混药浓度检测技术研究现状

杨亚飞 申志铮 蒋周良 林彤 钱志

摘要 混药是施药的基本操作环节，混合药液品质直接决定施药效果，发展浓度检测技术可以监控混合药液的品质。目前混药浓度的检测方法主要分为两大类：第一类，先采集喷雾样品溶液再利用仪器测量浓度，简称取样检测浓度法；第二类，在混合后喷雾前即在线混药时直接测量浓度，简称在线检测浓度法。重点阐述了这两大类国内外主流的混药浓度检测技术，并对其进行总结分析。

关键词 植保机械；混药浓度在线检测；在线混药

中图分类号 S 126  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2023）07-0006-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.07.002

Research Status of Mixed Drug Concentration Detection Technology

YANG Ya-fei，SHEN Zhi-zheng，JIANG Zhou-liang et al

（Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College，Taizhou，Jiangsu 225300）

Abstract Drug mixing is the basic operation link of drug application.The quality of its mixed solution directly determines the application effect.The development of concentration detection technology can monitor the quality of mixed solution.At present，the detection methods of mixed drug concentration can be divided into two main categories：first，collect the spray sample solution first，then use the instrument to measure the concentration.The second type is to measure the concentration directly before mixing，namely on-line concentration.This paper focuses on the two mainstream mixed drug concentration detection technologies at home and abroad，and summarizes and analyzes them.

Key words Plant protection machinery;On-line detection of mixed drug concentration;On-line mixed drug

基金项目 江苏省高校自然科学研究面上项目（21KJB210020）；江苏农牧科技職业学院院级课题（NSF2022ZR11）；泰州市“凤城英才”托举工程（泰科协发〔2022〕64号）。

作者简介 杨亚飞（1989—），男，江苏泰州人，讲师，硕士，从事植保机械、农业电气化研究。

收稿日期 2021-12-28；修回日期 2022-06-15

病虫草害的有效防治是农业高产增收的有力保障［1-2］，利用农药防治病虫草害是目前农业植保领域最有效最常用的方法，据相关统计，目前从喷雾机械喷洒出去的农药只有15.00%～20.00%能沉积在作物叶片上，而其中真正起到作用的仅有0.03%［3-4］，大部分喷洒出去的农药都渗透到土壤里或弥漫在空气中，污染了土壤与环境，通过食物链威胁人类的健康［5-6］。为了提高农药的利用率，包括变量施药［7-8］、精确喷雾［9-10］等在内的新施药技术正不断发展，喷雾系统对施药量的精确性要求越来越高，所以开发小型、低成本、可靠、能够用于喷雾机的混药浓度在线检测装置迫在眉睫。

混药是施药的基本操作环节，混合药液的品质直接决定施药效果。目前的混合药液方式也从预混式混合药液向在线混药发展。在线混药相对于预混药的优势有［11-13］：①可以实现按目标作物的实际需求在线混合药液，节约用药量，减少成本和环境污染；②避免人与药液的直接接触，减少施药人员农药中毒的可能性等。

发展混药浓度在线检测技术能更好地监测混合后药液的浓度，以便在线混药时能够根据实际需要控制用药量和用水量，以此减少多余农药用量，从而提高农药利用率，并为混药器的设计提供依据。混药浓度在线检测技术还将有利于实现药液浓度的反馈，从而推进变量喷雾技术、精确喷雾技术的发展。此外，为了避免人与农药直接接触，全封闭混药技术也在不断发展［14-16］。混药浓度在线检测技术将会为全封闭混药发展提供有力的技术支持和安全性保障。

目前对于混药浓度的检测方法主要分为两大类：第一类，先采集喷雾样品溶液再利用仪器测量浓度（简称为取样检测浓度法）；第二类，在混合后喷雾前即在线混药时直接测量浓度（简称在线检测浓度法）。

1 取样检测浓度法

取样检测浓度法主要包括色谱法、光谱法、生物传感器法、分光光度计法等。

1.1 色谱法

1994年，Molina等［17］利用乙酸乙酯萃取水中的有机磷农药，用高效液相色谱法来检测有机磷农药浓度。最小检测浓度为0.01 pg/L。

1997年，Juhler［18］用乙酸乙酯与硫酸钠溶液萃取猪肉的有机磷农药，用高效液相色谱法来检测有机磷农药浓度。

2013年，韩莹等［19］通过比较选择390 nm的检测波长，选择四硝基苯甲醛为衍生剂，建立了高效液相色谱测定偏二甲肼的方法。最小分辨浓度为0.5 μg/L，检测的相对标准偏差不大于1.69%。

1.2 光谱法 2005年，王忠东等［20］应用西维因农药溶液受到激发能发出荧光的原理，设计了一种利用电荷耦合器件与弱信号处理技术的浓度检测装置。并实际测量了西维因溶液浓度，试验数据表明，该装置能够检测出浓度在0～120 μg/L的西维因溶液。

2008年，赵凤芝等［21］应用西维因农药受激发能够发出荧光的原理，设计出一种采用光纤传光、平场光谱仪分光，以及图像传感等技术获取农药浓度的检测系统。如图1所示，试验表明该系统能够对浓度在0.004～0.100 mg/L的西维因农药进行有效检测［21］。

2011年，Koller等［22］使用近红外光谱法检测了颗粒流的混合过程，检测装置如图2所示。其使用FT-NIR近红外光谱仪与电脑直接连接，将采集到的信息数据直接进行处理，得到混合液体的体积浓度。

2010年，陈菁菁等［23］通过高光谱成像和荧光激发技术，设计了高光谱荧光成像农药浓度检测系统（图3）。研究结果表明不同浓度的毒死蜱农药具有不同的荧光峰值。

2012年，殷磊等［24-25］应用光的漫反射特性获取叶片表面药液的近红外光谱，对叶面药液浓度进行了检测。对3种不同类型作物叶片进行实际测量，通过偏最小二乘法构建了叶片表面药液浓度与光谱反射率之间的数学模型，试验结果表明不同类型作物叶片对浓度检测的影响较小。

1.3 生物传感器法（酶传感器） 2011年，陈志刚等［26-27］使用电化学方法，根据农药对酶的抑制原理，设计了一种基于酶传感器的便携式农药浓度检测装置（图4）。实际测量了西维因溶液浓度，试验结果表明装置能够检测出浓度在5 ng/mL～2 μg/mL的西维因溶液，最小检测浓度为1.7 ng/mL，浓度的检出时间小于161 s。

2011年，王冲等［28］根据酶的抑制原理，设计了基于SOC单片机农药浓度检测装置（图5）。并对西维因溶液进行了实际测量。将该装置测量结果与电化学工作站测量结果作比对，最高可分辨出0.01 μA的微电流，最大误差不大于0.19 μA。浓度的检出时间小于3 min。

1.4 分光光度计法

2007年，赵燕燕等［29］用3UV-2550 型紫外分光光度计、50 μL的微量比色池测量血液中的百草枯浓度，选择采用λ=257 nm作为检测波长，试验表明血中百草枯溶液浓度在0.05～50.00 μg/mL 呈现良好的线性关系，相关系数高达0.999 9。

2013年，王立伟等［30］使用UNICO－UV2102 型紫外分光光度计对胭脂红溶液浓度进行了测量，选择采用λ=508 nm 作为测量波长，通过对标准浓度的胭脂红溶液进行吸光度分析，得出浓度曲线，并对其进行线性拟合，其相关系数高达0.992 9。

2 在线检测浓度法

在线检测浓度法主要包括光散射法、高速摄像机法、电导率法、光纤传感器法、光折射法、透光法等。

2.1 光散射法 1998年，Ozkan等［31］根据光的散射原理，设计了一种可以通过检测药箱浊度来推断药箱混药均匀程度的装置（图6）。

2011年，赵四海等［32］根据乳化液浓度与混浊度的关系，利用散射检测器提出了一种测量乳化液浓度的方法，其检测原理如图7所示。对浓度在2.5%～5.5%的乳化液进行了试验研究。结果表明，散射检测器输出电压信号与乳化液浓度呈线性关系，可以用于在线检测乳化液浓度。

2.2 高速摄像机法

2011年，徐幼林等［33］使用淡黄色聚苯乙烯颗粒作为示踪粒子，采用TROUBLE SHOOTER 2000型高速相机拍摄混药器中药液和水实时混合图像，混药器是用高透光材料制成，检测系统如图8所示。通过实时处理拍摄的图像，分析混药均匀性与流体速度矢量的关系。

2018年，代祥等［34］使用4M180-CL 型高速相机，拍摄混合脂溶性农药在线混药实时混合图像，并对混药器的药水混合图像进行处理，定量分析混药均匀性。

2.3 电导率法

2006年，Downey等［35］将电导率传感器装于直接注入喷嘴式喷雾系统，用NaCl溶液作为模拟农药，运用电导率原理测量NaCl溶液浓度，检测时间小于67 ms。

2010年，徐溪超［36］使用盐水代替农药，然后根據电导率原理测量了经过射流混药器混药后的溶液浓度。其检测方法如图9所示，取样装置为注射器，检测装置为电导率仪。

2.4 光纤传感器法

2006年，张娜等［37-38］根据不同浓度溶液会对光纤内传输的光进行不同的调制，设计了一种基于U型光纤传感器的液体浓度实时在线检测系统（图10）。对食盐和蔗糖溶液进行测量时，精度高达0.05%。

2.5 光折射法

2011年，田晓华等［39］依据不同浓度溶液折光率的原理，提出了牛乳乳糖质量含量的快速高准确度测量方法，原理如图11所示。试验结果表明，其测量准确度在0.1%以内。

2014年，邱白晶等［40］根据不同浓度溶液折光率不同的原理，设计了一种混药浓度在线检测装置，如图12所示。试验时，在3种喷雾流量下，在线检测了模拟农药胭脂红溶液，最大检测偏差为0.075 1 g/L。

2.6 透光法

2009年，Vondricka等［41］在Hloben［15］的基础上根据光穿过不同浓度溶液透射光光强不同的原理，设计一种光透率传感器来在线测量混药浓度（图13）。

2013年，贾卫东等［42］利用农药光透性原理设计了药液混合比检测单元，其结构如图14所示，主要由2个高亮发光二极管、透明检测流道和硅光电池等组成，为防止外界光强对检测单元的干扰，在外检测单元外部用避光材料进行整体包裹。对百草枯农药进行了实际检测，能够检测出 1∶10～1∶270混药比的百草枯溶液。

2014年董晓娅等［43］选用线性CCD传感器作为光强接收装置（图15），利用光透性设计混药浓度检测装置，使用线性CCD像素点的平均灰度值来表示浓度，检测精度小于7.237％，2019年杨亚飞等［44-45］在董晓娅等［43］的基础上，选用灰度值数据变异系数小于5%的第32～120号像素点作为有效像素点，用有效灰度值表示浓度，其检测精度小于3.081%。

2022年胡静涛等［46］在使用透光法进行药液浓度在线检测时，采用卡尔曼滤波技术处理实际作业可能引起的误差后表征浓度，并对浓度检测装置进行震动试验，试验结果表明：震动试验中采用卡尔曼滤波技术滤波可使相对误差降低到±0.2%～±2.0%。

3 总结

综合浓度检测技术的国内外研究现状，可以看出混药浓度检测技术已经引起了国内外专家学者的广泛关注，并对一些混药浓度的测量方法进行了试验研究。

色谱法、光谱法、生物传感器法和分光光度计法都需要对待测液取样后再进行浓度检测；其中色谱法与生物传感器法需要对样品进行预处理，处理过程比较烦琐；生物传感器法检测出浓度时间较长，总体来说这几种方法都属于取样测量，无法实现混药浓度的在线检测。

光散射法需要混合的药液具有颗粒物，不具有一般性；高速摄像机法需要设备较复杂且昂贵，体积庞大不易于产品化且目前仅能表征混药均匀性；电导率法需要所检测的溶液具有导电性，同样不具有一般性；折射法与光纤传感器法能够实现混药浓度在线检测，但其对光源的聚光要求很高，且其单个光线的偏折受流动液体影响较大，影响测量的稳定性；透光法是分光光度计法的简化，相对于光折射法与光纤传感器法，其受液体流动的影响更小，对光源的要求相对较低、且测量更加精准，测量时再采用一定的误差处理方法，最终浓度测量结果将更加准确。

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