《試驗箱在智能農業領域的精準應用》
一、試驗目的
二、實驗 / 設備條件
(一)試驗箱設備
溫濕度綜合試驗箱:溫度控制范圍 - 10℃-60℃(覆蓋溫室與露天溫差),溫度波動 ±0.5℃;濕度控制范圍 30%-95% RH(模擬雨季與干旱期),支持 “恒溫恒濕→溫濕度驟變” 循環(如 25℃/60% RH→40℃/90% RH,切換時間≤10 分鐘),模擬晝夜溫差與降水前后環境。
光照與輻射試驗箱:光照強度 0-100000lux(模擬陰天至正午強光),配備 UVB 紫外燈管(波長 280-320nm),模擬紫外線對設備的老化作用;支持光照周期設置(如 16 小時光照 / 8 小時黑暗,模擬自然晝夜)。
粉塵與腐蝕試驗箱:粉塵濃度 0-50g/m3(模擬田間揚塵與肥料粉塵),粉塵顆粒直徑 1-50μm;可通入二氧化硫(0-50ppm)、氨氣(0-100ppm)等氣體(模擬畜禽舍或大棚內腐蝕性氣體),測試設備抗腐蝕性能。
振動與跌落試驗箱:振動頻率 10-500Hz(模擬農機運輸顛簸),最大加速度 20g;跌落高度 0.5-2m(模擬設備安裝或搬運時的意外跌落),適配農業設備的安裝方式(如立柱固定、無人機掛載)。
(二)輔助設備
三、試驗樣品
樣品 1:土壤墑情傳感器(測量土壤含水量、電導率,精度 ±2%);
樣品 2:溫室二氧化碳傳感器(監測大棚 CO?濃度,量程 0-5000ppm,誤差≤50ppm);
樣品 3:智能灌溉控制器(接收傳感器數據并控制閥門,支持 4G 通信);
樣品 4:無人機植保巡檢模塊(含攝像頭與農藥殘留檢測儀,用于作物長勢監測);
樣品 5:畜禽舍環境傳感器(測量氨氣濃度與溫濕度,用于養殖環境調控)。
四、試驗步驟及條件
(一)溫濕度耐受性測試
將 5 類樣品放入溫濕度綜合試驗箱,執行 “低溫低濕→高溫高濕→循環沖擊” 流程:
低溫低濕:10℃/30% RH(模擬早春大棚),通電運行 4 小時,測試傳感器測量精度;
高溫高濕:40℃/90% RH(模擬夏季溫室),持續 8 小時,監測灌溉控制器閥門響應速度;
循環沖擊:25℃/60% RH(2 小時)→35℃/85% RH(2 小時),循環 15 次,測試設備外殼與內部電路耐老化性。
試驗后檢測:傳感器測量偏差(如土壤墑情傳感器是否超出 ±2% 誤差)、控制器按鍵是否卡滯。
(二)光照與老化測試
光照精度測試:樣品 2(CO?傳感器)放入光照試驗箱,設置光照 80000lux(正午大棚)+30℃/70% RH,持續 6 小時,每小時記錄傳感器測量值與標準氣體濃度的偏差(標準值設為 1000ppm)。
紫外老化測試:樣品 4(無人機模塊)置于試驗箱,UVB 輻射強度 0.5W/m2,溫度 40℃,持續 100 小時(等效戶外 1 個月),測試攝像頭鏡頭透光率與外殼開裂情況。
(三)粉塵與腐蝕測試
粉塵附著測試:樣品 1(土壤墑情傳感器)放入粉塵試驗箱,濃度 30g/m3,持續 2 小時,模擬田間揚塵;取出后檢測傳感器探針是否被粉塵覆蓋,測量精度是否下降(對比清潔后數據)。
腐蝕測試:樣品 5(畜禽舍傳感器)通入 20ppm 氨氣 + 40℃/80% RH,持續 48 小時(模擬夏季畜禽舍環境),測試外殼是否銹蝕、電路是否出現短路。
(四)振動與穩定性測試
運輸振動測試:樣品 3(灌溉控制器)固定于振動試驗箱,模擬農機運輸振動(10-300Hz,加速度 10g),持續 4 小時,測試振動中數據傳輸是否斷連(與云端平臺通信丟包率需≤1%)。
跌落測試:樣品 4(無人機模塊)從 1.5m 高度跌落至試驗箱緩沖墊(模擬掛載脫落),測試外殼抗沖擊性與內部元件是否松動。
(五)長期運行測試
五、數據采集與分析
(一)數據采集
溫濕度測試:記錄樣品 1 在高溫高濕下的土壤含水量測量偏差、樣品 3 的閥門誤動作次數;
光照測試:統計樣品 2 在強光下的 CO?測量誤差(與標準值對比)、樣品 4 鏡頭透光率衰減量;
腐蝕與粉塵測試:測量樣品 5 外殼銹蝕面積、樣品 1 粉塵附著后的測量精度下降幅度;
振動與跌落測試:采集樣品 3 的通信丟包率、樣品 4 跌落后的功能完好率;
長期運行測試:計算樣品 2 與樣品 3 的平均運行時間(MTBF≥1000 小時為合格)。
(二)數據分析
參照行業標準(如 NY/T 3904《智能農業傳感器通用技術條件》、GB/T 30475《溫室環境控制系統技術條件》)設定合格閾值;
分析環境因素對設備性能的影響程度:如氨氣濃度每增加 10ppm,樣品 5 的測量誤差上升比例;
定位設備共性問題:如戶外設備普遍受粉塵影響大,封閉環境設備需強化抗腐蝕能力。
六、實驗結果與結論
(一)各試驗結果
溫濕度測試:
樣品 1 在 40℃/90% RH 下,土壤含水量測量偏差升至 3.5%(超標),因探針表面凝結水汽影響電極傳導;
樣品 3 閥門響應時間延長至 15 秒(超標),內部繼電器在高濕環境下接觸電阻增大。
光照與老化測試:
樣品 2 在 80000lux 光照下,CO?測量誤差達 80ppm(超標),傳感器光學窗口反光導致讀數偏差;
樣品 4 經紫外老化后,鏡頭透光率下降 20%,圖像識別準確率降低 12%。
腐蝕與粉塵測試:
樣品 5 外殼出現 5% 面積銹蝕,氨氣腐蝕導致溫濕度測量誤差增大;
樣品 1 被粉塵覆蓋后,測量偏差升至 4%(超標),需手動清潔。
振動與跌落測試:
樣品 3 振動中通信丟包率 2.5%(超標),天線接口松動導致信號不穩;
樣品 4 跌落后攝像頭防抖功能失效,因內部減震結構斷裂。
長期運行測試:
樣品 2 運行 25 天后,測量延遲增至 3 秒(超標),濾芯堵塞導致氣體流通不暢。
(二)總體結論
智能農業設備的可靠性受溫濕度、光照、粉塵、腐蝕性氣體等環境因素影響顯著,戶外設備需重點解決 “粉塵抗干擾”“高溫高濕穩定性”,封閉環境設備需強化 “抗腐蝕”“長期運行耐久性”;
試驗箱通過精準模擬農業場景的環境,能有效暴露設備短板(如傳感器探針防水性不足、通信接口抗振動差);
對比結果顯示:土壤墑情傳感器(樣品 1)和無人機巡檢模塊(樣品 4)對環境敏感度最高,需優先優化;
試驗箱為智能農業設備提供了可重復、可量化的測試環境,避免了依賴田間實地測試的周期長(如自然老化需數月)、環境不可控(如突發降雨影響數據)等問題,加速設備迭代。
七、失效分析與改進建議
(一)失效分析
樣品 1 測量偏差:探針未采用防水涂層,高濕環境下表面結露形成干擾電場;粉塵附著堵塞探針孔隙,影響水分滲透。
樣品 2 光學誤差:傳感器窗口未采用抗反光鍍膜,強光下產生雜散光;長期運行濾芯未設計自動清潔功能,導致氣體流通受阻。
樣品 3 通信與響應問題:天線接口未采用防松卡扣,振動中易松動;繼電器觸點未做鍍金處理,高濕下氧化導致接觸不良。
樣品 4 老化與跌落故障:鏡頭未使用耐紫外材質(如石英玻璃);內部減震依賴普通橡膠墊,跌落時緩沖不足。
樣品 5 腐蝕問題:外殼采用普通 ABS 塑料,未做防腐蝕鍍層;電路焊點未做三防漆處理,氨氣侵蝕導致氧化。
(二)改進建議
硬件優化:
樣品 1:探針噴涂聚四氟乙烯防水涂層,增加自動吹掃裝置(每 2 小時噴氣除塵);
樣品 2:窗口加裝增透膜(透光率提升至 95%),設計濾芯自動更換提醒功能;
樣品 3:天線接口改用螺紋 + 防松膠固定,繼電器觸點鍍金(耐腐蝕性提升 3 倍);
樣品 4:鏡頭采用石英玻璃(耐紫外老化),內部改用金屬彈簧減震(抗沖擊強度提升 50%);
樣品 5:外殼采用 304 不銹鋼(或防腐蝕 ABS),電路噴涂納米三防漆(耐氨氣腐蝕)。
軟件適配:
為樣品 1 開發 “濕度補償算法”,根據環境濕度自動修正測量值;
樣品 2 增加 “光照干擾修正模型”,通過軟件消除強光下的讀數偏差。
測試完善:
后續增加 “溫濕度 + 粉塵” 復合試驗(如 35℃/80% RH+20g/m3 粉塵),模擬雨季田間環境;
對無人機模塊增加 “農藥噴霧腐蝕” 測試(模擬植保作業時的藥液附著)。
以上方案僅供參考,在實際試驗過程中,可根據具體的試驗需求、資源條件以及產品的特性進行適當調整與優化。
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