新型平行板电容传感器的开发与评估：用于作物叶片上的喷雾沉积

《Smart Agricultural Technology》：Development and evaluation of a novel parallel-plate capacitive sensor for spray deposition on crop leaves

精准量化作物叶片上的喷雾沉积量对减少农药使用和环境风险至关重要。本研究开发了一种新型平行板电容式传感器，通过电容变化（ΔC）实时测量叶片上的沉积量。实验表明，减小电极间距（d）可提高线性拟合优度（R2值接近1），使用纯水擦拭可防止叶片水分流失（MAPE降低至15%）。该传感器结合专用线性回归算法，能快速建立叶面沉积量与电容变化的数学模型，为精准喷洒技术提供可靠工具。

　　在农业领域，农药的喷洒是一项至关重要的操作，其目的是保护作物免受害虫和病害的侵害。然而，传统的农药喷洒方法往往存在效率低下、难以根据植物生长情况实时调整喷洒量以及过度或不足喷洒等问题，这些问题不仅增加了农药使用成本，还可能对环境和人体健康造成负面影响。因此，开发一种能够快速、准确测量农药在作物叶片上沉积量的工具显得尤为重要。本文提出了一种新型的平行板电容传感器，该传感器能够直接测量作物叶片上的喷雾沉积情况，具有较高的测量精度和实用性。

为了实现这一目标，研究团队设计并制造了三种原型传感器（Sensor 1–3），分别采用不同厚度的测量尺（H=0.4、0.5、0.7 mm）作为上电极板和下电极板之间的介质。这种传感器由上下两个铜板组成，通过检测电容变化（ΔC）来评估喷雾沉积量。传感器的电容变化主要由喷雾滴在叶片表面时对电容值的影响所决定，其工作原理基于电容的物理特性，即电容值与介质的介电常数、电极面积以及电极间距密切相关。研究中通过实验发现，电极间距（d）越小，R2值越高，这表明传感器的线性关系越强，从而提高了测量的准确性。

在实验过程中，研究人员首先将叶片固定在下电极板上，然后通过手持电动喷雾器对叶片表面进行喷洒，喷洒的滴量由微孔移液器精确控制。为了确保测量的稳定性，实验中使用了纯水擦拭的方法，以防止叶片表面水分流失。实验结果显示，当叶片表面保持湿润时，传感器的测量误差显著降低，尤其是在使用3 μL喷雾时，MAPE（平均绝对百分比误差）仅为15.00%，表明这种传感器在实际应用中具有较高的可靠性。

此外，研究还探讨了传感器在不同环境条件下的性能表现。实验中，研究人员通过将叶片暴露在不同湿度条件下，观察其水分流失对传感器测量结果的影响。结果显示，当叶片暴露在空气中时，水分流失会导致测量误差显著增加，而纯水擦拭能够有效防止这一现象。因此，为了确保传感器在田间实验中的准确性，必须在实验前对叶片表面进行适当的水分保持处理。

研究团队还开发了一种专门设计的线性回归算法，用于快速建立喷雾沉积量与电容变化之间的线性关系模型。该算法结合了实验室数据和现场数据，使得研究人员能够在短时间内获得准确的测量结果。实验表明，无论是使用实验室中的标准叶片还是实际田间叶片，该算法都能高效地生成相应的线性方程，从而提高了喷雾沉积评估的效率和可靠性。

为了验证该传感器的实用性，研究团队还进行了田间实验。在这些实验中，传感器被直接安装在作物叶片上，以评估其在真实环境中的性能表现。实验结果显示，该传感器在实际应用中能够准确测量喷雾沉积量，并且在不同叶片厚度和湿度条件下均表现出良好的适应性。通过与传统的喷雾沉积评估方法（如荧光染色法）相比，该传感器不仅避免了因光敏性导致的染色剂降解问题，还能够实时测量，避免了需要在特定时间点进行数据采集的限制。

总的来说，这种新型的平行板电容传感器为精准喷雾技术提供了一种有效的工具。它不仅能够准确测量喷雾沉积量，还能够在实验室和田间环境中快速构建线性回归模型，从而为农药喷洒的优化提供了科学依据。通过这种技术，可以显著减少农药的使用量，降低对环境的影响，同时提高喷洒效率和作物保护效果。未来的研究将致力于进一步优化该传感器的设计，使其更加适用于田间条件，并考虑风速、机器干扰、枯叶和灰尘等因素对测量结果的影响。此外，研究团队还计划开发一种机电系统，以实现对电极间距的自动调节，从而提高传感器的灵活性和适用性。这一创新性工具不仅有助于推动精准农业的发展，也为减少农药浪费和环境风险提供了新的解决方案。