吳 昊，李加念，張建闊，馬澤宇，Waleed Elnour Babekir Salih

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基于介電特征頻率的大量元素水溶肥種類快速辨識(shí)裝置研制

吳 昊，李加念※，張建闊，馬澤宇，Waleed Elnour Babekir Salih

（昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，昆明 650500）

為實(shí)現(xiàn)對(duì)大量元素水溶肥種類的快速準(zhǔn)確辨識(shí)，根據(jù)水溶肥的介電特性設(shè)計(jì)了一個(gè)傳感器，并在此基礎(chǔ)上采用特征頻率法，研制了一種大量元素水溶肥快速辨識(shí)裝置，主要由±5V穩(wěn)壓電路、單片機(jī)控制電路、激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、傳感器、真有效值轉(zhuǎn)換電路和LCD顯示模塊組成。以市面上常見的尿素、普鈣、硫酸鉀、磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀和硝酸鉀6種大量元素水溶肥作為試驗(yàn)對(duì)象，在1 kHz～10 MHz激勵(lì)信號(hào)頻率范圍內(nèi)研究了其頻率響應(yīng)特性，得出了9個(gè)用于辨識(shí)6種大量元素水溶肥的激勵(lì)信號(hào)特征頻率，即30、40、50、600、700、800 kHz和3、4、5 MHz。根據(jù)各種水溶肥分別在9個(gè)特征頻率處的響應(yīng)模式，設(shè)計(jì)了對(duì)6種大量元素水溶肥的辨識(shí)策略。該裝置的辨識(shí)性能采用234組不同類型和濃度的待測(cè)水溶肥進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果表明：該裝置的辨識(shí)準(zhǔn)確率為98.3%，完成1次辨識(shí)的平均時(shí)間為14.3 s，最長不超過19.5 s，表明該裝置具有良好的快速性和準(zhǔn)確性，滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

傳感器；肥料；頻率響應(yīng)；大量元素水溶肥；特征頻率；快速辨識(shí)；辨識(shí)裝置

0 引 言

灌溉施肥是一種水肥一體化技術(shù)，可根據(jù)作物的水肥需求精準(zhǔn)調(diào)節(jié)作物的水肥供給量，具有施肥均勻、水和肥利用率高以及能有效減輕土壤和環(huán)境的污染等優(yōu)勢(shì)，已被廣泛地應(yīng)用于微灌系統(tǒng)中[1-2]。水溶肥因具有水溶性好、無殘?jiān)⒖梢酝耆芙庥谒?、能被作物的根系和葉面直接吸收利用、利用率較高等優(yōu)點(diǎn)，是灌溉施肥系統(tǒng)中應(yīng)用較廣泛的一種肥料。水溶肥主要有大量元素水溶肥、中量元素水溶肥、微量元素水溶肥和有機(jī)水溶肥等幾種類型，其中大量元素水溶肥（尿素、磷酸氫二銨、硝酸鉀等）在農(nóng)業(yè)實(shí)際生產(chǎn)中施用最多[3]。由于大量元素水溶肥大多為白色固體顆?；蚍勰?，在無包裝標(biāo)識(shí)時(shí)容易出現(xiàn)肥料弄混或者施肥錯(cuò)誤的情況，而且隨著國內(nèi)外對(duì)自動(dòng)灌溉施肥技術(shù)研究的不斷深入，自動(dòng)混肥與變量施肥已成為其重要研究方向[4-6]，其中肥料種類及組分的快速檢測(cè)與辨識(shí)是該研究方向的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響著自動(dòng)混肥或變量施肥的效果。

對(duì)于大量元素水溶肥氮、磷、鉀含量的測(cè)定，農(nóng)業(yè)部于2010年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)NY/T1997-2010[7]，該方法適用范圍廣、技術(shù)成熟、重現(xiàn)性好、準(zhǔn)確度高，但操作繁瑣費(fèi)時(shí)、試劑毒性較大且沉淀劑加入量不易估測(cè)。因此如何快速便捷地測(cè)定水溶肥組分成為一個(gè)重要研究課題。近年來，因電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）在實(shí)驗(yàn)室逐漸普及，具有快速準(zhǔn)確、便捷環(huán)保、線性范圍寬、靈敏度高、基體干擾效應(yīng)小、穩(wěn)定性好的ICP法被廣泛應(yīng)用于水溶肥組分及其含量的定量分析與測(cè)定[8-12]，但儀器價(jià)格昂貴且只能局限于實(shí)驗(yàn)室測(cè)定。隨著灌溉施肥系統(tǒng)自動(dòng)化的深入發(fā)展，在線快速監(jiān)測(cè)大量元素水溶肥溶液的組分與含量成為一個(gè)重要研究方向，EC/pH法和離子選擇性電極法是該方向的2種主要研究方法。

基于EC/pH值的在線檢測(cè)法具有較好的實(shí)時(shí)性，是目前不太復(fù)雜營養(yǎng)液系統(tǒng)中常用的一種檢測(cè)方法[4,13-14]，但它僅衡量營養(yǎng)液總體濃度，難以區(qū)分營養(yǎng)液中各離子組分狀況。離子選擇性電極法利用電極膜的離子選擇特性，將營養(yǎng)液中各組分離子濃度轉(zhuǎn)化為膜電勢(shì)進(jìn)行測(cè)量，在一定程度上克服了EC/pH檢測(cè)法的缺陷和不足[15-18]，但電極本身存在顯著的交叉敏感性和漂移性，且很多大量元素離子（如SO42-、H2PO4-等）暫無對(duì)應(yīng)的離子選擇性電極[19-23]。為突破離子選擇性電極法固有缺點(diǎn)的制約，研究人員開始轉(zhuǎn)向介電特性法，利用電介質(zhì)的介電常數(shù)隨其組分及含量變化、以及介電常數(shù)測(cè)量效果受測(cè)量頻率密切影響的介電特性，研究溶液組分的快速檢測(cè)。在探明溶液中不同離子在1 kHz～10 MHz范圍內(nèi)都有其獨(dú)特的頻率響應(yīng)模式[24]的基礎(chǔ)上，采用介電頻率響應(yīng)法實(shí)現(xiàn)了溶液組分及含量的在線快速檢測(cè)（如生物燃料中生物柴油與柴油混合比、水中鉀鹽及其他鹽分雜質(zhì)等[24-30]）。該方法具有響應(yīng)速度快、靈敏度、準(zhǔn)確性高等優(yōu)點(diǎn)，在介電溶液組分快速監(jiān)測(cè)方面具有很大的潛力。但這些研究?jī)H實(shí)現(xiàn)溶液中單一組分的檢測(cè)，傳感器探頭因長期浸泡于溶液中易氧化而導(dǎo)致穩(wěn)定性不高，而且檢測(cè)模型所需數(shù)據(jù)量較大，實(shí)效性（20～300 s）還有待提高。

因此，本文將大量元素水溶肥溶液視作電介質(zhì)，根據(jù)其介電頻率特性，采用化學(xué)性質(zhì)不活躍且經(jīng)過鈍化處理的紫銅為材質(zhì)研制傳感器探頭，增強(qiáng)傳感器長期置于溶液中的抗氧化、拒腐蝕能力，在測(cè)試各種大量元素水溶肥溶液頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，探尋能明顯區(qū)分各大量元素水溶肥種類的激勵(lì)信號(hào)特征頻率及其頻率響應(yīng)模式，并基于特征頻率響應(yīng)模式構(gòu)建辨識(shí)模型，大幅減少了構(gòu)建模型所需數(shù)據(jù)量，提升了模型的運(yùn)算速度，從而實(shí)現(xiàn)大量元素水溶肥種類的快速辨識(shí)。

1 大量元素水溶肥的辨識(shí)原理

水溶肥固體顆?；蚍勰┤苡谒笠噪娊橘|(zhì)溶液的形式存在，其介電常數(shù)與水溶肥種類（成分）存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，通過介電常數(shù)的測(cè)量可以間接辨識(shí)水溶肥的種類。雖然電介質(zhì)中的電子受到束縛電荷（束縛力）作用不能自由移動(dòng)而不導(dǎo)電，但當(dāng)電介質(zhì)置于有源極板間時(shí)，原來雜亂無章的“有極分子”在外加“電場(chǎng)”的作用下沿電場(chǎng)方向定向排列，形成極化并產(chǎn)生“反相電場(chǎng)”，而且當(dāng)外加電場(chǎng)為交變電場(chǎng)時(shí)，電介質(zhì)的介電常數(shù)將會(huì)以復(fù)數(shù)形式存在，其虛部可表示為頻率的函數(shù)，且實(shí)部和虛部均可由金屬極板和介質(zhì)之間形成的電容和電導(dǎo)得出

（2）

由于水溶肥溶于水后反映其種類特征的營養(yǎng)成分以離子形態(tài)存在，在1 kHz～10 MHz頻率范圍內(nèi)特定離子都有其獨(dú)特的頻率響應(yīng)模式[13]，因此可通過測(cè)量水溶肥溶液的頻率響應(yīng)模式間接反映其種類。在研制水溶肥溶液介電常數(shù)變化感知傳感器的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)測(cè)試傳感器在一系列1 kHz～10 MHz的激勵(lì)信號(hào)作用下的頻率響應(yīng)數(shù)據(jù)，探尋某種特定水溶肥具有能明顯區(qū)分于其他種類的頻率響應(yīng)模式的激勵(lì)信號(hào)頻率，即特征頻率，然后利用激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路輸出相應(yīng)特征頻率的激勵(lì)信號(hào)，作用于盛裝待測(cè)水溶肥溶液的傳感器，并分析其在各個(gè)特征頻率點(diǎn)的響應(yīng)模式，從而辨識(shí)出不同種類的水溶肥。

2 大量元素水溶肥種類辨識(shí)裝置設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

裝置的總體設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示，主要由電源、單片機(jī)、激勵(lì)信號(hào)源、傳感器、真有效值轉(zhuǎn)換模塊和LCD顯示模塊構(gòu)成。電源用于將220 V交流電轉(zhuǎn)換為±5 V的直流電壓，并為辨識(shí)裝置中各個(gè)單元提供穩(wěn)定的工作電壓；單片機(jī)用于控制激勵(lì)信號(hào)源，分析處理真有效值轉(zhuǎn)換模塊輸出信號(hào)及運(yùn)行肥液種類辨識(shí)策略；激勵(lì)信號(hào)源根據(jù)單片機(jī)的控制信號(hào)輸出幅值為5 V、頻率為1 kHz～10 MHz的正弦波信號(hào)，作為傳感器的激勵(lì)信號(hào)；傳感器用于將肥液種類的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)；真有效值轉(zhuǎn)換模塊將傳感器輸出的交流電壓轉(zhuǎn)換為等效直流電壓，并反饋至單片機(jī)進(jìn)行肥液種類的辨識(shí)，其結(jié)果通過LCD顯示模塊進(jìn)行輸出。

2.2 傳感器設(shè)計(jì)

傳感器由6片相同的紫銅極板和電阻R構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)原理如圖2a所示，實(shí)物圖如圖2b。6片極板鑲嵌于塑料材質(zhì)電極固定板的6個(gè)凹槽中，電極固定板安裝于塑料緩沖箱（容積為1 L）側(cè)壁上。6片極板中每相間的極板用導(dǎo)線連接，整個(gè)結(jié)構(gòu)等效為5個(gè)平板電容并聯(lián)，以增大電容面積，提高傳感器測(cè)量范圍。6片極板與電阻R串聯(lián)構(gòu)成一階RC電路，根據(jù)極板等效電容C和電阻R（100 Ω），可得該電路的轉(zhuǎn)折頻率0為10 MHz，從而可檢測(cè)頻率為1 kHz～10 MHz、幅值為1～10 V的輸入信號(hào)。當(dāng)激勵(lì)信號(hào)作用于一階RC電路時(shí)，則對(duì)其電容C進(jìn)行周期性地充電，電容C將儲(chǔ)存的能量釋放給電阻R，不同肥液引起的電壓變化也將體現(xiàn)在電阻R兩端，從而僅需檢測(cè)電阻R兩端的電壓即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同肥液的辨識(shí)。

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

裝置的硬件電路主要包括激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路、信號(hào)放大電路、真有效值轉(zhuǎn)換電路、±5 V穩(wěn)壓電路、單片機(jī)主控電路和LCD顯示模塊接口電路。其中±5 V穩(wěn)壓電路由220 ～12 V變壓器、LM7805、LM7905、二極管和電容構(gòu)成，該電路可將220 V交流電壓轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的±5 V直流電壓并為各電路單元提供穩(wěn)定的工作電壓；單片機(jī)控制電路采用ATmega16單片機(jī)作為主控芯片，用于為激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路提供控制信號(hào)，以及對(duì)經(jīng)過真有效值轉(zhuǎn)換后的直流電壓進(jìn)行處理；LCD顯示模塊通過其接口與單片機(jī)I/O口相連，用于顯示辨識(shí)出的6種不同種類水溶肥。

激勵(lì)信號(hào)發(fā)生電路主要由圖3中的AD9833、Y1及其外圍阻容元器件構(gòu)成。其中AD9833是一款能夠產(chǎn)生正弦波、三角波、方波信號(hào)的低功耗可編程波形發(fā)生器，Y1為1個(gè)25 MHz有源晶振，用于為AD9833提供原始的時(shí)鐘頻率。AD9833可產(chǎn)生頻率為1 kHz～10 MHz、電壓為0～2 V的正弦波激勵(lì)信號(hào)，具體頻率與幅值由單片機(jī)程序控制。

信號(hào)放大電路由圖3中的MCP41010、AD8051及其外圍阻容元器件構(gòu)成。其中MCP41010為滑動(dòng)端設(shè)有256個(gè)離散調(diào)節(jié)節(jié)點(diǎn)的低功耗可調(diào)數(shù)字電位器，AD8051是一款具有單電源供電能力的電壓反饋型放大器。MCP41010與AD8051構(gòu)成一個(gè)電壓放大器，用于將正弦波激勵(lì)信號(hào)的幅值放大至5 V。

真有效值轉(zhuǎn)換電路由圖3中的AD637及其外圍阻容元件構(gòu)成，可將頻率為1 kHz～10 MHz、電壓幅值≤5 V的正弦波信號(hào)，轉(zhuǎn)換為相同頻率、電壓幅值在2 V范圍內(nèi)的直流電壓。其中AD637作為真有效值轉(zhuǎn)換電路的主控芯片，其最高輸入頻率可達(dá)8 MHz，電壓檢測(cè)范圍為0.7～4 V；C11為電解電容，用于隔離直流信號(hào)；C6為平均電容，增加其容量可以減少紋波電壓引起的交流誤差；電位器R3用于調(diào)整輸出電壓。

3 大量元素水溶肥辨識(shí)特征頻率的確定試驗(yàn)

3.1 材料與方法

3.1.1 試驗(yàn)材料

采用尿素、普鈣、硫酸鉀、磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀和硝酸鉀6種市場(chǎng)上比較常用的粉末狀大量元素水溶肥作為試驗(yàn)樣品。每種水溶肥的主要營養(yǎng)成分含量如表1所示。

表1 6種肥液的主要營養(yǎng)成分含量

3.1.2 試驗(yàn)方法

1）肥液樣品配制

采用定容法，分別將尿素、普鈣、硫酸鉀、磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀和硝酸鉀配制質(zhì)量比為1:30、1:1 000、1:3 000 3種水溶肥溶液，共18組樣品。配制時(shí)確保水溶肥完全溶解于水且混合均勻，并為每個(gè)樣品貼上標(biāo)簽進(jìn)行標(biāo)識(shí)。

2）信號(hào)激勵(lì)測(cè)試

分別將各組待測(cè)樣品置于傳感器緩沖箱中并使之完全浸沒電極，對(duì)于每一組待測(cè)樣品，在1～10 MHz范圍內(nèi)對(duì)傳感器施加一系列不同頻率、幅值恒為5 V的正弦波激勵(lì)信號(hào)，然后測(cè)試各激勵(lì)信號(hào)作用下傳感器的真有效值輸出。為便于分析，將整個(gè)1～10 MHz頻率范圍分成1～100、100～1 000 kHz和1～10 MHz 3個(gè)頻段，每個(gè)頻段內(nèi)均勻選取60個(gè)頻率點(diǎn)，共計(jì)180個(gè)頻率點(diǎn)。各個(gè)頻率點(diǎn)的正弦波激勵(lì)信號(hào)，由單片機(jī)控制AD9833激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生電路輸出。

3）數(shù)據(jù)處理

為使試驗(yàn)數(shù)據(jù)盡量準(zhǔn)確，對(duì)于每個(gè)待測(cè)樣品，在同一頻率的激勵(lì)信號(hào)作用下重復(fù)試驗(yàn)7次，去除最大值和最小值后取其均值作為最終試驗(yàn)數(shù)據(jù)。根據(jù)所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，先縱向分析各頻率激勵(lì)信號(hào)作用于不同濃度的同一待測(cè)樣品時(shí)的響應(yīng)模式，然后通過橫向?qū)Ρ确治稣页龈鞣N待測(cè)樣品顯著區(qū)別其他種類的特征頻率，并得出該特征頻率的各待測(cè)樣品響應(yīng)模式。

3.2 結(jié)果與分析

3.2.1 不同肥液濃度的頻率響應(yīng)特性

利用上述18組樣品，分別在1～100、100～1 000 kHz和1～10 MHz 3個(gè)頻段內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)，共得出54條特征頻率響應(yīng)曲線。綜合分析54條特征頻率響應(yīng)曲線知，不同濃度的同一種水溶肥在同一個(gè)頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線，均表現(xiàn)為總體趨勢(shì)相同、僅電壓幅值不同。如圖4所示，以普鈣在100～1 000 kHz頻段內(nèi)的特性頻率響應(yīng)為例，3種不同濃度的普鈣的頻率響應(yīng)特性曲線形狀基本相同，僅電壓幅值不同，濃度越高其輸出電壓值越大。這說明特定種類肥液的頻率響應(yīng)特性與響應(yīng)模式不受其濃度的影響。因此，為降低試驗(yàn)強(qiáng)度，可采用單一濃度的肥液進(jìn)行后續(xù)的激勵(lì)信號(hào)特征頻率確定試驗(yàn)。

3.2.2 激勵(lì)信號(hào)特征頻率的確定

6種待測(cè)肥液（濃度均為1:1 000）在3個(gè)激勵(lì)信號(hào)頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果分別如圖5～圖7所示。

圖5給出了100～1 000 kHz頻段內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖5a可知，在600、700、800 kHz 3個(gè)頻率點(diǎn)處，普鈣的輸出電壓不隨激勵(lì)信號(hào)頻率變化，硫酸鉀的輸出電壓隨激勵(lì)信號(hào)頻率增加而單調(diào)遞減，尿素的輸出電壓隨激勵(lì)信號(hào)頻率增加而單調(diào)遞增，即3種水溶肥的頻率響應(yīng)特性曲線在3個(gè)頻率點(diǎn)處的變化趨勢(shì)明顯不同，故可選600、700、800 kHz作為辨識(shí)這3種水溶肥的特征頻率。

由圖5b可知，在600、700、800 kHz 3個(gè)頻率點(diǎn)，磷酸氫二銨、硝酸鉀和磷酸二氫鉀3種復(fù)合型大量元素水溶肥的頻率響應(yīng)特性曲線變化趨勢(shì)相同，其輸出電壓隨頻率增加而單調(diào)遞減；但考慮6種水溶肥的統(tǒng)一辨識(shí)時(shí)，由于在特征頻率點(diǎn)處硫酸鉀和3種復(fù)合型大量元素水溶肥的頻率響應(yīng)模式均表現(xiàn)為單調(diào)遞減，采用600、700、800 kHz 3個(gè)特征頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)模式僅能辨識(shí)出尿素和普鈣。

a. 單質(zhì)大量元素水溶肥

a. Straight macronutrient water soluble fertilizer

圖6給出了1～10 MHz頻段內(nèi)的試驗(yàn)結(jié)果。由圖6a中可知，在3、4、5 MHz 3個(gè)頻率點(diǎn)處，磷酸氫二銨的輸出電壓隨激勵(lì)信號(hào)頻率增加而單調(diào)遞增，硝酸鉀的輸出電壓隨激勵(lì)信號(hào)頻率增加而保持不變，磷酸二氫鉀的輸出電壓隨激勵(lì)信號(hào)頻率增加而單調(diào)遞減，即3種復(fù)合大量元素水溶肥的頻率響應(yīng)特性曲線在3個(gè)頻率點(diǎn)處的變化趨勢(shì)明顯不同，故可選3、4、5 MHz 3個(gè)頻率作為辨識(shí)3種復(fù)合大量元素水溶肥的特征頻率。

a. 復(fù)合大量元素水溶肥

a. Compound macronutrient water soluble fertilizer

由圖6b可知，尿素、普鈣和硫酸鉀在3、4、5 MHz 3個(gè)頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)特性曲線變化趨勢(shì)基本相同，輸出電壓都隨激勵(lì)信號(hào)頻率增加而單調(diào)遞減；但考慮6種水溶肥之間的統(tǒng)一辨識(shí)時(shí)，由于在特征頻率點(diǎn)處磷酸二氫鉀和其他3種單質(zhì)大量元素水溶肥的頻率響應(yīng)模式均表現(xiàn)為單調(diào)遞減，采用3、4、5 MHz 3個(gè)特征頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)模式僅能辨識(shí)出磷酸氫二銨、硝酸鉀。

綜合考慮6種水溶肥在100～1 000 kHz和1～10 MHz 2個(gè)頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果及其分析，可知采用600、700、800 kHz和3、4、5 MHz 6個(gè)特征頻率激勵(lì)信號(hào)的響應(yīng)模式，僅能辨識(shí)尿素、普鈣、磷酸氫二銨、硝酸鉀4種待測(cè)肥液，硫酸鉀和磷酸二氫鉀的辨識(shí)方法還需進(jìn)一步確定。由1～100 kHz頻段內(nèi)的頻率響應(yīng)特性知，硫酸鉀和磷酸二氫鉀的頻率特性曲線明顯不同（如圖7），且在30、40、50 kHz 3個(gè)頻率點(diǎn)處表現(xiàn)出明顯不同：硫酸鉀的輸出電壓隨激勵(lì)信號(hào)頻率增加而保持不變，磷酸氫二銨的輸出電壓隨輸激勵(lì)信號(hào)頻率增加而單調(diào)遞增。從而可根據(jù)待測(cè)肥液在30、40、50 kHz 3個(gè)激勵(lì)信號(hào)作用下的響應(yīng)模式進(jìn)行硫酸鉀和磷酸二氫鉀的辨識(shí)，即可將30、40、50 kHz作為辨識(shí)硫酸鉀和磷酸二氫鉀的特征頻率。

綜上所述，可得出辨識(shí)尿素、普鈣、硫酸鉀、磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀和硝酸鉀這6種大量元素水溶肥的特征頻率為30、40、50、600、700、800 kHz、3、4和5 MHz 9個(gè)頻率。

4 大量元素水溶肥辨識(shí)策略

由上文得出的6種大量元素水溶肥的特征頻率及其在特征頻率處的頻率響應(yīng)模式知，依次將100～1 000 kHz、1～10 MHz、1～100 kHz 3個(gè)頻段內(nèi)的特征頻率激勵(lì)信號(hào)作用于傳感器上，并分析待測(cè)水溶肥溶液在各特征頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)模式，即可辨識(shí)出6種大量元素水溶肥。由于在同一頻段內(nèi)的各特征頻率處的傳感器響應(yīng)信號(hào)值差異相對(duì)不夠明顯，為進(jìn)一步降低因響應(yīng)信號(hào)測(cè)量誤差引起的對(duì)肥液種類判斷辨識(shí)準(zhǔn)確率的影響，采用冗余判斷的辨識(shí)策略，即重復(fù)辨識(shí)3次，取其辨識(shí)結(jié)果2次及以上相同者作為最終結(jié)果。具體的辨識(shí)流程見圖8。

5 大量元素水溶肥快速辨識(shí)裝置的驗(yàn)證試驗(yàn)

5.1 傳感器電極的穩(wěn)定性測(cè)試

實(shí)際應(yīng)用中傳感器電極需長期置于肥液中，其穩(wěn)定性直接影響著裝置的辨識(shí)效果。為測(cè)試其穩(wěn)定性，以尿素為試驗(yàn)對(duì)象，配制了濃度為1:10、1:100和1:1 000 3種樣品，分別將傳感器電極浸沒于其中連續(xù)監(jiān)測(cè)30 d，觀察其輸出電壓是否變化。在整個(gè)測(cè)試過程中，采用幅值為2 V、頻率為1 MHz的激勵(lì)信號(hào)作用于電極上，利用示波器檢測(cè)傳感器電極的輸出電壓。試驗(yàn)結(jié)果如圖9所示：傳感器電極在3種待測(cè)樣品中均表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性，其連續(xù)30 d置于3種待測(cè)樣品中的最高誤差分別為0.28%、0.19%和0.1%，說明傳感器電極具有較高的穩(wěn)定性，能滿足實(shí)際應(yīng)用要求。

5.2 裝置的性能測(cè)試

以尿素、普鈣、磷酸鉀、磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀和硝酸鉀6種大量元素水溶肥為試驗(yàn)對(duì)象，在1:10～1:3 000濃度范圍內(nèi)對(duì)每種肥液配制39組樣品，共計(jì)234組樣品，開展了肥液種類辨識(shí)的準(zhǔn)確率、快速性和穩(wěn)定性的實(shí)測(cè)驗(yàn)證性試驗(yàn)。樣品配制時(shí)，在1:10～1:100濃度范圍內(nèi)，以1:10為起始濃度，后續(xù)每組樣品中去離子水所占比例以10為單位遞進(jìn)，共配制10組樣品；在1:100～1:3 000濃度范圍內(nèi)，以1:100為起始濃度，后續(xù)每組樣品中去離子水所占比例以100為單位遞進(jìn)，共配制29組樣品。

表2 辨識(shí)裝置的驗(yàn)證性試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分為多次進(jìn)行，每次試驗(yàn)在234組樣品中隨機(jī)抽取10組樣品進(jìn)行測(cè)試，對(duì)于每組樣品均在24 h內(nèi)隨機(jī)多次抽檢，結(jié)果表明該裝置具有良好的穩(wěn)定性，各次抽檢的辨識(shí)結(jié)果保持一致。通過試驗(yàn)還可得出（如表2所示）：3種單質(zhì)大元素水溶肥和磷酸氫二銨的辨識(shí)率為100%，硫酸鉀和磷酸二氫鉀的辨識(shí)略有誤差，磷酸二氫鉀的辨識(shí)率最低（94.8%），總體上6種水溶肥的辨識(shí)率可達(dá)98.3%；且在9.2～19.5 s可完成一次完整辨識(shí)，其平均時(shí)間為14.3 s。這表明裝置具有較高的準(zhǔn)確性和良好的快速性，能滿足實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

6 結(jié) 論

1）根據(jù)水溶肥溶液的介電特性設(shè)計(jì)了一個(gè)肥液辨識(shí)傳感器，基于特征頻率法研制了一種大量元素水溶肥種類快速辨識(shí)裝置，該裝置的工作頻率為1 kHz～10 MHz，可以辨識(shí)尿素、普鈣、硫酸鉀、磷酸氫二銨、磷酸二氫鉀和硝酸鉀這6種大量元素水溶肥。

2）通過頻率響應(yīng)特性試驗(yàn)，得出了辨識(shí)6種大量元素水溶肥的激勵(lì)信號(hào)特征頻率，即30、40、50、600、700、800 kHz和3、4、5 MHz，及其在特征頻率點(diǎn)處的頻率響應(yīng)模式，并提出了大量元素水溶肥的辨識(shí)策略。

3）利用234組不同濃度與種類的待測(cè)肥液樣品對(duì)裝置進(jìn)行了驗(yàn)證性試驗(yàn)，結(jié)果表明該裝置具有良好的穩(wěn)定性、快速性和準(zhǔn)確性，其總體辨識(shí)準(zhǔn)確率為98.3%，辨識(shí)平均時(shí)間為14.3 s，能滿足實(shí)際農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的需要。

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Development of rapid identification device for variety of macronutrient water soluble fertilizers based on dielectric characteristic frequency

Wu Hao, Li Jianian※, Zhang Jiankuo, Ma Zeyu, Waleed Elnour Babekir Salih

(,,650500,)

In order to realize a rapid and accurate identification for types of macronutrient water soluble fertilizers, a rapid identification device was developed by using a characteristic frequency method on the basis of a sensor designed according to the dielectric properties of water soluble fertilizer. The device was mainly composed of a ±5V voltage regulator circuit, a single chip microcomputer control circuit, an excitation signal generation circuit, a sensor, a true RMS(root mean square) conversion circuit and an LCD (liquid crystal display) display module. With 6 kinds of common macronutrient water soluble fertilizers on the market as research objects, and selecting the mass ratio of 1:30, 1:1 000, and 1:3 000, the frequency response characteristics of 18 groups of macronutrient water soluble fertilizer samples were studied in a series of excitation signals, whose frequency range was from 1 to 10 MHz, which was divided into 1-100 and 100-1 000 kHz and 1-10 MHz. It was found that the characteristics frequencies of excitation signals for the 6 kinds of water soluble fertilizers, i.e. nitrogen, phosphorus, potassium, nitrogen and phosphorus, nitrogen and potassium, phosphorus and potassium, were 30, 40, 50, 600, 700 and 800 kHz, and 3, 4 and 5 MHz. According to the response pattern of each kind of water soluble fertilizer at its characteristic frequency, the identification strategy of 6 kinds of macronutrient water soluble fertilizers was obtained. Whether the sensor electrode’s long-term work in the fertilizer was stable or not, would directly affect the device’s identification effect. In order to test the stability of sensor electrode, the samples of 3 concentrations i.e. 1:10, 1:100 and 1:1 000 were prepared. Respectively, the sensor electrode was immersed in the sample and its output voltage was monitored continuously for a month. The results showed that the maximum error of the sensor electrodes in the 3 kinds of samples was 0.28%, 0.19% and 0.10% respectively for one month, which indicated that the sensor electrode would not affect the accuracy of the device in the solution measured for a long time. To meet the practical application requirements, a verification testing of identification performance for the device was carried out by preparing 234 samples of water soluble fertilizers with different types and concentrations. The test results showed that the identification accuracy of the device was 98.3%, the average time of a complete identification was 14.3 s, and the longest time of a complete identification was no more than 19.5 s. Since the difference of the sensor response signal values at each characteristic frequency in the same frequency band was relatively insufficient, in order to further reduce the influence of the measurement error caused by the response signal measurement error, the identification criterion of the redundancy judgment was adopted, that was, a complete identification process includes 3 times of judgments, take the same identification results of 2 or more than 2 times as the final identification result. It indicated that the device has good rapidity and accuracy, which could meet the requirements of practical application. The research provides a reference for realizing on-line detection of the fertilizer solution components.

sensors;fertilizers; frequency response; macronutrient water soluble fertilizers; characteristic frequency; rapid identification; identification device

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.007

S224.2

A

1002-6819(2017)-06-0051-08

2016-11-04

2017-02-23

國家自然科學(xué)基金（51509121）；云南省高校工程研究中心建設(shè)計(jì)劃

吳 昊，男，黑龍江哈爾濱人，主要從事電子信息技術(shù)及測(cè)控技術(shù)應(yīng)用研究。昆明 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，650500。Email：961714450@qq.com

李加念，男，湖南道縣人，博士，副教授，主要從事農(nóng)業(yè)測(cè)控技術(shù)應(yīng)用研究。昆明 昆明理工大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程學(xué)院，650500。Email：ljn825@163.com