，雷小龍，廖宜濤，等. 油菜精量播種技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2017，48(9)：1-16.

Liao Qingxi, Lei Xiaolong, Liao Yitao, et al. Research progress of precision seeding for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 1-16. (in Chinese with English abstract)

[4] 王在滿，裴娟，何杰，等. 水稻精量穴直播機(jī)播量監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(10)：9-16.

Wang Zaiman, Pei Juan, He Jie, et al. Development of the sowing rate monitoring system for precision rice hill-drop drilling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[5] 孫加威，李浩，閻洪，等. 耕作方式和播種量對(duì)稻茬小麥產(chǎn)量及形態(tài)建成的影響[J]. 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2022，40(1)：28-35.

Sun Jiawei, Li Hao, Yan Hong, et al. Effects of the different tillage methods and sowing rates on yield and morphogenesis of wheat in the rice-stubble wheat system[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2022, 40(1): 28-35. (in Chinese with English abstract)

[6] 雷小龍. 油麥兼用型氣送式集排器設(shè)計(jì)及其工作機(jī)理[D]. 武漢：華中農(nóng)業(yè)大學(xué)，2017.

Lei Xiaolong. Design and Working Mechanism of Air-assisted Centralized Metering Device for Rapeseed and Wheat[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University，2017. (in Chinese with English abstract)

[7] Liu W, Hu J, Zhao X, et al. Development and experimental analysis of an intelligent sensor for monitoring seed flow rate based on a seed flow reconstruction technique[J]. Computers and Electronlcs in Agriaulture, 2019, 164: 104899.

[8] 劉成良，林洪振，李彥明，等. 農(nóng)業(yè)裝備智能控制技術(shù)研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51(1)：1-18.

Liu Chengliang, Lin Hongzhen, Li Yanming, et al. Analysis on status and development trend of intelligent control technology for agricultural equipment[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(1): 1-18. (in Chinese with English abstract)

[9] Audu J, Aremu A K. Development, evaluation, and optimization of an automated device for quality detection and separation of cowpea seeds[J]. Artificial lntelligence in Agriculture, 2021, 5: 240-251.

[10] Taghinezhad J, Alimardani R, Jafari A. Development of a capacitive sensing device for prediction of water content in sugarcanes stalks[J]. International Journal of Advanced Science and Technology, 2012, 44: 61-68.

[11] Gierz U, Paszkiewicz B K. PVDF piezoelectric sensors for seeds counting and coulter clogging detection in sowing process monitoring[J]. Journal of Engineering, 2020, 1: 2676725.

[12] 丁幼春，王凱陽(yáng)，劉曉東，等. 中小粒徑種子播種檢測(cè)技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(8)：30-41.

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, et al. Research progress of seeding detection technology for medium and small-size seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 30-41. (in Chinese with English abstract)

[13] 楊碩，王秀，高原源，等. 玉米精密播種粒距在線監(jiān)測(cè)與漏播預(yù)警系統(tǒng)研究[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52(3)：17-24，35.

Yang Shuo, Wang Xiu, Gao Yuanyuan, et al. Design of on-line seed spacing monitoring and miss seeding warning system for Maize Precision Planting[J]. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery, 2021, 52(3): 17-24, 35. (in Chinese with English abstract)

[14] 周利明，張小超，苑嚴(yán)偉. 小麥播種機(jī)電容式排種量傳感器設(shè)計(jì)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2010，26(10)：99-103.

Zhou Liming, Zhang Xiaochao, Yuan Yanwei. Design of capacitance seed rate sensor of wheat planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(10): 99-103. (in Chinese with English abstract)

[15] 陳建國(guó)，李彥明，覃程錦，等. 小麥播種量電容法檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2018，34(18)：51-58.

Chen Jianguo, Li Yanming, Qin Chengjin, et al. Design and test of capacitive detection system for wheat seeding quantity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 51-58. (in Chinese with English abstract)

[16] 陳建國(guó)，李彥明，覃程錦，等. 小麥精量播種機(jī)排種高精度檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50(1)：66-74.

Chen Jianguo, Li Yanming, Qin Chengjin, et al. Design and experiment of precision detecting system for wheat-planter seeding quantity[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(1): 66-74. (in Chinese with English abstract)

[17] 姜萌，劉彩玲，都鑫，等. 小麥精少量播種播量檢測(cè)系統(tǒng)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2021，37(5)：50-58.

Jiang Meng, Liu Cailing, Du Xin, et al. Development of seeding rate detection system for precision and small amount sowing of wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 50-58. (in Chinese with English abstract)

[18] 丁永前，劉卓，陳沖，等. 基于動(dòng)態(tài)稱量原理的泛函式播種施肥量檢測(cè)方法[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2021，52(10)：146-154.

Ding Yongqian, Liu Zhuo, Chen Chong, et al. Functional detection method of application rate based on principle of dynamic weighing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(10): 146-154. (in Chinese with English abstract)

[19] 盧彩云，李洪文，何進(jìn)，等. 間歇式自動(dòng)取樣條播排種器排種性能檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(24)：10-19.

Lu Caiyun, Li Hongwen, He Jin, et al. Development of testbed for seeding performance test of drill metering device based on intermittent automatic sampling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 10-19. (in Chinese with English abstract)

[20] 王金武，張曌，王菲，等. 基于壓電沖擊法的水稻穴直播監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2019，50(6)：74-84，99.

Wang Jinwu, Zhang Zhao, Wang Fei, et al. Design and experiment of monitoring system for rice hill-direct-seeding based on piezoelectric impact method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(6): 74-84, 99. (in Chinese with English abstract)

[21] 丁幼春，王凱陽(yáng)，杜超群，等. 高通量小粒徑種子流檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(13)：20-28.

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Du Chaoqun, et al. Design and experiment of high-flux small-size seed flow detection device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 20-28. (in Chinese with English abstract)

[22] 周利明，王書茂，張小超，等. 基于電容信號(hào)的玉米播種機(jī)排種性能監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J]．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2012，28(13)：16-21.

Zhou Liming, Wang Shumao, Zhang Xiaochao, et al. Seed monitoring system for corn planter based on capacitance signal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(13): 16-21. (in Chinese with English abstract)

[23] 侯加林，田林，李天華，等. 基于雙側(cè)圖像識(shí)別的大蒜正芽及排種試驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(1)：50-58.

Hou Jialin, Tian Lin, Li Tianhua, et al. Design and experiment of test bench for garlic bulbil adjustment and seeding based on bilateral image identification[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 50-58. (in Chinese with English abstract)

[24] 趙博，樊學(xué)謙，周利明，等. 氣流輸送播種機(jī)壓電式流量傳感器設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2020，51(8)：55-61.

Zhao Bo, Fan Xueqian, Zhou Liming, et al. Design and test of piezoelectric flow sensor for pneumatic seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(8): 55-61. (in Chinese with English abstract)

[25] 丁幼春，朱凱，王凱陽(yáng)，等. 薄面激光-硅光電池中小粒徑種子流監(jiān)測(cè)裝置研制[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2019，35(8)：12-20.

Ding Youchun, Zhu Kai, Wang Kaiyang, et al. Development of monitoring device for medium and small size seed flow based on thin surface laser- silicon photocell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 12-20. (in Chinese with English abstract)

[26] 湖北省農(nóng)業(yè)農(nóng)村廳. 2021-2022年湖北小麥高質(zhì)量生產(chǎn)指導(dǎo)意見(jiàn)[EB/OL].（2021-09-22）[2022-04-06] http: //nyt. hubei. gov. cn/.

[27] 丁幼春，楊軍強(qiáng)，朱凱，等. 油菜精量排種器種子流傳感裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2017，33(9)：29-36.

Ding Youchun, Yang Junqiang, Zhu Kai, et al. Design and experiment on seed flow sensing device for rapeseed precision metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 29-36. (in Chinese with English abstract)

[28] 李玉環(huán)，楊麗，張東興，等. 氣吸式玉米高速精量排種器直線投種過(guò)程分析與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(9)：26-35.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Analysis and test of linear seeding process of maize high speed precision metering device with air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 26-35. (in Chinese with English abstract)

[29] 中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).谷物條播機(jī)試驗(yàn)方法：GB/T 9478-2005[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

Design and experiment of the wheat seed flow multi-channel parallel detection device with thin-surface light refraction

Xu Chunbao, Liu Jingyi, Su Qingmao, Jin Wei, Wang Denghui, Wang Wanchao, Ding Youchun※

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

A seed metering device is closely related to the sowing quantity and crop yield in the planting process. Various detection methods have been used to improve the seeding performance for corn, and soybean precision seeding in recent years, such as photoelectric sensor detection, high-speed photography, and capacitance sensing. However, it is difficult to accurately count the high-frequency seed flow in the process of high-speed wheat sowing. In this study, a set of multi-channel parallel detection device was designed for the wheat seed flow with thin-surface light refraction. A "LED lamp beads + narrow slots" method was also proposed to generate the thin-surface light layer, in order to combine the convex lens refraction for the large effective detection area. According to the physical characteristics of wheat seeds, the seed stream shunt structure and the thin-surface LED narrow slot size were designed to determine the convex lens focal length and the key parameters of the sensing components. The multi-channel parallel detection and sensing were utilized to develop a multi-channel signal synchronous acquisition system for the multi-channel parallel detection device of the wheat seed flow with thin-surface light refraction. The seeding accuracy rate and frequency test was conducted to improve the detection accuracy. Among them, the error rule of the detection device was analyzed to construct the accuracy compensation model. The bench test showed that the normal seeding frequency range was 52.10～321.55Hz in the field, and the detection accuracy was not less than 96.68%, when the rotation speed of the seed metering device was 80～180r/min. The comparison test showed that high reliability was achieved with a detection accuracy of not less than 96.64%, when the seeding frequency was not more than 32.75Hz. The detection accuracy rate of the single-channel detection device decreased significantly in the frequency range of 49.40～320.75Hz during seed metering in the field, with the increase of seeding frequency. There was a stable detection accuracy rate of the multi-channel parallel detection device. Specifically, the minimum detection accuracy rates were 26.67%, and 96.53%, respectively, for single and multi-channel parallel detection devices. It infers that the multi-channel parallel detection improved the detection accuracy rate of wheat seeds after shunting. The field sowing test showed that the normal seeding frequency in the field was 67.65～323.95Hz at the operating speed of 2～9km/h, and the detection accuracy was higher than 95.28% in the detection device. Consequently, the detection device can be expected to detect the seeding frequency of the seeding device, the seeding amount of each channel, and the total seeding amount in real time. There was no influence of mechanical vibration, strong light, and soil dust on the detection device in the normal field wheat sowing. The detection device can provide effective support to accurately detect the high-frequency seed flow for the missed seeding detection and reseeding in high-speed wheat sowing.

agricultural machinery; design; test; wheat seed flow; multichannel; parallel detection; multi-channel signal synchronous acquisition system; accurate counting

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009

S223.2+5

A

1002-6819(2022)-18-0081-11

徐春保，劉靖怡，蘇清茂，等. 薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2022，38(18)：81-91.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009 http://www.tcsae.org

Xu Chunbao, Liu Jingyi, Su Qingmao, et al. Design and experiment of the wheat seed flow multi-channel parallel detection device with thin-surface light refraction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 81-91. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009 http://www.tcsae.org

2022-07-15

2022-08-26

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021YFD2000402、2021YFD2000402-3）；湖北省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2021BBA080）

徐春保，博士生，研究方向?yàn)楝F(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備設(shè)計(jì)與測(cè)控。Email：xu_cb008@163.com

丁幼春，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)橹腔坜r(nóng)業(yè)技術(shù)與裝備。Email：kingbug163@163.com