薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置設計與試驗

徐春保，劉靖怡，蘇清茂，靳 偉，王登輝，王萬超，丁幼春

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置設計與試驗

徐春保，劉靖怡，蘇清茂，靳 偉，王登輝，王萬超，丁幼春※

（1. 華中農業大學工學院，武漢 430070；2. 農業農村部長江中下游農業裝備重點實驗室，武漢 430070）

針對小麥高速播種作業過程中高頻排種種子流精準檢測困難的問題，該研究設計了一套薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置。基于將高通量變為低通量多通道并行同步檢測的思路，設計了種子流分流結構。根據小麥種子物理特性，在已有傳感原理的基礎上，提出了一種“LED燈珠+窄縫”產生薄面光層，結合凸透鏡折射原理擴大有效檢測面積的方法，通過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鍵參數。利用多通道并行檢測傳感原理，設計了多路信號同步采集系統。為提升檢測準確率，建立檢測準確率-排種頻率之間的關系，通過分析檢測裝置的誤差規律，構建了準確率補償模型。臺架試驗表明：排種器轉速在80～180 r/min時，田間正常排種頻率范圍為52.10～321.55 Hz，檢測準確率均高于96.68%。田間播種試驗表明：在2～9 km/h的小麥播種機作業速度下，田間排種頻率為67.65～323.95 Hz，檢測裝置檢測準確率高于95.28%。檢測裝置能夠檢測排種器的排種頻率、各通道排種量、排種總量。正常田間小麥播種作業中機械振動、強光照和土壤粉塵對檢測裝置沒有明顯影響。該檢測裝置可為小麥高速播種作業中高頻種子流精準檢測、漏播檢測以及補種提供有效支撐。

農業機械；設計；試驗；小麥種子流；多通道；并行檢測；多路信號同步采集系統；精準計數

0 引 言

中國是小麥生產大國，小麥種植面積和產量均居世界前列[1-2]。播種是小麥生產的關鍵作業環節，播種質量直接影響小麥生長和產量[3]。播種過程中，小麥種子處于全封閉環境，駕駛員實時了解排種器運行狀態困難，容易因種管堵塞或排種器異常造成減產[4]。根據小麥播種農藝要求，結合播種機高速作業需要，小麥排種頻率可達320 Hz[5-6]，形成高通量種子流，種子流在檢測裝置內部發生碰撞、混疊概率提高，導致多粒種子同時穿越感應區概率增大，造成檢測準確率降低[7]。因此，研究一種適應高頻排種的小麥種子流檢測裝置對于實現小麥播種過程播量監測、漏播檢測，提升小麥播種智能化水平具有重要意義。

國外發達國家已實現多種作物的全程機械化，目前正逐步向智能化方向發展[8-9]。在播種監測技術與裝備方面，國外研究起步較早，開發日漸完善，Taghinezhad等[10]研制了一套集成電容式甘蔗排種器播種質量監測系統，實現對甘蔗播種過程中漏播和重播檢測；Gierz等[11]利用PVDF薄膜研制了壓電傳感檢測系統，實現了谷物計數和堵塞檢測。現階段國外播種檢測產品更專業化、標準化和系列化。美國John Deere公司的N540、法國KHUN公司的MAXIMA 3e、德國HORSCH公司的Maestro SW等播種機，均配備播種量檢測系統，實現小麥、玉米、大豆等作物的排種總量、漏播率、播種面積等參數實時監測[12]。上述播種檢測裝備促進了農業智能化的發展，但相關檢測裝置只能與相應的播種機配套使用，且價格昂貴，難以在國內大面積推廣應用。

近年來，國內相關播種機械的研制開發推動了播種檢測技術與裝備的快速發展[13]。周利明等[14]設計了基于電容信號的排種性能檢測系統，實現小麥排種器轉速50～70 r/min時的在線檢測；陳建國等[15-16]設計了小麥播量檢測系統，建立了小麥種數與電容積分的關系模型，實現播種量105～225 kg/hm2，播種機速度為1.4～4.1 km/h的小麥播種檢測；姜萌等[17]研制了基于紅外檢測原理的內插式播種量檢測傳感器，滿足播種量120～180 kg/hm2、作業速度2.5～4.6 km/h條件下的精少量小麥播量檢測要求；丁永前等[18]研發稱量式播量檢測裝置，在作業面積大于0.033 hm2時，檢測裝置的最大絕對相對偏差為9.61%；盧彩云等[19]利用高速攝影系統采集精密排種器的排出種子的運動軌跡，通過圖像分析實現了排種性能的檢測；王金武等[20]研制了基于壓電薄膜的水稻播種的監測系統，實時精準檢測水稻直播機播種狀態；在高通量顆粒流精準檢測方面，丁幼春等[21]設計了基于分流機制與薄面激光-硅光電池結合的高通量小粒徑種子流檢測裝置，實現了油菜等小粒徑種子高通量檢測。

綜上，現有研究主要利用電容檢測法[22]、機器視覺檢測法[23]、壓電檢測法[24]和光電檢測法[25]實現播種量不超過225 kg/hm2，播種機速度不超過7 km/h時的油菜、玉米、小麥、馬鈴薯、棉花等種子播種過程的實時檢測。其中電容檢測靈敏度高、抗污染能力強，但易受溫度和濕度的影響，田間穩定性有待提高；視覺檢測技術可真實反應整個排種過程，主要適應于精量排種，成本較高、易受外界光線干擾。壓電檢測法具有成本低和低頻準確率高的特點，感應元件易受振動影響，對高頻排種檢測精度不高；光電檢測法利用種子對光線遮擋時產生的電壓信號轉換為脈沖信號，信號處理識別系統讀取脈沖信號，實現播種檢測，其主要應用于玉米、大豆等作物精少量播種播量檢測，但不能直接用于小麥等高速播種高頻種子流播種檢測（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，影響檢測精度。針對小麥高頻排種種子流精準計數困難的問題，本文提出將高通量變為低通量多通道并行同步檢測方法，運用凸透鏡折射和非接觸式光電感應原理，設計了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置，對其進行試驗。以期為實現小麥高頻排種種子流精準計數提供參考。

1 多通道并行檢測裝置結構及工作原理

1.1 檢測裝置結構

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置如圖 1所示，其主要由種子分流結構、薄面LED光發射模組、光源接收模組、多路信號同步采集系統、播種狀態顯示屏、電源指示燈、電源開關、電源等組成。種子分流結構由入種管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 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.多路信號同步采集系統 13.錐形分流盤 14.入種管

1.2 工作原理

工作時，小麥排種器排出高頻的小麥種子流經導種管進入檢測裝置入種管，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立，當種子流穿過LED光層時對光層產生局部遮擋，從而減小硅光電池上的光強，引起硅光電池電壓變化；同時，多路信號同步采集系統對微小電壓變化信號進行濾波、二次放大、二極管整流、電壓比較、光耦隔離等處理，最終轉換成穩定脈沖信號供單片機識別，信號經單片機處理后在OLED屏幕顯示；穿過光層后的小麥種子重新匯聚，經檢測裝置出種管排出，完成小麥種子播種檢測。

2 檢測裝置主要結構設計與分析

薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置的關鍵結構包括分流結構和感應結構，其中感應結構由薄面LED光發射模組和光源接收模組組成。檢測裝置主要參數有分流管直徑、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，進行光路分析與窄縫尺寸分析。

2.1 分流結構設計

根據長江中下游稻麥輪作區小麥播種的農藝要求，結合播種機高速作業需要，小麥播種量一般少于225 kg/hm2，以拖拉機前進速度9 km/h，幅寬2.0 m，播種行數8為計算依據[26]，小麥品種選用魯豐22號，其千粒質量為44.67 g。此時，小麥排種頻率可達320 Hz，形成高通量種子流，當多粒種子相互重疊時僅能檢測出1粒，從而影響檢測精度。為提高檢測準確率，需減少檢測通道內小麥種子流數量，因此提出一種變高通量為低通量多通道并行同步檢測的方法。根據課題組前期試驗數據，光電檢測法在排種頻率超過80 Hz后，裝置檢測準確率顯著下降，因此單路有效檢測頻率取80 Hz[27]。由此計算出分流路數為4路，考慮高速直播作業對小麥排種影響，即可確定該分流結構采用“一分四”形式。

基于變高通量為低通量多通道并行同步檢測的思路，為實現單路高頻小麥種子均勻分流為4路低頻小麥種子流，設計分流結構。如圖2所示，分流結構主要分為入種管、錐形分流盤、入種腔、分流管4部分。

為保證小麥通過分流結構的流暢性，分流結構內部曲面應盡可能光滑，同時分流結構各管道管徑大小應滿足高頻排種流通量要求。根據經驗公式，最大內切圓直徑（分流管內徑）與小麥種子尺寸關系應滿足[27]

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

分流結構主要參數有分流管高度L，分流管內徑，錐形分流盤高度等。入種管與小麥播種機導種管相連，故取分流結構入種管內徑為40 mm；為保證小麥種子能快速進入分流管，設計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 分流結構三維示意圖

Fig.2 Three-dimensional diagram of the shunt structure

為防止小麥種子堵塞分流管，設計分流管高度L為40 mm，根據農藝要求，小麥種子的排種頻率和分流管內徑的關系需滿足以下關系式[28]。

式中為重力加速度，m/s2；為小麥通過分流管時間，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值，mm。

根據式（2）可知，在分流管高度一定的情況下，影響小麥通過性的因素主要有分流管內徑、小麥種子的三軸尺寸。其中經過測量11取6.82和3.60 mm，1為80 Hz，計算得到此時的分流管內徑為15.03 mm，綜合考慮裝置裝配關系、體積等因素，最后取分流管內徑為18 mm可行。

2.2 小麥種子感應結構設計與光路分析

課題組前期基于薄面激光-硅光電池傳感原理設計了一種小粒徑種子流監測裝置[25]，實現了小粒徑種子流的檢測。但所用的薄面激光發射模組成本較高，占用空間體積較大。本文提出LED燈珠作為光源，利用窄縫產生薄面光層，并利用凸透鏡折射原理擴大有效檢測面積，提升種子流通過性。如圖3所示，小麥種子感應結構主要包括LED陣列光源、光源支架、凸透鏡、硅光電池、硅光電池支架，LED陣列光源用于產生高亮度光，硅光電池接收強光光線。本設計選用小體積高亮度貼片LED作為光源，其光照強度滿足需求。感應元件選取尺寸較大的2DU10硅光電池。單通道光源由兩個貼片LED燈珠組成，對稱布置于凸透鏡軸線兩側，檢測裝置共4個通道，總計有8個貼片LED燈珠。LED燈珠工作時光呈160°向外擴散，安裝貼片LED燈珠時，為保證最佳光層效果，燈珠中心平面應與窄縫中心平面重合。實際光傳播過程中，薄面光分為三段，即窄縫段、檢測段、匯聚段。工作時，LED燈珠發出的發散光經窄縫變為薄面光，最后經凸透鏡匯聚在硅光電池上。硅光電池位于凸透鏡焦點，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.檢測段 III.匯聚段

為合理設計凸透鏡焦距，進行了無盲區理想點光源光路分析。LED貼片于凸透鏡光軸兩側呈對稱式布置，將LED簡化成理想點光源，即重點分析考慮窄縫的過濾作用下，穿過窄縫的光層，簡化被遮擋光束和通過窄縫之后衰減光束的影響，構建雙理想點光源光路分析圖（圖 3的軸負方向）。如圖4，由S1和S2位置LED發射的光經凸透鏡折射，匯聚到硅光電池上。圖中白色區域2為檢測盲區，遮擋該區域的LED光對硅光電池兩端電壓變化無影響，若種子從該區域通過，檢測裝置無法檢測；淺灰色區域為單點光源檢測區域，該區域內只有單塊LED光照射，種子從該區域掉落后，硅光電池能夠捕捉到光強的變化；深灰色區域為雙點光源檢測區域，該區域被LED光照射兩次，光線更加充足，種子從該區域落下后，光強變化大，硅光電池兩端電壓變化明顯，容易實現計數。

在理想點光源條件下，對單個點光源光路進行分析，構建單理想點光源的極限位置光路分析如圖5所示。

根據分流管內徑最大尺寸，得到為無盲區長度。根據幾何關系可得

式中為凸透鏡焦距，mm。

1.理想點光源 2.檢測盲區 3.單點光源檢測區域 4.雙點光源檢測區域 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為理想點光源點；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；C為硅光電池感光區域邊界；A為光線與凸透鏡的交點；S′為S點在透鏡中的投影；u為點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為無盲區最大長度，mm；z為凸透鏡焦點和光路與凸透鏡的交點之間的長度，mm；a為硅光電池的有效長度，mm；O為凸透鏡端面中心點。

根據式（3）得：

根據裝置設計整體尺寸，結合元件外形尺寸，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 窄縫尺寸設計與性能分析

為獲得較好效果的薄面光，進行薄面LED窄縫尺寸設計。其中，“薄面光”為LED燈珠產生發散光經過窄縫，依次通過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光發射模組的窄縫寬度影響光層厚度與發散度。若窄縫寬度過窄，則會減小種子穿越光層時硅光電池的光強變化，降低檢測精度，增加加工難度；反之，會增加種子穿越光層的時間，降低檢測性能。在實際檢測過程中，以有效感應區域的光層厚度（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窄縫之后衰減無效光束的影響，構建薄面LED光層、窄縫與硅光電池的幾何關系如圖 6所示（圖3中軸負方向）：

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LED燈和窄縫之間的距離，mm；2為窄縫長度，mm；3為凸透鏡距離窄縫距離，mm；為光線發射角度，(°)。

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窄縫與光路關系

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

光層厚度關系有

根據式（5）得：

根據分流管內徑=18 mm，取3==18 mm，結合檢測裝置整體尺寸，取窄縫長度2=24 mm。為了得到厚度1.0 mm≤≤1.5 mm的光層，由式（6）計算得出窄縫寬度0.4 mm≤≤0.6 mm。

為得到合適窄縫寬度，分別設計了窄縫寬度為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裝置準確率臺架對比試驗。試驗使用的LED光源支架實物圖與其在裝配體上的位置關系如圖7所示。

圖7 不同窄縫寬度LED光源支架實物及其位置關系裝配圖

將小麥種子流多通道并行檢測裝置入種管與排種器（農哈哈小麥排種器）出種口用導種管相連，接種杯置于檢測裝置出種管正下方用來收集排出的小麥種子。調節旋鈕使排種器工作頻率設定值，開展20～320 Hz頻率范圍內的臺架試驗，20 Hz為一個頻率梯度，共15個頻率水平等級，每個頻率下排種20 s，結束后記錄顯示屏上的小麥種子數量，接種杯中的小麥種子通過人工統計的方式得實際粒數，重復3次，取平均值利用檢測種子數與實際種子數的比值計算準確率。試驗現場如圖 8所示。

1.排種器 2.導種管 3.調速器 4.檢測裝置 5.接種盒

不同窄縫寬度下排種頻率和檢測準確率的關系，如圖9所示。

圖9 檢測準確率隨排種頻率變化曲線圖

由圖9可知，當排種頻率低于60 Hz時，3種窄縫寬度檢測裝置的檢測準確率無明顯差異，檢測準確率高于95.27%；當排種頻率在60～80 Hz時，0.5 mm窄縫寬度檢測裝置的檢測準確率最高，0.4和0.6 mm的無明顯差異；當排種頻率高于80 Hz時，檢測準確率由高到低分別為0.5、0.6、0.4 mm。試驗表明，在適當范圍內減小窄縫寬度能夠提高檢測準確率，但窄縫寬度過小也會導致檢測準確率降低，故合適窄縫寬度為0.5 mm，此時凸透鏡光層厚度為1.25 mm。

窄縫光路距離1、2、3關系為

聯立式（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 多路信號同步采集系統設計及檢測流程

3.1 小麥種子感應信號分析

為保證精準檢測小麥種子，利用示波器（UNIT UTD2012CEL）采集和分析小麥種子原始信號。測試時，在自然光照條件下，貼片LED燈珠提供穩定持續光照，經光源支架轉換為薄面光，經凸透鏡匯聚，照射到硅光電池上，產生300 mV的偏置電壓。小麥種子下落穿越薄面光層時，會使硅光電池的偏置電壓瞬間減小，之后恢復常態。根據光伏效應原理，由于小麥種子尺寸差異和投影角度不同，種子穿越光層時產生的遮擋面積也不一樣，種子穿越光層時硅光電池產生值為15～35 mV范圍內的偏置電壓變化信號。圖10為不同投種角度的小麥種子感應原始及放大信號波形圖。

注：圖中投種方向為光層平面法線方向；實線為原始信號；虛線為放大信號；方向1為小麥種子長軸垂直于光路的方向；方向2為小麥種子長軸平行于光路的方向；方向3為小麥種子長軸與光線平面成一定角度方向。

種子穿越光層時間直接影響檢測裝置靈敏度，根據能量守恒定律，分析小麥種子運動規律[28]。為簡化運動過程，忽略空氣阻力與管壁碰撞對小麥種子速度的影響，小麥種子到達光層速度與裝置結構關系如下：

根據式（9）得小麥種子穿越光層最長響應時間為

3.2 多路信號同步采集系統設計

為準確分析和處理小麥種子信號，基于小麥種子信號特性分析，設計多路信號同步采集系統，如圖11所示。該系統主要由電路供電模塊、多路信號同步采集模塊、信號處理模塊及顯示模塊組成。

圖11 信號采集系統框圖

多路信號同步采集系統工作時，電路供電模塊為整個檢測裝置供電，硅光電池兩端電壓因小麥種子穿過光層時對光層產生局部遮擋而變化，采集模塊同步采集4通道電壓信號；信號處理模塊進行濾波、放大、比較、光耦隔離等環節，將電壓信號轉化為脈沖信號，完成信號調理；利用Mega2560最小系統的外部中斷同步處理功能，同時將4通道種子信號轉化為播種信息；顯示模塊顯示各通道種子數、排種頻率、排種量等信息，最終實現4路小麥種子的精準計數。

3.3 檢測流程

多通道并行檢測裝置小麥種子流計數流程如圖12所示。小麥種子由入種管進入檢測裝置，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立，當種子流穿過LED光層時對光層產生局部遮擋信號；信號經濾波、放大、比較、光耦隔離等處理流程，轉化為數字中斷信號；單片機采集外部中斷個數并處理成種子數量num++（=1,2,3,4。為通道號），此時的總數sum為各通道數之和，sum′為前1 s各通道數之和。定時器中斷在此過程中，記錄1 s的播量信息，利用sum和sum′的差值，計算排種頻率fre，OLED屏更新顯示各通道數num1～num4、總數sum以及頻率fre。

圖12 小麥種子流檢測流程圖

4 檢測裝置臺架試驗

4.1 試驗材料與設備

臺架試驗所用材料為魯豐22號小麥種子，試驗前人工挑選出缺損開裂的小麥種子。試驗所用主要儀器及設備為農哈哈勺輪小麥排種器、固定臺架、接種盒、可調直流穩壓電源、直流電機、塑膠軟管、秒表。同時，利用塑封袋、數粒儀、標簽紙等對檢測的結果進行記錄。整體試驗裝置圖8所示。

4.2 試驗方法與結果分析

試驗目的在于評估小麥種子流檢測裝置對不同排種頻率小麥種子流檢測的準確率及可靠性。

試驗前，調整各試驗設備，使測試系統保持穩定并處于理想工作狀態。將薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測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檢測裝置的種子。試驗時，控制排種電機轉速，開展80～180 r/min電機轉速下的臺架試驗，20 r/min為一個速度梯度，每個轉速下排種20 s，并重復3次試驗；SLY-C微電腦自動數粒儀在低頻狀態下（8 Hz以下）對小麥數粒準確率近似于100%，利用這一特性，調節數粒儀數粒頻率置低頻，將接種盒內種子進行數粒儀統計，統計完成后將實際種子數量記錄在標簽紙上；剔除試驗過程中出現的異常數據，在當時的轉速下重新開始試驗。根據試驗數據，擬合檢測準確率-排種頻率曲線，觀察播量檢測準確率隨排種頻率變化，使結果盡可能接近真實排種頻率，試驗結果如圖 13所示。

圖13 檢測準確率隨小麥排種頻率變化曲線

由圖13可得，小麥排種器轉速在80～180 r/min時，對應田間正常排種頻率范圍為49.55～329.55 Hz，隨著排種頻率增加，各通道內種子重疊概率加大，檢測裝置檢測準確率逐漸降低。經過線性擬合后排種頻率-檢測準確率特性曲線關系式為()-0.0742100.16，決定系數2為0.979，排種頻率-檢測準確率線性關系顯著。整個試驗過程中沒有出現種子堵塞和種子流通不暢現象，也沒有發生數據傳輸顯示故障。

4.3 檢測裝置誤差分析及準確率補償模型

為進一步提高小麥種子流多通道并行檢測裝置檢測準確率，分析傳感檢測流程。如圖14所示，光層存在一定的厚度，小麥種子完全穿過光層時需要2.03 ms左右，在此期間如果存在其他種子穿過光層，引起多粒種子的震蕩信號重疊，單片機無法識別出多粒種子而引發漏記；在排種過程中，高頻率排種出現種子相互堆疊，同一時間穿過光層的種子數量過多，多粒種子信號被識別為一個，也會引發漏記。

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

為優化檢測裝置性能，提升檢測準確率，基于排種頻率-檢測準確率曲線，建立了補償模型，補償模型為

式中是補償后檢測粒數；k是補償系數；是補償前檢測粒數。

補償系數k是關于排種頻率的函數，取值隨的增大而增大，補償系數k和檢測準確率()的關系如下：

為驗證構建補償模型后裝置的檢測準確率提升效果，開展了檢測裝置檢測準確率極限試驗，排種頻率一直增加，直至準確率降低至80%以下。試驗過程無堵塞現象，結果如圖15所示。

圖15 使用補償模型后檢測準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

對比圖13和圖15可知：未使用補償模型的裝置，當排種頻率達320 Hz時，檢測準確率為77.03%，使用補償模型后，在相同頻率下準確率可達96.68%，檢測準確率提升了19.65個百分點。綜上所述，小麥種子流多通道并行檢測裝置在構建補償模型之后，在正常田間排種頻率范圍52.10～321.55 Hz內，檢測裝置檢測準確率均高于96.68%，在正常性能得到較大提升，頻率可測范圍更廣，檢測準確率更高。

4.4 對比試驗

為了驗證多通道并行檢測裝置對高通量小麥種子流檢測準確率提升效果，開展單通道檢測裝置和多通道并行檢測裝置檢測準確率的對比試驗。試驗時，將檢測裝置入種管與排種器出種口用導管相連，接種杯置于檢測裝置出種管正下方用于收集排出的小麥種子。每次排種時間20 s，結束后記錄排種量；人工統計接種杯內的實際粒數，計算準確率。試驗結果如圖16所示。

圖16 單通道與多通道并行檢測裝置對比試驗

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

5 田間試驗

為探究播種過程中機械振動、強光照和土壤粉塵等惡劣條件對小麥種子流多通道并行檢測裝置的影響，開展田間試驗。

5.1 模擬試驗

光照干擾試驗時，直播作業機組靜置于田間，啟動小麥種子流多通道并行檢測裝置，在陽光照射、人為遮擋外界光和人為照射光3種情況下分別保持20 s。振動粉塵干擾試驗時，清空播種機種箱，開啟小麥種子流多通道并行檢測裝置，啟動拖拉機模擬正常直播作業直行50 m，直行過程中通過抬升下降播種機人為制造振動和灰塵，重復5次。測試者跟隨小麥播種作業機組，觀察并記錄顯示的排種頻率及排種總量。試驗結果如表1所示。

表1 檢測裝置田間抗干擾試驗結果

由表1試驗結果可知，檢測裝置在陽光照射、人為遮擋外界光和人為照射光3種情況，測試頻率示數、各通道數量、總播種量始終不變，沒有發生誤計，即田間各種光照條件對檢測裝置無明顯影響。檢測裝置在播種機常見振動中，沒有發生誤計，即作業環境中的各種振動工況對檢測裝置無明顯影響。正常播種作業情況對檢測裝置工作性能無明顯影響。

5.2 田間試驗

為進一步驗證檢測裝置在不同排種頻率下的檢測準確率，于2021年10月在湖北省襄陽市襄州區龍王鎮開展了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置田間試驗，播種機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裝置固定在播種機上，檢測裝置的入種管和排種器用導種管相連，出種管下接導種管，并在導種管末端處用塑封袋收集每次試驗所排出的種子，便于后續的數據統計。試驗現場如圖17所示。

1.紐荷蘭拖拉機 2.種箱 3.塑封袋 4.排種器 5.導種管 6.檢測裝置

參考GB/T 9478—2005《谷物條播機試驗方法》中相關試驗方法[29]，結合《2021—2022年湖北小麥高質量生產指導意見的通知》相關方法，播種量為稻茬麥播種量187.5～225 kg/hm2。根據小麥播種機常用作業速度，開展2～9 km/h拖拉機速度下的播種試驗，以1 km/h為一個速度梯度，設定8個適宜的直播機工作速度水平，共8個速度水平等級，每個作業速度排種時間設定20 s，測定工作距離=40 m，重復3次。每次試驗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，試驗結束后進行人工數粒得到實際的播種量。田間播量監測結果如表2所示。

表2 裝置田間試驗結果

從表2可以看出，在2～9 km/h的小麥播種機作業速度下，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裝置檢測準確率高于95.28%，且在試驗中未出現堵塞情況。

長江中下游稻麥輪作區小麥播種時，水稻殘茬秸稈量大、土壤黏重板結、含水率波動大，造成播種機晃動，導致各通道種子均勻性降低，易出現單通道種子流量大，檢測準確率降低，進而影響整體檢測準確率。未來可利用離散隨機化勻種裝置，提升分流結構在不同傾角作用下的分流均勻性，提高檢測系統精度。

6 結 論

本文針對小麥高頻播種狀態下難以精準計數的問題，基于將高通量變為低通量多通道并行同步檢測的思路，運用凸透鏡折射和非接觸式光電感應原理，設計了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置，開展了檢測裝置準確率、抗振性及抗塵性試驗，實現了小麥種子準確、穩定、可靠的檢測。

1）設計了種子流分流結構，根據小麥種子物理特性，在課題組已有傳感原理的基礎上，提出了一種“LED燈珠+窄縫”產生薄面光層，結合凸透鏡折射原理擴大有效檢測面積的方法，通過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鍵參數。

2）分析了不同投種角度小麥種子感應信號特征，獲得不同投種角度下原始信號，通過種子穿越光層運動規律分析，得出種子穿越光層時間；設計了薄面光折射式小麥種子流多通道并行檢測裝置多路信號同步采集系統。該系統同步采集、分析、處理4通道種子信號，實現4路小麥種子的精準計數。

3）為提升檢測準確率，進行了檢測準確率-排種頻率測試，結果表明：隨著排種頻率增加，檢測準確率逐漸降低，排種頻率-檢測準確率線性關系顯著，通過分析檢測裝置的誤差規律，構建了準確率補償模型。臺架試驗表明：排種器轉速在80～180 r/min時，正常排種頻率范圍為52.10～321.55 Hz，檢測準確率均高于96.68%。田間播種試驗表明：在2～9 km/h的小麥播種機作業速度下，田間正常排種頻率為67.65～323.95 Hz，檢測裝置檢測準確率高于95.28%。且在試驗中未出現堵塞情況。

[1] 韓天富，李亞貞，曲瀟林，等. 中國農田小麥和玉米產量時空演變及驅動因素[J]. 農業工程學報，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] 中華人民共和國國家統計局. 國家數據[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. 油菜精量播種技術研究進展[J]. 農業機械學報，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. 水稻精量穴直播機播量監測系統研制[J]. 農業工程學報，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稻茬小麥產量及形態建成的影響[J]. 四川農業大學學報，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計及其工作機理[D]. 武漢：華中農業大學，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. 農業裝備智能控制技術研究現狀與發展趨勢分析[J]. 農業機械學報，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，劉曉東，等. 中小粒徑種子播種檢測技術研究進展[J]. 農業工程學報，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測與漏播預警系統研究[J]. 農業機械學報，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，苑嚴偉. 小麥播種機電容式排種量傳感器設計[J]. 農業工程學報，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，李彥明，覃程錦，等. 小麥播種量電容法檢測系統設計與試驗[J]. 農業工程學報，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，李彥明，覃程錦，等. 小麥精量播種機排種高精度檢測系統設計與試驗[J]. 農業機械學報，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系統研制[J]. 農業工程學報，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. 基于動態稱量原理的泛函式播種施肥量檢測方法[J]. 農業機械學報，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，等. 間歇式自動取樣條播排種器排種性能檢測試驗臺研制[J]. 農業工程學報，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測系統設計與試驗[J]．農業機械學報，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，杜超群，等. 高通量小粒徑種子流檢測裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，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. 基于電容信號的玉米播種機排種性能監測系統[J]．農業工程學報，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. 基于雙側圖像識別的大蒜正芽及排種試驗臺設計與試驗[J]. 農業工程學報，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，樊學謙，周利明，等. 氣流輸送播種機壓電式流量傳感器設計與試驗[J]. 農業機械學報，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，等. 薄面激光-硅光電池中小粒徑種子流監測裝置研制[J]. 農業工程學報，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] 湖北省農業農村廳. 2021-2022年湖北小麥高質量生產指導意見[EB/OL].（2021-09-22）[2022-04-06] http: //nyt. hubei. gov. cn/.

[27] 丁幼春，楊軍強，朱凱，等. 油菜精量排種器種子流傳感裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，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，楊麗，張東興，等. 氣吸式玉米高速精量排種器直線投種過程分析與試驗[J]. 農業工程學報，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] 中國國家標準化管理委員會.谷物條播機試驗方法：GB/T 9478-2005[S].北京：中國標準出版社，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裝置設計與試驗[J]. 農業工程學報，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

國家重點研發計劃項目（2021YFD2000402、2021YFD2000402-3）；湖北省重點研發計劃項目（2021BBA080）

徐春保，博士生，研究方向為現代農業裝備設計與測控。Email：xu_cb008@163.com

丁幼春，博士生導師，研究方向為智慧農業技術與裝備。Email：kingbug163@163.com