一种三七种子原位检测装置和检测方法

技术领域

该装置涉及农业机械领域，更具体的，涉及云南红壤基质下三七种子原位检测装置和检测方法。

背景技术

种子在土壤中原位置是评价三七播种机性能的重要指标，因为种子原位不但是位置的确定，还涉及三七种子行间距、株距和播深的问题，这些都会影响三七出苗率，并最终影响三七的产量。目前，在田园作业中常用寻找种子原位方法多为刨土截面法，运用人工操作扰动土壤，不但效率低，且拨动土壤时对种子原位造成影响，导致实际得到的种子原位数据存在很大误差。为了准确地寻找种子在土壤中的实际位置，也有学者提出了用荧光标记法，但荧光标记法在应用成本上费用过高，不适合与规模化的农田作业。三七种子出苗周期大约为100天，根据实际的出苗情况来测量种子的位置信息，人工操作仍是效率较低，因此需要一种不需要扰动土壤，且在播种后能够快速准确地对三七种子进行原位检测的装置。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的三七种子原位检测装置。该装置可以检测三七种子在土壤中的位置数据，并且可以对重播和漏播情况做出判定。

一种三七种子的原位检测装置，由台架A、超声波探测仪调整结构B、电气控制模块C、步进电机I1、步进电机Ⅱ2、步进电机Ⅲ3、步进电机Ⅳ4组成，步进电机I1、步进电机Ⅱ2、步进电机Ⅲ3、步进电机Ⅳ4分别固接于台架A中立板组5的四个立板内侧；超声波探测仪组件B的平板10位于台架A中下板7的长方孔7a正上方，超声波探测仪组件B的螺母Ⅰ13a固接于台架A中上板9的孔Ⅰ9a上面；超声波探测仪组件B的螺母Ⅱ13b固接于台架A中上板9的孔Ⅱ9b上面；超声波探测仪组件B的螺杆Ⅰ12与台架A中上板9的孔Ⅰ9a螺纹连接；超声波探测仪组件B的螺杆Ⅱ18与台架A中上板9的孔Ⅱ9b螺纹连接；电气控制模块C固接于台架A中上板9的上面。

所述的台架A由立板组5、轮组6、下板7、立杆组8和上板9组成，其中下板7的中部设有长方孔7a，上板9的前部设有孔Ⅰ9a，上板9的后部设有孔Ⅱ9b；下板7经立杆组8的四个立杆与上板9固接；轮组6的四个轮经立板组5的四个立板分别固接于下板7的四角下面。

所述的超声波探测仪组件B由平板10、限位座Ⅰ11a、限位座Ⅱ11b、螺杆Ⅰ12、螺母Ⅰ13a、螺母Ⅱ13b、超声波探测仪Ⅰ14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16、超声波探测仪Ⅳ17、螺杆Ⅱ18、手柄Ⅰ19a和手柄Ⅱ19b组成，超声波探测仪Ⅰ14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16和超声波探测仪Ⅳ17固接于平板10中部上面；限位座Ⅰ11a固接于平板10前端上面，螺杆Ⅰ12下端与限位座Ⅰ11a活动连接，螺杆Ⅰ12上端固接手柄Ⅰ19a，螺杆Ⅰ12上与螺母Ⅰ13a螺纹连接；限位座Ⅱ11b固接于平板10后端上面，螺杆Ⅱ18下端与限位座Ⅱ11b活动连接，螺杆Ⅱ18上端固接手柄Ⅱ19b，螺杆Ⅱ18上与螺母Ⅱ13b螺纹连接。

所述的超声波探测仪I14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16、超声波探测仪Ⅳ17结构相同，均由信号发射端27、信号回收端28、引线对31、阻尼吸收块32、压电晶体33、试件34、耦合剂35、隔离层36、延迟块37和外壳38组成，，其中试件34、耦合剂35和外壳38自下而上顺序排列并固接；延迟块37、压电晶体33和阻尼吸收块32自下而上顺序排列，并置于外壳38内；信号发射端27和信号回收端28固接于外壳38的右上部外面；引线对31的两根引线下端固接于阻尼吸收块32和压电晶体33的连接处，两根引线上端分别与信号发射端27、信号回收端28固接；隔离层36垂直并固接于耦合剂35中部上面，隔离层36将延迟块37、压电晶体33和阻尼吸收块32分成左右两部分。

所述的电气控制模块C由主控制系统20、D/A转换电路21、显示模块22、存储模块23、信息输入模块24、驱动电路25、充放电电路26、信号发射端27、信号回收端28、滤波电路29、A/D转换电路30组成，其中主控制系统20以微控制单元为核心，主控制系统20共有三个输出口，其中一个与存储模块23连接；一个经D/A转换电路21与显示模块22连接；驱动电路25、充放电电路26、信号发射端27串联连接，且驱动电路25与主控制系统20的一个输出口连接；信号回收端28、滤波电路29、A/D转换电路30串联连接后，与主控制系统20的一个输入端连接；信息输入模块24与主控制系统20的另一个输入端连接。

本发明的一种基于三七种子原位检测装置的检测方法，包括下列步骤：

1.通过操作超声波探测仪组件B的手柄Ⅰ19a和手柄Ⅱ19b，调节超声波探测仪组件B的平板10升降，从而使平板10上的超声波探测仪I14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16、超声波探测仪Ⅳ17距离地面的高度h为：5mm-10mm，三七种子的种植工艺要求种子的覆土厚度为10mm，但是超声波信号在不同介质中的传播速度是不同的，声波传播距离S的公式为：

S＝V×t

其中：V为声波传播的速度；t为声波传播的时间；

声波信号在空气中的传播速度V

C＝B/ρ

其中：B是物质的弹性常数；ρ是物质的密度，对于红壤基质弹性系数和密度是已知的，在空气中传播时，由于超声波探测仪调整结构B距离地面的高度h

t

而声波信号的发射和回收时间差为T

S

利用超声波的a型图像显示原理，能观察图像知道装置行进过程中三七种子的位置信息，综上能确定三七种子在土壤中的位置和数据信息。

2.在信号输入模块24中输入数字信号，控制超声波检测装置沿待测土壤的表层匀速前进，在前进的过程中，经驱动电路25和充放电电路26持续向土壤中发射超声波信号，并经过滤波电路29和A/D转换电路30回收红壤---种子反射界面超声波回波信号，经过主控制系统20将回波信号的数据存储到存储模块23中，通过D/A转换电路21将采集的数据，在显示模块22上显示波形图。

3.由于不同介质中的声阻抗不同，故根据声波信号的收发时间差来计算距离，根据波形的峰值情况确定种子的位置信息，从而得到三七种子在土壤中的位置信息。

本发明的有益效果在于：

利用本发明的装置和方法，能对三七种子在土壤中的位置数据进行检测，存储的数据有利于后期对整个装置进行优化调整，以及显示扫描的三七种子的波形特征，为后续的数值分析奠定基础，也能为发展智能农机提供新的方法。

附图说明

图1为三七种子原位检测装置的设计流程示意图；

图2为三七种子原位检测装置的立体图；

图3为台架A的立体图；

图4为超声波探测仪调整结构的立体图；

图5为探测仪与电气部分的连接图；

图6为电气部分的内部分布示意图；

图7为超声波探测仪14--17的的剖视图；

图8为检测土壤层厚度的参考示意图；

图9为检测a型超声波检测原理图；

图10为超声波信号刚好接触到三七种子时的情况示意图；

图11为检测过程中超声波信号刚好离开种子表面的情况示意图；

图12为检测土壤中三七种子重播和漏播情况的示意图；

其中：A.台架 B.超声波探测仪调整结构 C.电气控制模块 D.三七种子播种成功情况 E.三七种子未播种情况 F.重播三七种子情况 IV.待测土壤界面 D

具体实施方式

下面结合附图描述本发明。

如图2所示，本发明的一种三七种子的原位检测装置，由台架A、超声波探测仪调整结构B、电气控制模块C、步进电机I1、步进电机Ⅱ2、步进电机Ⅲ3、步进电机Ⅳ4组成，步进电机I1、步进电机Ⅱ2、步进电机Ⅲ3、步进电机Ⅳ4分别固接于台架A中立板组5的四个立板内侧；超声波探测仪组件B的平板10位于台架A中下板7的长方孔7a正上方，超声波探测仪组件B的螺母Ⅰ13a固接于台架A中上板9的孔Ⅰ9a上面；超声波探测仪组件B的螺母Ⅱ13b固接于台架A中上板9的孔Ⅱ9b上面；超声波探测仪组件B的螺杆Ⅰ12与台架A中上板9的孔Ⅰ9a螺纹连接；超声波探测仪组件B的螺杆Ⅱ18与台架A中上板9的孔Ⅱ9b螺纹连接；电气控制模块C固接于台架A中上板9的上面。

如图3所示，所述的台架A由立板组5、轮组6、下板7、立杆组8和上板9组成，其中下板7的中部设有长方孔7a，上板9的前部设有孔Ⅰ9a，上板9的后部设有孔Ⅱ9b；下板7经立杆组8的四个立杆与上板9固接；轮组6的四个轮经立板组5的四个立板分别固接于下板7的四角下面。

如图4所示，所述的超声波探测仪组件B由平板10、限位座Ⅰ11a、限位座Ⅱ11b、螺杆Ⅰ12、螺母Ⅰ13a、螺母Ⅱ13b、超声波探测仪Ⅰ14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16、超声波探测仪Ⅳ17、螺杆Ⅱ18、手柄Ⅰ19a和手柄Ⅱ19b组成，超声波探测仪Ⅰ14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16和超声波探测仪Ⅳ17固接于平板10中部上面；限位座Ⅰ11a固接于平板10前端上面，螺杆Ⅰ12下端与限位座Ⅰ11a活动连接，螺杆Ⅰ12上端固接手柄Ⅰ19a，螺杆Ⅰ12上与螺母Ⅰ13a螺纹连接；限位座Ⅱ11b固接于平板10后端上面，螺杆Ⅱ18下端与限位座Ⅱ11b活动连接，螺杆Ⅱ18上端固接手柄Ⅱ19b，螺杆Ⅱ18上与螺母Ⅱ13b螺纹连接。

如图7所示，所述的超声波探测仪I14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16、超声波探测仪Ⅳ17结构相同，均由信号发射端27、信号回收端28、引线对31、阻尼吸收块32、压电晶体33、试件34、耦合剂35、隔离层36、延迟块37和外壳38组成，，其中试件34、耦合剂35和外壳38自下而上顺序排列并固接；延迟块37、压电晶体33和阻尼吸收块32自下而上顺序排列，并置于外壳38内；信号发射端27和信号回收端28固接于外壳38的右上部外面；引线对31的两根引线下端固接于阻尼吸收块32和压电晶体33的连接处，两根引线上端分别与信号发射端27、信号回收端28固接；隔离层36垂直并固接于耦合剂35中部上面，隔离层36将延迟块37、压电晶体33和阻尼吸收块32分成左右两部分。

如图6所示，所述的电气控制模块C由主控制系统20、D/A转换电路21、显示模块22、存储模块23、信息输入模块24、驱动电路25、充放电电路26、信号发射端27、信号回收端28、滤波电路29、A/D转换电路30组成，其中主控制系统20以微控制单元为核心，主控制系统20共有三个输出口，其中一个与存储模块23连接；一个经D/A转换电路21与显示模块22连接；驱动电路25、充放电电路26、信号发射端27串联连接，且驱动电路25与主控制系统20的一个输出口连接；信号回收端28、滤波电路29、A/D转换电路30串联连接后，与主控制系统20的一个输入端连接；信息输入模块24与主控制系统20的另一个输入端连接。

如图8所示，根据统计学的规律，对百粒包衣处理的三七种子进行直径测量，得到直径范围约为D1～D2(4.99mm～7.21mm)，而三七种子的种植农艺要求是播种的行距和株距皆是50mm，三七种子覆土厚度L1约为10mm；在距离地面L1的厚度下，三七种子的底部距离土壤表面约为L2～L3(14.99～17.21mm),对于实际的试验检测土壤厚度应在L4(20mm)左右的深度。

如图9所示，是显示模块22的图形显示原理，超声波探测仪发出声波信号传播至检测物a的位置，由于声波的透射和反射现象，会有一部分声波直接穿过a，另外一部分的声波则发生反射现象，从a的位置返回超声波探测仪的位置，在此过程中，由于不同介质中的声阻抗是不同，声波的强度会发生变化，声波的发射和回收之间存在时间差，由声波的传播速度来计算出发射点距离待检测物a的距离，根据二维声波图可以直观的看到超声波检测情况。

如图10所示，为实际土壤中超声波信号与种子刚好发生接触时的模拟情形，双晶探头部分(40)负责在检测装置前行过程中对待检测内持续的发射连续超声波信号和回收超声波波信号，由声波的传播特性可知，在声波的传播过程中会发生衰减和衍射等现象；在声波接触到种子42的时间点，超声波回波信号的波形会发生明显的变化，这是由于不同的介质中声波的传播特性是存在差异性造成的。记录此时刻的时间为t

如图11所示，模拟当检测装置的声波信号刚好离开三七种子表面的时刻模拟情形，记录此时刻为t2，对比时刻t1,可以得到声波信号发射到回收的时间差。

如图12所示，是本发明提供的在检测三七种子土壤中原位数据的同时，提供的一种三七种子重播和漏播情况的方法，可以分为三个部分来看，首先是D.三七种子播种成功情况，声波信号刚接触种子表面的时刻，记录为t

本发明的一种基于三七种子原位检测装置的检测方法，包括下列步骤：

2.通过操作超声波探测仪组件B的手柄Ⅰ19a和手柄Ⅱ19b，调节超声波探测仪组件B的平板10升降，从而使平板10上的超声波探测仪I14、超声波探测仪Ⅱ15、超声波探测仪Ⅲ16、超声波探测仪Ⅳ17距离地面的高度h为：5mm-10mm，三七种子的种植工艺要求种子的覆土厚度为10mm，但是超声波信号在不同介质中的传播速度是不同的，声波传播距离S的公式为：

S＝V×t

其中：V为声波传播的速度；t为声波传播的时间；

声波信号在空气中的传播速度V

C＝B/ρ

其中：B是物质的弹性常数；ρ是物质的密度，对于红壤基质弹性系数和密度是已知的，在空气中传播时，由于超声波探测仪调整结构B距离地面的高度h

t

而声波信号的发射和回收时间差为T

S

利用超声波的a型图像显示原理，能观察图像知道装置行进过程中三七种子的位置信息，综上能确定三七种子在土壤中的位置和数据信息；

3.在信号输入模块24中输入数字信号，控制超声波检测装置沿待测土壤的表层匀速前进，在前进的过程中，经驱动电路25和充放电电路26持续向土壤中发射超声波信号，并经过滤波电路29和A/D转换电路30回收红壤---种子反射界面超声波回波信号，经过主控制系统20将回波信号的数据存储到存储模块23中，通过D/A转换电路21将采集的数据，在显示模块22上显示波形图；

4.由于不同介质中的声阻抗不同，故根据声波信号的收发时间差来计算距离，根据波形的峰值情况确定种子的位置信息，从而得到三七种子在土壤中的位置信息。