设计与实验：一种用于高吞吐量小麦种子检测的双层正交光电透射式检测装置 张浩杰、 齐冰、 王云霞、 黄树通、 丁友强、 张文毅

《AgriEngineering》：Design and Experiment of a Double-Layer Orthogonal Photoelectric Through-Beam Detection Device for High-Throughput Wheat Seed Flow Haojie Zhang, Bing Qi, Yunxia Wang, Shutong Huang, Youqiang Ding and Wenyi Zhang

　　摘要：针对高 throughput 种子流动中的相互重叠问题以及在高速精密小麦播种过程中难以准确检测播种率的问题，本文基于四层交错钩式精密小麦种子计量装置，开发了一种双层正交穿射光电检测装置，用于高 throughput 小麦种子流动的检测。通过结合最小二乘法进行阈值优化和误差补偿模型，有效提高了检测精度。台架测试结果显示，在 20–40 Hz 的中低播种频率下，该装置的检测精度稳定在 97% 以上，能够满足常规操作的要求。当播种频率增加到 80–120 Hz 时，由于种子流动密度的增加，精度下降到 89.05%。引入补偿模型后，在 90.2–140.2 Hz 的高频范围内，精度仍保持在 95% 以上，比不使用补偿时高出近 10 个百分点。研究成果为高速精密小麦播种中高频种子流动的准确在线检测提供了有效的支持和技术方法。

1. 引言
中国是世界上小麦种植面积和产量最大的国家。作为主要粮食作物之一，提高单位面积的小麦产量并实现高稳定性的小麦生产对于保障粮食安全至关重要[1,2]。精密播种是确保高质量生产的首要步骤，而播种率是精密播种中的关键因素。播种率决定了田间作物的分布密度，并显著影响最终作物产量。实时监测播种率对其精确控制至关重要，也是智能农业发展的必然趋势[3,4]。精密小麦播种涉及高频率的种子投放，多个种子同时通过检测区域，形成高 throughput 的种子流。种子之间的交错和重叠是这种高 throughput 条件下准确检测的主要挑战[5,6]。在高速播种条件下，种子的高频无序分布进一步增加了种子流动的精确检测难度。因此，开发一种实时检测高 throughput 小麦种子流动的装置可以提高播种质量，降低生产成本，减少播种损失，并为小麦播种操作的大数据建设及播种智能化水平的提升做出重要贡献[7]。

全球的种子流动检测方法主要分为电容式传感[8]、压电式传感[9,10]、机器视觉[11]和光电式传感[12]。根据检测目标的不同，检测系统在复杂工作环境中的适应性和稳定性也有所不同。电容式传感系统具有较高的操作稳定性，并能在复杂条件下抵抗一定程度的干扰，但它们只能检测到单个轻质种子的微小电容变化，因此不适合单粒种子的精确检测。此外，温度、湿度和电磁干扰等因素会显著影响电容传感器的检测精度。因此，检测像小麦这样的颗粒流需要建立相对理想的测试环境。压电传感器在低播种频率下可实现精确检测，并具有成本优势，但它们容易受到振动的影响，而高播种频率会导致多个种子产生的振动信号重叠。此外，它们还需要复杂的连接结构，不适合高频小麦播种检测。机器视觉传感器不受种子大小的限制，具有较高的检测精度，但由于成本高、对环境要求严格以及结构复杂，目前主要限于实验室阶段，难以集成到田间播种的播种机中。

目前，光电式种子检测系统是技术最为成熟且应用最广泛的类型[13,14,15,16]。大多数由国际知名农业机械公司制造的精密播种机上安装的种子监测系统都采用光电检测原理。发达国家很早就开始探索精密播种的智能监测和控制技术，并在该领域进行了大量实验。1982 年，澳大利亚的 A.E.E. Ltd. 开发了一种利用红外传感器监测种子的播种检测装置，该装置在每行的种子管上安装红外传感器来监测种子流动情况。如果发生堵塞，监测器会立即激活警告灯并显示故障状态，从而有效捕捉播种过程中的信息。Karimi 等人开发了一种基于光电二极管的红外传感系统，能够检测播种过程中通过种子导管的种子质量流量[17]。HADI 等人构建了一种基于红外激光二极管阵列传感器的田间播种监测装置和系统，从而能够计算种子流量[18]。Rajeev 等人将红外 LED 排成环形配置，以确保红外光覆盖播种管的整个横截面，但这种方法对小麦等小尺寸种子的检测效果不佳[19]。Anil 等人使用对射式光纤传感器进行播种流检测，可以检测大、中、小尺寸的种子，但该研究仅限于单粒播种[20]。

随着科学技术的不断进步，能够处理各种颗粒大小作物的精密播种机的智能监测和控制技术在全球发达国家逐渐成熟。这些机器在操作上具有高度的智能化和精确性，一些种子种植监测装置已经实现商业化。例如，瑞典的 Vaderstad 公司的精密小麦播种机采用光学检测系统，通过光敏阵列计数通过的种子，检测频率可达 300 Hz，精度超过 97%。意大利的 MC Electronics 公司开发了一种基于红外的穿射式种子检测系统，能够准确检测小麦等中大尺寸种子[22]。该系统通过检测种子下落时阻挡发射器发出的红外光束时电压信号的变化来实现检测。控制系统收集并处理这些电压变化，从而准确检测小麦、大豆和玉米等大、中、小尺寸的种子。此外，配套的显示单元可提供总种子输出、漏播率、种植面积和单位面积种子率的实时数据，并在发生堵塞或故障时发出语音警报。

在中国，国内生产的智能精密播种机的质量检测主要集中在玉米和大豆等大粒种子作物上。虽然已经为小麦、水稻和油菜等中小粒种子作物实现了故障监测和报警系统（如种子管堵塞和种子行断裂），但缺乏高 throughput 种子流动检测技术和设备，且很少有播种机配备种子质量检测系统。与大粒种子作物相比，中小粒种子作物的播种频率更高（例如，油菜约为 20–40 Hz，小麦约为 100–300 Hz）。在检测中小粒种子作物时，种子序列的高排放频率不规则，难以准确区分单个种子。此外，小种子通过传感区域时产生的信号较弱，以及可能存在检测盲点，这些因素使得精确检测中小粒种子变得困难。目前，高 throughput 检测中小粒种子重叠的问题仍然是国内外研究的热点。

为应对上述挑战，中国研究人员近年来积极探索将光电检测原理应用于小麦等小粒种子作物的精密种子流动监测。Ding Youchun 等人使用 1 mm 厚度的薄膜激光发射器进行种子流动监测，有效识别纵向距离超过 1 mm 的种子，从而在一定程度上提高了传感器分辨率。然而，这种方法未能从根本上解决种子重叠的检测问题[23]。Ding Youchun 及其同事还尝试将高 throughput 种子流分成四个并行检测通道，通过集成薄膜激光硅光伏电池等技术，开发了一种高效、高 throughput 的小直径种子流检测装置。在油菜播种频率 20.00–61.68 Hz 的范围内，该装置的检测精度最低达到 96.1%，最大检测误差控制在 3.9% 以内；但在高速播种时（播种频率达到 130 Hz），检测精度会下降[24]。最近，他还研究设计了一种太阳能驱动的高速油菜播种流分割和同步检测装置，该装置将高速种子流分成八个低 throughput 通道，采用 LED 数组光源和硅光电二极管检测结构，系统集成在八通道环形表面安装的检测电路板上。台架测试表明，在 60–130 Hz 的播种频率下，8 通道检测装置的油菜播种率检测精度超过 97.63%，比原始的 4 通道检测装置提高了 10.03%[25]。Xu Chunbao 等人将高 throughput 转换为低 throughput 多通道并行同步检测，提出了一种使用“LED 珠 + 狭缝”生成薄光层的方法，并结合凸透镜折射原理扩大有效检测区域，设计了一种基于薄层光折射的多通道并行检测装置用于小麦种子流动检测。在小麦播种机运行速度为 2–9 km/h 时，该装置的检测精度超过 95.28%[26]。这些方法应用种子流重建原理来检测高播种率，使用流分割装置降低种子流动密度，然后基于光电原理进行检测；然而，这种方法不利于保持种子流的原始均匀性。Wang Zaiman 等人开发了一种面积源光电传感器，通过脉冲宽度调制确定种子数量，能够检测每个孔中的种子数量，平均检测误差范围为 7.99%–24.07%[27]。Jiang Meng 等人基于红外检测原理设计了播种率传感器，提出峰值和平均值算法来确定重叠种子数量。所开发的播种率检测系统在 2.5–4.6 km/h 的运行速度下，能够满足 120–180 kg/hm2 的播种率检测要求[28]。Zhang Tian 等人设计了一种基于光纤计数的油菜精密播种机种子流动检测系统，采用反射光电传感方法实现种子流的实时计数。田间试验表明，油菜播种率检测的相对偏差不超过 8%，表明该系统的整体误差率较低[29]。

实践表明，光电检测是一种广泛应用于播种领域的成熟检测方法[30,31,32]。基于光电传感器的检测装置具有低成本、非接触式检测和快速信号响应的优点。然而，在复杂的田间条件下，光敏组件上的灰尘积累可能会降低其响应速度，从而降低检测精度。此外，光敏区域的光学层厚度限制可能导致多个种子引起的信号混叠，进一步影响检测精度。近年来，中国在小麦等作物的种子流动检测设备研发方面取得了一些进展。尽管借鉴了国际设计经验并进行了创新，但仍存在一些挑战。例如，很少有设备能够在机械小麦播种机上实现单粒种子的精确播种，也很少有设备能够在高速操作中保持稳定的播种。大多数种子计数检测设备仅适用于低 throughput、低频率的检测，在高 throughput 播种过程中会出现较大误差。此外，由于种子重叠导致的检测盲点或漏检问题仍未解决，亟需突破。小麦种子相对较小，播种频率较高，在高 throughput 播种过程中可能会发生种子重叠和交错，导致传统检测设备出现重复检测或漏检。种子流动播种率的检测需要更精确的设备[24,33]。

值得注意的是，欧洲和美国等发达国家目前使用气动输送式小麦播种机，这些播种机具有工作宽度宽、工作效率高和工作速度快等优点。通过多年的创新研究，外国公司和研究人员开发了全面的硬件和软件支持系统，包括用于播种和施肥量的在线监测系统[34]。这些国家主要依赖大规模农业生产，而中国的农田通常规模较小。作为一个幅员辽阔且农业作业规模较小的国家，国家背景限制了气动输送播种机的使用。中国采用了精确小麦播种作为其主要发展模式，通过改进传统的播种方法和机械来提高小麦产量。然而，现有播种机的性能未能满足现代农业实践的精确要求。主要问题包括播种精度低、均匀性差、运行速度慢以及缺乏对播种和施肥量的监测机制，这些都限制了小麦产量的进一步增加。在精确播种计量方面，市场仍以机械播种计为主，如外部凹槽轮和凹轮[35]。气动播种计通常是从用于玉米或蔬菜的播种计改造而来的，因此缺乏专门为小麦种植设计的精确播种计[36]。用于检测小麦播种率的传感器尚未普及，播种过程中也缺乏有效的监测方法。小麦种子体积小，现有传感器的识别率较低。此外，由于精确播种需要较低的单粒种子量，种子重叠的概率很高，使得传感器难以准确检测播种率。大多数现有的检测方法仍处于实验室研究阶段，尚未有成熟的产品问世。由于检测环境和具体条件的差异，“现成”的解决方案并不适合中国。此外，发达国家不公开具体的技术细节，而这些技术的高成本也使其在中国的应用颇具挑战性。因此，本研究针对中国小麦播种机面临的高通量播种问题进行了探讨——特别是种子快速下落速度以及由此产生的重叠和交错模式，这些问题使得有效和精确的检测变得困难。在研究团队之前为高通量播种设计的四排交错钩齿播种器的基础上，本研究开发了一种相应的种子流量检测装置[37]。提出了一种双层正交光电检测方法，并进行了台架测试，以研究该装置在不同播种器旋转速度下的检测精度。目的是为实现高通量小麦种子流量的精确检测提供参考，从而为中国稳定和高产的小麦生产提供技术和设备支持。

2. 材料与方法
2.1. 检测装置的结构和工作原理
本研究使用了研究小组之前开发的四层交错钩齿播种计量装置作为载体。该计量装置通过钩齿孔实现单粒种子填充。钩齿的交错排列在落下的种子流中形成了有序的交错表面，减少了种子之间的碰撞和重叠，有效提高了种子的有序性。其工作原理如图1所示。
图1. 播种装置的结构和工作原理
研究小组最初设计的四层互锁齿精确播种装置可以在一定程度上降低单位时间的种子掉落密度，形成具有固定时间间隔的种子流。然而，在高通量播种条件下，短时间内大量种子落下会导致通过传感器的种子快速连续通过，形成类似帘幕的阻挡效应。此外，在进入种子导管和检测装置的过程中，种子仍然存在一定程度的重叠和交错，影响检测精度，甚至使检测变得困难。本研究设计了一种正交双层光电传感检测装置，该装置使用两组传感器在同一种子流的不同平面上进行两级检测，从而能够有效识别重叠的种子。检测装置由三部分组成：上管端口、检测区和下管端口，它们均通过卡扣连接器固定。上管端口与播种机的种子供给器连接，而两组传感器分别嵌入检测区的上下安装槽中。这种配置形成了双层正交检测光路，使种子能够顺畅通过检测区而不会发生碰撞，从而能够从两个表面收集信号。检测装置采用了由深圳市博艺晶科科技有限公司生产的BG-AG15N穿射式多束红外光电传感器。该传感器由发射器和接收器组成；发射器集成了多个并行红外发射管，而接收器对应于独立的接收管。各个光束之间的间距为1.5毫米，发射器和接收器之间的有效检测距离为40毫米，适用于小直径种子的穿射式检测。它采用NPN开集输出方式，具有放大、截止和饱和工作模式[38]。当种子通过光路时，会输出低电平信号以触发传感器；当没有遮挡物时，电路处于开路状态，从而能够精确检测种子掉落事件。该传感器的工作电压为10–30 VDC，具有内置短路保护功能，并配备了三色状态指示灯（电源/运行/故障）。其响应时间小于1毫秒，满足高通量播种场景下的实时数据采集要求。检测装置的总体结构和物理模型如图2所示，总体尺寸和性能参数列于表1中。
图2. (a) 检测装置的总体结构剖视图。(b) 实际装置的照片。
表1. 总体尺寸和性能参数
检测装置的工作原理如下：当种子流穿过检测区时，不同方向的种子在通过第一层传感器时会导致光线被遮挡，从而触发相应的电信号变化。当种子继续穿过与第二层传感器垂直排列的第二层传感器时，从另一个角度被检测到，生成相应的电压信号。这两个信号被存储在微控制器中。通过将这些信号与预定义的单粒种子、多粒种子和不同种子方向模式进行比较和分析，系统最终计算出单位时间内通过的种子数量，实现小麦种子流的精确计数。此外，为了减少由于种子长度不同导致同一种子被不同传感器重复检测而产生的误差，在两组传感器之间保持了特定的间隔。

2.2. 检测装置关键结构参数的设计
检测装置连接到播种机的种子导管上。其上管开口的外径为40毫米，内径为36毫米，与导管的尺寸相匹配，实现无缝连接。中间座的上内表面具有圆锥形收敛结构，内锥高度为8毫米。锥面与上管开口端面形成72.68°的角度，引导落下的种子以减少碰撞和弹跳对检测精度的影响。传感器的有效检测区域为31毫米×40毫米的矩形，发射器和接收器面的长度均为31毫米。通过双层正交排列，上下层形成了31毫米×31毫米的等效正方形检测表面，提高了检测覆盖率和稳定性。
根据本文设计的播种装置的应用场景，研究小组选择了宁麦9号种子作为研究对象——这种种子在长江中下游地区广泛使用。随机选取了300粒种子，并使用游标卡尺（精度0.01毫米）测量了它们的长度、宽度和厚度。测量结果显示宁麦9号种子的三轴尺寸为6.32毫米×3.29毫米×2.71毫米。由于种子的最大长度为6.32毫米，因此在下落过程中可能会发生重叠。为了确保种子不会同时被两个传感器检测到，并考虑到传感器的响应时间，传感器之间的间距设置为30毫米。这种间距保证了在不同时间间隔内传感器响应时间内能够检测到处于相同下落姿势的种子。发射端的光学层厚度为2毫米，每个传感器的响应时间为1毫秒。因此，必须分析种子下落过程以验证其通过时间是否符合要求。为了了解种子下落行为，使用了EDEM软件24版本来模拟种子通过传感器监测区域的状态[39]。
模拟参数如下：小麦种子被建模为椭球体，简化为主轴a=6.32毫米，次轴b=3.00毫米。由于小麦种子表面光滑且无粘连性，选择了非滑动接触模型。使用五个球体组合构建了小麦粒子的离散元模型（DEM）。在模拟过程中，根据正态分布生成了小麦种子的尺寸。根据现有数据，确定了小麦种子和播种轮的材料属性及其相互作用参数，如表2所示。
表2. 模拟参数表
模拟设置包括种子从四层互锁齿轮喂料器流出，种子数量为1000粒，模拟持续时间为10秒。根据最大播种速度计算出种子进入检测区的初始速度为0.154米/秒。由于种子在离开喂料器时具有初始速度，它们在检测区内会加速运动，如方程(1)所示。
(1) 在方程中，d是从种子管出口到第一个传感器的距离（米）；d1是第一个和第二个传感器检测表面之间的距离（米）；v0是初始速度（米/秒）；t1是从种子离开种子管到第一个传感器的时间（秒）；v1是种子在检测区内的速度（米/秒）；t2是穿过检测区的时间（秒）。
为了验证传感器的响应时间是否符合检测要求，对种子下落过程进行了运动学分析。已知种子出口到第一个传感器检测平面的距离为50毫米，两个传感器检测平面之间的距离为30毫米。计算结果显示，种子从出口到第一个传感器的时间为0.086秒，穿过两个检测平面的时间为0.027秒，总通过时间约为113毫秒。这个时间显著超过了传感器的1毫秒响应时间，确保种子在传感器的响应窗口内被检测到。

2.3. 信号处理电路设计
为了分析和处理小麦种子收集信号，设计了一种正交双层信号采集系统电路。该电路主要由电源转换电路、信号处理模块电路和显示模块电路组成。在运行过程中，传感器检测到不同数量和方向的种子穿过检测平面时产生的部分遮挡，生成不同的信号。经过光电耦合器隔离后，这些信号被输入微控制器的中断引脚。微控制器处理并比较这些信号，然后将其传输到显示模块。实时结果显示在OLED屏幕上。整个系统电路如图3所示。
图3. 信号处理系统的总体电路图
电源模块使用12伏外部锂电池通过电源接口连接到电路板。传感器采用NPN输出类型，其信号线需要与负端子共地。由于电路板内部有电源，12伏锂电池以反向极性连接。该输入通过电源转换电路转换为+3.3伏，为所有电路板组件提供稳定电源。在信号处理和显示模块中，光电耦合器利用光作为信号传输介质，具有体积小、寿命长、无接触操作和强抗干扰能力等优点。它们实现了输入和输出之间的电气隔离，同时确保了信号的单向传输，从而稳定了微控制器的输入信号，提高了处理精度[40]。该设计采用了由台湾台北市Everlight Electronics Co., Ltd.制造的EL3H7(A)(TA)-G光耦合器，该光耦合器能够处理来自两个传感器的信号。显示模块采用1.3英寸的四针OLED屏幕。第1-4针分别连接到微控制器的3.3V、GND、DS SCL2和DS SDA2引脚，实时显示检测到的种子流量计数。复位按钮模块可以清除测试数据并切换显示界面。每个信号处理周期结束后，会显示记录的数据。新的测试周期需要通过该模块进行复位以重新开始计数。由于两个传感器可以独立工作，因此配置了三个显示界面：上层传感器检测数据、下层传感器检测数据和上下层传感器对比检测数据。

2.4. 程序设计
正交双层传感器的信号处理系统程序对于实现种子流量检测和计数至关重要。该软件程序旨在实现小麦种子流量的精确检测，在启动后首先完成零点校准、系统初始化、中断初始化和OLED显示初始化，然后进入连续检测状态。系统使用双层交错传感器进行检测，利用隔离的输入电路确保两个传感器通道的独立运行和无相互干扰。当种子依次通过两个传感器时，它们的输出信号被分别采集并存储。在单位时间间隔内，比较和评估这两个信号。如果计数结果相同，则直接显示结果；如果不同，则选择较高的值作为最终计数结果。如果两个检测值之间的差异超过4，则报警灯会闪烁并且检测暂停。最终计数结果通过OLED屏幕实时显示。小麦种子流量计数程序如图4所示。

2.5. 信号传播分析
根据初步测试结果和农艺要求，小麦的播种量为每亩15公斤。所选Ningmai 9品种的千粒重为40.1克，规定的行进速度必须达到6-8公里/小时。在同一时间间隔内，不超过四个种子通过传感器，大多数种子成对通过检测表面。因此，该检测设备优先提高1-4个种子的识别精度和计数稳定性。
为了验证传感器是否存在漏检或盲点，在组装好的检测设备上进行了低频单粒种子掉落测试。选择了形状良好、未受损的小麦种子进行测试。在不同的掉落高度和方向下进行了单粒种子测试，所有200粒种子都被有效检测到。计数结果通过显示屏实时记录，以确定每个种子是否被正确识别。测试结果确认在低频单粒种子测试条件下没有漏检现象，验证了设备结构设计的合理性和检测的可靠性。低频单粒种子检测测试如图5所示。

2.6. 台架测试
本研究使用Ningmai 9小麦种子作为实验材料。实验前，手动移除了受损和皱缩的种子。研究使用了研究团队开发的四层互锁齿小麦种子分配器和种子流量检测装置测试台，如图6所示。为了验证所设计的检测设备的性能是否满足种子分配器的播种频率，使用构建的测试台在不同频率下对小麦种子流量检测设备进行了台架测试，以评估其性能。结合使用检测设备和种子分配器进行了综合测试，以验证在不同旋转速度下的检测精度。
具体的台架测试方法如下：
(1) 在测试之前，选择无损伤的完整小麦种子，以防止因种子缺陷导致的检测错误。自动种子计数器模拟播种机的操作，设置了两个级别的播种频率：低频（20 Hz、25 Hz、30 Hz）和高频（80 Hz、100 Hz、120 Hz）。播种量为15公斤，操作速度为6-8公里/小时。每个播种周期持续10秒，每个频率设置重复三次。
(2) 将检测设备连接到种子分配器，以评估在不同分配器轮速下的检测精度。将种子分配器设置为均匀的种子层高度65毫米。测试五种分配器轮速设置：14 rpm、16 rpm、18 rpm、20 rpm和22 rpm。每种速度下播种10秒，每种速度设置重复三次。
(3) 将不同频率和播种速度下分配的种子收集到预先标记的袋中。测试后，验证实际分配的种子数量。

3. 结果与讨论
3.1. 信号传播分析结果
对于1到4粒种子的采样值可能会显示出重叠区间，需要通过实验确定不同种子计数的判断范围。所有实验都在干净的室内台架环境中进行，小麦种子经过仔细筛选以确保高纯度，因此采样信号中没有灰尘、糠壳或碎屑引起的噪声。传感器的输出电压与种子遮挡面积相关；因此，同时通过检测区域的种子越多，产生的响应越强，采样峰值越高。所有测试中观察到的最大采样峰值是500，没有超过这个限制，也没有进行数据清洗。通过记录和分析多次重复测试的峰值，确定了分类阈值。传感器检测峰值的分布如图7所示。如图7所示，当没有种子通过检测设备时，电压检测峰值为0，表明检测系统不受外部因素影响，表现稳定。当1粒和2粒种子通过时，重叠的峰值采样区间为[65, 128]；当2粒和3粒种子通过时，重叠区间为[122, 256]；当3粒和4粒种子通过时，重叠区间为[234, 362]。
初步测试表明，随着检测区域内种子数量的增加，传感器电压上升；也就是说，电压采样峰值（多个样本中的最大值，以数值表示）变大。使用二分搜索方法对不同种子计数的采样峰值进行分类。当理论检测误差最小化时，将该峰值设置为不同种子计数的区分阈值。为了确定分类阈值，引入了理论检测误差作为阈值评估指标[41]。计算得出以下区分值：区分1粒种子和2粒种子为85，2粒种子和3粒种子为168，3粒种子和4粒种子为314。因此，0-85的值被分类为1粒种子，85-168为2粒种子，168-304为3粒种子，>304为4粒种子。因此，总的理论检测误差为5.74%。
理论检测误差的计算公式如下：
(2) 其中，表示1粒种子被误计为2粒种子；表示2粒种子被误计为1粒种子；表示2粒种子被误计为3粒种子；表示3粒种子被误计为2粒种子；表示3粒种子被误计为4粒种子；表示4粒种子被误计为3粒种子；，，，表示1、2、3或4粒种子通过检测区域的概率，%；，，表示不同粒子计数之间的理论检测误差。

3.2. 台架测试结果分析
3.2.1. 播种频率对检测结果的影响
完成台架测试后，20-30 Hz和80-120 Hz范围内的实验结果如表3所示，14-22 r/min范围内的播种轮速结果如表4所示。表3显示了不同播种频率下检测设备的测试结果。表4显示了不同旋转速度下检测设备性能的测试结果。台架测试结果（表3）表明，双层正交光电小麦种子流量检测设备的检测性能随着种子排放频率的变化而显著变化。在低至中等种子排放频率（20-40 Hz）下，设备的检测精度保持在97%以上，某些测试组的精度超过98%，最高达到99.00 ± 0.27%；同时，这一范围内的标准偏差通常小于0.35%，检测结果的重复性非常好。这表明该设备在低至中等通量种子流量检测条件下具有出色的可靠性和稳定性，能够满足常规播种操作的精确计数要求。
当播种频率增加到高通量范围80-120 Hz时，检测精度显著下降，标准偏差随着频率的升高而增加，同时检测稳定性也下降：在80 Hz时，精度保持在95.88%到96.48%之间，标准偏差为0.34-0.41%，与中低频率范围相比略有下降，检测结果的波动增加；在100 Hz时，精度降至92.16-93.11%，标准偏差升至0.43-0.49%；在120 Hz时，精度进一步降至89.05-90.08%，标准偏差升至0.47-0.52%。这一趋势表明，随着种子流量密度和通量速度的增加，种子重叠和信号串扰的概率显著增加，对传感器信号处理和识别的要求也更高。因此，漏检或误检的概率增加，不仅导致检测精度显著下降，还导致检测结果的稳定性和重复性明显恶化。
总体而言，这种双层正交光电检测设备在低至中等播种频率（20-40 Hz）下表现出优异的性能，具有高精度和稳定性，能够满足常规播种操作的精确计数要求。同时，在高通量情况下观察到的精度和稳定性下降模式为优化设备操作条件和未来升级（如补偿重叠种子）提供了明确的方向。
关于种子轮转速的影响，当转速从14 r/min增加到22 r/min时，检测精度从峰值96.56 ± 0.22%稳步下降到86.85 ± 0.51%，检测结果的标准偏差也同步上升，这完全反映了检测稳定性随转速的变化。
在14-16 r/min的低至中等速度范围内，设备表现出稳定可靠的性能，保持93%以上的精度（最高精度达到96.56 ± 0.22%）。同时，这一速度范围内的标准偏差通常低于0.33%，表明检测结果的离散度极低，重复性非常好，验证了该设备能够在低至中等速度条件下满足常规播种操作的精确计数要求。然而，当速度超过18 r/min时，精度显著下降，20 r/min及以上时精度降至90%以下，标准偏差也随之增加：在18 r/min时，标准偏差升至0.36-0.42%；在20 r/min时，进一步增加到0.44-0.46%；在22 r/min时，标准偏差达到0.48-0.51%。这种变化与种子分配器的操作特性高度相关：随着种子轮转速的增加，播种频率上升，导致种子流量密度和通过速度加快。这增加了种子在检测表面重叠和碰撞的概率，同时降低了种子合格率。因此，随着旋转速度的增加，检测设备面临更大的识别挑战，最终表现为检测准确性的下降和检测稳定性的恶化。总体而言，该检测设备在中低吞吐量和中低种子计量轮速度下表现出色，具有高检测准确性和优异的稳定性，完全满足了中国小麦精密播种机的设计要求。尽管在高吞吐量和高速度播种条件下，由于种子重叠和信号干扰的增加，检测准确性和稳定性会下降，但该设备仍保持了一定的有效检测能力，为传统播种操作提供了实用的技术解决方案，并为进一步性能优化指明了方向。

3.2.2 补偿模型的建立和测试结果分析
由于检测设备的准确性未能达到规定的范围，因此建立了一个误差补偿模型以提高种子计量精度。在实施补偿模型后，对该设备进行了准确性验证测试。首先，将表2和表3中的数据合并并进行进一步处理和分析。由于播种机的播种频率超过了80 Hz，因此只分析了高于80 Hz的数据。使用Excel拟合了检测准确性与种子计量频率之间的关系曲线，拟合后的变化曲线如图8所示。从图8可以看出，随着播种频率的逐渐增加，检测设备的准确性下降，且后期的线性趋势更低。拟合曲线中，播种频率与检测准确性之间的线性相关系数为0.9803，表明数据一致性很高。拟合的线性方程如下：
(3)

为了进一步提高检测准确性并使其更接近实际播种率，基于之前的测试数据建立了补偿模型。补偿模型的公式如下：
(4)

补偿模型的公式如下：
(5)

在公式中：
- \(N_{comp}\) 是补偿后的检测到的籽粒数；
- \(k\) 是补偿系数值，为1.3834；
- \(N_{uncomp}\) 是补偿前的检测到的籽粒数。

在建立种子数量补偿模型后，小麦种子流量监测系统的检测精度显著提高。为了验证补偿后的检测准确性，在不同的播种速度下进行了台架测试。在相同的种子填充层高度为65 mm的情况下，以不同的旋转速度进行10秒的播种。测试结果如表4所示，结果散点图如图9所示。通过比较建立补偿模型前后的检测结果可以看出，在90.2–140.2 Hz的播种频率范围内，建立补偿模型后的检测准确性稳定在95%以上。与不使用补偿模型的相同频率工作条件相比，准确性最多提高了近10个百分点，这显著提高了高频播种条件下的检测性能，并有效增强了设备在高吞吐量种子流量场景下的检测准确性和可靠性。

4. 结论
基于对国内外小麦种子流量检测技术现状和发展趋势的分析，本文对一种高吞吐量小麦种子流量检测设备进行了创新设计和实验研究。目前，国外的先进系统专注于大规模精密播种，具有高检测准确性，但它们价格昂贵，与国内播种机的兼容性较差，且技术细节未公开。在国内，小粒种子的高吞吐量重叠检测方面很少有突破，主要研究趋势集中在高吞吐量适应性、抗干扰能力和与本地农业机械的兼容性上。未来关于高吞吐量种子流量重叠检测的研究可以关注高速精密检测、多种种子品种的通用检测、检测标准的建立、尖端技术的整合以及检测信息的深入挖掘。特别是对于高速精密检测，可以努力进一步解决高吞吐量种子流量的有序分流和播种问题，以及基于多通道光束的表面源检测技术，以解决由于高吞吐量种子流量重叠或通过检测盲区导致的记录缺失问题，并提高检测准确性。

依托研究团队自主研发的四层交错钩齿种子计量装置，本研究设计了一种正交双层光电小麦种子流量检测设备。该设备能够有效识别交错和重叠的小麦种子，并实现高吞吐量种子下降过程的稳定检测。本研究完成了检测设备的结构设计，构建了信号检测系统，并通过台架测试进行了验证。主要结论如下：
(1) 开发了一种双层正交光电小麦种子流量检测设备，能够与种子喂送器的种子导管可靠对接，实现播种率的实时监测。通过优化外壳结构，种子能够平稳进入检测区域而不会发生碰撞，确保种子输送不间断。这有效解决了高吞吐量播种中的挑战，如大量种子、高频率和种子重叠问题。双层正交光电探测器捕获在不同平面同时落下的种子。种子数量通过每个平面上光阻断引起的电压变化来确定，双平面信号比较提高了计数精度。
(2) 建立了一种双层正交光电小麦种子流量信号检测系统。为了解决多粒种子采样中的信号重叠问题，分析了信号穿透特性，以识别不同种子计数的电压峰值分布模式。使用最小二乘优化方法，得出了相邻种子计数的区分阈值，并建立了多粒种子误判误差计算模型，有效解决了由信号重叠引起的误判问题。
(3) 台架测试结果表明，检测设备的性能受播种频率的影响。在中低频率（20–40 Hz）下，检测准确性稳定在97%以上，满足常规播种要求。当播种频率增加到80–120 Hz时，由于种子流量密度的增加，检测准确性下降到89.05%。引入补偿模型后，在90.2–140.2 Hz的高频范围内，检测准确性稳定在95%以上。与未补偿状态相比，这代表了近10个百分点的最大改进，显著提高了高频条件下的检测可靠性。