高效仿形对靶喷药装置探测传感设计与试验-毕业设计定稿

绪论引言中国加入WTO已经七年之久，我国的水果产品贸易也进入了一个全新的发展阶段，国际化的水果产品市场对水果的安全和质量提出了更高的要求[1,2,3]，我国水果产品生产正面临着质量和市场的双重挑战。

以农药残留检测为主的绿色技术壁垒成为当前乃至今后较长时期内我国水果生产和出口的主要障碍。

我国植保机械和农药使用技术严重落后的现状严重的妨碍了果树病虫草害的防治,带来了诸如农药有效利用率低、水果产品中农药残留超标、环境污染、作物药害、操作者中毒等负面影响,造成了不应有的损失以及其他不良后果,到了非引起高度重视不可的时候。

由于日趋恶化的全球生态环境问题，以保护生态环境、生产绿色果品为主的思路己成为世界果树生产的主题。

利用现代先进的科学技术, 结合传统的精耕细作进行果树的种植管理, 以及病虫害的综合防治, 生产绿色食品是中国水果打开“绿色通道”,走向国际市场的重要一步。

如何提高农药的有效利用率, 降低农药在非靶标环境中的投放量, 是农药使用技术在21世纪的主要研究内容。

最终研制出高可靠性、安全性及方便性, 并且满足越来越高的环保要求,实现低喷量、精喷洒、少污染、高工效、高防效的果园作业机械是摆在农机研究人员面前的一个亟待解决的任务。

本论文的主要内容正是基于我国水果产业所面临的机遇和挑战，尤其是以农药残留检测为主的绿色技术壁垒给我国水果产业带来的挑战，对国内外植保机械的研究现状和发展方向进行了简单的研究，尤对国内外现行的先进的施药技术和设备进行了重点的研究，并结合杨老师的项目课题要求，对对靶喷雾技术进行了更深层次的研究分析。

在对近20年对靶喷雾技术的研究成果进行研究的基础之上，尤其是其在果园上应用，把对靶喷雾技术中的探测技术作为本论文的研究内容。

就目前而言，基于实时传感器的对靶喷雾探测技术常用的检测手段有CCD图像探测技术、红外探测技术和超声波探测技术。

CCD图像传感技术虽然检测精度较高，但是由于实时性相对较差，并且相应的配套设施较多，造成了费用较高，因此就大大限制了在小型果园上的应用；超声波技术由于存在着探测盲区，因此在近距离检测的时候精度较差，并且一套超声波收发设备价格也相对较高，由于本装置对检测精度的要求也不是很高，因此采用了相对廉价、探测精度适中的红外探测技术作为果园对靶喷雾机的对靶探测技术的探测手段。

第一章简单介绍了国内外植保机械的研究现状,概括了我国植保机械的特点，并介绍了目前几种较为先进的农药施用技术；第二章对施药技术中的先进技术----对靶喷雾技术的国内外研究现状进行了综述，最后提出了我国对靶技术的发展重点；第三章概述了本文中用到的红外探测技术的光电探测技术，并对红外光电探测器的组成和工作原理进行了简要的介绍；第四章在前面三章的基础上，完成了高效仿形对靶喷药装置传感探测部分的红外探测电路的设计。

详细的阐述了电路的工作模块和工作原理，总结了整个红外探测装置从设计到制作再到试验的整个过程。

最后，对试验结果进行了分析，提出了本红外探测装置的不足之处和改进方法。

第一章植保机械概述1.1 国内外农药喷雾机械的研究现状1.1.1国内的研究状况一份农业部于2002年做的关于我国的植保机械与施药技术现状的研究报告表明[4]：我们的植保机械目前有20多个品种、80多个型号，其中80%左右处于发达国家20世纪50-60年代的水平，而相当于国外90年代的较为先进的植保机械还不足10%。

常用的机具仍是几十年前的老三样：单管喷雾器、压缩式喷雾器以及背负式喷雾器。

并且存在着严重的“跑、冒、滴漏”现象和较高的故障率。

总的来说，目前的施药机械的特点就是[4,5,6]：（1）施药机具及喷洒部件落后、型号品种单一、远远不能满足不同作物、不同病虫害防治的需要。

从而造成农药的使用量过大，农药浪费、农产品中的农药残留超标，对环境也造成了很大的污染，也使操作人员中毒的事故率大增。

（2）现有喷雾机及喷洒部件不满足现代多元农药科学使用的要求。

仅以喷头为例，虽然化学除草剂发展很快，但由于没有与之配套、质量好的扇型喷头，使除草效果大大降低，单位面积上使用的除草剂剂量增加，飘失的除草剂还造成周围敏感作物的药害。

（3）现有植保机械工效低，对暴发性病虫害缺乏应急防治能力。

我国单一的植保机械品种不能适应病虫害适时防治和应急防治，从而延误时机。

很多的农业灾害都是由于应急能力不足而造成了严重的损失。

当然，我国的植保机械从建国前的一穷二白到现在也有了长足的发展。

尤其是进入20世纪90年代以来，随着人们对可持续发展和生态农业的观念日益提高，我国对农药喷施和雾化机械的研究也逐渐深入[7]。

江苏大学的张继先（1995）率先采用正交试验的方法对机动喷雾机悬架进行了优化设计，并建立了影响喷雾质量的喷雾机悬架的动态模型；王旭（1996）等人对影响喷雾机工作性能的因素进行了试验和总结；王文元等人（1994）对微喷头布置形式对喷雾均匀度的影响进行了研究，并提出了优化的对不同喷头型式的布置参数；汤伯敏等人（2001）研制了气液二相流喷头并进行了雾化性能和药液物理特性的相关试验；何雄奎等人（2002）就喷雾机风速对雾滴在果树内沉积分布的影响进行了研究，结果显示风速越大，雾滴的穿透性和沉积量越大。

当然，有关的理论研究还有很多，在这里不能一一列举。

结合这些先进的理论，目前我国先进的施药技术主要有:1)静电喷雾技术[8,9]静电喷雾技术是应用高压静电在喷头与喷雾目标间建立静电场,而农药液体经喷头雾化后,通过不同的充电方法被充上电荷,形成群体荷电雾滴,然后在静电场力和其他外力的联合作用下,雾滴作定向运动而吸附在目标的各个部位,达到沉积效率高、雾滴飘移散失少、改善生态环境等良好的性能。

在这方面，江苏理工大学的高良润、清华大学的杨学昌以及南京林业大学的郑加强对静电喷雾的治虫效果、实现方法和沉积效果进行了一些研究。

图1-1 静电喷雾系统Fig 1-1 System of the detecting electrostatic spraying2)视觉喷雾技术[10]基于地图的精确喷雾是应用全球定位系统(Global positioning system , GPS) 确定田间位置坐标, 根据预先准备的变量施药图安排喷雾作业，从而实现针对病虫害区域的农药喷施。

华南农业大学的洪添胜等人对基于DGPS的农药在葡萄园中喷施分布质量进行了一些研究，得到一些有益的结论[11,7]。

3)风送低量喷雾技术[8]风送低量喷雾技术是利用液力先将药液雾化，然后运用强大的气流将压力雾化或离心雾化的药液雾滴吹向目标物。

由于气流对枝叶的翻动作用，可使作物的页面、叶背、上下、内外都均匀地覆盖上药液，由于雾滴在气流的强制作用下飞向果树，可防止自然风的干扰而产生环境污染。

这种喷施方法不仅使果树上喷施的药液量大为减少, 还提高了药液在靶标上的覆盖密度和均匀度。

何雄奎等人（2002）对风速对雾滴在果树内沉积分布的影响进行了研究[12]。

图1-2 风送静电喷雾系统Fig 1-2 Air assisted electrostatic spray system4)对靶喷雾技术[13]对靶喷雾就是只对目标喷雾，对于非目标（靶标）不喷雾或者尽量少喷雾的技术（此处的靶标一般指的是果树的枝叶）。

对靶喷雾可以改善果园传统的连续喷药时农药有效利用率低的状况，并且减少农药对环境的污染，在这方面目前国内的研究很多。

下面有详细的论述。

在对国外的先进成果进行转化和吸收之后，然后进行自主创新是我们施药机械发展的必由之路，我国的植保机械发展的趋势如下[4,5,6,14]：A.研制生产具有国际水平的手动和小型机动植保机械。

结合我国的实际国情，适合于小型农户的机械在很长的一段时间内仍有广阔的市场，应当尽快提高这类机具的技术水平并推出更多的新型产品。

B.研制开发大中型植保机械设备。

大中型设备具有高效、低污染、便于自动控制等诸多优势，随着我国农业生产集约化程度的提高，这类机具将是未来植保机械的主力军。

风送式大中型喷杆喷雾机、风送式果园喷雾机、航空喷雾设备必将在植保设备中占有很重要的一席。

C.微低量喷雾、全密封自动混药、气帘风送、自动控制以及静电喷雾等一些新的较为先进的技术将会得到逐步的应用。

同时，和植保机械相关的新的材料、新的工艺水平都会有一定的发展，进而推动植保机械的全面发展。

D.针对我国幅员辽阔、地域差异较大的特点，应开发适应于不同地域、不同环境要求的系列化植保机械。

而且针对植保机械的系列化程度较低的现状，产品的系列化也是一个急需解决的问题。

E.随着农业产业结构的调整，我国的经济作物种植面积设施农业面积将逐步扩大，为满足特定的需要，开发专用植保机械将成为未来设计的热点。

1.1.2 国外的研究状况由于国外的植保机械的研究普遍较早，因此理论研究成果也比较多，应用技术也比较成熟，对农药精确喷施和喷雾技术的研究也较为深入和全面[7]。

从喷头的结构和形式到喷杆的运动模型及布置形式；从喷雾沉积效率到低容量的喷雾效果，都有着较为深入的研究。

其中尤以美国、法国、德国、意大利、丹麦、日本等发达国家为代表。

日本在果园和温室中发展无人操作喷雾机。

利用遥控直升机施撒农药已进入实用阶段[15]。

德国十分重视生态环境问题，植保机械在德国被列为高科技产品(王卫国，1998)，并采取一系列高科技技术措施减少农药漂移和地面无效沉积，以提高农药有效利用率，这些技术措施主要有: 定向对靶喷雾技术、精确喷雾技术、可控雾滴施药技术和农药回收技术[16]。

美国的静电喷雾设备日趋完善，Bertelli、Randell公司生产的静电喷头使用12V 直流电源，能够产生40kv的高压，可用于喷杆喷雾机和背负式机动喷雾喷粉机上，该喷头与普通喷头相比，可减少药液损失约65％，大大降低了农药对环境的污染[17]。

丹麦哈迪公司生产的ALPHA 2000型风送式喷杆喷雾机采用气力辅助喷雾技术，利用风机产生强大气流，经软性气袋斜下方小孔产生下压气流，将雾滴带入株冠中，提高了雾滴在作物各个部位的附着量，增强了雾滴的穿透性，使其可穿入浓密的作物中。

作业时喷雾装置还可根据需要变换前后角度，大大降低了农药漂移污染[18,15]。

总的来说，国外的植保机械呈现以下特点：1)形成了以大型植保机械和航空植保机械为主体的防治体系；2)植保机械技术先进，配套齐全；3)研究重点在于发展安全施药，保护生态环境；4)以化学防治为主体，同时积极发展综合防治技术。

1.2总结从实际出发，我们必须承认，我们的植保机械和技术仍处在起步阶段，和世界先进的植保技术相比我们的差距还是相当大的。

因此，借鉴国外先进的技术和经验，进行先进喷雾技术深入研究，然后进行自主创新最终创出属于自己的技术和设备是我们发展植保机械的必经之路。