文摘
播种播种操作期间没有检测是至关重要的,因为它会影响随后的作物性能。现有方法无法检测到播种没有地位没有土壤扰动后立即种植。本文发现的无损检测方法播种缺乏演习提出的位置。它关注内部的反射回波能量循环的能量耕种农田土壤,而土壤表面上的传感器直接连接,而不是在超声波穿透土壤种子中低于耕作土壤。首先,循环的能量用于分析的声场分布特征在农田的土壤传感器。根据大小不同的播种缺乏长度值和能量圆直径,三种不同情况下的总能量为每个案件详细讨论八个步骤,为了找到左和右边界线条和播种缺席的长度值,程序旨在帮助自动计算四个基本立场。最后,无损检测方法评估实验,结果证明该方法是准确、高效和方便的找到钻井种子的播种没有位置没有土壤扰动土壤表面。
1。介绍
如小麦播种,种子钻井期间,土壤耕作,移动到两侧开器,和种子落入土壤,形成一个种子层,并被返回覆盖耕作的土壤。因此,土壤由种子层分成两部分:耕作的土壤种子和未开垦的上方土壤种子层以下。耕作土壤,由开器,比未开垦的软土(图1)。
土壤中的种子位置或种子分布是一个重要的播种机的性能指标,因为种子缺席会影响随后的作物性能。它可以为特征 , ,和维坐标(1,2),如图2。作物行,显示为在图2,很容易通过机油尺,有些土壤表面的痕迹。然而,分销或播种的种子没有地位和没有土壤扰动是很难衡量的。目前,主要有以下常用的测量方法,包括计量测量种子,种子管测量,和手动测量后播种或出现。
种子计量测量方法是基于传感器的实时监测种子的种子流计量。种子流的均匀性检测来预测种子均匀后落入土壤(3]。种子流经过种子管和开瓶器和后落入土壤种子计量。因此,种子均匀性也是影响种子管,开器,甚至感动的土壤种子。因此,一些研究人员监测种子的种子流管得到更准确的结果的种子均匀性(4]。跟踪种子的反弹后落入土壤受土壤类型和组件的条播机(5,6]。然后,差异发生在真实和预测之间的最终位置的种子,影响种子均匀性测量的准确性。
第三种方法是手动播种后测量。移除土壤和种子被发现,从而获得的种子分布(7]。然而,土壤结构覆盖在种子被摧毁了,而且只有几个随机的网站是可以衡量的。
第四种方法,也是一种常见的方法,种子检测、手动测量后出现。当幼苗的地上,播种后大约7 - 15天,相邻苗之间的距离测量并与植物间距(8]。同时,测量幼苗从土壤中退出,距离下的幼苗土壤测量的播种深度(9]。有两个问题:第一个是可怜的时间效率。种子分布信息获得播种后大约7 - 15天,和重播将导致不平衡增长。二是巨大的破坏性。土壤测量幼苗,退出,无法继续成长,周围的土壤环境遭到破坏。这将给负面影响相邻幼苗的生长。
鉴于上述方法的优点和缺点的分析(3 - 7),本文试图提出一个基于超声波的无创性方法,其中的研究侧重于初步评估该方法的可行性。
近年来,超声波检测方法在农业领域的应用越来越广泛。超声波检测方法,如超声波脉冲波收发器,设计和测试在玉米、大豆、水稻和高粱字段为敏感性树冠结构差异通过测量树冠表面上方的回声(30 - 50厘米10]。同时,3 d重建和体积测量果树树冠基于超声波传感器开发的(11]。和超声波方法被用来探测根位置没有从表面清除沉积物,测量其长度,估计-土板尺寸(12]。此外,随着土壤含水量的超声波探测器是在开发的13),它可以检测超声波信息10厘米深的土壤。所有这些引用表明它可能是一个可行的方法,播种种子钻井时没有超声波的检测。
在这项研究中,土壤和未开垦的耕地土壤种子层分为两个部分,上方和下方种子层,分别在正常播种。然而,当播种没有发生时,直接覆盖未耕种的土壤耕作的土壤。自未开垦的软土小于耕作的土壤,耕作的土壤的性质,未开垦的土地,种子是不同的。超声波将反映在耕种土壤种子接口(正常播种)和耕作土壤soil-untilled接口(播种缺乏)。不同的超声波反射系数的种子和未开垦的土壤,不同的回波能量来自不同的接口可以用来判断播种没有发生和获得的位置播种。
2。理论和方法
该方法使用一个发射换能器和一个接收传感器实现准确播种在土壤表面没有测量。播种缺乏国家或种子分布是由回波能量在耕种土壤种子层或以上未开垦的土层,该传感器直接连接在土壤表面。在这项研究中,能量循环的概念(14)使用基于该模型建立了播种缺乏测量,计算和算法设计的位置和长度值播种缺乏动态提高检测精度。
2.1。中使用的能量圈播种没有测量
播种的能源循环的概念没有测量如图3。传感器的轴向响应的声场在固体培养基由两部分组成:近场区域称为菲涅耳区和远场区域,Schmerr模型的基础上(15,16),和声场分析Roa-Prada et al。17,18]。在近场声压振幅的最大值和最小值,然后他们将减少在远场随着距离的增加。声束传播在一个圆的半径和扩散角 。根据超声波的基本理论,和近场的长度值和一个能量圆的直径由以下方程计算(14]: 在哪里超声波的波长,和其他符号如图3。
根据(14),传感器接收到的回波能量的不同有不同的媒介。在这项研究中,媒介在正常播种(种子)是不同的,在播种缺席(未耕种的土壤)。通过这种机制,我们可以获得的位置播种。
2.2。播种缺乏分析基于能量圈的演习
2.2.1。种子检测案例分析
在实际的种子检测过程中,我们采用一对传感器的发射和接收超声波的功能。一个传感器是兴奋通过瞬时脉冲作为发射传感器,另一个用于接收。当检测传感器沿着土壤表面种子区,分别的能量圈的发展在不同的州。根据能源圆直径的大小关系和没有长度 ,有三种情况,如图4。每个案例的详细分析将在以下文本。
(一)
(b)
(c)
2.2.2。为每种情况变化过程分析的能量圈
为了分析,我们假设每个案件的状态变化是正常seeding-seeding absence-normal播种。
案例一: 。在这种情况下,在检测过程中有八个步骤,如图5:能量圈开始充满希望的种子(图的位置5(一个)),直到右边的峰值(A)向左移动边界行播种缺席(图5 (b));随着它的推移,播种缺乏区继续增加(图5 (c)),直到最右边的峰值达到正确的边界线播种缺席(图5 (d)),并不断朝着播种区缺席一段时间(图5 (e)),直到最左边的峰值(B)向左移动边界的播种缺席(图5 (f))。播种缺乏能源圆的面积开始减少(图5 (g)),直到最左边的峰值(B)右移边界线(图没有播种5 (h)),能量圈立即进入下一个位置充满希望的种子。在这个过程中,(播种的长度没有能量圈)从0增加到一定值 直到能量循环达到播种缺乏正确的边界线(数字5(一个)- - - - - -5 (d)),然后保持不变(图5 (e)),直到播种的能量圈到达左边界行(图5 (f)),并降低为0,然后保持不变(数字5 (g)和5 (h))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
同样,两个案例: 。还有8个步骤在检测过程中,如图6:能量圈开始的位置充满希望的种子,然后移动到的位置没有播种,然后通过播种缺乏地位,充满希望的种子,得到下一个位置。有三个不同的步骤和案例一:在这种情况下步骤d, e, f。 ,整个圆能源之间的位置没有种子和未开垦的土地上耕种劳作。因此, 在这段时间。因此,从0增加到(替换以防一个),直到能量圈到达左边界行播种(数据缺失6(一)- - - - - -6 (d)),然后保持不变(图6 (e)能源循环),直到到达正确的边界线播种缺席(图6 (f)),并降低为0,然后保持不变(图6 (g)和6 (h))。
(一)
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
以同样的方式,对于案例三: 。 从0增加到 ,并立即减少从没有呆在0 ,然后保持不变。因为在点的 ,左右两个边界的能量圈接触seed-soil界面(图4 (b)),将立即进入种子培养基,因此结合步骤d, e, f在图6与图4 (b)在这种情况下,有6个步骤。
2.3。总能量分析的所有步骤
从上面的分析可以看出,所有的步骤可分为三种状态在任何情况下:(1)能量圈充满希望的种子(数字5(一个),5 (b),5 (h),6(一),6 (b),6 (h)),(2)能量圈没有任何种子(数字6 (d)- - - - - -6 (f)),(3)的总能量圈除以种子和未开垦的土壤(其他subfigures数字5和6)。和状态(3)是一个常规的组合状态(1)和(2)状态。因此,总能量的状态(1)和(2)分析首先,和状态(3)进行了分析。
2.3.1。传感器接收到的总能量的能量循环的或没有种子
根据超声波的传播和衰减特性,可以使用下面的方程来计算总回波能量不同的州。
在能源循环的种子状态(状态(1)),总能量收到接收传感器是通过方程(2): 在哪里是指声强度和和是指种子和耕作土壤的反射系数,分别。
的反射系数( , ,和 )是由(14,19] 在哪里测试介质的密度,声音的速度测试中,是入射角,传动角。
以同样的方式,当能量圈没有任何种子(状态(2))的超声波反映未耕种的土壤耕作的土壤下面,和总能量通过计算 在哪里指未耕种的土壤的反射系数。
当土壤和种子被固定在一个给定的测试环境,事件的频率可以被认为是一个常数值,然后声压是恒定的,的值和传感器也将收到的常数。
2.3.2。传感器接收到的总能量在整个能量圈除以种子和土壤未开垦的状态
状态(3),能量循环分为至少两个部分的种子和土壤(数据未开垦的5和6),甚至三个部分,如图5 (e),其中包括两部分未耕种的土壤和种子的一部分。用能量圆的面积 。当缺乏一些种子在种子区,播种的长度没有能量圈 ,在哪里 和 ;能量圆的面积的播种缺乏区用 。考虑整个能源循环分为两种状态,总能量应该结合种子和未开垦的土地部分的能量圈,它由吗
如果 被视为一个值0或1,方程(5)将成为方程(2)和方程(4),分别。
通过以上分析,当传感器在土壤表面逐渐从正常seeding-seeding absence-normal播种,总能量接收到接收传感器在不同的州是由方程(2),(4)和(5),分别。
2.3.3。校准的播种没有位置
播种的价值缺失长度是用从图3图6。确定准确的位置,左和右边界线的长度应该获得的。
步骤e以防1(图5 (e)),和 可以通过使用方程(6)和(7),分别为, 和 。
步骤c, d, f, g,以防(数字5 (c),5 (d),5 (f),5 (g)(图)和c和g6 (c)和6 (g))在两种情况下,长度值的播种缺乏能量循环和比例 可以通过使用方程(8)和(9),分别为, 。它的意思是如图5和6:
耕作的土壤时,未开垦的土地,种子培养基和其他初始条件是固定的,方程(5)可以写成方程(10):
自 , ,有以下关系和 : 在哪里和是常量值对于一个给定的检测环境和条件。基于方程(11),(12),(13)和(14), 和 。因此,随着钻井作业,如果有播种没有现有的,在检测过程中,总能量之间的关系接收和比例消极的是线性的。根据方程(8),(9)和(10),图之间的关系和可以确定。图7演示了这种关系 , , ,和 。
如果 ,我们可以找到四个关键的长度 , , ,和节中描述的两种基本状态相对应2.3。1;左和右边界和长度值由方程(15),(16)和(17),分别。和几何描述如图8:
同样,如果 ,左和右边界的由方程(18)和(19),分别。和几何描述如图9:
如果 ,然后 ;因此,左和右边界方程的线的长度值的条件下 和 都是适合 。
在实际的过程中,当四个基地找到位置,的值 , , ,和获得通过距离测量仪器的使用。
经过以上的分析,该方法用于检测钻孔种子,这种子流分布),如小麦种子,如图10。和它不能检测精度种植作物,如玉米种子,如图11。这种测量方法的敏感性是不同的,当参数是不同的,如种子类型、土壤深度和超声波信号。在下一节中,小麦种子为例进行测试来验证该方法的可行性。
3所示。实验结果
3.1。材料和方法
一系列不同厚度的农田土壤和种子媒体,其中包含耕作土壤,未耕种的土壤和小麦种子,用于评估该方法。
为了获得实际的土壤中的种子流动状态尽可能,播种率为设计为375公斤/公顷和行空间是20厘米。根据计算,相邻之间的中心距约为5毫米种子。100测量小麦种子的平均长度为6.8毫米(表1)。因此,根据运动规律,在理想的状态下,种子流分布没有种子(图之间的差距10)。
土壤是涿州实验从测试领域获得。土壤属性如表所示2。土壤被渗和粒子小于2毫米,这是用作耕作的土壤。和土壤渗后和未开垦的土壤压实。
测试环境的温度大约是10-40°C。根据检测环境,有 , 。考虑土壤中超声波的传播特性,Zhibolian 5200超声波检测仪器是用来获取超声信息。仪器包括一对传感器的发射和接收,分别与中心频率46 kHz和直径35毫米。励磁电压实验中使用的是500 V。激发脉冲的重复频率2.5 MHz,重复周期0.4μ年代。听起来措施包括速度的参数( ),时间( ),和振幅( )。
然后,总能量通过计算接收传感器 在哪里介质的密度和吗中心频率。
避免相互作用的两个传感器传输和接收、检测长度 。 和 选择讨论的主要检测过程。在实验中,测量过程可分为以下七个步骤。图的操作如图12。
第一步是检测超声波在两个基本状态参数:能量循环的或没有种子,并计算出总能量和 ,分别。
第二步是找到一垒的位置和计算的总能量 。传感器移动从上面的参考位置向右慢慢耕作土壤表面保持良好的耦合。回波能量的值不会改变,直到传感器搬到一垒的位置左边的边界线的播种。当时,刻度值读,总能量计算了。
第三步是找到第二基地的位置 。继续从位置传感器向右移动,直到回波能量价值并没有改变,这意味着传感器到达二垒的位置 ,的刻度值和总能量可以获得。
第四步是确定大小的区别和 。大小的比较和 :如果 ,然后 ,否则 。
第五步是找到第三基地的位置 。继续从位置传感器向右;回波能量的值不会改变,直到传感器搬到三垒的位置 。当时,刻度值是阅读。
第六步是找到第四基地的位置 。继续从位置传感器向右移动,直到回波能量价值并没有改变,这意味着传感器达到最后的基础地位 ,的刻度值可以获得。
第七步是确定左和右边界和的长度值 。根据第四步的结果,如果 ,的值 , ,和得到了用 , , ,和方程(15),(16)和(17);其他的,如果 ,他们是通过方程(18),(19)和(20.)。
3.2。结果分析
图13展示了实际测量结果 和 。相比之下,图7,结果表明,接收传感器收到的总能量的变化是一致的曲线的变化调节理论价值。
(一)
(b)
4所示。讨论
与其他方法相比,在介绍中提到的,拟议的播种没有超声波法检测符合要求的无损测量的最新种子作为其他方法不能达到的位置。该方法不需要移除土壤覆盖在种子和幼苗不损害。它还可以检测土壤中种子的最终位置后播种。因此,该方法比种子更准确计量或种子管测量方法,更高效,方便,有利于作物生长比手工测量后播种或出现。
然而,该方法也有三个不确定因素影响检测结果。首先,事件超声波容易受耦合层的影响。能源循环理论用于这项研究是基于回波能量的变化在耕作的土壤,所以关键前提是保持事件超声波的能量不断在传感器移动到不同的位置。然而,由于不同土壤表面的粗糙度,事件中很难控制超声波检测过程。因此,需要耦合剂在某些情况下获得令人满意的结果。第二,差异未耕种的土壤和种子之间的反射系数的大小会影响检测结果。如果差异如此之小的位置的回波能量种子和土壤未开垦的类似于对方接收到传感器,然后检测是不可能的。第三,传感器的数量也会影响检测结果。在这项研究中,使用一个传输传感器和接收传感器,分别。因此,前提是接收能量圈内的传感器包围,那回声的能量可以接收传感器探测到。 If the diameter of the energy circle is equal to the diameter of the transmitting sensor, then it is impossible to detect. Thus, one sensor with the function of both transmitting and receiving is needed in some detection conditions.
本文理论的无损钻播种机的播种缺乏检测土壤表面基于超声波的农田被高亮显示和分析。由于时间限制,结果是初步的。更多的工作,比如小石头和昆虫的影响,应该以验证该方法的有效性和可行性。
5。结论
理论和实验结果表明,该方法是有效和准确的播种缺乏检测土壤表面上方。这种方法的优点是无损测量的最新种子播种后的位置。中心频率的选择和直径的传感器是至关重要的在这种方法中,影响回波能量的大小和范围的耕作土壤,涵盖的种子。在实际测量操作,需要设计一个选择项目获得合适的中心频率和直径。此外,一个传感器传输和接收的功能可以选择满足条件的能量圈的直径等于发射传感器的直径。目的只有一个基本的尝试找出这一方法的可行性,该测试使用的仪器是一个成熟的产品,由北京Zhibolian科技有限公司,其直径和特定频率( , )。由于探测器的直径和频率的限制,只有两种状态的种子深度(25毫米和30毫米)进行了测试。在实际检测中,不同作物、土壤类型和深度需要不同的超声波频率,研究了未来。与此同时,一些作品讨论使用超声波在植物传感和造成的损害应用程序;也将是未来研究的内容的一部分。
数据可用性
本研究的数据集用于支持这些发现都包含在这篇文章。
的利益冲突
作者宣称没有利益冲突。
确认
这项研究是由创新研究团队项目在中国教育部授予数量IRT13039和基础研究基金为中央大学拨款2018号qc153。由于是由于保护性耕作研究中心的技术人员和学生的中国农业大学为他们的有价值的建议。