楊亞飛 申志錚 蔣周良 林彤 錢(qián)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(cè)技術(shù)可以監(jiān)控混合藥液的品質(zhì)。目前混藥濃度的檢測(cè)方法主要分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)，先采集噴霧樣品溶液再利用儀器測(cè)量濃度，簡(jiǎn)稱(chēng)取樣檢測(cè)濃度法；第二類(lèi)，在混合后噴霧前即在線混藥時(shí)直接測(cè)量濃度，簡(jiǎn)稱(chēng)在線檢測(cè)濃度法。重點(diǎn)闡述了這兩大類(lèi)國(guó)內(nèi)外主流的混藥濃度檢測(cè)技術(shù)，并對(duì)其進(jìn)行總結(jié)分析。

關(guān)鍵詞 植保機(jī)械；混藥濃度在線檢測(cè)；在線混藥

中圖分類(lèi)號(hào) S 126? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A? 文章編號(hào) 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(xiàng)目 江蘇省高校自然科學(xué)研究面上項(xiàng)目（21KJB210020）；江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院院級(jí)課題（NSF2022ZR11）；泰州市“鳳城英才”托舉工程（泰科協(xié)發(fā)〔2022〕64號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介 楊亞飛（1989—），男，江蘇泰州人，講師，碩士，從事植保機(jī)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(chóng)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(chóng)草害是目前農(nóng)業(yè)植保領(lǐng)域最有效最常用的方法，據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，目前從噴霧機(jī)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(guò)食物鏈威脅人類(lèi)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(shù)正不斷發(fā)展，噴霧系統(tǒng)對(duì)施藥量的精確性要求越來(lái)越高，所以開(kāi)發(fā)小型、低成本、可靠、能夠用于噴霧機(jī)的混藥濃度在線檢測(cè)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(yù)混式混合藥液向在線混藥發(fā)展。在線混藥相對(duì)于預(yù)混藥的優(yōu)勢(shì)有［11-13］：①可以實(shí)現(xiàn)按目標(biāo)作物的實(shí)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(cè)技術(shù)能更好地監(jiān)測(cè)混合后藥液的濃度，以便在線混藥時(shí)能夠根據(jù)實(shí)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(shè)計(jì)提供依據(jù)?；焖帩舛仍诰€檢測(cè)技術(shù)還將有利于實(shí)現(xiàn)藥液濃度的反饋，從而推進(jìn)變量噴霧技術(shù)、精確噴霧技術(shù)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(shù)也在不斷發(fā)展［14-16］?；焖帩舛仍诰€檢測(cè)技術(shù)將會(huì)為全封閉混藥發(fā)展提供有力的技術(shù)支持和安全性保障。

目前對(duì)于混藥濃度的檢測(cè)方法主要分為兩大類(lèi)：第一類(lèi)，先采集噴霧樣品溶液再利用儀器測(cè)量濃度（簡(jiǎn)稱(chēng)為取樣檢測(cè)濃度法）；第二類(lèi)，在混合后噴霧前即在線混藥時(shí)直接測(cè)量濃度（簡(jiǎn)稱(chēng)在線檢測(cè)濃度法）。

1 取樣檢測(cè)濃度法

取樣檢測(cè)濃度法主要包括色譜法、光譜法、生物傳感器法、分光光度計(jì)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(jī)磷農(nóng)藥，用高效液相色譜法來(lái)檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥濃度。最小檢測(cè)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(jī)磷農(nóng)藥，用高效液相色譜法來(lái)檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥濃度。

2013年，韓瑩等［19］通過(guò)比較選擇390 nm的檢測(cè)波長(zhǎng)，選擇四硝基苯甲醛為衍生劑，建立了高效液相色譜測(cè)定偏二甲肼的方法。最小分辨濃度為0.5 μg/L，檢測(cè)的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差不大于1.69%。

1.2 光譜法 2005年，王忠東等［20］應(yīng)用西維因農(nóng)藥溶液受到激發(fā)能發(fā)出熒光的原理，設(shè)計(jì)了一種利用電荷耦合器件與弱信號(hào)處理技術(shù)的濃度檢測(cè)裝置。并實(shí)際測(cè)量了西維因溶液濃度，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該裝置能夠檢測(cè)出濃度在0～120 μg/L的西維因溶液。

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

2011年，Koller等［22］使用近紅外光譜法檢測(cè)了顆粒流的混合過(guò)程，檢測(cè)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(jìn)行處理，得到混合液體的體積濃度。

2010年，陳菁菁等［23］通過(guò)高光譜成像和熒光激發(fā)技術(shù)，設(shè)計(jì)了高光譜熒光成像農(nóng)藥濃度檢測(cè)系統(tǒng)（圖3）。研究結(jié)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(yīng)用光的漫反射特性獲取葉片表面藥液的近紅外光譜，對(duì)葉面藥液濃度進(jìn)行了檢測(cè)。對(duì)3種不同類(lèi)型作物葉片進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，通過(guò)偏最小二乘法構(gòu)建了葉片表面藥液濃度與光譜反射率之間的數(shù)學(xué)模型，試驗(yàn)結(jié)果表明不同類(lèi)型作物葉片對(duì)濃度檢測(cè)的影響較小。

1.3 生物傳感器法（酶?jìng)鞲衅鳎?2011年，陳志剛等［26-27］使用電化學(xué)方法，根據(jù)農(nóng)藥對(duì)酶的抑制原理，設(shè)計(jì)了一種基于酶?jìng)鞲衅鞯谋銛y式農(nóng)藥濃度檢測(cè)裝置（圖4）。實(shí)際測(cè)量了西維因溶液濃度，試驗(yàn)結(jié)果表明裝置能夠檢測(cè)出濃度在5 ng/mL～2 μg/mL的西維因溶液，最小檢測(cè)濃度為1.7 ng/mL，濃度的檢出時(shí)間小于161 s。

2011年，王沖等［28］根據(jù)酶的抑制原理，設(shè)計(jì)了基于SOC單片機(jī)農(nóng)藥濃度檢測(cè)裝置（圖5）。并對(duì)西維因溶液進(jìn)行了實(shí)際測(cè)量。將該裝置測(cè)量結(jié)果與電化學(xué)工作站測(cè)量結(jié)果作比對(duì)，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(shí)間小于3 min。

1.4 分光光度計(jì)法

2007年，趙燕燕等［29］用3UV-2550 型紫外分光光度計(jì)、50 μL的微量比色池測(cè)量血液中的百草枯濃度，選擇采用λ=257 nm作為檢測(cè)波長(zhǎng)，試驗(yàn)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(guān)系，相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.999 9。

2013年，王立偉等［30］使用UNICO－UV2102 型紫外分光光度計(jì)對(duì)胭脂紅溶液濃度進(jìn)行了測(cè)量，選擇采用λ=508 nm 作為測(cè)量波長(zhǎng)，通過(guò)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)濃度的胭脂紅溶液進(jìn)行吸光度分析，得出濃度曲線，并對(duì)其進(jìn)行線性擬合，其相關(guān)系數(shù)高達(dá)0.992 9。

2 在線檢測(cè)濃度法

在線檢測(cè)濃度法主要包括光散射法、高速攝像機(jī)法、電導(dǎo)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(shè)計(jì)了一種可以通過(guò)檢測(cè)藥箱濁度來(lái)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(guān)系，利用散射檢測(cè)器提出了一種測(cè)量乳化液濃度的方法，其檢測(cè)原理如圖7所示。對(duì)濃度在2.5%～5.5%的乳化液進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，散射檢測(cè)器輸出電壓信號(hào)與乳化液濃度呈線性關(guān)系，可以用于在線檢測(cè)乳化液濃度。

2.2 高速攝像機(jī)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(jī)拍攝混藥器中藥液和水實(shí)時(shí)混合圖像，混藥器是用高透光材料制成，檢測(cè)系統(tǒng)如圖8所示。通過(guò)實(shí)時(shí)處理拍攝的圖像，分析混藥均勻性與流體速度矢量的關(guān)系。

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

2.3 電導(dǎo)率法

2006年，Downey等［35］將電導(dǎo)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(yùn)用電導(dǎo)率原理測(cè)量NaCl溶液濃度，檢測(cè)時(shí)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(dǎo)率原理測(cè)量了經(jīng)過(guò)射流混藥器混藥后的溶液濃度。其檢測(cè)方法如圖9所示，取樣裝置為注射器，檢測(cè)裝置為電導(dǎo)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(huì)對(duì)光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行不同的調(diào)制，設(shè)計(jì)了一種基于U型光纖傳感器的液體濃度實(shí)時(shí)在線檢測(cè)系統(tǒng)（圖10）。對(duì)食鹽和蔗糖溶液進(jìn)行測(cè)量時(shí)，精度高達(dá)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(zhǔn)確度測(cè)量方法，原理如圖11所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，其測(cè)量準(zhǔn)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(shè)計(jì)了一種混藥濃度在線檢測(cè)裝置，如圖12所示。試驗(yàn)時(shí)，在3種噴霧流量下，在線檢測(cè)了模擬農(nóng)藥胭脂紅溶液，最大檢測(cè)偏差為0.075 1 g/L。

2.6 透光法

2009年，Vondricka等［41］在Hloben［15］的基礎(chǔ)上根據(jù)光穿過(guò)不同濃度溶液透射光光強(qiáng)不同的原理，設(shè)計(jì)一種光透率傳感器來(lái)在線測(cè)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(shè)計(jì)了藥液混合比檢測(cè)單元，其結(jié)構(gòu)如圖14所示，主要由2個(gè)高亮發(fā)光二極管、透明檢測(cè)流道和硅光電池等組成，為防止外界光強(qiáng)對(duì)檢測(cè)單元的干擾，在外檢測(cè)單元外部用避光材料進(jìn)行整體包裹。對(duì)百草枯農(nóng)藥進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)，能夠檢測(cè)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(qiáng)接收裝置（圖15），利用光透性設(shè)計(jì)混藥濃度檢測(cè)裝置，使用線性CCD像素點(diǎn)的平均灰度值來(lái)表示濃度，檢測(cè)精度小于7.237％，2019年楊亞飛等［44-45］在董曉婭等［43］的基礎(chǔ)上，選用灰度值數(shù)據(jù)變異系數(shù)小于5%的第32～120號(hào)像素點(diǎn)作為有效像素點(diǎn)，用有效灰度值表示濃度，其檢測(cè)精度小于3.081%。

2022年胡靜濤等［46］在使用透光法進(jìn)行藥液濃度在線檢測(cè)時(shí)，采用卡爾曼濾波技術(shù)處理實(shí)際作業(yè)可能引起的誤差后表征濃度，并對(duì)濃度檢測(cè)裝置進(jìn)行震動(dòng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明：震動(dòng)試驗(yàn)中采用卡爾曼濾波技術(shù)濾波可使相對(duì)誤差降低到±0.2%～±2.0%。

3 總結(jié)

綜合濃度檢測(cè)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀，可以看出混藥濃度檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)引起了國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家學(xué)者的廣泛關(guān)注，并對(duì)一些混藥濃度的測(cè)量方法進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

色譜法、光譜法、生物傳感器法和分光光度計(jì)法都需要對(duì)待測(cè)液取樣后再進(jìn)行濃度檢測(cè)；其中色譜法與生物傳感器法需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理，處理過(guò)程比較煩瑣；生物傳感器法檢測(cè)出濃度時(shí)間較長(zhǎng)，總體來(lái)說(shuō)這幾種方法都屬于取樣測(cè)量，無(wú)法實(shí)現(xiàn)混藥濃度的在線檢測(cè)。

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(jī)法需要設(shè)備較復(fù)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(dǎo)率法需要所檢測(cè)的溶液具有導(dǎo)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(cè)，但其對(duì)光源的聚光要求很高，且其單個(gè)光線的偏折受流動(dòng)液體影響較大，影響測(cè)量的穩(wěn)定性；透光法是分光光度計(jì)法的簡(jiǎn)化，相對(duì)于光折射法與光纖傳感器法，其受液體流動(dòng)的影響更小，對(duì)光源的要求相對(duì)較低、且測(cè)量更加精準(zhǔn)，測(cè)量時(shí)再采用一定的誤差處理方法，最終濃度測(cè)量結(jié)果將更加準(zhǔn)確。

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