吴 昊，李加念，张建阔，马泽宇，Waleed Elnour Babekir Salih



基于介电特征频率的大量元素水溶肥种类快速辨识装置研制

吴 昊，李加念※，张建阔，马泽宇，Waleed Elnour Babekir Salih

（昆明理工大学现代农业工程学院，昆明 650500）

为实现对大量元素水溶肥种类的快速准确辨识，根据水溶肥的介电特性设计了一个传感器，并在此基础上采用特征频率法，研制了一种大量元素水溶肥快速辨识装置，主要由±5V稳压电路、单片机控制电路、激励信号发生电路、传感器、真有效值转换电路和LCD显示模块组成。以市面上常见的尿素、普钙、硫酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾6种大量元素水溶肥作为试验对象，在1 kHz～10 MHz激励信号频率范围内研究了其频率响应特性，得出了9个用于辨识6种大量元素水溶肥的激励信号特征频率，即30、40、50、600、700、800 kHz和3、4、5 MHz。根据各种水溶肥分别在9个特征频率处的响应模式，设计了对6种大量元素水溶肥的辨识策略。该装置的辨识性能采用234组不同类型和浓度的待测水溶肥进行验证试验，结果表明：该装置的辨识准确率为98.3%，完成1次辨识的平均时间为14.3 s，最长不超过19.5 s，表明该装置具有良好的快速性和准确性，满足实际应用要求。

传感器；肥料；频率响应；大量元素水溶肥；特征频率；快速辨识；辨识装置

0 引 言

灌溉施肥是一种水肥一体化技术，可根据作物的水肥需求精准调节作物的水肥供给量，具有施肥均匀、水和肥利用率高以及能有效减轻土壤和环境的污染等优势，已被广泛地应用于微灌系统中[1-2]。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。水溶肥主要有大量元素水溶肥、中量元素水溶肥、微量元素水溶肥和有机水溶肥等几种类型，其中大量元素水溶肥（尿素、磷酸氢二铵、硝酸钾等）在农业实际生产中施用最多[3]。由于大量元素水溶肥大多为白色固体颗粒或粉末，在无包装标识时容易出现肥料弄混或者施肥错误的情况，而且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已成为其重要研究方向[4-6]，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，直接影响着自动混肥或变量施肥的效果。

对于大量元素水溶肥氮、磷、钾含量的测定，农业部于2010年颁布了国家标准NY/T1997-2010[7]，该方法适用范围广、技术成熟、重现性好、准确度高，但操作繁琐费时、试剂毒性较大且沉淀剂加入量不易估测。因此如何快速便捷地测定水溶肥组分成为一个重要研究课题。近年来，因电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）在实验室逐渐普及，具有快速准确、便捷环保、线性范围宽、灵敏度高、基体干扰效应小、稳定性好的ICP法被广泛应用于水溶肥组分及其含量的定量分析与测定[8-12]，但仪器价格昂贵且只能局限于实验室测定。随着灌溉施肥系统自动化的深入发展，在线快速监测大量元素水溶肥溶液的组分与含量成为一个重要研究方向，EC/pH法和离子选择性电极法是该方向的2种主要研究方法。

基于EC/pH值的在线检测法具有较好的实时性，是目前不太复杂营养液系统中常用的一种检测方法[4,13-14]，但它仅衡量营养液总体浓度，难以区分营养液中各离子组分状况。离子选择性电极法利用电极膜的离子选择特性，将营养液中各组分离子浓度转化为膜电势进行测量，在一定程度上克服了EC/pH检测法的缺陷和不足[15-18]，但电极本身存在显著的交叉敏感性和漂移性，且很多大量元素离子（如SO42-、H2PO4-等）暂无对应的离子选择性电极[19-23]。为突破离子选择性电极法固有缺点的制约，研究人员开始转向介电特性法，利用电介质的介电常数随其组分及含量变化、以及介电常数测量效果受测量频率密切影响的介电特性，研究溶液组分的快速检测。在探明溶液中不同离子在1 kHz～10 MHz范围内都有其独特的频率响应模式[24]的基础上，采用介电频率响应法实现了溶液组分及含量的在线快速检测（如生物燃料中生物柴油与柴油混合比、水中钾盐及其他盐分杂质等[24-30]）。该方法具有响应速度快、灵敏度、准确性高等优点，在介电溶液组分快速监测方面具有很大的潜力。但这些研究仅实现溶液中单一组分的检测，传感器探头因长期浸泡于溶液中易氧化而导致稳定性不高，而且检测模型所需数据量较大，实效性（20～300 s）还有待提高。

因此，本文将大量元素水溶肥溶液视作电介质，根据其介电频率特性，采用化学性质不活跃且经过钝化处理的紫铜为材质研制传感器探头，增强传感器长期置于溶液中的抗氧化、拒腐蚀能力，在测试各种大量元素水溶肥溶液频率响应数据的基础上，探寻能明显区分各大量元素水溶肥种类的激励信号特征频率及其频率响应模式，并基于特征频率响应模式构建辨识模型，大幅减少了构建模型所需数据量，提升了模型的运算速度，从而实现大量元素水溶肥种类的快速辨识。

1 大量元素水溶肥的辨识原理

水溶肥固体颗粒或粉末溶于水后以电介质溶液的形式存在，其介电常数与水溶肥种类（成分）存在一一对应的关系，通过介电常数的测量可以间接辨识水溶肥的种类。虽然电介质中的电子受到束缚电荷（束缚力）作用不能自由移动而不导电，但当电介质置于有源极板间时，原来杂乱无章的“有极分子”在外加“电场”的作用下沿电场方向定向排列，形成极化并产生“反相电场”，而且当外加电场为交变电场时，电介质的介电常数将会以复数形式存在，其虚部可表示为频率的函数，且实部和虚部均可由金属极板和介质之间形成的电容和电导得出

（2）

由于水溶肥溶于水后反映其种类特征的营养成分以离子形态存在，在1 kHz～10 MHz频率范围内特定离子都有其独特的频率响应模式[13]，因此可通过测量水溶肥溶液的频率响应模式间接反映其种类。在研制水溶肥溶液介电常数变化感知传感器的基础上，通过试验测试传感器在一系列1 kHz～10 MHz的激励信号作用下的频率响应数据，探寻某种特定水溶肥具有能明显区分于其他种类的频率响应模式的激励信号频率，即特征频率，然后利用激励信号产生电路输出相应特征频率的激励信号，作用于盛装待测水溶肥溶液的传感器，并分析其在各个特征频率点的响应模式，从而辨识出不同种类的水溶肥。

2 大量元素水溶肥种类辨识装置设计

2.1 总体设计

装置的总体设计原理图如图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220 V交流电转换为±5 V的直流电压，并为辨识装置中各个单元提供稳定的工作电压；单片机用于控制激励信号源，分析处理真有效值转换模块输出信号及运行肥液种类辨识策略；激励信号源根据单片机的控制信号输出幅值为5 V、频率为1 kHz～10 MHz的正弦波信号，作为传感器的激励信号；传感器用于将肥液种类的变化转换为电压信号；真有效值转换模块将传感器输出的交流电压转换为等效直流电压，并反馈至单片机进行肥液种类的辨识，其结果通过LCD显示模块进行输出。

2.2 传感器设计

传感器由6片相同的紫铜极板和电阻R构成，其结构原理如图2a所示，实物图如图2b。6片极板镶嵌于塑料材质电极固定板的6个凹槽中，电极固定板安装于塑料缓冲箱（容积为1 L）侧壁上。6片极板中每相间的极板用导线连接，整个结构等效为5个平板电容并联，以增大电容面积，提高传感器测量范围。6片极板与电阻R串联构成一阶RC电路，根据极板等效电容C和电阻R（100 Ω），可得该电路的转折频率0为10 MHz，从而可检测频率为1 kHz～10 MHz、幅值为1～10 V的输入信号。当激励信号作用于一阶RC电路时，则对其电容C进行周期性地充电，电容C将储存的能量释放给电阻R，不同肥液引起的电压变化也将体现在电阻R两端，从而仅需检测电阻R两端的电压即可实现对不同肥液的辨识。

2.3 硬件电路设计

装置的硬件电路主要包括激励信号发生电路、信号放大电路、真有效值转换电路、±5 V稳压电路、单片机主控电路和LCD显示模块接口电路。其中±5 V稳压电路由220 ～12 V变压器、LM7805、LM7905、二极管和电容构成，该电路可将220 V交流电压转化为稳定的±5 V直流电压并为各电路单元提供稳定的工作电压；单片机控制电路采用ATmega16单片机作为主控芯片，用于为激励信号发生电路提供控制信号，以及对经过真有效值转换后的直流电压进行处理；LCD显示模块通过其接口与单片机I/O口相连，用于显示辨识出的6种不同种类水溶肥。

激励信号发生电路主要由图3中的AD9833、Y1及其外围阻容元器件构成。其中AD9833是一款能够产生正弦波、三角波、方波信号的低功耗可编程波形发生器，Y1为1个25 MHz有源晶振，用于为AD9833提供原始的时钟频率。AD9833可产生频率为1 kHz～10 MHz、电压为0～2 V的正弦波激励信号，具体频率与幅值由单片机程序控制。

信号放大电路由图3中的MCP41010、AD8051及其外围阻容元器件构成。其中MCP41010为滑动端设有256个离散调节节点的低功耗可调数字电位器，AD8051是一款具有单电源供电能力的电压反馈型放大器。MCP41010与AD8051构成一个电压放大器，用于将正弦波激励信号的幅值放大至5 V。

真有效值转换电路由图3中的AD637及其外围阻容元件构成，可将频率为1 kHz～10 MHz、电压幅值≤5 V的正弦波信号，转换为相同频率、电压幅值在2 V范围内的直流电压。其中AD637作为真有效值转换电路的主控芯片，其最高输入频率可达8 MHz，电压检测范围为0.7～4 V；C11为电解电容，用于隔离直流信号；C6为平均电容，增加其容量可以减少纹波电压引起的交流误差；电位器R3用于调整输出电压。

3 大量元素水溶肥辨识特征频率的确定试验

3.1 材料与方法

3.1.1 试验材料

采用尿素、普钙、硫酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾6种市场上比较常用的粉末状大量元素水溶肥作为试验样品。每种水溶肥的主要营养成分含量如表1所示。

表1 6种肥液的主要营养成分含量

3.1.2 试验方法

1）肥液样品配制

采用定容法，分别将尿素、普钙、硫酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾配制质量比为1:30、1:1 000、1:3 000 3种水溶肥溶液，共18组样品。配制时确保水溶肥完全溶解于水且混合均匀，并为每个样品贴上标签进行标识。

2）信号激励测试

分别将各组待测样品置于传感器缓冲箱中并使之完全浸没电极，对于每一组待测样品，在1～10 MHz范围内对传感器施加一系列不同频率、幅值恒为5 V的正弦波激励信号，然后测试各激励信号作用下传感器的真有效值输出。为便于分析，将整个1～10 MHz频率范围分成1～100、100～1 000 kHz和1～10 MHz 3个频段，每个频段内均匀选取60个频率点，共计180个频率点。各个频率点的正弦波激励信号，由单片机控制AD9833激励信号产生电路输出。

3）数据处理

为使试验数据尽量准确，对于每个待测样品，在同一频率的激励信号作用下重复试验7次，去除最大值和最小值后取其均值作为最终试验数据。根据所测试验数据，先纵向分析各频率激励信号作用于不同浓度的同一待测样品时的响应模式，然后通过横向对比分析找出各种待测样品显著区别其他种类的特征频率，并得出该特征频率的各待测样品响应模式。

3.2 结果与分析

3.2.1 不同肥液浓度的频率响应特性

利用上述18组样品，分别在1～100、100～1 000 kHz和1～10 MHz 3个频段内进行试验，共得出54条特征频率响应曲线。综合分析54条特征频率响应曲线知，不同浓度的同一种水溶肥在同一个频段内的频率响应曲线，均表现为总体趋势相同、仅电压幅值不同。如图4所示，以普钙在100～1 000 kHz频段内的特性频率响应为例，3种不同浓度的普钙的频率响应特性曲线形状基本相同，仅电压幅值不同，浓度越高其输出电压值越大。这说明特定种类肥液的频率响应特性与响应模式不受其浓度的影响。因此，为降低试验强度，可采用单一浓度的肥液进行后续的激励信号特征频率确定试验。

3.2.2 激励信号特征频率的确定

6种待测肥液（浓度均为1:1 000）在3个激励信号频段内的频率响应特性测试结果分别如图5～图7所示。

图5给出了100～1 000 kHz频段内的试验结果。由图5a可知，在600、700、800 kHz 3个频率点处，普钙的输出电压不随激励信号频率变化，硫酸钾的输出电压随激励信号频率增加而单调递减，尿素的输出电压随激励信号频率增加而单调递增，即3种水溶肥的频率响应特性曲线在3个频率点处的变化趋势明显不同，故可选600、700、800 kHz作为辨识这3种水溶肥的特征频率。

由图5b可知，在600、700、800 kHz 3个频率点，磷酸氢二铵、硝酸钾和磷酸二氢钾3种复合型大量元素水溶肥的频率响应特性曲线变化趋势相同，其输出电压随频率增加而单调递减；但考虑6种水溶肥的统一辨识时，由于在特征频率点处硫酸钾和3种复合型大量元素水溶肥的频率响应模式均表现为单调递减，采用600、700、800 kHz 3个特征频率点处的频率响应模式仅能辨识出尿素和普钙。

a. 单质大量元素水溶肥

a. Straight macronutrient water soluble fertilizer

图6给出了1～10 MHz频段内的试验结果。由图6a中可知，在3、4、5 MHz 3个频率点处，磷酸氢二铵的输出电压随激励信号频率增加而单调递增，硝酸钾的输出电压随激励信号频率增加而保持不变，磷酸二氢钾的输出电压随激励信号频率增加而单调递减，即3种复合大量元素水溶肥的频率响应特性曲线在3个频率点处的变化趋势明显不同，故可选3、4、5 MHz 3个频率作为辨识3种复合大量元素水溶肥的特征频率。

a. 复合大量元素水溶肥

a. Compound macronutrient water soluble fertilizer

由图6b可知，尿素、普钙和硫酸钾在3、4、5 MHz 3个频率点处的频率响应特性曲线变化趋势基本相同，输出电压都随激励信号频率增加而单调递减；但考虑6种水溶肥之间的统一辨识时，由于在特征频率点处磷酸二氢钾和其他3种单质大量元素水溶肥的频率响应模式均表现为单调递减，采用3、4、5 MHz 3个特征频率点处的频率响应模式仅能辨识出磷酸氢二铵、硝酸钾。

综合考虑6种水溶肥在100～1 000 kHz和1～10 MHz 2个频段内的频率响应试验结果及其分析，可知采用600、700、800 kHz和3、4、5 MHz 6个特征频率激励信号的响应模式，仅能辨识尿素、普钙、磷酸氢二铵、硝酸钾4种待测肥液，硫酸钾和磷酸二氢钾的辨识方法还需进一步确定。由1～100 kHz频段内的频率响应特性知，硫酸钾和磷酸二氢钾的频率特性曲线明显不同（如图7），且在30、40、50 kHz 3个频率点处表现出明显不同：硫酸钾的输出电压随激励信号频率增加而保持不变，磷酸氢二铵的输出电压随输激励信号频率增加而单调递增。从而可根据待测肥液在30、40、50 kHz 3个激励信号作用下的响应模式进行硫酸钾和磷酸二氢钾的辨识，即可将30、40、50 kHz作为辨识硫酸钾和磷酸二氢钾的特征频率。

综上所述，可得出辨识尿素、普钙、硫酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾这6种大量元素水溶肥的特征频率为30、40、50、600、700、800 kHz、3、4和5 MHz 9个频率。

4 大量元素水溶肥辨识策略

由上文得出的6种大量元素水溶肥的特征频率及其在特征频率处的频率响应模式知，依次将100～1 000 kHz、1～10 MHz、1～100 kHz 3个频段内的特征频率激励信号作用于传感器上，并分析待测水溶肥溶液在各特征频率点处的频率响应模式，即可辨识出6种大量元素水溶肥。由于在同一频段内的各特征频率处的传感器响应信号值差异相对不够明显，为进一步降低因响应信号测量误差引起的对肥液种类判断辨识准确率的影响，采用冗余判断的辨识策略，即重复辨识3次，取其辨识结果2次及以上相同者作为最终结果。具体的辨识流程见图8。

5 大量元素水溶肥快速辨识装置的验证试验

5.1 传感器电极的稳定性测试

实际应用中传感器电极需长期置于肥液中，其稳定性直接影响着装置的辨识效果。为测试其稳定性，以尿素为试验对象，配制了浓度为1:10、1:100和1:1 000 3种样品，分别将传感器电极浸没于其中连续监测30 d，观察其输出电压是否变化。在整个测试过程中，采用幅值为2 V、频率为1 MHz的激励信号作用于电极上，利用示波器检测传感器电极的输出电压。试验结果如图9所示：传感器电极在3种待测样品中均表现出良好的稳定性，其连续30 d置于3种待测样品中的最高误差分别为0.28%、0.19%和0.1%，说明传感器电极具有较高的稳定性，能满足实际应用要求。

5.2 装置的性能测试

以尿素、普钙、磷酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾6种大量元素水溶肥为试验对象，在1:10～1:3 000浓度范围内对每种肥液配制39组样品，共计234组样品，开展了肥液种类辨识的准确率、快速性和稳定性的实测验证性试验。样品配制时，在1:10～1:100浓度范围内，以1:10为起始浓度，后续每组样品中去离子水所占比例以10为单位递进，共配制10组样品；在1:100～1:3 000浓度范围内，以1:100为起始浓度，后续每组样品中去离子水所占比例以100为单位递进，共配制29组样品。

表2 辨识装置的验证性试验结果

试验分为多次进行，每次试验在234组样品中随机抽取10组样品进行测试，对于每组样品均在24 h内随机多次抽检，结果表明该装置具有良好的稳定性，各次抽检的辨识结果保持一致。通过试验还可得出（如表2所示）：3种单质大元素水溶肥和磷酸氢二铵的辨识率为100%，硫酸钾和磷酸二氢钾的辨识略有误差，磷酸二氢钾的辨识率最低（94.8%），总体上6种水溶肥的辨识率可达98.3%；且在9.2～19.5 s可完成一次完整辨识，其平均时间为14.3 s。这表明装置具有较高的准确性和良好的快速性，能满足实际农业生产的需要。

6 结 论

1）根据水溶肥溶液的介电特性设计了一个肥液辨识传感器，基于特征频率法研制了一种大量元素水溶肥种类快速辨识装置，该装置的工作频率为1 kHz～10 MHz，可以辨识尿素、普钙、硫酸钾、磷酸氢二铵、磷酸二氢钾和硝酸钾这6种大量元素水溶肥。

2）通过频率响应特性试验，得出了辨识6种大量元素水溶肥的激励信号特征频率，即30、40、50、600、700、800 kHz和3、4、5 MHz，及其在特征频率点处的频率响应模式，并提出了大量元素水溶肥的辨识策略。

3）利用234组不同浓度与种类的待测肥液样品对装置进行了验证性试验，结果表明该装置具有良好的稳定性、快速性和准确性，其总体辨识准确率为98.3%，辨识平均时间为14.3 s，能满足实际农业生产的需要。

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Development of rapid identification device for variety of macronutrient water soluble fertilizers based on dielectric characteristic frequency

Wu Hao, Li Jianian※, Zhang Jiankuo, Ma Zeyu, Waleed Elnour Babekir Salih

(,,650500,)

In order to realize a rapid and accurate identification for types of macronutrient water soluble fertilizers, a rapid identification device was developed by using a characteristic frequency method on the basis of a sensor designed according to the dielectric properties of water soluble fertilizer. The device was mainly composed of a ±5V voltage regulator circuit, a single chip microcomputer control circuit, an excitation signal generation circuit, a sensor, a true RMS(root mean square) conversion circuit and an LCD (liquid crystal display) display module. With 6 kinds of common macronutrient water soluble fertilizers on the market as research objects, and selecting the mass ratio of 1:30, 1:1 000, and 1:3 000, the frequency response characteristics of 18 groups of macronutrient water soluble fertilizer samples were studied in a series of excitation signals, whose frequency range was from 1 to 10 MHz, which was divided into 1-100 and 100-1 000 kHz and 1-10 MHz. It was found that the characteristics frequencies of excitation signals for the 6 kinds of water soluble fertilizers, i.e. nitrogen, phosphorus, potassium, nitrogen and phosphorus, nitrogen and potassium, phosphorus and potassium, were 30, 40, 50, 600, 700 and 800 kHz, and 3, 4 and 5 MHz. According to the response pattern of each kind of water soluble fertilizer at its characteristic frequency, the identification strategy of 6 kinds of macronutrient water soluble fertilizers was obtained. Whether the sensor electrode’s long-term work in the fertilizer was stable or not, would directly affect the device’s identification effect. In order to test the stability of sensor electrode, the samples of 3 concentrations i.e. 1:10, 1:100 and 1:1 000 were prepared. Respectively, the sensor electrode was immersed in the sample and its output voltage was monitored continuously for a month. The results showed that the maximum error of the sensor electrodes in the 3 kinds of samples was 0.28%, 0.19% and 0.10% respectively for one month, which indicated that the sensor electrode would not affect the accuracy of the device in the solution measured for a long time. To meet the practical application requirements, a verification testing of identification performance for the device was carried out by preparing 234 samples of water soluble fertilizers with different types and concentrations. The test results showed that the identification accuracy of the device was 98.3%, the average time of a complete identification was 14.3 s, and the longest time of a complete identification was no more than 19.5 s. Since the difference of the sensor response signal values at each characteristic frequency in the same frequency band was relatively insufficient, in order to further reduce the influence of the measurement error caused by the response signal measurement error, the identification criterion of the redundancy judgment was adopted, that was, a complete identification process includes 3 times of judgments, take the same identification results of 2 or more than 2 times as the final identification result. It indicated that the device has good rapidity and accuracy, which could meet the requirements of practical application. The research provides a reference for realizing on-line detection of the fertilizer solution components.

sensors;fertilizers; frequency response; macronutrient water soluble fertilizers; characteristic frequency; rapid identification; identification device

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.06.007

S224.2

A

1002-6819(2017)-06-0051-08

2016-11-04

2017-02-23

国家自然科学基金（51509121）；云南省高校工程研究中心建设计划

吴 昊，男，黑龙江哈尔滨人，主要从事电子信息技术及测控技术应用研究。昆明 昆明理工大学现代农业工程学院，650500。Email：961714450@qq.com

李加念，男，湖南道县人，博士，副教授，主要从事农业测控技术应用研究。昆明 昆明理工大学现代农业工程学院，650500。Email：ljn825@163.com