变量喷雾技术研究现状

杨亚飞，王国强，王 力，丁季丹，钱 志

（江苏农牧科技职业学院，225300，江苏泰州）

随着社会发展和生活水平的不断提高，人们对食品安全和环境保护问题越来越关注，农作物植保喷雾领域也随之备受关注。变量喷雾技术是指根据实际作业田地病虫害程度、施药对象具体形貌及长势等农作物基本信息，结合施药机械的行驶速度、喷雾压力等信息对施药对象按实际需求进行喷药的一种喷雾技术。与传统喷雾技术相比，变量喷雾技术具有农药利用率高、农药残留少、用水量少、对周围环境影响小等特点。基于在实际喷雾作业中的优势，变量喷雾技术已经引起了国内外植保领域专家的广泛关注[1-4]。本文就目前常见的变量喷雾中的农作物信息探测技术和变量喷雾控制技术两个部分进行简单介绍。

1 农作物信息探测

1.1 农作物形貌探测

农作物形貌探测技术在苗圃和果园施药时比较常见，这种地方的喷雾对象大都是树木，树冠的形貌差异较大且树与树之间存在间隔，如果对其采用一般的连续均匀喷雾的方式，必然会有大量的药液喷洒至树与树之间的间隙中，从而造成农药浪费，药液直接喷到空气与土地中污染了环境。为此专家们最先提出了对靶喷雾技术，喷头对着靶即作物时开启，并进行喷雾作业，反之喷头关闭。之后专家们又对靶的概念进行了延伸，引入了农作物形貌概念，为此在喷雾之前先对树冠形貌进行测量，树冠体积大的多喷雾，树冠体积小的少喷雾。这样对目标树冠进行变量喷雾，提高农药利用率。常见的形貌测量方法主要有超声波，如图1 所示[5]。超声波测量作物形貌是通过超声波测距来推算树冠体积，如想获得更高的测量精度，可以将超声波换成激光且可以布置更多的传感器。

图1 超声波测量葡萄树冠体积示意图

1.2 农作物密度探测

随着对对靶喷雾研究的深入，发现树冠体积大小也无法全面反映农作物。当树冠体积相同密度不同时，对喷雾量要求也是不同的，对此学者们提出了作物密度指标。德国公司设计了一种采用单头信号接收与发射系统的超声波传感器，如图2 所示，其有效探测距离为200～2 000 mm，2007 年Scotford 使用该传感器成功对冬小麦分蘖密度进行了测量[6]。

图2 超声波传感器探测原理及装置

1.3 农作物病虫害探测

传统的农业遥感探测信息主要是田间大尺度的信息，应用于大范围的农田管理，对于田间变量喷雾领域并不适用。农作物病虫害探测，目前技术主要采用CCD 相机和光谱仪获得目标农作物基础信息，再通过人工神经网络及二次判别等方法对所采集信息进行分析，判断出目标农作物的具体病虫害信息。

此外近些年来主动光学技术也开始应用到农作物病虫害探测。2011 年Mishra等设计了一种基于可见光和近红外光谱的四通道调剂式主动光学传感器[7]，通过该传感器的四个通道主动提取570 nm、670 nm、890 nm 和970 nm 4 个波段，能有效识别柑橘冠层病害，如图3 所示。

图3 四通道光学传感器及测量实验示意图

2 变量喷雾控制技术

2.1 压力调流技术

通过控制喷雾压力来控制喷雾流量，即压力调流技术，是最早应用于变量喷雾技术的。相较于其他变量喷雾控制技术，其喷雾流量的可调范围比较小。喷雾压力越大，喷雾的流量也会增大；但压力与流量属于非线性关系，因此在实际的喷雾作业中，喷雾流量无法进行精准控制。同时压力变化在改变喷雾流量的同时对喷雾雾化特性影响较大。压力调流技术成本相对较低，原理结构简单，易于推广，目前仍广泛使用。

2014 年常相铖设计了一种压力式变量喷雾喷头[8]，并构建测试台对其进行性能研究，如图4 所示。实验结果表明，在满足实际喷雾要求的压力范围0.25～0.40 MPa 内，流量波动较小，在该压力范围以外流量波动较大，喷雾流量调节范围越大，喷头迟滞性越明显，喷雾系统工作时，喷雾流量从小到大调节时喷雾系统延迟较小，从大到小调节时延迟较大。

图4 变量喷雾综合性能试验台简图

2.2 药液浓度控制技术

2.2.1 农药直接注入控制技术 农药直接注入控制技术是药液和水分开储存，喷雾机工作时，根据实际作业需要，控制药液通过外部供能与水在线混合的一种技术。但在在线混药时，药液从浓度发生改变到进入喷头至少需要12 s，延迟时间过长，如果通过缩短混药器到喷头之间的距离来缩短延迟时间，则成本过高，不适合推广。图5为刘志壮等设计的直接注入式喷雾机混药装置结构图[9]。

图5 喷雾机混药装置结构示意图

2.2.2 射流混药控制技术 射流混药是指农药和水分开保存，利用高压泵抽取水并给予水压力，在吸药口处形成真空，药液在大气压作用下被吸入混药器，农药和水最终完成混合。这种混药控制技术成本较低，控制简单，使用方便；但同时射流混药控制技术混药浓度无法控制，作业过程中系统压力损失较大。实际施药作业中射流混药系统不如直接注入式稳定，图6 为射流混药器[10]。

图6 射流混药装置

3 结语

变量喷雾通过探测农作物形貌、密度和病虫害来获取目标农作物信息，结合施药机械的行驶速度、喷雾压力等信息，通过压力调节、药液浓度在线调节等变量控制技术来进行的一种精确喷雾技术。变量喷雾技术的出现大大提高了农药利用率、减少农药残留和用水量，未来必将成为主流喷雾技术。