排种器性能检测技术的研究与发展

侯云涛

（黑龙江省农业机械工程科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150081）

0 引言

排种器是农业机械设备中重要的种植工具之一，对作物的生长和产量具有重要的影响。排种器性能检测是确保作物能够在适宜的条件下生长和获得最大产量的重要步骤[1]。如果排种器的性能存在问题，可能会导致种子播种不均匀或深度不合适，从而影响种子的萌发和生长，进而影响作物的产量和质量。因此，对排种器的性能进行检测非常重要[2-3]。

1 排种器性能检测主要内容

主要的检测指标和内容包括播种合格率、播种重播率、播种漏播率、播种均匀度、种子破损率和播种深度等。其中，播种合格率、播种重播率和播种漏播率是最重要的指标[4-5]。

播种合格指标：评估排种器在播种时能否将种子种植在目标位置的能力，通常表现为株距上等距排种。如果排种器在播种时无法实现等距排种，则可能导致作物的生长不均匀或者导致作物之间的竞争，进而影响农作物的产量。

播种重播指标：检测排种器作业时是否下种量过多，一般表现为双粒或多粒排种。会导致作物之间的竞争，进而影响农作物的生长和产量。

漏播指标：检测排种器作业时是否下种数量不够，一般表现为非连续排种。会导致农作物的生长不良或导致作物产量的减少。

通过对这些指标的检测，可以评估排种器的播种质量和稳定性，及时发现和纠正排种器性能问题，以便及时进行维护和修理，保证排种器的正常运行和作业效果，从而保证作物的生长和产量。常见的排种器性能检测方法在GB/T 18686-2002《农业机械化工程技术规范》和GB/T 30549-2014《播种机械 电驱高速排种机 安全要求》中都有相关的说明，本文不再赘述。

2 排种器性能检测技术现状

2.1 基于帆布带法的性能检测技术

人工帆布带测试是排种器早期的一种实验室性能检测技术，其原理是在一块长约2 m、宽约0.5 m的帆布带上均匀地涂抹黄油，然后将排种器在帆布带上行驶一段距离，观察帆布带上种子的分布情况，从而评估排种器的均匀性能和排种精度。涂黄油的作用是使种子附着在帆布带上，便于观察和计数[6-7]。

在美国，该方法早在20 世纪40 年代便得到应用。其相关研究最早由美国的农业工程师A.B.Stuart进行，主要研究小麦、玉米等农作物的播种性能。后来，美国农业部陆续开展了一系列相关研究，探讨不同排种器的播种性能及其影响因素。1954 年，日本的农业机械化试验场将人工帆布带测试纳入了农业机械测试的标准化项目之一，并制定了相关测试方法和标准。在20 世纪60 年代，我国农业机械化试验单位开始将其纳入到排种器的性能检测中。这种方法可以快速地评估排种器的播种效果，一定程度上能反映播种时种子的着落情况，但需要人工操作和计数，容易产生误差，且试验过程中种子会受到污染,无法回收利用。

SD-175 型排种器试验台在1970 年代初期开始研制，是国内较早研发的一款移动式排种器性能测试设备，应用了沙盘固种技术，是黄油固定种子的一种变体。在使用中，将细沙铺设在排种器的排种带上，使其平整并紧实，将待检测的排种器放在上面进行播种操作，播种后再用刻度尺等工具进行密度和行距的测量，观察种子的均匀程度。如果种子排列整齐、均匀，说明排种器的排种性能较好。

沙盘固种技术具有环境清洁、种子可回收利用等优点，但是种子弹跳移位和人为误差仍然存在,检测精度不高。

2.2 基于高速摄影的性能检测技术

高速摄影法可以以高帧率记录播种器的操作，捕捉播种过程中的细节，如种子的翻滚、弹跳和旋转等，有利于分析播种过程中的各种问题。这对于检测可能出现的问题、对比不同的设计和调整播种器性能非常有用[8]。John Deere 公司就使用了高速摄影法进行排种器性能检测，以评估播种器的速度、精度和一致性，以及了解不同种子类型和种子大小对播种器性能的影响。高速摄影法具有检测速度快、精度高等优点，但因存在着设备要求高、成本较大等缺点，并未得到大规模应用。

2.3 基于压电效应法的性能检测技术

基于压电效应法的排种器实验室检测技术利用了压电效应的特性。具体方法如下[9]：首先，在排种槽内放置一个薄片压电传感器，并将传感器与数据采集仪器相连。然后，记录传感器接收到的在排种器工作过程中种子落入到排种槽中的压电信号。通过对采集到的数据进行分析，可以得出排种器排种的精度和稳定性。此外，该方法还可以检测排种器在不同工作条件下的排种精度，为排种器的性能优化提供参考。

美国农业部（USDA）研究人员使用压电传感器检测精密种植机的种子排放，通过采集传感器数据并对其进行分析，评估种植机的性能和精度。德国的耐克尔公司研发了一款基于压电效应的种子计数传感器，用于实验室中对精密种植机进行检测和校准，该传感器可以检测种子数量和速度等关键参数。日本国立农业研究中心（NARO）研究人员使用压电传感器检测精密种植机的种子排放情况，通过分析传感器数据，研究种子排放量和排放均匀性，提高种子的精度和均匀性。

2018 年，中国农业机械化研究院开展“基于压电效应的玉米高速排种器性能检测技术研究”项目，该项目利用压电传感器实时采集发种压力数据，并通过数据处理、分析和比对，得出排种器的性能指标，包括株距和排种量等。该技术可以高效地实现排种器性能的实验室检测，并为优化排种器结构和提高排种效率提供技术支持。

相比传统的实验室检测方法，基于压电效应法具有非常高的灵敏度和准确性，实时性好，而且不会对排种器的工作产生干扰；缺点是信号处理难度较大，设备成本较高。

2.4 基于光电效应法的性能检测技术

基于光电效应法的排种器性能检测技术利用光电二极管（Photodiode）或光电倍增管（Photomultiplier）检测种子经过时产生的光信号变化，从而确定种子数量和排种速度。这种技术在精度、速度和自动化方面都有很大优势，因此被广泛应用于现代排种器的检测中[10-11]。

美国的Seedburo 公司生产的D-212 型光电种子计数器，是一种基于光电效应原理的排种器实验室检测仪器。它采用高速计数器和精密光电传感器，能够对各种形状的种子进行快速、准确的计数，具有高效、精准的特点。瑞士的一家公司开发了一种名为“GreenVision”的排种器测试系统，该系统采用高速摄影和激光测距技术，能够测量种子的投放速度、间距和分布均匀性等参数。日本筑波大学研究团队提出了一种基于光电效应的排种器检测方法，该方法使用红外线LED 和光电二极管来实现对种子排量和排种速度的测量。我国农业科研机构和种子企业也开发了一些基于光电效应原理的排种器检测技术，包括种子计数器、种子品质检测仪等。

这些基于光电效应原理的排种器实验室检测技术具有计数速度快、精度高、稳定性好等优点，能够大大提高种子检测的效率和精度，但在对形状较小的种子进行检测时存在一定的局限性。其检测设备和操作复杂度较高，需要高水平的技术和设备支持。同时，不同光源的照射条件对测量结果也会产生一定的影响。

2.5 基于嵌入式的性能检测技术

嵌入式技术可以对排种器的各项参数进行实时采集和分析，可以通过嵌入式数据采集系统对播种量、出口速度、播种深度等参数进行实时采集和分析，从而实现对排种器性能的全面评估和优化[12-13]。此外，嵌入式数据采集系统还可以实现对排种器的智能控制，提高排种效率和管理水平。因此，嵌入式技术在排种器性能检测中的应用越来越广泛，它可以帮助实现自动化和精准化的检测。

美国加州大学戴维斯分校的科研团队使用了基于嵌入式技术的系统对水稻精密排种机进行性能测试。该系统利用嵌入式芯片进行数据采集、控制和处理，能够实时监测排种器的工作状态并进行数据分析。Agtron 公司推出了基于嵌入式技术的智能排种器检测系统，该系统可用于对各种类型的排种器进行性能测试和优化。

欧洲的一些科研机构和企业也开始采用嵌入式技术对排种器进行性能测试。例如，德国ECP GmbH公司开发了一款基于嵌入式技术的高精度排种器测试仪，该测试仪可以进行多种参数的测试和数据采集，荷兰的Wageningen University &Research 使用嵌入式系统对自动化精密排种设备进行性能测试，并研究其适用性。

日本的科研机构和企业也在积极探索嵌入式技术在排种器性能检测中的应用。例如，日本Keyence公司生产的光电式排种器检测系统采用了嵌入式技术，可以进行高速数据采集和实时控制。日本电装公司开发了一种基于嵌入式技术的排种器性能检测系统，该系统使用了嵌入式计算机和传感器，能够实时监测排种器电子元器件的工作状态，提高了排种器的生产效率和质量。

在我国，嵌入式技术在农业机械领域也得到了广泛的应用。例如，江苏普罗米特农业装备有限公司推出的自动化水稻精密排种机，采用了嵌入式芯片进行数据采集和处理，并通过电子控制系统实现了种子的自动计量和定位。嵌入式技术在排种器性能检测中的应用具有以下优点：可以实现自动化和精准化的检测，减少了人工干预的误差；采集数据的速度快，能够实时监测排种器的工作状态，并进行数据分析，提高了检测的效率和准确性；可以集成多种传感器，能够同时监测多个参数，提高了排种器性能测试的全面性和准确性。但是，嵌入式技术在排种器性能检测中也存在一些缺点，例如需要专业人员进行维护和升级，成本较高等。

2.6 基于计算机视觉的性能检测技术

计算机视觉技术在排种器实验室检测技术中的应用主要是通过使用计算机和摄像机等设备，利用图像处理和模式识别技术对排种器的工作状态和性能进行评估和监控[14-15]。计算机视觉技术在排种器实验室检测技术中的应用越来越广泛，具体包括：①图像处理与分析：通过采集种子排放的图像，利用计算机视觉算法对图像进行处理和分析，得到种子的数量、大小、密度等信息，从而评估排种器的性能。②三维重建技术：通过将多个角度的图像进行融合，采用三维重建技术对种子分布进行建模，从而实现更加精准的性能评估。

美国德州农工大学开发了一种基于计算机视觉技术的高速种子计数系统，该系统使用高分辨率摄像机拍摄种子图像，然后通过图像处理和分析算法实现了快速高效的种子计数。Purdue 大学研究团队使用计算机视觉技术，开发了一种基于高速相机和图像处理技术的排种器性能评估系统，能够实现对种子数量、排放位置、速度等信息的实时监测和分析。

欧洲农业技术研究中心（CRA）利用计算机视觉技术开发了一种基于数字图像处理的玉米排种机检测系统，该系统能够通过高分辨率摄像头获取玉米种子的图像，利用图像处理算法实现种子的检测、计数和分类等功能。欧盟资助的SmartAgriHubs 项目，涉及多个欧洲国家的合作伙伴，其中包括利用计算机视觉技术对精度种植设备进行实时检测和优化的研究。利用高分辨率图像和深度学习算法对种子落地状态进行识别和分析，实现精度种植过程的实时监测和自动化控制。

日本东京农工大学的研究人员开发了一种基于计算机视觉技术的水稻排种机检测系统，该系统能够通过高分辨率摄像头获取水稻种子的图像，利用图像处理算法检测种子的形状和大小，并自动调整排种机的参数，以保证种子的排列和深度。爱媛大学研究团队使用计算机视觉技术，开发了一种基于三维重建的排种器性能评估系统，能够实现对种子分布的精确建模，从而提高性能评估的准确性。

在我国，中国科学院深圳先进技术研究院的研究人员利用计算机视觉技术开发了一种高精度的水稻籼稻和粳稻区分系统，通过对高清图像进行处理和分析，自动识别水稻籼稻和粳稻的种子形态特征，并进行分类和记录，提高了种子鉴别的准确性和效率。

计算机视觉技术在排种器性能检测中的应用具有以下优点：①高效：计算机视觉技术可以高效地处理大量数据，比人工检测更加快速，减少了时间和成本；②精确：计算机视觉技术可以减少人为误差的出现，提高检测的准确性和稳定性。缺点：①易受环境影响，如光照、摄像头视角等因素会对检测结果产生影响；②计算机视觉技术的设备和软件成本较高。

3 排种器检测技术的发展趋势和研究方向

3.1 抗干扰能力强的传感器

传感器是排种器性能检测的核心部件之一，受到外部环境因素的影响比较大，研发抗干扰能力强的传感器是未来的一个重要方向。这些传感器可以在复杂的环境中稳定工作，从而将排种器测试技术引入到田间，进行实时监测和数据采集，更准确地了解排种器在不同作物、不同土壤、不同气候条件下的性能，实现更加真实的排种器性能检测，贴近实际使用场景。

3.2 多元化测试

传统的排种器性能检测技术主要是针对单一的参数进行测试，未来的发展方向是多元化测试，即同一设备在一次实验过程可以同时测试多个参数，减少随机因素的影响，通过综合评估，对排种器的性能进行全方位的检测，提高测试效率和准确性。

3.3 虚拟仿真

通过建立排种器的虚拟模型，可以在计算机上进行仿真实验，在实际测试前预测和分析排种器的性能，通过对模型参数的调整进行排种器的优化，以实现更高的性能和更佳的稳定性，从而降低实际测试的成本和风险。同时，虚拟仿真技术也可以辅助实验数据分析，可以在较短时间内获取更多的数据，提供更加全面和精确的数据支持，帮助检测人员识别和分析排种器的问题，提高检测的效率、准确性和复现性，实验结果也可以用于验证和修正模型。