农用喷雾机变量喷雾技术发展展望

安徽省农业机械试验鉴定站

□ 王光明 李仿舟

近年来，随着植保作业技术快速发展，各种牵引式、自行式、遥控式喷雾机投入植保作业，使农业生产中的杀虫、杀菌、除草、叶面肥喷洒作业效率和安全性大幅提升。

一、传统恒量喷雾作业易污染环境

常用喷雾机有风送式喷雾机，适用于果园、设施农业及大田高秆农作物，喷杆喷雾机适用于大田农作物。喷雾机主要由药液箱、液泵、管道、喷头及各种辅助喷雾设备组成。大型喷雾机基本上都是牵引式、车载式或自行式，喷雾射程、喷雾幅宽大，作业速度快，能够迅速完成大面积农田喷洒作业，去除病虫草害，但同时也要消耗大量的农药、除草剂等。

传统喷雾作业的原理，是假设某田块全部农作物的病虫草危害程度相同。其实，在同一田块内，影响作物生长因素存在着明显的时空差异性，尤其是农田内作物病、虫、草害，总是先以小斑块形式发生，再逐步按时空变化蔓延。传统喷洒一般都是对整个农田农作物实施恒量喷雾作业，把药液均匀地喷洒在整个农田，存在农药过量使用、喷雾量不合理、环境污染严重等问题，造成粮食农药残留量超标、粮食品质下降。如何降低农药、除草剂等的使用量？变量喷雾技术研发日益迫切，就是根据农田作物实际受灾情况，合理安排喷雾量。

二、病虫草害基本信息获取方式和变量喷雾控制方式

通过技术手段获取喷雾对象病虫草害的基本信息，经控制单元处理后，控制喷雾机的喷雾量，对喷雾对象进行按需喷药，以较小农药使用量获得满意防治效果，这就是变量喷雾技术。目前，主要通过车载、机载传感器、农业地理信息技术获取防治对象的病虫草害信息。

传感器实时检测目标植株的外形、密度、高低大小、病虫草害等信息，数据传给中央处理器，控制单元据此选择合适的喷雾参数，喷洒防治对象植株，降低农药使用量。传感器主要有红外成像仪、CCD 相机、超声波传感器、激光传感器、光谱仪等，可以实现对防治对象植株位置、体积、尺寸轮廓的检测，同时通过波谱方法测量作物密度；红外成像技术、CCD 相机和光谱仪可以探测作物的病虫草害。传感器实时检测技术等于给植保机械装上了眼睛和大脑，所有喷雾机均可以使用。但是，其技术复杂、价格昂贵，是未来植保机械的发展方向。

农业地理信息系统是利用卫星和飞机遥感技术获得大范围的病虫草害信息，地面站计算机系统对需要喷洒作业的农田区域进行信息处理，生成小单位区域的喷雾作业参数。喷雾机自身配备卫星导航系统，能够确定作业时的位置和作业速度，控制单元根据设定的喷雾作业参数，自动调整喷雾流量，进行精密喷雾，同时减少漏喷和重复喷雾，特别适合大块农田喷雾作业。

喷雾输出控制是变量喷雾的核心环节。传感器、地理信息技术获得的喷雾目标信息传送到喷雾机的控制单元，给出喷雾压力、喷雾流量参数，通过一定的控制方式完成变量喷雾作业。调节喷雾压力、调节喷雾流量、调节药液混合浓度是常用的三种喷雾输出控制方式。

三、当前三种主流变量喷雾系统

1.喷雾压力调节式的变量喷雾系统

改变喷雾压力来控制喷雾流量是最简单的变量喷雾调节技术。喷雾前在喷雾机药液箱内通过机械搅拌或者液力搅拌，将农药和溶剂按照一定比例混合均匀 ，控制单元调节喷雾系统的压力实现喷雾流量变化，达到因地适宜喷雾目的。具体过程是根据传感器回传的信息，控制单元发出指令调节液泵输出压力，控制喷雾流量的大小，压力传感器实时测量液泵输出压力。根据喷雾机作业速度实时调节喷雾系统的压力是最简单的压力调节控制技术，这种方法不需要昂贵的传感器，也不需要复杂的控制单元，虽然精度低，但是可靠性好，价格低廉，只需要简单改装，就可以在普通植保机械上实现变量喷雾，适合大规模改进在用植保机械。通过改变压力来调节流量时，压力与流量不是线性关系，压力变化和喷雾流量变化不一致，难以得到理想的流量值。植保机械喷头工作压力是固定的，压力发生改变时，喷头喷出的雾珠粒径和喷雾角同样会发生显著地改变，这是压力调节式控制技术的主要缺陷。压力调节式技术原理简单，输出控制简单易行。

2.喷雾流量调节式变量喷雾系统

可变流量喷头调节技术和脉冲宽度调节（PWM）技术是流量调节式技术的主要方式。传统恒量喷头内部结构是固定的，而可变流量喷头在喷雾作业中，喷头内部结构可以根据需要发生改变，从而输出所需流量。经过十几年发展，可变流量喷头已经形成多个系列产品，作业效果优异，生产成本适中。

其中，脉冲宽度调节是一种模拟控制技术，转换设备被脉冲驱动的速度就是频率，占空比是指在一个脉冲循环内，通电时间相对于总时间所占比例，是脉冲宽度调节技术中的主要参数，其控制喷雾输出的原理是：植保机械的液泵把喷雾药液按照正常工作压力输送到管道里，中央控制单元根据在线传感器、地理信息技术获得信息给出不同占空比的PWM脉宽调制信号，电磁阀根据PWM 脉宽调制信号，控制喷头的开、关时间，喷雾基本上没有时间迟滞，实现药液输出的变流量。

脉冲宽度调节技术可以大范围地调节流量，响应速度快，使用普通喷头同样可以获得良好的变量喷雾效果。持续改进PWM 算法，降低控制单元成本，脉冲宽度调节PWM 技术具有非常广阔的市场前景。

3.药液混合浓度调节式变量喷雾系统

药液浓度混合调节式变量喷雾系统，是药剂、清水分箱贮存，当植保机械作业时，中央控制单元根据在线传感器、地理信息技术获得信息，药剂、清水按需求分别输送到混药器搅拌均匀，在压力、流量不变的情况下，依靠药液浓度的变化达到变量喷雾的技术方式。主要有两种，即农药、清水直接输入混药室系统和文丘里混药系统。前者是通过液泵，分别把清水和农药原液输入混药室混合的一种技术，混合比稳定，但响应速度慢，时间迟滞、管道复杂；后者把清水作为工作流体，农药原液作为被吸附流体，利用文丘里效应，最终实现药液混合和药液浓度的改变，但其缺点也十分明显，即混药比过大且不稳定，压力损失较大。

药液浓度混合调节式变量喷雾系统具有技术结构简单、价格低廉、使用方便的特点，在合适压力条件下，喷雾压力稳定，雾珠粒径、喷雾角等指标稳定；未使用完毕的农药原液可以回收再用，非常适合我国现有植保机械改装。

随着各种变量喷雾技术的推广应用，必将在提高农药使用率、降低环境污染、减少农药残余等方面发挥技术支撑作用，对于节能环保和粮食安全也具有积极作用，加强对其研究和应用能有效解决现阶段我国植保作业技术升级面临的难题。