混藥濃度檢測技術研究現(xiàn)狀

楊亞飛 申志錚 蔣周良 林彤 錢志

摘要 混藥是施藥的基本操作環(huán)節(jié)，混合藥液品質(zhì)直接決定施藥效果，發(fā)展?jié)舛葯z測技術可以監(jiān)控混合藥液的品質(zhì)。目前混藥濃度的檢測方法主要分為兩大類：第一類，先采集噴霧樣品溶液再利用儀器測量濃度，簡稱取樣檢測濃度法；第二類，在混合后噴霧前即在線混藥時直接測量濃度，簡稱在線檢測濃度法。重點闡述了這兩大類國內(nèi)外主流的混藥濃度檢測技術，并對其進行總結分析。

關鍵詞 植保機械；混藥濃度在線檢測；在線混藥

中圖分類號 S 126? 文獻標識碼 A? 文章編號 0517-6611（2023）07-0006-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.002

Research Status of Mixed Drug Concentration Detection Technology

YANG Ya-fei，SHEN Zhi-zheng，JIANG Zhou-liang et al

（Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College，Taizhou，Jiangsu 225300）

Abstract Drug mixing is the basic operation link of drug application.The quality of its mixed solution directly determines the application effect.The development of concentration detection technology can monitor the quality of mixed solution.At present，the detection methods of mixed drug concentration can be divided into two main categories：first，collect the spray sample solution first，then use the instrument to measure the concentration.The second type is to measure the concentration directly before mixing，namely on-line concentration.This paper focuses on the two mainstream mixed drug concentration detection technologies at home and abroad，and summarizes and analyzes them.

Key words Plant protection machinery;On-line detection of mixed drug concentration;On-line mixed drug

基金項目 江蘇省高校自然科學研究面上項目（21KJB210020）；江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學院院級課題（NSF2022ZR11）；泰州市“鳳城英才”托舉工程（泰科協(xié)發(fā)〔2022〕64號）。

作者簡介 楊亞飛（1989—），男，江蘇泰州人，講師，碩士，從事植保機械、農(nóng)業(yè)電氣化研究。

收稿日期 2021-12-28；修回日期 2022-06-15

病蟲草害的有效防治是農(nóng)業(yè)高產(chǎn)增收的有力保障［1-2］，利用農(nóng)藥防治病蟲草害是目前農(nóng)業(yè)植保領域最有效最常用的方法，據(jù)相關統(tǒng)計，目前從噴霧機械噴灑出去的農(nóng)藥只有15.00%～20.00%能沉積在作物葉片上，而其中真正起到作用的僅有0.03%［3-4］，大部分噴灑出去的農(nóng)藥都滲透到土壤里或彌漫在空氣中，污染了土壤與環(huán)境，通過食物鏈威脅人類的健康［5-6］。為了提高農(nóng)藥的利用率，包括變量施藥［7-8］、精確噴霧［9-10］等在內(nèi)的新施藥技術正不斷發(fā)展，噴霧系統(tǒng)對施藥量的精確性要求越來越高，所以開發(fā)小型、低成本、可靠、能夠用于噴霧機的混藥濃度在線檢測裝置迫在眉睫。

混藥是施藥的基本操作環(huán)節(jié)，混合藥液的品質(zhì)直接決定施藥效果。目前的混合藥液方式也從預混式混合藥液向在線混藥發(fā)展。在線混藥相對于預混藥的優(yōu)勢有［11-13］：①可以實現(xiàn)按目標作物的實際需求在線混合藥液，節(jié)約用藥量，減少成本和環(huán)境污染；②避免人與藥液的直接接觸，減少施藥人員農(nóng)藥中毒的可能性等。

發(fā)展混藥濃度在線檢測技術能更好地監(jiān)測混合后藥液的濃度，以便在線混藥時能夠根據(jù)實際需要控制用藥量和用水量，以此減少多余農(nóng)藥用量，從而提高農(nóng)藥利用率，并為混藥器的設計提供依據(jù)?；焖帩舛仍诰€檢測技術還將有利于實現(xiàn)藥液濃度的反饋，從而推進變量噴霧技術、精確噴霧技術的發(fā)展。此外，為了避免人與農(nóng)藥直接接觸，全封閉混藥技術也在不斷發(fā)展［14-16］?；焖帩舛仍诰€檢測技術將會為全封閉混藥發(fā)展提供有力的技術支持和安全性保障。

目前對于混藥濃度的檢測方法主要分為兩大類：第一類，先采集噴霧樣品溶液再利用儀器測量濃度（簡稱為取樣檢測濃度法）；第二類，在混合后噴霧前即在線混藥時直接測量濃度（簡稱在線檢測濃度法）。

1 取樣檢測濃度法

取樣檢測濃度法主要包括色譜法、光譜法、生物傳感器法、分光光度計法等。

1.1 色譜法

1994年，Molina等［17］利用乙酸乙酯萃取水中的有機磷農(nóng)藥，用高效液相色譜法來檢測有機磷農(nóng)藥濃度。最小檢測濃度為0.01 pg/L。

1997年，Juhler［18］用乙酸乙酯與硫酸鈉溶液萃取豬肉的有機磷農(nóng)藥，用高效液相色譜法來檢測有機磷農(nóng)藥濃度。

2013年，韓瑩等［19］通過比較選擇390 nm的檢測波長，選擇四硝基苯甲醛為衍生劑，建立了高效液相色譜測定偏二甲肼的方法。最小分辨濃度為0.5 μg/L，檢測的相對標準偏差不大于1.69%。

1.2 光譜法 2005年，王忠東等［20］應用西維因農(nóng)藥溶液受到激發(fā)能發(fā)出熒光的原理，設計了一種利用電荷耦合器件與弱信號處理技術的濃度檢測裝置。并實際測量了西維因溶液濃度，試驗數(shù)據(jù)表明，該裝置能夠檢測出濃度在0～120 μg/L的西維因溶液。

2008年，趙鳳芝等［21］應用西維因農(nóng)藥受激發(fā)能夠發(fā)出熒光的原理，設計出一種采用光纖傳光、平場光譜儀分光，以及圖像傳感等技術獲取農(nóng)藥濃度的檢測系統(tǒng)。如圖1所示，試驗表明該系統(tǒng)能夠?qū)舛仍?.004～0.100 mg/L的西維因農(nóng)藥進行有效檢測［21］。

2011年，Koller等［22］使用近紅外光譜法檢測了顆粒流的混合過程，檢測裝置如圖2所示。其使用FT-NIR近紅外光譜儀與電腦直接連接，將采集到的信息數(shù)據(jù)直接進行處理，得到混合液體的體積濃度。

2010年，陳菁菁等［23］通過高光譜成像和熒光激發(fā)技術，設計了高光譜熒光成像農(nóng)藥濃度檢測系統(tǒng)（圖3）。研究結果表明不同濃度的毒死蜱農(nóng)藥具有不同的熒光峰值。

2012年，殷磊等［24-25］應用光的漫反射特性獲取葉片表面藥液的近紅外光譜，對葉面藥液濃度進行了檢測。對3種不同類型作物葉片進行實際測量，通過偏最小二乘法構建了葉片表面藥液濃度與光譜反射率之間的數(shù)學模型，試驗結果表明不同類型作物葉片對濃度檢測的影響較小。

1.3 生物傳感器法（酶傳感器） 2011年，陳志剛等［26-27］使用電化學方法，根據(jù)農(nóng)藥對酶的抑制原理，設計了一種基于酶傳感器的便攜式農(nóng)藥濃度檢測裝置（圖4）。實際測量了西維因溶液濃度，試驗結果表明裝置能夠檢測出濃度在5 ng/mL～2 μg/mL的西維因溶液，最小檢測濃度為1.7 ng/mL，濃度的檢出時間小于161 s。

2011年，王沖等［28］根據(jù)酶的抑制原理，設計了基于SOC單片機農(nóng)藥濃度檢測裝置（圖5）。并對西維因溶液進行了實際測量。將該裝置測量結果與電化學工作站測量結果作比對，最高可分辨出0.01 μA的微電流，最大誤差不大于0.19 μA。濃度的檢出時間小于3 min。

1.4 分光光度計法

2007年，趙燕燕等［29］用3UV-2550 型紫外分光光度計、50 μL的微量比色池測量血液中的百草枯濃度，選擇采用λ=257 nm作為檢測波長，試驗表明血中百草枯溶液濃度在0.05～50.00 μg/mL 呈現(xiàn)良好的線性關系，相關系數(shù)高達0.999 9。

2013年，王立偉等［30］使用UNICO－UV2102 型紫外分光光度計對胭脂紅溶液濃度進行了測量，選擇采用λ=508 nm 作為測量波長，通過對標準濃度的胭脂紅溶液進行吸光度分析，得出濃度曲線，并對其進行線性擬合，其相關系數(shù)高達0.992 9。

2 在線檢測濃度法

在線檢測濃度法主要包括光散射法、高速攝像機法、電導率法、光纖傳感器法、光折射法、透光法等。

2.1 光散射法 1998年，Ozkan等［31］根據(jù)光的散射原理，設計了一種可以通過檢測藥箱濁度來推斷藥箱混藥均勻程度的裝置（圖6）。

2011年，趙四海等［32］根據(jù)乳化液濃度與混濁度的關系，利用散射檢測器提出了一種測量乳化液濃度的方法，其檢測原理如圖7所示。對濃度在2.5%～5.5%的乳化液進行了試驗研究。結果表明，散射檢測器輸出電壓信號與乳化液濃度呈線性關系，可以用于在線檢測乳化液濃度。

2.2 高速攝像機法

2011年，徐幼林等［33］使用淡黃色聚苯乙烯顆粒作為示蹤粒子，采用TROUBLE SHOOTER 2000型高速相機拍攝混藥器中藥液和水實時混合圖像，混藥器是用高透光材料制成，檢測系統(tǒng)如圖8所示。通過實時處理拍攝的圖像，分析混藥均勻性與流體速度矢量的關系。

2018年，代祥等［34］使用4M180-CL 型高速相機，拍攝混合脂溶性農(nóng)藥在線混藥實時混合圖像，并對混藥器的藥水混合圖像進行處理，定量分析混藥均勻性。

2.3 電導率法

2006年，Downey等［35］將電導率傳感器裝于直接注入噴嘴式噴霧系統(tǒng)，用NaCl溶液作為模擬農(nóng)藥，運用電導率原理測量NaCl溶液濃度，檢測時間小于67 ms。

2010年，徐溪超［36］使用鹽水代替農(nóng)藥，然后根據(jù)電導率原理測量了經(jīng)過射流混藥器混藥后的溶液濃度。其檢測方法如圖9所示，取樣裝置為注射器，檢測裝置為電導率儀。

2.4 光纖傳感器法

2006年，張娜等［37-38］根據(jù)不同濃度溶液會對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行不同的調(diào)制，設計了一種基于U型光纖傳感器的液體濃度實時在線檢測系統(tǒng)（圖10）。對食鹽和蔗糖溶液進行測量時，精度高達0.05%。

2.5 光折射法

2011年，田曉華等［39］依據(jù)不同濃度溶液折光率的原理，提出了牛乳乳糖質(zhì)量含量的快速高準確度測量方法，原理如圖11所示。試驗結果表明，其測量準確度在0.1%以內(nèi)。

2014年，邱白晶等［40］根據(jù)不同濃度溶液折光率不同的原理，設計了一種混藥濃度在線檢測裝置，如圖12所示。試驗時，在3種噴霧流量下，在線檢測了模擬農(nóng)藥胭脂紅溶液，最大檢測偏差為0.075 1 g/L。

2.6 透光法

2009年，Vondricka等［41］在Hloben［15］的基礎上根據(jù)光穿過不同濃度溶液透射光光強不同的原理，設計一種光透率傳感器來在線測量混藥濃度（圖13）。

2013年，賈衛(wèi)東等［42］利用農(nóng)藥光透性原理設計了藥液混合比檢測單元，其結構如圖14所示，主要由2個高亮發(fā)光二極管、透明檢測流道和硅光電池等組成，為防止外界光強對檢測單元的干擾，在外檢測單元外部用避光材料進行整體包裹。對百草枯農(nóng)藥進行了實際檢測，能夠檢測出 1∶10～1∶270混藥比的百草枯溶液。

2014年董曉婭等［43］選用線性CCD傳感器作為光強接收裝置（圖15），利用光透性設計混藥濃度檢測裝置，使用線性CCD像素點的平均灰度值來表示濃度，檢測精度小于7.237％，2019年楊亞飛等［44-45］在董曉婭等［43］的基礎上，選用灰度值數(shù)據(jù)變異系數(shù)小于5%的第32～120號像素點作為有效像素點，用有效灰度值表示濃度，其檢測精度小于3.081%。

2022年胡靜濤等［46］在使用透光法進行藥液濃度在線檢測時，采用卡爾曼濾波技術處理實際作業(yè)可能引起的誤差后表征濃度，并對濃度檢測裝置進行震動試驗，試驗結果表明：震動試驗中采用卡爾曼濾波技術濾波可使相對誤差降低到±0.2%～±2.0%。

3 總結

綜合濃度檢測技術的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以看出混藥濃度檢測技術已經(jīng)引起了國內(nèi)外專家學者的廣泛關注，并對一些混藥濃度的測量方法進行了試驗研究。

色譜法、光譜法、生物傳感器法和分光光度計法都需要對待測液取樣后再進行濃度檢測；其中色譜法與生物傳感器法需要對樣品進行預處理，處理過程比較煩瑣；生物傳感器法檢測出濃度時間較長，總體來說這幾種方法都屬于取樣測量，無法實現(xiàn)混藥濃度的在線檢測。

光散射法需要混合的藥液具有顆粒物，不具有一般性；高速攝像機法需要設備較復雜且昂貴，體積龐大不易于產(chǎn)品化且目前僅能表征混藥均勻性；電導率法需要所檢測的溶液具有導電性，同樣不具有一般性；折射法與光纖傳感器法能夠?qū)崿F(xiàn)混藥濃度在線檢測，但其對光源的聚光要求很高，且其單個光線的偏折受流動液體影響較大，影響測量的穩(wěn)定性；透光法是分光光度計法的簡化，相對于光折射法與光纖傳感器法，其受液體流動的影響更小，對光源的要求相對較低、且測量更加精準，測量時再采用一定的誤差處理方法，最終濃度測量結果將更加準確。

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