刘琪芳 车小霞 王晨 李戌

摘  要： 马铃薯土壤栽培物场电学特性对马铃薯生长状态的检测研究具有重要意义。文章基于电容层析成像技术理论模型，通过COMSOL建立马铃薯土壤栽培环境仿真模型，利用多物理场计算方法求解AC/DC物理场模块静电场稳态电场分布，以灵敏度分布为优化目标，优化设计阵列电极结构。研究表明，电极覆盖率为80%的四电极阵列结构在相邻激励方式下电场分布相对较优。

关键词： 电容层析成像技术; 马铃薯; 土壤; 电场分布; 灵敏度

中图分类号：S532;TM55          文献标识码：A     文章编号：1006-8228（2020）06-17-04

Abstract： The electrical properties of potato soil culture field are great significance to detect potato growth status. Based on theoretical model of electrical capacitance tomography （ECT）， this paper utilizes COMSOL to establish simulation model of potato soil cultivation environment. The multi-physics calculation method is used to solve the steady-state electric field distribution on AC/DC physics module. An array electrode structure is designed and optimized with the purpose of sensitivity distribution. The results show that the four-electrode array structure with 80% coverage has a relatively good sensitivity distribution under adjacent excitation modes.

Key words： electrical capacitance tomography; potato; soil; electric field distribution; sensitivity

0 引言

马铃薯作为继小麦、水稻、玉米之后第四大重要的粮食，在保障粮食安全、建设农业产业化体系方面具有显著的战略地位。马铃薯生长过程中，受雨水、气温以及干湿交替的土壤环境影响，易导致马铃薯块茎畸形生长，极大的影响马铃薯产业化发展[1-2]。有效的马铃薯生长状态检测技术能为提高马铃薯产量、农产品加工提供有力保障，对其研究具有广泛的理论及实际应用价值。目前，国内外学者相关研究较多将机器视觉、高光谱成像等技术应用于马铃薯营养物质含量、疫病等方面检测。Ebrahim利用图像处理和多层神经网络检测马铃薯块茎水分含量[3]。田海清等利用漫反射高光谱成像技术建立了马铃薯干物质含量预测模型[4]。黄涛等提出基于半透射高光谱成像技术与支持向量机相结合方法实现对马铃薯空心病检测[5]。不难发现，现有的检测手段均需要破坏马铃薯土壤生长环境，同时受光照强度、辐射、设备昂贵等因素影响，较难广泛实现实时在线检测。……