基于特征频率法的大量元素水溶肥种类快速辨识装置研制

发布时间：2020-11-06 11:25

　　 随着国内外对自动灌溉施肥技术研究的不断深入,自动混肥与变量施肥成为其重要研究方向,其中肥料种类及组分的快速检测与辨识是该研究方向的关键环节,它直接影响着自动混肥或变量施肥的效果,大量元素水溶肥因具有水溶性好、无残渣、可以完全溶解于水中、能被作物的根系和叶面直接吸收利用、利用率较高等优点,是灌溉施肥系统中应用较广泛的一种肥料。目前针对大量元素水溶肥种类的辨识存在着检测时间过长,不能满足在线检测和检测方法过于繁琐等缺点。针对以上不足本文研制了一种大量元素水溶肥种类快速辨识装置,主要工作如下:(1)根据平行板电容测量原理设计了一款能感知肥溶液介电常数变化的传感器,并利用尿素作为试验对象对传感器进行了稳定性试验,试验结果表明将传感器较长时间处于待测溶液中不会影响其对肥液辨识的准确性,能满足实际应用要求。(2)利用信号发生器、示波器和不同种类的大量元素水溶肥对所设计的传感器进行特征频率范围确定试验,并得出区分不同种类肥液的频率范围为:10～60 kHz、500～1000 kHz和3～6 MHz这3个频段范围。(3)在通过试验确定所得的频率范围的基础上,以传感器为核心设计了一种大量元素水溶肥种类辨识装置及其调理电路。(4)采用尿素、普钙、硫酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾6种市场上常见的大量元素水溶肥作为试验材料,利用所设计的辨识装置在不同频段内对不同种类的肥液进行特征频率确定试验,根据试验得出不同种类肥液在不同频段内的频率响应模式的不同,从而获得区分不同种类肥液的特征频率为:30、40、50、600、700、800kHz,4、5和6 MHz这9个频率。(5)分析6种大量元素水溶肥在各特征频率点处的频率响应模式,设计6种肥液的辨识流程,并得出辨识策略。(6)在1:10～1:3000浓度范围内利用尿素、普钙、磷酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾6种肥液对装置辨识肥液的准确性、快速性和稳定性进行了验证性试验,试验结果表明:装置对3种单质大量元素水溶肥和磷酸氢二铵的辨识准确率为100%,对硫酸钾和磷酸二氢钾的辨识略有偏差,最低辨识率为磷酸二氢钾(94.8%),总体上对6种水溶肥的辨识准确率可达98.3%;且在9.2-19.5 s内可完成一次完整辨识,辨识的平均时间为14.3 s。这表明装置进行肥液种类辨识时具有较高的准确性和良好的快速性。本文设计的装置可以对不同种类的大量元素水溶肥进行快速、准确辨识,不仅可以有效地避免施肥过程中的施肥错误,还对实现灌溉施肥的全程自动化具有重要意义。
【学位单位】：昆明理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2017
【中图分类】：S224.2
【部分图文】：

图１．１本文技术路线图??Ｆｉｇ．?１．１?Ｄｅｖｉｃｅ?ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ?ｒｏａｄ?ｍａｐ??

所需的时间，进而可实现水溶肥种类的快速辨识。??２．２总体设计??大量元素水溶肥种类快速辨识装置的总体设计原理图如图２－１所示，主要由电源、单??片机、激励信号源、传感器、真有效值转换模块和ＬＣＤ显示模块构成。??电源用于将２２０Ｖ交流电转换为±５Ｖ的直流电压，电源稳压电路主要由２２０Ｖ－１２Ｖ变??压器、ＬＭ７８０５、ＬＭ７９０５、二极管和电容构成，该电路可将２２０Ｖ交流电压转化为稳定的??±５ｖ直流电压并为单片机控制电路、激励信号源、传感器、真有效值转换模块和ＬＣＤ显示??模块提供稳定的工作电压。??单片机控制电路采用ＡＴｍｅｇａｌ６单片机作为主控芯片，ＡＴｍｅｇａｌ６单片机具有Ｃ语言、??汇编语言等多种语言编程功能，通过Ｃ语言编程可以为激励信号发生电路提供控制信号，??并使其发出输出幅值为５Ｖ、频率在１?ｋＨｚ？１０?ＭＨｚ范围内的正弦波激励信号；以及对经过??真有效值转换后的直流电压进行处理，并将终结果通过ＬＣＤ显示模块进行输出。??激励信号发生电路主要由ＡＤ９８３３、Ｙ１?（２５?Ｍ晶振）及其外围阻容元器件构成。??八丁１１＾§＆１６单片机控制八〇９８３３输出幅值为５￥、频率在１１＾２？１０］＾１＾范围内的正弦波激??励信号，作为传感器的激励信号。??传感器采用两电极探头设计，由６片大小和形状均相同的紫铜极板和电阻Ｒ构成，其??中６片极板中每相间的极板用导线连接

３．１．１四电极传感器探头的设计原理??四电极探头起初是由Ｗｅｎｎｅｒ设计的，用于测量土壤的电阻系数（或电导率）。四电??极探头的原理如图３．１所示。向外电极（Ａ和Ｂ）供给电流，然后测量内极板（Ｍ和Ｎ）??之间的电压差。根据供给的电流、测量的电压和极板之间的距离，就可以计算出土壤的电??阻系数：??式中ｐ土壤的电阻系数（￡ｌｍ）?；?Ｉ供给外部电极的电流（Ｉ）?；?Ｖ测量的内电极电压（Ｖ）；??Ｒ测量的内电极电阻（Ｒ＝Ｖ／Ｉ）?；?ＡＭ、ＭＢ、ＡＮ和ＮＢ—电极之间的距离（ｍ）；??１?１、，１?１?１?１、，１?１??ｐ?—?［（?）?—（?）］?＝?２狀［（?）一（?）］?（３－１）??／?ＡＭ?ＭＢ?ＡＮ?ＮＢ?ＡＭ?ＭＢ?ＡＮ?ＮＢ???ｏ—??ｊ—Ｇｍ??ａ｜?ｍ｜?Ｎ?Ｉ?Ｂ?Ｉ??土壤?７??图３．１四电极探头的结构??Ｆｉｇ?３．１?Ｆｏｕｒ－ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ?ｐｒｏｂｅ?ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ??３．１．２两电极传感器探头的设计原理??传统的固相介质电导率（ＥＣ）传感器采用四电极温纳排列结构，主要是为了尽量减小??电极和被测量的电介质材料之间的接触电阻，这始终是固相介质材料（如土壤）一个主要??关注的问题。当测量液体或气体时，流体介质与传感器探头电极之间的接触电阻很小，可??以忽略不计，因此，流体介电特性传感器探头由四电极简化为两电极，采用多个两极电容??－１３－??
【参考文献】

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本文编号：2873078