雙極性接觸式航空機載靜電噴霧系統荷電與噴霧效果試驗

王士林，何雄奎，宋堅利，仲崇山，王志翀，齊 鵬，凌 云

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雙極性接觸式航空機載靜電噴霧系統荷電與噴霧效果試驗

王士林1，何雄奎1※，宋堅利1，仲崇山2，王志翀1，齊 鵬1，凌 云1

（1. 中國農業大學理學院，北京 100193； 2. 中國農業大學信息與電氣工程學院，北京 100083）

該文針對航空施藥植保無人機設計了雙極性接觸式航空機載靜電噴霧系統，分別對該系統噴施靜電油劑和水的荷電與霧化效果進行了測試。將該航空靜電噴霧系統搭載于3WQF120-12型油動單旋翼植保無人機噴施靜電油劑，并使用該植保無人機自帶噴霧系統分別噴施靜電油劑和常規水基化藥劑，對比了3種施藥方式的沉積分布均勻性和對小麥蚜蟲、銹病的防治效果。試驗結果表明：當噴霧液為水時，靜電噴霧系統的靜電電壓和極性不會改變水的霧滴譜；當噴霧液為靜電油劑時，正電荷使霧滴粒徑減小，負電荷使霧滴粒徑增大，且靜電噴頭的霧滴相對粒譜寬度隨靜電電壓的增加而增大；噴霧液的荷質比與靜電電壓正相關，相同靜電電壓和輸出電極下水的荷質比大于靜電油劑，同一靜電電壓下負輸出霧化噴頭藥液的荷質比高于正輸出。小麥大田試驗表明：使用靜電噴霧系統噴施靜電油劑的霧滴沉積分布均勻性最好，其單位面積沉積量為0.048 6g/cm2，沉積量的標準偏差為0.015g/cm2，變異系數為30.43%；使用無人機自帶噴霧系統噴施靜電油劑和常規水基化藥劑的單位面積沉積量分別為0.051 3和0.035 6g/cm2，標準偏差分別為0.019和0.016g/cm2，變異系數分別為42.57%和45.54%；噴施靜電油劑的2個處理對麥蚜和銹病的防治效果和藥效期均明顯高于水基化藥劑，使用靜電噴霧系統的測試在藥后7 d對蚜蟲防治效果為87.92%,明顯高于無人機自帶噴霧系統噴施靜電油劑76.43%的防治效果。該靜電噴霧系統配合噴施靜電油劑可提高沉積分布均勻性，增加防治的持效期和效果。

無人機；噴霧；農藥；荷質比；霧滴譜；沉積

0 引 言

近年來隨著科學技術的進步和規模化農業的發展，航空植保無人機（unmanned aerial vehicle，UAV）受到廣泛的關注并取得了迅速的發展[1-2]。相比于大型農用飛機，植保無人機不需要機場跑道并可進行遙控作業飛行、靈活機動性強、應對突發災害能力強，能有效減少施藥過程中農藥對人的危害和對環境的污染，且適用于水田、丘陵、山地等地面機械無法進入的地塊進行田間快速的低空低量噴霧作業[3-8]。因此，植保無人機在中國農作物病蟲害防治過程中具有廣闊的應用前景，也必然會發揮越來越重要的作用。

目前，針對植保無人機的研究主要集中于無人機自主導航、變量噴霧系統、作業參數對霧滴沉積和防治效果的影響等方面[9-13]。這些研究為農業航空施藥技術奠定了堅實的基礎，因此中國的植保無人機的機型和數量呈現出幾何倍數的增長，航空植保的作業面積也取得了大幅的增加。但航空噴霧仍然存在霧化效果差、藥液飄移量大、沉積分布不均勻等特點[5,14]。如何減少植保無人機施藥過程中霧滴的飄移，提高藥液沉積分布均勻性仍是一個難點。

隨著精準農業的發展，植保無人機精準航空施藥技術研究也逐步成為研究熱點[15]。而植保無人機航空施藥作業的最大缺點是受氣候影響較大，藥液飄移損失嚴 重[16]、沉積分布不均勻[14]，航空靜電噴霧技術是實現精準航空施藥技術的有效途徑之一。在靜電噴霧的過程中，利用高壓靜電在噴頭和靶標之間建立靜電場，荷電霧滴在靜電力和其他外力的共同作用下定向高效地沉積到作用靶標上[17-18]。因此，農藥靜電噴霧技術及機具在歐美國家已經被廣泛應用于大田、果園和溫室等作物的植保作業[19-20]。20世紀60年代美國最先將靜電噴霧技術應用于大型有人駕駛飛機的農藥航空作業，并先后探索了極性交替充電、雙極性充電和電暈放電的充電方式[21]。其中，雙極性感應荷電航空噴霧系統的設計有效的減少了機體累積的殘留電荷，為航空靜電噴霧技術清除了障 礙[22]。航空靜電噴霧系統問世以來，在美國進行了大量的田間試驗，如Krik對比了航空靜電噴霧系統與傳統噴霧方式作業效果并證明了航空靜電噴霧的優勢[23]。美國的農用航空靜電噴霧技術以有人駕駛固定翼飛機為主[17]，而在中國等亞洲國家航空施藥主要采用小型植保無人機，很難將國外技術直接移植應用于植保作業。目前中國航空靜電噴霧技術還處于試驗階段，廉琦[24]設計了多旋翼無人機靜電噴霧系統，試驗發現此無人機靜電噴霧可提高霧滴的沉積密度。茹煜等[25-26]先后設計了航空雙噴嘴靜電噴頭并針對XY8D型無人機整體設計了靜電噴霧系統，其研究結果表明航空靜電噴霧明顯增加了藥液在水稻靶標各層上的沉積,但對抑制霧滴飄移的作用不大。

為改善航空施藥過程中霧滴沉積分布以提高病蟲害的防治效果，本文針對航空施藥植保無人機設計了雙極性接觸式靜電噴霧系統，該系統包含正、負2個輸出電極，可分別使其對應的藥箱內噴霧液帶上正、負電荷。測試了該靜電噴霧系統分別噴施靜電油劑和水的荷電與霧化效果；將該航空靜電噴霧系統搭載于3WQF120-12型油動單旋翼植保無人機，噴施超低容量靜電油劑，并使用該植保無人機自帶噴霧系統分別噴施靜電油劑和常規水基化藥劑，對比了3種施藥方式的沉積分布均勻性和對小麥蚜蟲、銹病的防治效果。

1 工作原理與機具特點

靜電噴霧目前有3種充電方法：電暈充電法、感應充電法和接觸充電法。相比而言，接觸式充電法充電最充分、充電效果最好[27]，因此選用接觸式充電法設計航空機載靜電噴霧系統。接觸式充電法是將靜電高壓發生器的電極直接置于藥液中使其帶電，藥液經過噴頭的霧化作用而形成帶有單極性電荷的霧滴。與地面靜電噴霧裝置不同，航空靜電噴霧系統需搭載于飛行器上于空中作業，難以形成有效的接地而引起電荷在機體積累甚至會造成飛機表面電荷產生電暈放電。為有效釋放機體累積的殘留電荷，較早研制的航空靜電噴霧噴霧系統常攜帶一條較長的導線用于接地。接地導線嚴重影響了操作人員對植保無人機的操控，與此同時無人機旋翼產生的氣流很有可能會揚起導線造成極大的安全隱患。美國在有人駕駛固定翼飛機上采取的雙極性感應荷電方式有效的解決了機體電荷累積的問題，但該系統價格昂貴且無法直接用于小型的植保無人機。對此，借鑒了雙極性荷電的方式設計了適用于小型植保無人機的雙極性接觸式靜電噴霧系統。該靜電噴霧系統將藥液裝于兩個獨立的藥箱中并分別與高壓靜電發生裝置的正、負輸出電極相連，從2個獨立的藥箱霧化出的霧滴帶有2種不同的電荷，當帶電霧滴沉降至作物冠層的附近時受作物表面感應電荷吸附而沉積到作物葉片。

雙極性接觸式航空機載靜電噴霧系統由電源、充電器、靜電高壓發生裝置（含電源開關和調壓器）、正負輸出電極、藥箱、離心泵、遠程遙控開關和離心噴頭組成，本研究設計的靜電噴霧系統的靜電高壓發生裝置原理以及具體結構組成見圖1。靜電高壓發生裝置為該系統的關鍵部件，其由2個電壓相同，極性相反的靜電高壓電源串聯組成。正極性電源的負極與負極性電源的正極之間通過一個緩沖電感器相連。因此，正負高壓電源、空氣、大地之間形成一個電荷轉移的閉合回路，確保在飛機上的靜電平衡，從而減少對無人機飛控系統的影響，保證植保無人機的安全運行。高壓靜電發生器由12V/2AH的鋰電池供電，其正、負輸出電極分別伸入各自對應的藥箱底部與藥液相連組成正極和負極儲液裝置。其中與正輸出電極相連的藥液被充上正電荷，與負輸出電極相連的藥液被充上負電荷。與常規噴霧相比，靜電噴霧要求霧滴的粒徑更小，因此該系統配備了霧化效果更細、更均勻的離心噴頭。靜電噴霧系統的正輸出噴霧單元（含泵和離心噴頭）和負輸出噴霧單元分別由各自的電源獨立供電，同一噴霧單元的電源同時給其對應的離心泵和離心噴頭的電機供電。帶有正電荷或負電荷的藥液分別在各自對應的離心泵作用下被輸送至電機驅動的離心霧化盤，從而在離心力的作用下霧化成細小的荷電霧滴后沉降到作用靶標。

1. 靜電發生器電源 2. 靜電發生裝置 3. 電壓表 4. 調壓旋鈕 5. 靜電發生器開關 6. 藥箱 7. 正輸出電極 8. 負輸出電極 9. 輸液管 10. 離心泵 11. 噴桿12. 噴霧單元電源 13. 控制器 14. 電機 15. 離心霧化盤 16. 電磁隔離型開關 17. 靜電開關 18. 正輸出噴霧單元開關 19. 負輸出噴霧單元開關 20. 總開關

接觸式靜電噴霧法對噴霧系統的絕緣性要求較高，為了防止在噴霧液管路運輸和霧化的過程中產生漏電，因此該靜電噴霧系統所選用的藥箱、輸液管、噴桿和霧化盤均為絕緣材料。靜電噴霧系統的靜電高壓發生器和正、負輸出霧化單元的開關由電磁隔離型開關控制，該開關共含4個控制鍵，分別為靜電噴霧系統總開關、靜電高壓發生器開關、負輸出霧化單元開關和正輸出霧化單元開關。這樣植保無人機的飛控系統和靜電噴霧系統的控制完全獨立，可將該靜電噴霧系統在不干涉植保無人機飛控的條件下直接搭載于植保無人機進行噴霧作業，增加了該靜電噴霧系統對植保無人機的適用性。靜電噴霧系統各部件的基本參數見表1。

表1 靜電噴霧系統基本參數

2 試驗設計

2.1 噴霧藥劑

目前植保無人機航空施藥主要是以水基化藥劑噴霧作業，而航空施藥技術采用低量和超低容量噴霧的方式，霧滴粒徑小，藥液的比表面積大，水基化藥劑存在較嚴重的蒸發。而超低容量靜電油劑（electrochargeable liquid，ED）閃點高、揮發率低，是適用于農藥靜電噴霧技術專用的均相油溶液劑型[28]。本文針對小麥田常見病蟲害選取吡蟲啉和三唑酮為農藥有效成分制備了3%吡蟲啉·三唑酮超低容量靜電油劑，該靜電油劑以油酸甲酯為溶劑，N,N–二甲基甲酰胺、N–甲基吡咯烷酮和環己酮為助溶劑，十二烷基苯磺酸鈣為靜電劑，其中吡蟲啉含量為0.5%，三唑酮含量為2.5%。對此靜電油劑的各項理化性質進行了測定，測定結果見表2，可知該3%吡蟲啉·三唑酮超低容量靜電油劑可用于航空靜電噴霧。

表2 靜電油劑的理化性質測定結果和質量指標要求

2.2 荷電與霧化測定

由于該靜電噴霧裝置的離心噴頭形成的霧錐區域較大，為了減少噴霧液的流失，所以選用網狀目標法測定該靜電噴霧系統在不同的靜電電壓下噴施靜電油劑和水的荷質比（charge-mass ratio，CMR）[29]。荷質比的測量示意圖見圖2。使用絕緣支架將靜電噴霧系統絕緣固定于空中，噴霧系統的正、負輸出電極對應的噴霧單元分居絕緣支架兩側；金屬篩網使用絕緣支架懸掛于空中用于接收沉降的荷電霧滴，各層金屬篩網之間使用導線相連，于網狀接收裝置正下方放置一個集液槽用于收集噴霧液；精密電流表一極與金屬篩網相連另一極接地。當靜電噴霧系統的正輸出噴霧單元或負輸出噴霧單元的噴頭對準網狀接收裝置噴霧時，荷電霧滴群落沉降到網狀接收裝置并將電荷轉移到金屬網，隨即與地面構成回路而產生微電流。每個測試完畢后同時記錄噴霧時間（）內噴出藥液的質量（）和精密微電流表的示數電流（并計算出不同測試組的荷質比，每個測試組重復3次計算平均值。荷質比的計算見式（1）。

/=/（1）

式中為靜電荷電量，C；為釋放電流強度，A；為測量時間，s；為噴霧液質量，kg。

1. 噴頭 2. 泵 3. 藥箱 4. 靜電發生裝置 5. 絕緣支架 6. 集液槽 7. 絕緣支架 8. 金屬篩網 9. 精密電流表

使用DP-02型噴霧激光粒徑分析儀（珠海歐美克儀器有限公司）測定該靜電噴霧系統在不同的靜電電壓下分別噴施自來水和3%吡蟲啉·三唑酮靜電油劑的霧滴譜，測定過程中正、負輸出噴霧單元的流量均為180 mL/min，每個測試重復3次并計算平均值。將靜電噴霧系統絕緣固定于激光粒徑分析儀旁，待測霧化單元的離心噴頭水平固定于激光粒徑分析儀測試區域正上方50 cm處，分別測定不同靜電電壓下正、負輸出噴霧單元噴施自來水和3%吡蟲啉·三唑酮靜電油劑的霧滴體積中值中徑（volume medium diameter，VMD）并計算相對粒譜寬度（relative span, RS），RS的計算方法見式（2）。

（2）

式中DV90為霧滴體積累加至總體積90%時粒徑，m；DV10為霧滴體積累加至總體積10%時粒徑，m；VMD為霧滴的體積中值中徑，m。

2.3 沉積分布特性試驗

使用搭載于3WQF120-12型油動單旋翼無人機上的靜電噴霧系統噴施3%吡蟲啉·三唑酮靜電油劑，并與3WQF120-12原噴霧系統（配備2個LU120-01噴頭）分別噴施靜電油劑和常規水基化制劑進行對比。試驗中選用的常規制劑為20%吡蟲啉可溶性液劑和25%三唑酮可濕性粉劑，使用自來水將2種制劑稀釋為吡蟲啉和三唑酮質量百分數為1∶5的3%吡蟲啉·三唑酮水基化噴霧液。規定各處理的單位面積噴霧量為5 L/hm2，靜電噴霧系統的靜電電壓為30 kV。為確定沉積分布試驗無人機的作業參數，在垂直于無人機飛行航線方向布置3行油敏紙或水敏紙用于接收沉降霧滴，每個布樣行的長度為 10 m，行內布樣點間距為0.3 m，3個布樣行間距分別為5 m。無人機以不同飛行參數在布樣行中間位置正上方噴霧飛過，噴霧完成后分析不同布樣點油敏紙或水敏紙上的霧滴密度。霧滴密度的獲取參考Zhu Heping等[30]的方法，各布樣點的霧滴密度為3行的平均值，取霧滴密度大于15個/cm2的樣本點范圍為有效噴幅[31]，最終根據所測噴幅、噴霧系統的噴頭數量和流量確定各處理的飛行作業參數。試驗最終所確定各處理的編號和植保無人機具體飛行參數如表3所示。

表3 田間測試無人機的飛行參數

沉積分布測試在中國農業科學院新鄉試驗基地進行，各處理均在40 m×70 m的開花期小麥田內進行。在測試小區的中間區域水平布置3行直徑為70 mm的中速定性濾紙，濾紙的布樣高度與小麥植株相同。每個布樣行內布置5片濾紙，布樣濾紙行內間距為1.0 m，布樣行間距為10 m。待噴霧作業完成且濾紙干燥后分別收集裝入自封袋低溫密封保存。選取吡蟲啉為待測物質測定濾紙上的噴霧液的沉積量，將自封袋中的濾紙于實驗室內加入10 mL乙腈充分洗脫，經0.22m有機膜過濾后使用安捷倫1 200 LC-6410三重四級桿液質聯用儀（美國，安捷倫公司）分析各濾紙洗脫液中吡蟲啉的峰面積，通過峰面積計算單位面積吡蟲啉的沉積量和分布均勻性，吡蟲啉的含量分析采用外標法繪制標準曲線來定量。液質聯用儀的色譜條件為：安捷倫ZORBAX Eclipse Plus C18色譜柱（2.1 mm×50 mm，3.5m）；柱溫30 ℃；進樣量5L；流動相：流動相A相為乙腈，流動相B相為0.1%的甲酸水，A∶B=70∶30，流速0.2 mL/min。質譜條件為：電噴霧離子源ESI+；離子源溫度：298 ℃；毛細管電壓：4 000 V，采用多重反應檢測（MRM）模式。吡蟲啉定性離子對為256/208.9（碎裂電壓：110 V，碰撞能量10 eV）；定量離子對為256/175(碎裂電壓：110 V，碰撞能量15 eV)；吡蟲啉保留時間為0.919 min。

2.4 防治效果對比試驗

在進行噴霧藥液沉積分布特性的3個測試小區內分別測定施藥后7、14 d對小麥蚜蟲和小麥銹病的防治效果。小麥蚜蟲防治效果的測定分別于3個處理區和對照區隨機選取5個調查點，每個調查點選取20株小麥統計施藥前和施藥后7、14 d防治效果調查為施藥前和施藥后7、14 d分別在處理區和對照區隨機選5個調查點，每個調查點統計50株小麥的頂部3片葉。根據GB/T 17 980.23-2000[32]的方法確定小麥葉片的病害等級和病情指數，由此計算出各處理區的小麥銹病的最終防治效果。

3 結果與討論

3.1 荷電與霧化特性結果

應用該航空靜電噴霧系統分別噴施自來水和靜電油劑的正、負輸出噴霧單元的霧化結果見表4。對比靜電電壓為0 kV時霧滴的初始粒徑可知，噴霧液為水和靜電油劑時正輸出噴霧單元產生霧滴的VMD分別為86.84和65.57m，負輸出噴霧單元產生霧滴的VMD分別為81.39和46.30m，噴施靜電油劑時霧滴的VMD均明顯小于噴施水時霧滴的VMD，在15～35 kV的靜電電壓下噴施靜電油劑霧滴的VMD同樣小于噴施水時霧滴的VMD值。這一結果可能是由于噴霧液的表面張力的差異引起的，該靜電油劑的表面張力為31.76 mN/m，而水的表面張力約為72 mN/m遠大于靜電油劑。靜電油劑在霧化的過程中克服表面張力做的功小于水在霧化時克服表面張力所做的功，因此靜電油劑更容易霧化為較小的霧滴。

表4 靜電電壓對霧滴譜的影響

注：VMD為霧滴體積中值中徑，RS為相對粒譜寬度。表中數值為3次測量的平均值，同列不同字母表示差異顯著（＜0.05）。

Note: VMD represents volume medium diameter; RS representsrelative span. Data in table are the average of three replicates. Different letters in the same column indicated significantly difference at<0.05 level.

對于正輸出噴霧單元：當噴霧液為水時不同靜電電壓下霧滴的VMD和RS分別為86.84～88.80m和0.64～0.69均沒有顯著差異，說明在0～35 kV范圍內靜電電壓不能改變水的霧滴譜；當噴霧液為靜電油劑時，靜電電壓在20～35 kV范圍內的霧滴的VMD明顯小于靜電電壓為0 kV時霧滴的VMD，而靜電電壓為0～15 kV之間時霧滴的VMD沒有顯著性差異，靜電電壓同樣可以影響靜電油劑的RS，整體而言靜電油劑的RS隨著靜電電壓的增大呈增大趨勢。對于負輸出噴霧單元：當噴霧液為水時不同靜電電壓下霧滴的VMD和RS分別81.39～84.04m和0.53～0.56，也沒有顯著差異，其結果與正輸出噴霧單元一致；當噴霧液為靜電油劑時，靜電電壓的存在時可以顯著增加霧滴的VMD，但是不同的靜電電壓（15～35 kV）之間霧滴的VMD沒有顯著性差異，說明靜電電壓的大小對霧滴VMD沒有影響，在15～35 kV靜電電壓下靜電油劑的RS隨著靜電電壓的增大呈增大趨勢，尤其是當靜電電壓大于25 kV時其RS明顯大于無靜電電壓時的RS。

荷質比是衡量霧滴荷電效果的重要指標，荷質比越高說明充電效果越好。從圖3可知：對于同一噴霧液來說，隨著靜電電壓的增加，正、負輸出噴霧單元所噴出的液體的荷質比均增大，在相同靜電電壓下正、負輸出霧化單元所噴出水的荷質比均大于其噴出靜電油劑的荷質比。電介質的極化和電導率是影響噴霧液的荷電效果的最主要因素，而介電常數是衡量極化程度的指標。水是一種強極性電介質，其相對介電常數約為81，而靜電油劑的介電常數一般小于5；同時水的電導率約為110s/cm，而靜電油劑的電導率為0.058s/cm遠小于水，因此水作為噴霧液時更容易積聚電荷以致水的荷質比高于靜電油劑。

圖3 不同靜電電壓下噴霧液的荷質比

無論噴霧液是水還是靜電油劑，負輸出噴霧單元噴霧液的荷質比均大于正輸出噴霧單元的荷質比。當噴霧單元為負輸出時，電子直接由負輸出電極移動到與其相連藥箱內的噴霧液中并使其帶上負電荷；而當噴霧單元為正輸出時，正輸出電極有過量的質子，而質子緊密的結合在原子核內無法向與其相連藥箱內噴霧液遷移，因此正輸出電極只能通過吸引藥箱內噴霧液中的電子朝向其自身移動而使藥箱中的藥液帶有正電荷。由此可知，負輸出電極充電方式為電子的主動轉移，而正輸出電極充電方式為藥箱中電子的被動遷移，其速率相對較慢。因此正、負輸出電極充電方式的不同決定了負輸出電極對藥箱內噴霧液的充電效果好于正輸出電極。

3.2 藥液田間沉積分布結果

使用外標法對吡蟲啉的沉積進行定量，確定吡蟲啉的峰面積（）與質量濃度（）間線性方程為：=76 831– 444.83（2=0.995 4），吡蟲啉在濾紙上的平均回收率為85.9%～105.8%，相對標準偏差（RSD）為1.99%～7.39%。由該線性方程計算所得3個處理沉積效果的平均沉積量、沉積量的標準偏差和變異系數結果見表5。

表5 不同處理方式下藥液沉積分布特性

從試驗結果可知，噴施靜電油劑的測試1和測試2的平均沉積量分別為0.048 6和0.051 3g/cm2，明顯大于噴施水基化藥劑測試3的0.035 6g/cm2，這是由于水基化藥劑霧化后的霧滴在沉降過程中產生嚴重的蒸發，而靜電油劑由低揮發、高閃點的油酸甲酯和有機試劑組成，大大降低了藥液蒸發的可能性，因而提高了噴霧藥液的有效沉積率。同樣噴施靜電油劑的測試2的沉積量大于測試1，主要原因在于測試2中使用的單旋翼無人機自帶噴霧系統的噴頭為液力式噴頭，其產生的霧化粒徑明顯大于測試1靜電噴霧系統的離心噴頭產生的霧滴粒徑，較大的霧滴粒徑受側風影響較小而導致飄移量的降低，因此測試2的平均沉積量大于測試1。對比3個測試組沉積量的標準偏差，使用靜電噴霧的測試1標準偏差最小為0.015g/cm2，因為霧化后的帶電霧滴在靜電力的作業下相互排斥致使霧滴相互分散而提高沉積均勻性。同樣代表噴霧均勻性的變異系數結果方面，使用靜電噴霧系統的測試1的變異系數最小為30.43%，而使用植保無人機自帶噴霧系統的測試2和測試3的變異系數分別為42.57%和45.54%，明顯大于測試1，這也說明該靜電噴霧系統可以提高藥液沉積分布的均勻性。

3.3 生物防治效果結果

3個測試組對小麥蚜蟲和銹病的防治結果見表6。對于小麥銹病的防治效果結果：噴施靜電油劑的測試1和測試2對小麥銹病在藥后7 d的防治效果沒有出現顯著性差異，但其防治效果均明顯高于噴施普通水基化藥劑的測試3，施藥后14 d的測試組對銹病防治效果的差異性與施藥后7 d一致。在施藥后7 d，測試1和測試2對銹病的防治效果接近70%，而測試3僅為52.11%；施藥后14 d結果顯示，測試1和測試2的對銹病的防治效果均在40%以上，測試3的防治效果為24.56%，明顯低于前2個測試。對于小麥蚜蟲的防治效果結果：噴施靜電油劑的兩個處理對小麥蚜蟲的防治結果也明顯高于噴施普通水基化藥劑的處理。在施藥后7 d，測試1對麥蚜的防治效果為87.92%明顯高于同樣噴施靜電油劑的測試2的76.43%，主要原因應為靜電系統霧化效果好，沉降過程中受靜電力作用能夠吸附到植株各個部位，提高了藥液的覆蓋區域，因而增大了農藥有效成分的觸殺和吸收面積。與常規水基化噴霧藥劑相比，靜電油劑在作物葉片上具有良好的耐雨水沖刷性、能夠增加藥液在作物葉片的滲透性，因而增加了對小麥病蟲害的防治效果和藥效期。

表6 施藥方式對小麥銹病和蚜蟲防治效果的影響

注：表中為5點防治效果的平均值。

Note: Data in table are the average of five replicates.

4 結 論

1）對于靜電噴霧系統的同一個輸出噴霧單元：噴霧液為靜電油劑霧滴的體積中值中徑（volume median diameter, VMD）明顯小于水的霧滴VMD；當噴霧液為水時，靜電噴霧系統的靜電電壓和正、負輸出對霧滴的VMD和相對粒譜寬度（relative span, RS）均不會產生顯著影響；而當噴霧液為靜電油劑時，正輸出電極的靜電電壓可以減小霧滴的VMD，負輸出電極的靜電電壓可以增大霧滴的VMD，隨著靜電電壓的增大，在2種輸出電極下霧滴的RS均呈增大趨勢。

2）隨著靜電電壓的增加，正、負輸出噴霧單元噴出液體的荷質比均增大；相同靜電電壓和輸出電極下，噴霧液為水的荷質比大于靜電油劑的荷質比；在同一靜電電壓和噴霧液下，負輸出噴霧單元噴出藥液的荷質比高于正輸出噴霧單元。

3）噴施靜電油劑的2個處理平均沉積量分別為 0.048 6和0.051 3g/cm2，明顯高于噴施水基化藥劑的 0.035 6g/cm2；使用靜電噴霧系統噴施靜電油劑的霧滴沉積分布均勻性最好，其沉積量的標準偏差為0.015g/cm2，變異系數為30.43%。

4）噴施靜電油劑的2個處理對小麥蚜蟲和銹病的防治效果和藥效期均明顯高于噴施普通水基化藥劑的處理。對噴施靜電油劑的2個處理：使用靜電噴霧系統的處理在施藥后7對蚜蟲防治效果為87.92%，明顯高于無人機自帶的系統噴施靜電油劑76.43%的防治效果，在施藥后14 d的2個處理對蚜蟲的防治效果沒有顯著性差異；在施藥后7和14 d，2個處理對小麥銹病的防治效果均沒有顯著性差異。

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Charging and spraying performance test of bipolar contact electrostatic spraying system for unmanned aerial vehicle

Wang Shilin1, He Xiongkui1※, Song Jianli1, Zhong Chongshan2, Wang Zhichong1, Qi Peng1, Ling Yun1

(1.100193,;2.100083,)

In recent years, pesticide application using unmanned aerial vehicle (UAV) has developed rapidly in China. It is very suitable for complex terrain, highly efficient, and capable of dealing with sudden disasters at low risk. Meanwhile, it can reduce the harm of pesticides to human and environmental pollution. However, aerial application is very sensitive to meteorological conditions, which leads to increase of spray drift and nonuniform deposition distribution. A bipolar contact charging electrostatic (BCCE) spraying system for UAV was designed. The electrostatic spray system consisted of power source of electrostatic generator, power source of spray unit, electrostatic generator unit (with power switch and voltage regulator), positive and negative output electrode, tanks, pumps, controller and centrifugal atomizers. The electrostatic generator unit was the key component of BCCE spraying system, which consisted of a negative output electrostatic generator and a positive output electrostatic generator in seriesconnection. The electrostatic generator unit could not only enhance the charging effort but also ensure the electric balance on UAV. The electrostatic spraying system included 2 separate tanks, which were connected to the positive and negative output electrodes of the high voltage electrostatic generator, respectively. So spraying liquid in different tanks was charged positively or negatively, and the charged liquid was atomized into droplets by centrifugal nozzles and then adsorbed onto the leaves of the crop. The output voltage of BCCE spraying system could be adjusted from 15 to 35 kV, and its pump pressure varied from 0.02 to 0.1 MPa. The charge-mass ratio (CMR) and droplet spectrum of spraying liquid for electro-chargeable liquid (ED) and water were measured in the laboratory. The result showed that the volume medium diameter (VMD) of ED was significantly smaller than that of water sprayed by atomizers of BCCE spraying system connected with the positive and the negative output electrode. For water spraying, using BCCE spraying system in different electrostatic voltage (EV), there were no significant differences in VMD and relative span (RS) in both output electrodes; meanwhile, the atomizer of positive voltage could reduce the VMD of ED, while atomizer of negative voltage could enhance the VMD of ED. When the spray liquid was ED, the RSs of droplet spectrum increased as the increase of EV supplied by the positive and negative output electrodes. The test of charging performance showed that the CMR of spray liquids charged by positive and negative output electrodes both increased with the increase of EV. Using the same EV and output electrode, the CMR of water was much higher than ED. With the same EV and spray liquid the CMR charged by negative output electrode was obviously higher than positive output electrode. Experiments were conducted in wheat field, the BCCE spraying system was carried by a single rotor motor UAV 3WQF120-12 to spray ED, and the original spraying system of 3WQF120-12 equipped with 2 LU120-01 nozzles spraying ED and water-based pesticide was chosen for the comparison on pesticide deposition and control effect of wheat aphid and rust. The field experiment result showed that the deposition amounts of both ED treatments were 0.048 6 and 0.051 3g/cm2, respectively, which were significantly higher than that of the water-based pesticide solution with 0.035 6g/cm2. The ED treatment sprayed by BCCE spraying system had the best uniformity in deposition with a standard deviation of 0.015g/cm2and a coefficient of variation of 30.43%. The control efficiency and pesticide persistence of 2 ED treatments on wheat aphid and rust were significantly higher than the conventional water-based treatment. There was no significant difference in control efficiency of rust, and in wheat aphid 14 days after treatment between 2 ED treatments. In addition, the control efficiency of wheat aphid 7 days after treatment for BCCE spraying system was 87.92%, which was significantly higher than that for the UAV’s original spraying system that was 76.43%. Therefore, the BCCE spraying system with ED can improve the uniformity of deposition and increase biological control effect.

unmanned aerial vehicle; spraying; pesticide; charge-mass ratio; droplet spectrum; deposition

王士林，何雄奎，宋堅利，仲崇山，王志翀，齊 鵬，凌 云.雙極性接觸式航空機載靜電噴霧系統荷電與噴霧效果試驗[J]. 農業工程學報，2018，34(7)：82－89. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.011 http://www.tcsae.org

Wang Shilin, He Xiongkui, Song Jianli, Zhong Chongshan, Wang Zhichong, Qi Peng, Ling Yun.Charging and spraying performance test of bipolar contact electrostatic spraying system for unmanned aerial vehicle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(7): 82－89. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.011 http://www.tcsae.org

2017-11-02

2018-01-30

公益性行業科研專項（201503130）；北京市科委項目（D1711000231700）；現在農業產業技術體系（CARS-28-20）

王士林，博士生，主要從事植保機械與施藥技術研究。 Email：shilinag@163.com

何雄奎，教授，博士生導師，主要從事植保機械與施藥技術研究。Email：xiongkui@cau.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.07.011

S252+.3

A

1002-6819(2018)-07-0082-08