薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置设计与试验

徐春保，刘靖怡，苏清茂，靳 伟，王登辉，王万超，丁幼春

薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置设计与试验

徐春保，刘靖怡，苏清茂，靳 伟，王登辉，王万超，丁幼春※

（1. 华中农业大学工学院，武汉 430070；2. 农业农村部长江中下游农业装备重点实验室，武汉 430070）

针对小麦高速播种作业过程中高频排种种子流精准检测困难的问题，该研究设计了一套薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置。基于将高通量变为低通量多通道并行同步检测的思路，设计了种子流分流结构。根据小麦种子物理特性，在已有传感原理的基础上，提出了一种“LED灯珠+窄缝”产生薄面光层，结合凸透镜折射原理扩大有效检测面积的方法，通过光路分析和窄缝尺寸分析确定了凸透镜焦距、薄面LED窄缝尺寸及传感元器件关键参数。利用多通道并行检测传感原理，设计了多路信号同步采集系统。为提升检测准确率，建立检测准确率-排种频率之间的关系，通过分析检测装置的误差规律，构建了准确率补偿模型。台架试验表明：排种器转速在80～180 r/min时，田间正常排种频率范围为52.10～321.55 Hz，检测准确率均高于96.68%。田间播种试验表明：在2～9 km/h的小麦播种机作业速度下，田间排种频率为67.65～323.95 Hz，检测装置检测准确率高于95.28%。检测装置能够检测排种器的排种频率、各通道排种量、排种总量。正常田间小麦播种作业中机械振动、强光照和土壤粉尘对检测装置没有明显影响。该检测装置可为小麦高速播种作业中高频种子流精准检测、漏播检测以及补种提供有效支撑。

农业机械；设计；试验；小麦种子流；多通道；并行检测；多路信号同步采集系统；精准计数

0 引 言

中国是小麦生产大国，小麦种植面积和产量均居世界前列[1-2]。播种是小麦生产的关键作业环节，播种质量直接影响小麦生长和产量[3]。播种过程中，小麦种子处于全封闭环境，驾驶员实时了解排种器运行状态困难，容易因种管堵塞或排种器异常造成减产[4]。根据小麦播种农艺要求，结合播种机高速作业需要，小麦排种频率可达320 Hz[5-6]，形成高通量种子流，种子流在检测装置内部发生碰撞、混叠概率提高，导致多粒种子同时穿越感应区概率增大，造成检测准确率降低[7]。因此，研究一种适应高频排种的小麦种子流检测装置对于实现小麦播种过程播量监测、漏播检测，提升小麦播种智能化水平具有重要意义。

国外发达国家已实现多种作物的全程机械化，目前正逐步向智能化方向发展[8-9]。在播种监测技术与装备方面，国外研究起步较早，开发日渐完善，Taghinezhad等[10]研制了一套集成电容式甘蔗排种器播种质量监测系统，实现对甘蔗播种过程中漏播和重播检测；Gierz等[11]利用PVDF薄膜研制了压电传感检测系统，实现了谷物计数和堵塞检测。现阶段国外播种检测产品更专业化、标准化和系列化。美国John Deere公司的N540、法国KHUN公司的MAXIMA 3e、德国HORSCH公司的Maestro SW等播种机，均配备播种量检测系统，实现小麦、玉米、大豆等作物的排种总量、漏播率、播种面积等参数实时监测[12]。上述播种检测装备促进了农业智能化的发展，但相关检测装置只能与相应的播种机配套使用，且价格昂贵，难以在国内大面积推广应用。

近年来，国内相关播种机械的研制开发推动了播种检测技术与装备的快速发展[13]。周利明等[14]设计了基于电容信号的排种性能检测系统，实现小麦排种器转速50～70 r/min时的在线检测；陈建国等[15-16]设计了小麦播量检测系统，建立了小麦种数与电容积分的关系模型，实现播种量105～225 kg/hm2，播种机速度为1.4～4.1 km/h的小麦播种检测；姜萌等[17]研制了基于红外检测原理的内插式播种量检测传感器，满足播种量120～180 kg/hm2、作业速度2.5～4.6 km/h条件下的精少量小麦播量检测要求；丁永前等[18]研发称量式播量检测装置，在作业面积大于0.033 hm2时，检测装置的最大绝对相对偏差为9.61%；卢彩云等[19]利用高速摄影系统采集精密排种器的排出种子的运动轨迹，通过图像分析实现了排种性能的检测；王金武等[20]研制了基于压电薄膜的水稻播种的监测系统，实时精准检测水稻直播机播种状态；在高通量颗粒流精准检测方面，丁幼春等[21]设计了基于分流机制与薄面激光-硅光电池结合的高通量小粒径种子流检测装置，实现了油菜等小粒径种子高通量检测。

综上，现有研究主要利用电容检测法[22]、机器视觉检测法[23]、压电检测法[24]和光电检测法[25]实现播种量不超过225 kg/hm2，播种机速度不超过7 km/h时的油菜、玉米、小麦、马铃薯、棉花等种子播种过程的实时检测。其中电容检测灵敏度高、抗污染能力强，但易受温度和湿度的影响，田间稳定性有待提高；视觉检测技术可真实反应整个排种过程，主要适应于精量排种，成本较高、易受外界光线干扰。压电检测法具有成本低和低频准确率高的特点，感应元件易受振动影响，对高频排种检测精度不高；光电检测法利用种子对光线遮挡时产生的电压信号转换为脉冲信号，信号处理识别系统读取脉冲信号，实现播种检测，其主要应用于玉米、大豆等作物精少量播种播量检测，但不能直接用于小麦等高速播种高频种子流播种检测（播种量为225 kg/hm2，速度为9 km/h），主要原因是高频种子流多粒种子容易相互重叠，影响检测精度。针对小麦高频排种种子流精准计数困难的问题，本文提出将高通量变为低通量多通道并行同步检测方法，运用凸透镜折射和非接触式光电感应原理，设计了薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置，对其进行试验。以期为实现小麦高频排种种子流精准计数提供参考。

1 多通道并行检测装置结构及工作原理

1.1 检测装置结构

薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置如图 1所示，其主要由种子分流结构、薄面LED光发射模组、光源接收模组、多路信号同步采集系统、播种状态显示屏、电源指示灯、电源开关、电源等组成。种子分流结构由入种管14、锥形分流盘13、四通道分流管11等组成；薄面LED光发射模组由LED阵列光源6、薄面LED窄缝5、LED光源支架4等组成；光源接收模组由凸透镜10、硅光电池9、光源接收模组支架8组成。

1.电源指示灯 2.电源开关 3.电源 4.LED光源支架 5.薄面LED窄缝 6.LED阵列光源 7.OLED显示屏 8.光源接收模组支架 9.硅光电池 10.凸透镜 11. 四通道分流管 12.多路信号同步采集系统 13.锥形分流盘 14.入种管

1.2 工作原理

工作时，小麦排种器排出高频的小麦种子流经导种管进入检测装置入种管，随后下落至锥形分流盘，在分流盘作用下均匀分流成4路低频小麦种子流；分流后的种子流相互独立，当种子流穿过LED光层时对光层产生局部遮挡，从而减小硅光电池上的光强，引起硅光电池电压变化；同时，多路信号同步采集系统对微小电压变化信号进行滤波、二次放大、二极管整流、电压比较、光耦隔离等处理，最终转换成稳定脉冲信号供单片机识别，信号经单片机处理后在OLED屏幕显示；穿过光层后的小麦种子重新汇聚，经检测装置出种管排出，完成小麦种子播种检测。

2 检测装置主要结构设计与分析

薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置的关键结构包括分流结构和感应结构，其中感应结构由薄面LED光发射模组和光源接收模组组成。检测装置主要参数有分流管直径、支架窄缝宽度、凸透镜焦距。为确定各元件位置、获得较好光层尺寸，进行光路分析与窄缝尺寸分析。

2.1 分流结构设计

根据长江中下游稻麦轮作区小麦播种的农艺要求，结合播种机高速作业需要，小麦播种量一般少于225 kg/hm2，以拖拉机前进速度9 km/h，幅宽2.0 m，播种行数8为计算依据[26]，小麦品种选用鲁丰22号，其千粒质量为44.67 g。此时，小麦排种频率可达320 Hz，形成高通量种子流，当多粒种子相互重叠时仅能检测出1粒，从而影响检测精度。为提高检测准确率，需减少检测通道内小麦种子流数量，因此提出一种变高通量为低通量多通道并行同步检测的方法。根据课题组前期试验数据，光电检测法在排种频率超过80 Hz后，装置检测准确率显著下降，因此单路有效检测频率取80 Hz[27]。由此计算出分流路数为4路，考虑高速直播作业对小麦排种影响，即可确定该分流结构采用“一分四”形式。

基于变高通量为低通量多通道并行同步检测的思路，为实现单路高频小麦种子均匀分流为4路低频小麦种子流，设计分流结构。如图2所示，分流结构主要分为入种管、锥形分流盘、入种腔、分流管4部分。

为保证小麦通过分流结构的流畅性，分流结构内部曲面应尽可能光滑，同时分流结构各管道管径大小应满足高频排种流通量要求。根据经验公式，最大内切圆直径（分流管内径）与小麦种子尺寸关系应满足[27]

式中d为小麦种子三轴尺寸最大值，mm。根据小麦种子三轴尺寸测定数据，3.45≤≤6.82 mm，带入式（1）得≥13.64 mm。

分流结构主要参数有分流管高度L，分流管内径，锥形分流盘高度等。入种管与小麦播种机导种管相连，故取分流结构入种管内径为40 mm；为保证小麦种子能快速进入分流管，设计1为10 mm，为25 mm。

1.入种管 2.锥形分流盘 3.入种腔 4.分流管

1. Seeding tube 2.Conical splitter plate 3.Seeding cavity 4.Shunt pipe

注：为锥形分流盘锥体弧面半径，mm；1为锥形分流盘锥体底面半径，mm；为锥形分流盘高度，mm；L为分流管高度，mm；为分流管内径，mm。

Note:is the arc radius of the cone of the conical distributor，mm;1is the radius of the cone bottom of the conical splitter disc, mm;is the height of the conical distributor, mm;Lis the height of shunt pipe, mm;is the inner diameter of the shunt pipe, mm.

图2 分流结构三维示意图

Fig.2 Three-dimensional diagram of the shunt structure

为防止小麦种子堵塞分流管，设计分流管高度L为40 mm，根据农艺要求，小麦种子的排种频率和分流管内径的关系需满足以下关系式[28]。

式中为重力加速度，m/s2；为小麦通过分流管时间，s；为小麦排种频率，Hz；1为单通道小麦排种频率，Hz；11为小麦种子三轴尺寸中较大的两个值，mm。

根据式（2）可知，在分流管高度一定的情况下，影响小麦通过性的因素主要有分流管内径、小麦种子的三轴尺寸。其中经过测量11取6.82和3.60 mm，1为80 Hz，计算得到此时的分流管内径为15.03 mm，综合考虑装置装配关系、体积等因素，最后取分流管内径为18 mm可行。

2.2 小麦种子感应结构设计与光路分析

课题组前期基于薄面激光-硅光电池传感原理设计了一种小粒径种子流监测装置[25]，实现了小粒径种子流的检测。但所用的薄面激光发射模组成本较高，占用空间体积较大。本文提出LED灯珠作为光源，利用窄缝产生薄面光层，并利用凸透镜折射原理扩大有效检测面积，提升种子流通过性。如图3所示，小麦种子感应结构主要包括LED阵列光源、光源支架、凸透镜、硅光电池、硅光电池支架，LED阵列光源用于产生高亮度光，硅光电池接收强光光线。本设计选用小体积高亮度贴片LED作为光源，其光照强度满足需求。感应元件选取尺寸较大的2DU10硅光电池。单通道光源由两个贴片LED灯珠组成，对称布置于凸透镜轴线两侧，检测装置共4个通道，总计有8个贴片LED灯珠。LED灯珠工作时光呈160°向外扩散，安装贴片LED灯珠时，为保证最佳光层效果，灯珠中心平面应与窄缝中心平面重合。实际光传播过程中，薄面光分为三段，即窄缝段、检测段、汇聚段。工作时，LED灯珠发出的发散光经窄缝变为薄面光，最后经凸透镜汇聚在硅光电池上。硅光电池位于凸透镜焦点，窄缝的中心轴、凸透镜的光轴、硅光电池的中心轴三轴共线。

1.LED阵列光源 2.LED发散光 3.光源支架 4.LED平面光 5.小麦种子 6.分流管 7.硅光电池支架 8.凸透镜 9.硅光电池 I.窄缝段 II.检测段 III.汇聚段

为合理设计凸透镜焦距，进行了无盲区理想点光源光路分析。LED贴片于凸透镜光轴两侧呈对称式布置，将LED简化成理想点光源，即重点分析考虑窄缝的过滤作用下，穿过窄缝的光层，简化被遮挡光束和通过窄缝之后衰减光束的影响，构建双理想点光源光路分析图（图 3的轴负方向）。如图4，由S1和S2位置LED发射的光经凸透镜折射，汇聚到硅光电池上。图中白色区域2为检测盲区，遮挡该区域的LED光对硅光电池两端电压变化无影响，若种子从该区域通过，检测装置无法检测；浅灰色区域为单点光源检测区域，该区域内只有单块LED光照射，种子从该区域掉落后，硅光电池能够捕捉到光强的变化；深灰色区域为双点光源检测区域，该区域被LED光照射两次，光线更加充足，种子从该区域落下后，光强变化大，硅光电池两端电压变化明显，容易实现计数。

在理想点光源条件下，对单个点光源光路进行分析，构建单理想点光源的极限位置光路分析如图5所示。

根据分流管内径最大尺寸，得到为无盲区长度。根据几何关系可得

式中为凸透镜焦距，mm。

1.理想点光源 2.检测盲区 3.单点光源检测区域 4.双点光源检测区域 5.凸透镜 6.硅光电池

1.Ideal point light source 2.Detection blind area 3.Single point light source detection area 4.Double point light source detection area 5.Convex lens 6.Silicon photocell

注：S1、S2为理想点光源点；S1'、S2'分别为S1、S2在透镜中的投影。

Note: S1and S2are the ideal point light source point;S1and S2are the projections of S1and S2in the lens respectively.

图4 双理想点光源极限位置光路分析图

Fig.4 Optical path analysis diagram of limit position of double ideal point light source

注：B为光线与凸透镜的轴线交点；C为硅光电池感光区域边界；A为光线与凸透镜的交点；S′为S点在透镜中的投影；u为点光源离凸透镜的距离，mm；v为物像离凸透镜的距离，mm；h为点光源离凸透镜轴线的距离，mm；h'为物像离凸透镜轴线的距离，mm；L为无盲区最大长度，mm；z为凸透镜焦点和光路与凸透镜的交点之间的长度，mm；a为硅光电池的有效长度，mm；O为凸透镜端面中心点。

根据式（3）得：

根据装置设计整体尺寸，结合元件外形尺寸，取=48 mm、=7 mm、=10 mm代入式（4）可得，≤21.4 mm。考虑到装置的体积因素，选择焦距为20 mm的凸透镜。

2.3 窄缝尺寸设计与性能分析

为获得较好效果的薄面光，进行薄面LED窄缝尺寸设计。其中，“薄面光”为LED灯珠产生发散光经过窄缝，依次通过分流管出口和凸透镜，最终汇聚到硅光电池上的光层。薄面LED光发射模组的窄缝宽度影响光层厚度与发散度。若窄缝宽度过窄，则会减小种子穿越光层时硅光电池的光强变化，降低检测精度，增加加工难度；反之，会增加种子穿越光层的时间，降低检测性能。在实际检测过程中，以有效感应区域的光层厚度（凸透镜上光的厚度）不大于1.5 mm且不小于1.0 mm为宜。忽略被遮挡光束和通过窄缝之后衰减无效光束的影响，构建薄面LED光层、窄缝与硅光电池的几何关系如图 6所示（图3中轴负方向）：

1.LED灯珠 2.窄缝 3.凸透镜

1.LED light bead 2.Narrow slit 3.Convex lens

注：为凸透镜上光层厚度，mm；为窄缝宽度，mm；1为LED灯和窄缝之间的距离，mm；2为窄缝长度，mm；3为凸透镜距离窄缝距离，mm；为光线发射角度，(°)。

Note:is the thickness of optical layer on the convex lens, mm;is narrow slit width, mm;1is the distance between LED lamp and narrow slit, mm;2is the length of narrow slit, mm;3is the distance from convex lens to narrow slit, mm;is the ray emission angle, (°).

图6 薄面LED窄缝与光路关系

Fig.6 Relationship between thin-surface LED narrow slit and light path

光层厚度关系有

根据式（5）得：

根据分流管内径=18 mm，取3==18 mm，结合检测装置整体尺寸，取窄缝长度2=24 mm。为了得到厚度1.0 mm≤≤1.5 mm的光层，由式（6）计算得出窄缝宽度0.4 mm≤≤0.6 mm。

为得到合适窄缝宽度，分别设计了窄缝宽度为0.4、0.5和0.6 mm的LED光源支架，并在不同排种频率下开展了小麦种子流多通道并行检测装置准确率台架对比试验。试验使用的LED光源支架实物图与其在装配体上的位置关系如图7所示。

图7 不同窄缝宽度LED光源支架实物及其位置关系装配图

将小麦种子流多通道并行检测装置入种管与排种器（农哈哈小麦排种器）出种口用导种管相连，接种杯置于检测装置出种管正下方用来收集排出的小麦种子。调节旋钮使排种器工作频率设定值，开展20～320 Hz频率范围内的台架试验，20 Hz为一个频率梯度，共15个频率水平等级，每个频率下排种20 s，结束后记录显示屏上的小麦种子数量，接种杯中的小麦种子通过人工统计的方式得实际粒数，重复3次，取平均值利用检测种子数与实际种子数的比值计算准确率。试验现场如图 8所示。

1.排种器 2.导种管 3.调速器 4.检测装置 5.接种盒

不同窄缝宽度下排种频率和检测准确率的关系，如图9所示。

图9 检测准确率随排种频率变化曲线图

由图9可知，当排种频率低于60 Hz时，3种窄缝宽度检测装置的检测准确率无明显差异，检测准确率高于95.27%；当排种频率在60～80 Hz时，0.5 mm窄缝宽度检测装置的检测准确率最高，0.4和0.6 mm的无明显差异；当排种频率高于80 Hz时，检测准确率由高到低分别为0.5、0.6、0.4 mm。试验表明，在适当范围内减小窄缝宽度能够提高检测准确率，但窄缝宽度过小也会导致检测准确率降低，故合适窄缝宽度为0.5 mm，此时凸透镜光层厚度为1.25 mm。

窄缝光路距离1、2、3关系为

联立式（5）～（7）可得LED灯与窄缝距离1、凸透镜光层厚度、窄缝宽度关系为

将=48 mm、=0.5 mm、1.25 mm代入公式（8）可得，LED灯与窄缝距离1为5.9 mm。

3 多路信号同步采集系统设计及检测流程

3.1 小麦种子感应信号分析

为保证精准检测小麦种子，利用示波器（UNIT UTD2012CEL）采集和分析小麦种子原始信号。测试时，在自然光照条件下，贴片LED灯珠提供稳定持续光照，经光源支架转换为薄面光，经凸透镜汇聚，照射到硅光电池上，产生300 mV的偏置电压。小麦种子下落穿越薄面光层时，会使硅光电池的偏置电压瞬间减小，之后恢复常态。根据光伏效应原理，由于小麦种子尺寸差异和投影角度不同，种子穿越光层时产生的遮挡面积也不一样，种子穿越光层时硅光电池产生值为15～35 mV范围内的偏置电压变化信号。图10为不同投种角度的小麦种子感应原始及放大信号波形图。

注：图中投种方向为光层平面法线方向；实线为原始信号；虚线为放大信号；方向1为小麦种子长轴垂直于光路的方向；方向2为小麦种子长轴平行于光路的方向；方向3为小麦种子长轴与光线平面成一定角度方向。

种子穿越光层时间直接影响检测装置灵敏度，根据能量守恒定律，分析小麦种子运动规律[28]。为简化运动过程，忽略空气阻力与管壁碰撞对小麦种子速度的影响，小麦种子到达光层速度与装置结构关系如下：

根据式（9）得小麦种子穿越光层最长响应时间为

3.2 多路信号同步采集系统设计

为准确分析和处理小麦种子信号，基于小麦种子信号特性分析，设计多路信号同步采集系统，如图11所示。该系统主要由电路供电模块、多路信号同步采集模块、信号处理模块及显示模块组成。

图11 信号采集系统框图

多路信号同步采集系统工作时，电路供电模块为整个检测装置供电，硅光电池两端电压因小麦种子穿过光层时对光层产生局部遮挡而变化，采集模块同步采集4通道电压信号；信号处理模块进行滤波、放大、比较、光耦隔离等环节，将电压信号转化为脉冲信号，完成信号调理；利用Mega2560最小系统的外部中断同步处理功能，同时将4通道种子信号转化为播种信息；显示模块显示各通道种子数、排种频率、排种量等信息，最终实现4路小麦种子的精准计数。

3.3 检测流程

多通道并行检测装置小麦种子流计数流程如图12所示。小麦种子由入种管进入检测装置，在分流盘作用下均匀分流成4路低频小麦种子流；分流后的种子流相互独立，当种子流穿过LED光层时对光层产生局部遮挡信号；信号经滤波、放大、比较、光耦隔离等处理流程，转化为数字中断信号；单片机采集外部中断个数并处理成种子数量num++（=1,2,3,4。为通道号），此时的总数sum为各通道数之和，sum´为前1 s各通道数之和。定时器中断在此过程中，记录1 s的播量信息，利用sum和sum´的差值，计算排种频率fre，OLED屏更新显示各通道数num1～num4、总数sum以及频率fre。

图12 小麦种子流检测流程图

4 检测装置台架试验

4.1 试验材料与设备

台架试验所用材料为鲁丰22号小麦种子，试验前人工挑选出缺损开裂的小麦种子。试验所用主要仪器及设备为农哈哈勺轮小麦排种器、固定台架、接种盒、可调直流稳压电源、直流电机、塑胶软管、秒表。同时，利用塑封袋、数粒仪、标签纸等对检测的结果进行记录。整体试验装置图8所示。

4.2 试验方法与结果分析

试验目的在于评估小麦种子流检测装置对不同排种频率小麦种子流检测的准确率及可靠性。

试验前，调整各试验设备，使测试系统保持稳定并处于理想工作状态。将薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置固定于勺轮小麦排种器投种口下方合适位置，利用接种盒收集通过检测装置的种子。试验时，控制排种电机转速，开展80～180 r/min电机转速下的台架试验，20 r/min为一个速度梯度，每个转速下排种20 s，并重复3次试验；SLY-C微电脑自动数粒仪在低频状态下（8 Hz以下）对小麦数粒准确率近似于100%，利用这一特性，调节数粒仪数粒频率置低频，将接种盒内种子进行数粒仪统计，统计完成后将实际种子数量记录在标签纸上；剔除试验过程中出现的异常数据，在当时的转速下重新开始试验。根据试验数据，拟合检测准确率-排种频率曲线，观察播量检测准确率随排种频率变化，使结果尽可能接近真实排种频率，试验结果如图 13所示。

图13 检测准确率随小麦排种频率变化曲线

由图13可得，小麦排种器转速在80～180 r/min时，对应田间正常排种频率范围为49.55～329.55 Hz，随着排种频率增加，各通道内种子重叠概率加大，检测装置检测准确率逐渐降低。经过线性拟合后排种频率-检测准确率特性曲线关系式为()-0.0742100.16，决定系数2为0.979，排种频率-检测准确率线性关系显著。整个试验过程中没有出现种子堵塞和种子流通不畅现象，也没有发生数据传输显示故障。

4.3 检测装置误差分析及准确率补偿模型

为进一步提高小麦种子流多通道并行检测装置检测准确率，分析传感检测流程。如图14所示，光层存在一定的厚度，小麦种子完全穿过光层时需要2.03 ms左右，在此期间如果存在其他种子穿过光层，引起多粒种子的震荡信号重叠，单片机无法识别出多粒种子而引发漏记；在排种过程中，高频率排种出现种子相互堆叠，同一时间穿过光层的种子数量过多，多粒种子信号被识别为一个，也会引发漏记。

1.LED灯珠 2.窄缝边界 3.分流管 4.小麦种子 5.薄面光层 6.凸透镜 7.硅光电池

为优化检测装置性能，提升检测准确率，基于排种频率-检测准确率曲线，建立了补偿模型，补偿模型为

式中是补偿后检测粒数；k是补偿系数；是补偿前检测粒数。

补偿系数k是关于排种频率的函数，取值随的增大而增大，补偿系数k和检测准确率()的关系如下：

为验证构建补偿模型后装置的检测准确率提升效果，开展了检测装置检测准确率极限试验，排种频率一直增加，直至准确率降低至80%以下。试验过程无堵塞现象，结果如图15所示。

图15 使用补偿模型后检测准确率随小麦排种频率变化曲线

Fig.15 Variation curve of detection accuracy with wheat seeding frequency after using compensation model

对比图13和图15可知：未使用补偿模型的装置，当排种频率达320 Hz时，检测准确率为77.03%，使用补偿模型后，在相同频率下准确率可达96.68%，检测准确率提升了19.65个百分点。综上所述，小麦种子流多通道并行检测装置在构建补偿模型之后，在正常田间排种频率范围52.10～321.55 Hz内，检测装置检测准确率均高于96.68%，在正常性能得到较大提升，频率可测范围更广，检测准确率更高。

4.4 对比试验

为了验证多通道并行检测装置对高通量小麦种子流检测准确率提升效果，开展单通道检测装置和多通道并行检测装置检测准确率的对比试验。试验时，将检测装置入种管与排种器出种口用导管相连，接种杯置于检测装置出种管正下方用于收集排出的小麦种子。每次排种时间20 s，结束后记录排种量；人工统计接种杯内的实际粒数，计算准确率。试验结果如图16所示。

图16 单通道与多通道并行检测装置对比试验

由图16可知，排种频率不超过32.75 Hz时，两种检测装置均具有较高可靠性，检测准确率不低于96.64%；在田间正常排种频率范围49.40～320.75 Hz内，随着排种频率增加，单通道检测装置检测准确率明显下降，多通道并行检测装置检测准确率保持稳定，单通道检测准确率最低为26.67%，多通道并行检测装置检测准确率最低为96.53%，说明分流后多通道并行检测提高了小麦种子检测准确率。

5 田间试验

为探究播种过程中机械振动、强光照和土壤粉尘等恶劣条件对小麦种子流多通道并行检测装置的影响，开展田间试验。

5.1 模拟试验

光照干扰试验时，直播作业机组静置于田间，启动小麦种子流多通道并行检测装置，在阳光照射、人为遮挡外界光和人为照射光3种情况下分别保持20 s。振动粉尘干扰试验时，清空播种机种箱，开启小麦种子流多通道并行检测装置，启动拖拉机模拟正常直播作业直行50 m，直行过程中通过抬升下降播种机人为制造振动和灰尘，重复5次。测试者跟随小麦播种作业机组，观察并记录显示的排种频率及排种总量。试验结果如表1所示。

表1 检测装置田间抗干扰试验结果

由表1试验结果可知，检测装置在阳光照射、人为遮挡外界光和人为照射光3种情况，测试频率示数、各通道数量、总播种量始终不变，没有发生误计，即田间各种光照条件对检测装置无明显影响。检测装置在播种机常见振动中，没有发生误计，即作业环境中的各种振动工况对检测装置无明显影响。正常播种作业情况对检测装置工作性能无明显影响。

5.2 田间试验

为进一步验证检测装置在不同排种频率下的检测准确率，于2021年10月在湖北省襄阳市襄州区龙王镇开展了薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置田间试验，播种机选用外槽轮式小麦排种器。薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置固定在播种机上，检测装置的入种管和排种器用导种管相连，出种管下接导种管，并在导种管末端处用塑封袋收集每次试验所排出的种子，便于后续的数据统计。试验现场如图17所示。

1.纽荷兰拖拉机 2.种箱 3.塑封袋 4.排种器 5.导种管 6.检测装置

参考GB/T 9478—2005《谷物条播机试验方法》中相关试验方法[29]，结合《2021—2022年湖北小麦高质量生产指导意见的通知》相关方法，播种量为稻茬麦播种量187.5～225 kg/hm2。根据小麦播种机常用作业速度，开展2～9 km/h拖拉机速度下的播种试验，以1 km/h为一个速度梯度，设定8个适宜的直播机工作速度水平，共8个速度水平等级，每个作业速度排种时间设定20 s，测定工作距离=40 m，重复3次。每次试验所排出的种子用塑封袋装好，并记录装置显示屏上排种频率、播种总量，试验结束后进行人工数粒得到实际的播种量。田间播量监测结果如表2所示。

表2 装置田间试验结果

从表2可以看出，在2～9 km/h的小麦播种机作业速度下，排种频率为67.65～323.95 Hz，薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置检测准确率高于95.28%，且在试验中未出现堵塞情况。

长江中下游稻麦轮作区小麦播种时，水稻残茬秸秆量大、土壤黏重板结、含水率波动大，造成播种机晃动，导致各通道种子均匀性降低，易出现单通道种子流量大，检测准确率降低，进而影响整体检测准确率。未来可利用离散随机化匀种装置，提升分流结构在不同倾角作用下的分流均匀性，提高检测系统精度。

6 结 论

本文针对小麦高频播种状态下难以精准计数的问题，基于将高通量变为低通量多通道并行同步检测的思路，运用凸透镜折射和非接触式光电感应原理，设计了薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置，开展了检测装置准确率、抗振性及抗尘性试验，实现了小麦种子准确、稳定、可靠的检测。

1）设计了种子流分流结构，根据小麦种子物理特性，在课题组已有传感原理的基础上，提出了一种“LED灯珠+窄缝”产生薄面光层，结合凸透镜折射原理扩大有效检测面积的方法，通过光路分析和窄缝尺寸分析确定了凸透镜焦距、薄面LED窄缝尺寸及传感元器件关键参数。

2）分析了不同投种角度小麦种子感应信号特征，获得不同投种角度下原始信号，通过种子穿越光层运动规律分析，得出种子穿越光层时间；设计了薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置多路信号同步采集系统。该系统同步采集、分析、处理4通道种子信号，实现4路小麦种子的精准计数。

3）为提升检测准确率，进行了检测准确率-排种频率测试，结果表明：随着排种频率增加，检测准确率逐渐降低，排种频率-检测准确率线性关系显著，通过分析检测装置的误差规律，构建了准确率补偿模型。台架试验表明：排种器转速在80～180 r/min时，正常排种频率范围为52.10～321.55 Hz，检测准确率均高于96.68%。田间播种试验表明：在2～9 km/h的小麦播种机作业速度下，田间正常排种频率为67.65～323.95 Hz，检测装置检测准确率高于95.28%。且在试验中未出现堵塞情况。

[1] 韩天富，李亚贞，曲潇林，等. 中国农田小麦和玉米产量时空演变及驱动因素[J]. 农业工程学报，2022，38(1)：100-108.

Han Tianfu, Li Yazhen, Qu Xiaolin, et al. Spatio-temporal evolutions and driving factors of wheat and maize yields in China[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(1): 100-108. (in Chinese with English abstract)

[2] 中华人民共和国国家统计局. 国家数据[EB/OL]. （2021-09-15）[2022-04-06] http: //www. stats. gov. cn/tjsj/.

[3] 廖庆喜，雷小龙，廖宜涛，等. 油菜精量播种技术研究进展[J]. 农业机械学报，2017，48(9)：1-16.

Liao Qingxi, Lei Xiaolong, Liao Yitao, et al. Research progress of precision seeding for rapeseed[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2017, 48(9): 1-16. (in Chinese with English abstract)

[4] 王在满，裴娟，何杰，等. 水稻精量穴直播机播量监测系统研制[J]. 农业工程学报，2020，36(10)：9-16.

Wang Zaiman, Pei Juan, He Jie, et al. Development of the sowing rate monitoring system for precision rice hill-drop drilling machine[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(10): 9-16. (in Chinese with English abstract)

[5] 孙加威，李浩，阎洪，等. 耕作方式和播种量对稻茬小麦产量及形态建成的影响[J]. 四川农业大学学报，2022，40(1)：28-35.

Sun Jiawei, Li Hao, Yan Hong, et al. Effects of the different tillage methods and sowing rates on yield and morphogenesis of wheat in the rice-stubble wheat system[J]. Journal of Sichuan Agricultural University, 2022, 40(1): 28-35. (in Chinese with English abstract)

[6] 雷小龙. 油麦兼用型气送式集排器设计及其工作机理[D]. 武汉：华中农业大学，2017.

Lei Xiaolong. Design and Working Mechanism of Air-assisted Centralized Metering Device for Rapeseed and Wheat[D]. Wuhan: Huazhong Agricultural University，2017. (in Chinese with English abstract)

[7] Liu W, Hu J, Zhao X, et al. Development and experimental analysis of an intelligent sensor for monitoring seed flow rate based on a seed flow reconstruction technique[J]. Computers and Electronlcs in Agriaulture, 2019, 164: 104899.

[8] 刘成良，林洪振，李彦明，等. 农业装备智能控制技术研究现状与发展趋势分析[J]. 农业机械学报，2020，51(1)：1-18.

Liu Chengliang, Lin Hongzhen, Li Yanming, et al. Analysis on status and development trend of intelligent control technology for agricultural equipment[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(1): 1-18. (in Chinese with English abstract)

[9] Audu J, Aremu A K. Development, evaluation, and optimization of an automated device for quality detection and separation of cowpea seeds[J]. Artificial lntelligence in Agriculture, 2021, 5: 240-251.

[10] Taghinezhad J, Alimardani R, Jafari A. Development of a capacitive sensing device for prediction of water content in sugarcanes stalks[J]. International Journal of Advanced Science and Technology, 2012, 44: 61-68.

[11] Gierz U, Paszkiewicz B K. PVDF piezoelectric sensors for seeds counting and coulter clogging detection in sowing process monitoring[J]. Journal of Engineering, 2020, 1: 2676725.

[12] 丁幼春，王凯阳，刘晓东，等. 中小粒径种子播种检测技术研究进展[J]. 农业工程学报，2021，37(8)：30-41.

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Liu Xiaodong, et al. Research progress of seeding detection technology for medium and small-size seeds[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(8): 30-41. (in Chinese with English abstract)

[13] 杨硕，王秀，高原源，等. 玉米精密播种粒距在线监测与漏播预警系统研究[J]. 农业机械学报，2021，52(3)：17-24，35.

Yang Shuo, Wang Xiu, Gao Yuanyuan, et al. Design of on-line seed spacing monitoring and miss seeding warning system for Maize Precision Planting[J]. Transactions of the Chinese society for agricultural machinery, 2021, 52(3): 17-24, 35. (in Chinese with English abstract)

[14] 周利明，张小超，苑严伟. 小麦播种机电容式排种量传感器设计[J]. 农业工程学报，2010，26(10)：99-103.

Zhou Liming, Zhang Xiaochao, Yuan Yanwei. Design of capacitance seed rate sensor of wheat planter[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2010, 26(10): 99-103. (in Chinese with English abstract)

[15] 陈建国，李彦明，覃程锦，等. 小麦播种量电容法检测系统设计与试验[J]. 农业工程学报，2018，34(18)：51-58.

Chen Jianguo, Li Yanming, Qin Chengjin, et al. Design and test of capacitive detection system for wheat seeding quantity[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(18): 51-58. (in Chinese with English abstract)

[16] 陈建国，李彦明，覃程锦，等. 小麦精量播种机排种高精度检测系统设计与试验[J]. 农业机械学报，2019，50(1)：66-74.

Chen Jianguo, Li Yanming, Qin Chengjin, et al. Design and experiment of precision detecting system for wheat-planter seeding quantity[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(1): 66-74. (in Chinese with English abstract)

[17] 姜萌，刘彩玲，都鑫，等. 小麦精少量播种播量检测系统研制[J]. 农业工程学报，2021，37(5)：50-58.

Jiang Meng, Liu Cailing, Du Xin, et al. Development of seeding rate detection system for precision and small amount sowing of wheat[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(5): 50-58. (in Chinese with English abstract)

[18] 丁永前，刘卓，陈冲，等. 基于动态称量原理的泛函式播种施肥量检测方法[J]. 农业机械学报，2021，52(10)：146-154.

Ding Yongqian, Liu Zhuo, Chen Chong, et al. Functional detection method of application rate based on principle of dynamic weighing[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2021, 52(10): 146-154. (in Chinese with English abstract)

[19] 卢彩云，李洪文，何进，等. 间歇式自动取样条播排种器排种性能检测试验台研制[J]. 农业工程学报，2019，35(24)：10-19.

Lu Caiyun, Li Hongwen, He Jin, et al. Development of testbed for seeding performance test of drill metering device based on intermittent automatic sampling[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(24): 10-19. (in Chinese with English abstract)

[20] 王金武，张曌，王菲，等. 基于压电冲击法的水稻穴直播监测系统设计与试验[J]．农业机械学报，2019，50(6)：74-84，99.

Wang Jinwu, Zhang Zhao, Wang Fei, et al. Design and experiment of monitoring system for rice hill-direct-seeding based on piezoelectric impact method[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2019, 50(6): 74-84, 99. (in Chinese with English abstract)

[21] 丁幼春，王凯阳，杜超群，等. 高通量小粒径种子流检测装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(13)：20-28.

Ding Youchun, Wang Kaiyang, Du Chaoqun, et al. Design and experiment of high-flux small-size seed flow detection device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(13): 20-28. (in Chinese with English abstract)

[22] 周利明，王书茂，张小超，等. 基于电容信号的玉米播种机排种性能监测系统[J]．农业工程学报，2012，28(13)：16-21.

Zhou Liming, Wang Shumao, Zhang Xiaochao, et al. Seed monitoring system for corn planter based on capacitance signal[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2012, 28(13): 16-21. (in Chinese with English abstract)

[23] 侯加林，田林，李天华，等. 基于双侧图像识别的大蒜正芽及排种试验台设计与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(1)：50-58.

Hou Jialin, Tian Lin, Li Tianhua, et al. Design and experiment of test bench for garlic bulbil adjustment and seeding based on bilateral image identification[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(1): 50-58. (in Chinese with English abstract)

[24] 赵博，樊学谦，周利明，等. 气流输送播种机压电式流量传感器设计与试验[J]. 农业机械学报，2020，51(8)：55-61.

Zhao Bo, Fan Xueqian, Zhou Liming, et al. Design and test of piezoelectric flow sensor for pneumatic seeder[J]. Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery, 2020, 51(8): 55-61. (in Chinese with English abstract)

[25] 丁幼春，朱凯，王凯阳，等. 薄面激光-硅光电池中小粒径种子流监测装置研制[J]. 农业工程学报，2019，35(8)：12-20.

Ding Youchun, Zhu Kai, Wang Kaiyang, et al. Development of monitoring device for medium and small size seed flow based on thin surface laser- silicon photocell[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(8): 12-20. (in Chinese with English abstract)

[26] 湖北省农业农村厅. 2021-2022年湖北小麦高质量生产指导意见[EB/OL].（2021-09-22）[2022-04-06] http: //nyt. hubei. gov. cn/.

[27] 丁幼春，杨军强，朱凯，等. 油菜精量排种器种子流传感装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2017，33(9)：29-36.

Ding Youchun, Yang Junqiang, Zhu Kai, et al. Design and experiment on seed flow sensing device for rapeseed precision metering device[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2017, 33(9): 29-36. (in Chinese with English abstract)

[28] 李玉环，杨丽，张东兴，等. 气吸式玉米高速精量排种器直线投种过程分析与试验[J]. 农业工程学报，2020，36(9)：26-35.

Li Yuhuan, Yang Li, Zhang Dongxing, et al. Analysis and test of linear seeding process of maize high speed precision metering device with air suction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(9): 26-35. (in Chinese with English abstract)

[29] 中国国家标准化管理委员会.谷物条播机试验方法：GB/T 9478-2005[S].北京：中国标准出版社，2006.

Design and experiment of the wheat seed flow multi-channel parallel detection device with thin-surface light refraction

Xu Chunbao, Liu Jingyi, Su Qingmao, Jin Wei, Wang Denghui, Wang Wanchao, Ding Youchun※

(1.,,430070,; 2.-,,430070,)

A seed metering device is closely related to the sowing quantity and crop yield in the planting process. Various detection methods have been used to improve the seeding performance for corn, and soybean precision seeding in recent years, such as photoelectric sensor detection, high-speed photography, and capacitance sensing. However, it is difficult to accurately count the high-frequency seed flow in the process of high-speed wheat sowing. In this study, a set of multi-channel parallel detection device was designed for the wheat seed flow with thin-surface light refraction. A "LED lamp beads + narrow slots" method was also proposed to generate the thin-surface light layer, in order to combine the convex lens refraction for the large effective detection area. According to the physical characteristics of wheat seeds, the seed stream shunt structure and the thin-surface LED narrow slot size were designed to determine the convex lens focal length and the key parameters of the sensing components. The multi-channel parallel detection and sensing were utilized to develop a multi-channel signal synchronous acquisition system for the multi-channel parallel detection device of the wheat seed flow with thin-surface light refraction. The seeding accuracy rate and frequency test was conducted to improve the detection accuracy. Among them, the error rule of the detection device was analyzed to construct the accuracy compensation model. The bench test showed that the normal seeding frequency range was 52.10～321.55Hz in the field, and the detection accuracy was not less than 96.68%, when the rotation speed of the seed metering device was 80～180r/min. The comparison test showed that high reliability was achieved with a detection accuracy of not less than 96.64%, when the seeding frequency was not more than 32.75Hz. The detection accuracy rate of the single-channel detection device decreased significantly in the frequency range of 49.40～320.75Hz during seed metering in the field, with the increase of seeding frequency. There was a stable detection accuracy rate of the multi-channel parallel detection device. Specifically, the minimum detection accuracy rates were 26.67%, and 96.53%, respectively, for single and multi-channel parallel detection devices. It infers that the multi-channel parallel detection improved the detection accuracy rate of wheat seeds after shunting. The field sowing test showed that the normal seeding frequency in the field was 67.65～323.95Hz at the operating speed of 2～9km/h, and the detection accuracy was higher than 95.28% in the detection device. Consequently, the detection device can be expected to detect the seeding frequency of the seeding device, the seeding amount of each channel, and the total seeding amount in real time. There was no influence of mechanical vibration, strong light, and soil dust on the detection device in the normal field wheat sowing. The detection device can provide effective support to accurately detect the high-frequency seed flow for the missed seeding detection and reseeding in high-speed wheat sowing.

agricultural machinery; design; test; wheat seed flow; multichannel; parallel detection; multi-channel signal synchronous acquisition system; accurate counting

10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009

S223.2+5

A

1002-6819(2022)-18-0081-11

徐春保，刘靖怡，苏清茂，等. 薄面光折射式小麦种子流多通道并行检测装置设计与试验[J]. 农业工程学报，2022，38(18)：81-91.doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009 http://www.tcsae.org

Xu Chunbao, Liu Jingyi, Su Qingmao, et al. Design and experiment of the wheat seed flow multi-channel parallel detection device with thin-surface light refraction[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2022, 38(18): 81-91. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2022.18.009 http://www.tcsae.org

2022-07-15

2022-08-26

国家重点研发计划项目（2021YFD2000402、2021YFD2000402-3）；湖北省重点研发计划项目（2021BBA080）

徐春保，博士生，研究方向为现代农业装备设计与测控。Email：xu_cb008@163.com

丁幼春，博士生导师，研究方向为智慧农业技术与装备。Email：kingbug163@163.com