變量噴霧技術(shù)研究現(xiàn)狀

楊亞飛，王國強，王 力，丁季丹，錢 志

（江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，225300，江蘇泰州）

隨著社會發(fā)展和生活水平的不斷提高，人們對食品安全和環(huán)境保護問題越來越關(guān)注，農(nóng)作物植保噴霧領(lǐng)域也隨之備受關(guān)注。變量噴霧技術(shù)是指根據(jù)實際作業(yè)田地病蟲害程度、施藥對象具體形貌及長勢等農(nóng)作物基本信息，結(jié)合施藥機械的行駛速度、噴霧壓力等信息對施藥對象按實際需求進行噴藥的一種噴霧技術(shù)。與傳統(tǒng)噴霧技術(shù)相比，變量噴霧技術(shù)具有農(nóng)藥利用率高、農(nóng)藥殘留少、用水量少、對周圍環(huán)境影響小等特點。基于在實際噴霧作業(yè)中的優(yōu)勢，變量噴霧技術(shù)已經(jīng)引起了國內(nèi)外植保領(lǐng)域?qū)＜业膹V泛關(guān)注[1-4]。本文就目前常見的變量噴霧中的農(nóng)作物信息探測技術(shù)和變量噴霧控制技術(shù)兩個部分進行簡單介紹。

1 農(nóng)作物信息探測

1.1 農(nóng)作物形貌探測

農(nóng)作物形貌探測技術(shù)在苗圃和果園施藥時比較常見，這種地方的噴霧對象大都是樹木，樹冠的形貌差異較大且樹與樹之間存在間隔，如果對其采用一般的連續(xù)均勻噴霧的方式，必然會有大量的藥液噴灑至樹與樹之間的間隙中，從而造成農(nóng)藥浪費，藥液直接噴到空氣與土地中污染了環(huán)境。為此專家們最先提出了對靶噴霧技術(shù)，噴頭對著靶即作物時開啟，并進行噴霧作業(yè)，反之噴頭關(guān)閉。之后專家們又對靶的概念進行了延伸，引入了農(nóng)作物形貌概念，為此在噴霧之前先對樹冠形貌進行測量，樹冠體積大的多噴霧，樹冠體積小的少噴霧。這樣對目標(biāo)樹冠進行變量噴霧，提高農(nóng)藥利用率。常見的形貌測量方法主要有超聲波，如圖1 所示[5]。超聲波測量作物形貌是通過超聲波測距來推算樹冠體積，如想獲得更高的測量精度，可以將超聲波換成激光且可以布置更多的傳感器。

圖1 超聲波測量葡萄樹冠體積示意圖

1.2 農(nóng)作物密度探測

隨著對對靶噴霧研究的深入，發(fā)現(xiàn)樹冠體積大小也無法全面反映農(nóng)作物。當(dāng)樹冠體積相同密度不同時，對噴霧量要求也是不同的，對此學(xué)者們提出了作物密度指標(biāo)。德國公司設(shè)計了一種采用單頭信號接收與發(fā)射系統(tǒng)的超聲波傳感器，如圖2 所示，其有效探測距離為200～2 000 mm，2007 年Scotford 使用該傳感器成功對冬小麥分蘗密度進行了測量[6]。

圖2 超聲波傳感器探測原理及裝置

1.3 農(nóng)作物病蟲害探測

傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)遙感探測信息主要是田間大尺度的信息，應(yīng)用于大范圍的農(nóng)田管理，對于田間變量噴霧領(lǐng)域并不適用。農(nóng)作物病蟲害探測，目前技術(shù)主要采用CCD 相機和光譜儀獲得目標(biāo)農(nóng)作物基礎(chǔ)信息，再通過人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)及二次判別等方法對所采集信息進行分析，判斷出目標(biāo)農(nóng)作物的具體病蟲害信息。

此外近些年來主動光學(xué)技術(shù)也開始應(yīng)用到農(nóng)作物病蟲害探測。2011 年Mishra等設(shè)計了一種基于可見光和近紅外光譜的四通道調(diào)劑式主動光學(xué)傳感器[7]，通過該傳感器的四個通道主動提取570 nm、670 nm、890 nm 和970 nm 4 個波段，能有效識別柑橘冠層病害，如圖3 所示。

圖3 四通道光學(xué)傳感器及測量實驗示意圖

2 變量噴霧控制技術(shù)

2.1 壓力調(diào)流技術(shù)

通過控制噴霧壓力來控制噴霧流量，即壓力調(diào)流技術(shù)，是最早應(yīng)用于變量噴霧技術(shù)的。相較于其他變量噴霧控制技術(shù)，其噴霧流量的可調(diào)范圍比較小。噴霧壓力越大，噴霧的流量也會增大；但壓力與流量屬于非線性關(guān)系，因此在實際的噴霧作業(yè)中，噴霧流量無法進行精準(zhǔn)控制。同時壓力變化在改變噴霧流量的同時對噴霧霧化特性影響較大。壓力調(diào)流技術(shù)成本相對較低，原理結(jié)構(gòu)簡單，易于推廣，目前仍廣泛使用。

2014 年常相鋮設(shè)計了一種壓力式變量噴霧噴頭[8]，并構(gòu)建測試臺對其進行性能研究，如圖4 所示。實驗結(jié)果表明，在滿足實際噴霧要求的壓力范圍0.25～0.40 MPa 內(nèi)，流量波動較小，在該壓力范圍以外流量波動較大，噴霧流量調(diào)節(jié)范圍越大，噴頭遲滯性越明顯，噴霧系統(tǒng)工作時，噴霧流量從小到大調(diào)節(jié)時噴霧系統(tǒng)延遲較小，從大到小調(diào)節(jié)時延遲較大。

圖4 變量噴霧綜合性能試驗臺簡圖

2.2 藥液濃度控制技術(shù)

2.2.1 農(nóng)藥直接注入控制技術(shù) 農(nóng)藥直接注入控制技術(shù)是藥液和水分開儲存，噴霧機工作時，根據(jù)實際作業(yè)需要，控制藥液通過外部供能與水在線混合的一種技術(shù)。但在在線混藥時，藥液從濃度發(fā)生改變到進入噴頭至少需要12 s，延遲時間過長，如果通過縮短混藥器到噴頭之間的距離來縮短延遲時間，則成本過高，不適合推廣。圖5為劉志壯等設(shè)計的直接注入式噴霧機混藥裝置結(jié)構(gòu)圖[9]。

圖5 噴霧機混藥裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 射流混藥控制技術(shù) 射流混藥是指農(nóng)藥和水分開保存，利用高壓泵抽取水并給予水壓力，在吸藥口處形成真空，藥液在大氣壓作用下被吸入混藥器，農(nóng)藥和水最終完成混合。這種混藥控制技術(shù)成本較低，控制簡單，使用方便；但同時射流混藥控制技術(shù)混藥濃度無法控制，作業(yè)過程中系統(tǒng)壓力損失較大。實際施藥作業(yè)中射流混藥系統(tǒng)不如直接注入式穩(wěn)定，圖6 為射流混藥器[10]。

圖6 射流混藥裝置

3 結(jié)語

變量噴霧通過探測農(nóng)作物形貌、密度和病蟲害來獲取目標(biāo)農(nóng)作物信息，結(jié)合施藥機械的行駛速度、噴霧壓力等信息，通過壓力調(diào)節(jié)、藥液濃度在線調(diào)節(jié)等變量控制技術(shù)來進行的一種精確噴霧技術(shù)。變量噴霧技術(shù)的出現(xiàn)大大提高了農(nóng)藥利用率、減少農(nóng)藥殘留和用水量，未來必將成為主流噴霧技術(shù)。