張 淼 王麗茹 李浩榛 路 逍 劉 剛

(1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)智慧農(nóng)業(yè)系統(tǒng)集成研究教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083;2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部農(nóng)業(yè)信息獲取技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083)

0 引言

pH值是衡量作物生長環(huán)境酸堿度的重要指標(biāo),主要由氫離子(H+)與氫氧根離子(OH-)在土壤或基質(zhì)中的濃度比例決定,與基質(zhì)肥力轉(zhuǎn)化、作物根系養(yǎng)分吸收、病害及污染密切相關(guān)[1-3]。電極電位法是pH值測定的標(biāo)準(zhǔn)方法[4],柔性pH傳感芯片結(jié)構(gòu)微小、易于集成,在發(fā)生機(jī)械拉伸、扭轉(zhuǎn)、彎曲及折疊時(shí)可保持輸出穩(wěn)定[5-7],近年來發(fā)展勢頭迅猛。

柔性pH傳感芯片多采用3D打印等增材制造方法加工,不同功能傳感層按設(shè)計(jì)疊層加工,形成預(yù)設(shè)傳感結(jié)構(gòu)。多敏感涂層間的配準(zhǔn)精度是影響“堆疊加工”工藝的共性關(guān)鍵參數(shù)[8]。研究人員探索通過等離子體刻蝕凹槽柵、掩膜或噴頭定位等物理手段實(shí)現(xiàn)功能油墨層間的精準(zhǔn)配準(zhǔn)及隔離,并實(shí)現(xiàn)了毫米級(jí)配準(zhǔn)精度[9-11]。同時(shí),研究發(fā)現(xiàn)硬配準(zhǔn)嚴(yán)重受制于實(shí)現(xiàn)配準(zhǔn)的硬件結(jié)構(gòu),加工精度的提高常以設(shè)備成本的翻倍提升為代價(jià)[12-13]。數(shù)控機(jī)床與3D打印機(jī)都采用基于G-code的機(jī)械控制方式,一些研究人員嘗試?yán)@開硬件限制,采用圖像處理方式軟配準(zhǔn),提高刀頭運(yùn)動(dòng)軌跡控制精度。譚高山等[14]通過計(jì)算目標(biāo)與實(shí)際工件特征點(diǎn)間投影映射關(guān)系,使用復(fù)合加權(quán)仿射迭代最近點(diǎn)(Iterative closest point,ICP)圖像配準(zhǔn)方法,改進(jìn)車床加工區(qū)域配準(zhǔn)精度,可將配準(zhǔn)誤差控制在0.304 mm。TAN等[15]提出一種復(fù)雜曲面輪廓誤差檢測ICP算法,通過計(jì)算點(diǎn)集偏差向量實(shí)現(xiàn)復(fù)雜輪廓配準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)了鈑金件最小配準(zhǔn)誤差1.744 mm。靳宇婷等[16]基于ICP算法,結(jié)合三維輪廓特征點(diǎn)約束,實(shí)現(xiàn)飛機(jī)智能蒙皮的精確配準(zhǔn),配準(zhǔn)誤差小于3.5 mm。LI等[17]通過ICP方法改進(jìn)了整體立銑刀螺旋槽磨削工藝對截面曲線的匹配精度,使螺旋槽加工誤差縮小至3.5 mm。最大穩(wěn)定極值區(qū)域(Maximally stable extremal regions, MSER)仿射變換配準(zhǔn)是一種基于特征的圖像配準(zhǔn)方法,通過對不同灰度圖像進(jìn)行閾值分割,將圖像信息轉(zhuǎn)變成二維坐標(biāo)信息,進(jìn)而使用特征點(diǎn)二位坐標(biāo)ICP算法實(shí)現(xiàn)圖像配準(zhǔn),具有計(jì)算量低,易嵌入精簡硬件的優(yōu)勢,可避免傳統(tǒng)ICP算法缺乏目標(biāo)圖形形狀約束,易陷入局部極值的問題[18-19]。WU等[20]應(yīng)用MSER算法實(shí)現(xiàn)了全局/局部的目標(biāo)檢測,最大加工誤差可控制在0.1～0.6 mm,精度較ICP方法明顯提升。

綜上,本文旨在探討利用MSER仿射變換配準(zhǔn)方法提高農(nóng)用柔性pH芯片功能涂層加工精度及檢測性能的可行性,提出用于分析兩功能涂層間平移、旋轉(zhuǎn)、伸縮等5種典型形變的關(guān)鍵描述參數(shù)及MSER仿射變換計(jì)算方法,通過大量試驗(yàn)分析MSER模型配準(zhǔn)精度,配準(zhǔn)后農(nóng)用柔性pH芯片線寬、線間距加工精度及電化學(xué)檢測性能,通過基質(zhì)原位酸堿度監(jiān)測試驗(yàn)驗(yàn)證基于仿射變換的軟配準(zhǔn)算法對柔性芯片性能的改善作用。

1 研究方法與原理

柔性pH傳感芯片可應(yīng)用于精確檢測作物生長局部環(huán)境,因芯片打印過程中基底銀層(Ag)與介導(dǎo)層單壁碳納米管(SWCNT)分別采用噴墨和點(diǎn)膠工藝制備,功能打印頭更換,常存在兩功能油墨層間平移、旋轉(zhuǎn)、伸縮等形變及配準(zhǔn)偏差問題。柔性芯片的制備工藝示意如圖1a所示。

圖1 柔性pH芯片MSER仿射變換配準(zhǔn)研究內(nèi)容

本文探討通過圖像處理軟配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)pH雙功能涂層配準(zhǔn),其基本工作流程圖如圖1b所示。設(shè)計(jì)配準(zhǔn)試驗(yàn)圖形,雙層打印后將第1層定義為基準(zhǔn)區(qū)域,第2層定義為待配準(zhǔn)區(qū)域,人工判定形變模式后,獲取兩層圖樣位置關(guān)鍵參數(shù)。進(jìn)而,基于MSER算法計(jì)算配準(zhǔn)矩陣A。基于配準(zhǔn)矩陣,校準(zhǔn)第2層帶配準(zhǔn)區(qū)域圖樣后,開始打印。循環(huán)配準(zhǔn)步驟,直至達(dá)到預(yù)設(shè)配準(zhǔn)精度。

配準(zhǔn)試驗(yàn)圖像采用十字形設(shè)計(jì),配準(zhǔn)精度測試圖形有“等寬不等線間距”及“不等寬等線間距”兩種模式。雙層打印基準(zhǔn)區(qū)域定義及5種待配準(zhǔn)區(qū)域形變模式如圖1c所示。圖中Ⅱ及Ⅲ待配準(zhǔn)區(qū)域圖形未發(fā)生尺寸改變,其余3種形變模式下待配準(zhǔn)區(qū)域與打印基準(zhǔn)區(qū)域內(nèi)圖形存在不同程度尺寸偏差。通過獲取兩層特征點(diǎn)(配準(zhǔn)試驗(yàn)圖形原點(diǎn)P0、與x軸相交的點(diǎn)P2以及與y軸相交的點(diǎn)P1)坐標(biāo)、待配準(zhǔn)區(qū)域與基準(zhǔn)區(qū)域夾角等參數(shù),計(jì)算獲取MSER配準(zhǔn)矩陣。

MSER仿射變換配準(zhǔn)主要包括坐標(biāo)信息獲取、形變模式判定及仿射變換矩陣計(jì)算:

坐標(biāo)信息獲取中,坐標(biāo)信息指由P0、P1及P2位置信息組成的3×3區(qū)域坐標(biāo)矩陣。獲取操作指確定配準(zhǔn)圖形打印基準(zhǔn)區(qū)域和待配準(zhǔn)區(qū)域坐標(biāo)矩陣,兩矩陣分別表示為C和C′。

形變模式判定中,定義了2大類5種類型形變。第1類普通形變,包括平移變換和旋轉(zhuǎn)變換,如圖1c中Ⅱ、Ⅲ所示,待配準(zhǔn)區(qū)域形變只改變P0、P1及P2坐標(biāo)位置,不改變配準(zhǔn)圖形形狀;第2類為伸縮變換,包括尺寸變換、橫向伸縮和縱向伸縮,如圖1c中Ⅰ、Ⅳ、Ⅴ所示,待配準(zhǔn)區(qū)域形變原點(diǎn)P0位置不改變,而配準(zhǔn)圖形發(fā)生形變。

仿射變換矩陣計(jì)算用以獲取基準(zhǔn)區(qū)域與待配準(zhǔn)區(qū)域間的映射關(guān)系,使用迭代計(jì)算方法,認(rèn)為待配準(zhǔn)區(qū)域坐標(biāo)矩陣經(jīng)過有限次仿射逆變換后,可以無限接近基準(zhǔn)區(qū)域矩陣。

雙層柔性pH芯片MSER仿射變換配準(zhǔn)算法,計(jì)算式為

(1)

(2)

(3)

式中A1——普通形變模式下的MSER仿射變換配準(zhǔn)矩陣,主要涉及到θ、w、h3個(gè)變量

θ——旋轉(zhuǎn)變換時(shí)與y軸的夾角

w——平移變換時(shí)x軸平移量

h——平移變換時(shí)y軸平移量

A2——伸縮形變模式下的MSER仿射變換配準(zhǔn)矩陣,涉及到φ1、φ2、W、H4個(gè)變量

φ1——橫向伸縮時(shí)與y軸的夾角

φ2——縱向伸縮時(shí)與x軸的夾角

W——尺寸變換時(shí)縱向伸縮量

H——尺寸變換時(shí)橫向伸縮量

式(1)～(3)中,所有角度均取順時(shí)針方向,變換類型及變量的取值如圖1c所示。模型運(yùn)算采用多次迭代的方法逐步實(shí)現(xiàn)兩層間的配準(zhǔn),計(jì)算過程均在Matlab 2018b 中完成。

2 材料與方法

2.1 校準(zhǔn)圖形及傳感芯片設(shè)計(jì)

圖形設(shè)計(jì)如圖1a、1c所示,其中包括配準(zhǔn)圖形、精度測試圖形以及pH傳感芯片設(shè)計(jì)圖形。

為使導(dǎo)電層與介導(dǎo)層精確配準(zhǔn),以長10 mm、寬0.3 mm的2個(gè)矩形垂直交疊構(gòu)成的十字架為例詳細(xì)描述建模方法與點(diǎn)膠機(jī)配準(zhǔn)試驗(yàn),如圖1c中配準(zhǔn)試驗(yàn)圖形所示。設(shè)計(jì)精度測試圖形如圖1c中精度試驗(yàn)圖形所示,圖中d=s,尺寸如下:0.01～0.1 mm,以0.01 mm 為梯度遞增;0.1～1 mm,以0.1 mm為梯度遞增。PANI-SWCNT pH傳感芯片多層結(jié)構(gòu)及尺寸如圖1a中pH傳感芯片設(shè)計(jì)圖所示。

2.2 儀器與材料

試驗(yàn)采用噴墨打印機(jī)(上海冪方科技有限公司)在PI基底上打印納米銀作為導(dǎo)電層,使用納米加熱板(HTL-300EX型,深圳市博大精科生物科技有限公司,設(shè)置溫度為室溫至450℃,控溫精度±0.1℃)進(jìn)行熱固化,使用Mega S型點(diǎn)膠機(jī)(深圳市縱維立方科技有限公司)在導(dǎo)線層上點(diǎn)膠單壁碳納米管(SWCNT)作為介導(dǎo)層,最后使用電化學(xué)工作站(CHI660D型,上海辰華儀器有限公司)電聚合的工藝在介導(dǎo)層上聚合一層聚苯胺作為pH電極的敏感層。以商用Ag/AgCl為參比電極,鉑絲為對電極,自制SWCNT電極作為工作電極,設(shè)置參數(shù):初始電位0 V,高電位0.9 V,低電位-0.2 V,極性為陽極,掃描速率為0.025 V/s,掃描50圈。

標(biāo)準(zhǔn)玻璃pH電極廠家為美國Thermal Scientific Orion公司,型號(hào)為8107BNUMD(測量范圍:0～14,pH值精度:0.01),結(jié)合美國 Pinnacle的M555型離子計(jì)進(jìn)行測定。

2.3 配準(zhǔn)精度與傳感性能測試

不進(jìn)行配準(zhǔn),使用原始默認(rèn)的先噴墨后點(diǎn)膠的方式,打印圖1c配準(zhǔn)試驗(yàn)圖形,將每次的結(jié)果按照仿射變換類型進(jìn)行歸類,共5類問題,測量模型參數(shù),對模型進(jìn)行驗(yàn)證。為測定該模型精度,首先進(jìn)行噴墨打印精度測定,通過打印圖1c精度試驗(yàn)圖形,測量3次并計(jì)算誤差,測定噴墨打印精度。得出噴墨打印精度后,對噴墨精度范圍內(nèi)的圖案進(jìn)行點(diǎn)膠并用模型配準(zhǔn),在配準(zhǔn)后的雙層圖形上隨機(jī)選取20個(gè)匹配點(diǎn),分別測量這些點(diǎn)之間的歐氏距離并記錄,計(jì)算均方根誤差、平均絕對誤差和平均相對誤差,對該模型進(jìn)行評(píng)價(jià),得出模型可配準(zhǔn)的精度。

傳感器性能測定。按照圖1a所示工藝順序制備柔性pH傳感芯片,進(jìn)行電化學(xué)性能測定。

靈敏度S對比測試。在標(biāo)定過程中,通過7個(gè)已知pH值的標(biāo)定組,利用電化學(xué)工作站在不同標(biāo)定組中測量柔性 pH 傳感芯片與參比電極之間的電位變化,同時(shí)以玻璃電極的電位變化作對比。繪制測量電位與 pH值 之間的曲線圖,作為柔性 pH 傳感芯片的建模標(biāo)定曲線。

誤差對比測試。在誤差對比測試分析中,本文采用絕對誤差進(jìn)行對比測試,絕對誤差是指傳感器輸出的測量數(shù)據(jù)與真值之間的誤差。利用柔性 pH 傳感芯片和標(biāo)準(zhǔn)pH傳感器分別測量 5 組未知 pH值的測試集電位,每組重復(fù)測 3 次取平均,并將測量電位代入標(biāo)定曲線計(jì)算出其對應(yīng)的 pH 值,計(jì)算在 5 組 pH值測試集下,柔性 pH 傳感芯片相比于標(biāo)準(zhǔn) pH 傳感器,所測 pH 值之間的絕對誤差及相對誤差。為避免測量時(shí)的偶然誤差,每組測量數(shù)據(jù)重復(fù)測定3次,取平均值,誤差棒顯示測量值與平均值間的偏差。

2.4 番茄基質(zhì)pH值監(jiān)測

試驗(yàn)使用粉冠番茄,栽培方式為基質(zhì)槽栽培。基質(zhì)為有機(jī)基質(zhì),配方為草炭、蛭石、珍珠巖按照比例3∶1∶1混合。每天09:00澆水200 mL,每隔3 d隨水施肥1次,具體為:150 g磷酸二銨((NH4)2HPO4)、100 g磷酸鉀(K3PO4)。連續(xù)7 d分別在每天10:00、17:00采樣約30 g,經(jīng)粉碎、干燥后,按照基質(zhì)液比例1∶5加入去離子水,放入搖床振蕩30 min,靜置30 min,得到基質(zhì)浸提液。使用自制配準(zhǔn)后的柔性pH芯片和標(biāo)準(zhǔn)玻璃pH電極同時(shí)測定pH值,并進(jìn)行對比分析。柔性芯片有機(jī)基質(zhì)pH值監(jiān)測應(yīng)用如圖2所示。

圖2 柔性芯片有機(jī)基質(zhì)pH值監(jiān)測應(yīng)用

2.5 評(píng)價(jià)指標(biāo)

從配準(zhǔn)后的圖像中隨機(jī)選取20對匹配點(diǎn),以它們的均方根誤差(RMSE)作為評(píng)價(jià)配準(zhǔn)精度的指標(biāo),其值越小,則表明匹配精度越高。選擇平均絕對誤差(MAE)和平均相對誤差(MRE)作為配準(zhǔn)算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其值越小,則表明匹配越準(zhǔn)確。標(biāo)準(zhǔn)玻璃電極的靈敏度約為每單位pH值55 mV,制備的柔性pH電極靈敏度越大越好。

靈敏度可由能斯特方程求出,計(jì)算式為

E=Slgc(H+)+E0

(4)

式中E——電化學(xué)輸出電勢,mV

E0——標(biāo)準(zhǔn)電勢,mV

3 結(jié)果與分析

3.1 配準(zhǔn)模型驗(yàn)證

統(tǒng)計(jì)配準(zhǔn)過程中出現(xiàn)的問題,按照仿射變換分類共有5類,將每個(gè)問題分解成單一的仿射變換,求仿射逆矩陣并記錄參數(shù),5類問題及配準(zhǔn)結(jié)果如圖3所示,可以看出點(diǎn)膠機(jī)工作過程中確會(huì)出現(xiàn)配準(zhǔn)偏差問題,并且按照本文配準(zhǔn)方法能夠?qū)蓪优錅?zhǔn)。表1列出的分別為5類問題時(shí)測定的7個(gè)參數(shù),問題1代表了平移變換,問題2代表旋轉(zhuǎn)變換+平移變換,問題3代表尺寸伸縮+旋轉(zhuǎn)變換,問題4代表平移變換+橫向伸縮,問題5代表平移變換+縱向伸縮。序號(hào)1-1～5-1及1-2～5-2表示按照本文配準(zhǔn)方法將兩層配準(zhǔn)后的結(jié)果。

表1 模型配準(zhǔn)參數(shù)

圖3 配準(zhǔn)前后對比

按照配準(zhǔn)模型進(jìn)行打印,每類問題打印2個(gè),計(jì)算配準(zhǔn)后的MAE、MRE見表2,其中MAE為23.95～47.11 μm,MRE為5.75%～14.95%。根據(jù)配準(zhǔn)試驗(yàn)結(jié)果,確定配準(zhǔn)圖形MAE不大于50 μm時(shí),達(dá)到配準(zhǔn)效果,可開展精度測試試驗(yàn)或pH芯片打印。

表2 模型配準(zhǔn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.2 模型精度測試

單層噴墨打印精度測試的誤差結(jié)果如圖4a、4b所示。由圖4a可知,隨線寬設(shè)定值增加,MAE、MRE相對應(yīng)總體呈先上升后平緩的趨勢;線寬50 μm,噴墨打印MAE在-40～-30 μm范圍內(nèi)波動(dòng),相對誤差MRE達(dá)到-367%～-100%;打印線寬為50～1 000 μm范圍內(nèi),MAE在-20～-4 μm范圍內(nèi)波動(dòng), MRE為-22.22%～-6.7%;打印線寬大于100 μm時(shí),MAE由-6.7 μm上升至78 μm,MRE基本保持不變,在-6.7%～11.14%小范圍內(nèi)波動(dòng)。圖4b顯示,隨線間距設(shè)定值增加,MAE、MRE相對應(yīng)總體呈先上升后下降的趨勢;線間距90 μm時(shí),MAE在10～68 μm范圍內(nèi)波動(dòng),MRE達(dá)到60%～100%;打印線間距為90～1 000 μm,MAE在12～89 μm范圍內(nèi)波動(dòng),MRE為6.6%～25.33%。單層噴墨打印可設(shè)置最小線寬應(yīng)不低于50 μm,最小線間距應(yīng)不低于90 μm,明確單層配準(zhǔn)打印精度可為后續(xù)配準(zhǔn)精度試驗(yàn)提供基礎(chǔ)。

圖4 模型精度測定結(jié)果

雙層配準(zhǔn)(底層噴墨,第2層點(diǎn)膠)模型精度測試結(jié)果如圖4c、4d所示。由圖4c可知,配準(zhǔn)后雙層打印可實(shí)現(xiàn)的最小打印線寬為90 μm,隨線寬增加,MAE呈總體上升趨勢,MRE、RMSE相對應(yīng)總體呈先下降后上升的趨勢;線寬90 μm時(shí), MRE在25%～80%范圍;線寬為90～1 000 μm,MAE在-20～120 μm范圍內(nèi)波動(dòng),MRE為3.33%～22.22%,RMSE變化范圍為0～140 μm。圖4d表明,隨線間距設(shè)定值增加,MAE、RMSE呈階梯狀上升趨勢,MRE呈先上升后下降的趨勢,配準(zhǔn)后雙層打印可實(shí)現(xiàn)的最小打印線間距為500 μm;線間距500 μm時(shí),MRE為29.17%～85.42%;線間距為500～1 000 μm范圍內(nèi),MAE在116.67～160 μm范圍內(nèi)波動(dòng),MRE為11.67%～24%,RMSE變化范圍為 119.02～162.69 μm。

綜上,校準(zhǔn)后雙層打印的最小線寬為90 μm,最小線間距為500 μm,較單層噴墨打印的線寬及線間距分辨率明顯降低;配準(zhǔn)后雙層圖案的尺寸相對誤差波動(dòng)可控制在25%范圍內(nèi),較未配準(zhǔn)前表現(xiàn)出明顯改善,仍具進(jìn)一步優(yōu)化潛力。

3.3 傳感器制備及性能測定

按照工藝順序打印并用模型配準(zhǔn),制備出的柔性pH傳感芯片如圖1a實(shí)物所示,性能分析如圖5所示。由圖5a 傳感器建模標(biāo)定曲線可知,柔性pH傳感芯片在測量pH值小于2或大于10時(shí)的靈敏度分別為每單位pH值-12.11、-30.21 mV,靈敏度較低,均和標(biāo)準(zhǔn)傳感器相差較大,因此定義響應(yīng)范圍為2～10,此區(qū)間內(nèi)靈敏度為每單位pH值-61.9 mV,標(biāo)準(zhǔn) pH 傳感器的靈敏度為每單位pH值-55.2 mV,響應(yīng)范圍為1.68～12,且兩者在響應(yīng)范圍內(nèi),pH值與電位的決定系數(shù)均達(dá)到0.99。由圖5b可知,相比于標(biāo)準(zhǔn)pH傳感器,柔性pH傳感芯片測量絕對誤差小于0.15,測量相對誤差小于4.1%。由圖5c可知,柔性pH傳感芯片測量值pHf與標(biāo)準(zhǔn)pH傳感器測量值pHstd具有明顯的一致性,擬合曲線為pHf=0.97pHstd+0.11,決定系數(shù)R2為0.99,擬合度較高,表明使用配準(zhǔn)方法制備的柔性pH傳感芯片具有較高的準(zhǔn)確性。

圖5 傳感芯片性能測定結(jié)果

3.4 基質(zhì)培番茄pH值監(jiān)測性能

對無土栽培番茄基質(zhì)pH值參數(shù)開展了連續(xù)7 d的動(dòng)態(tài)追蹤,實(shí)時(shí)獲取標(biāo)準(zhǔn)pH傳感器與自制柔性pH芯片監(jiān)測數(shù)據(jù)。整理每日10:00、17:00測定pH值數(shù)據(jù),繪制曲線如圖6所示,藍(lán)色虛線代表每日09:00澆水,黑色虛線代表每隔3 d 09:00隨水施肥。

圖6 有機(jī)基質(zhì)pH值監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測周期內(nèi),2種pH傳感器準(zhǔn)確追蹤到對基質(zhì)的澆水及施肥操作,具體表現(xiàn)為:由于番茄對養(yǎng)分及水分的吸收,每日17:00的pH值監(jiān)測結(jié)果較10:00均為下降趨勢,次日09:00澆水后,pH值回升。第3天09:00隨水施肥后,2種pH傳感器均追蹤到pH值回升,柔性及標(biāo)準(zhǔn)pH傳感器監(jiān)測值分別為從前一天17:00的5.51、5.54變化至第3天10:00的5.95、5.99,基質(zhì)pH值變化幅值分別為0.44、0.45。經(jīng)過3、4、5 d的生長后,pH值整體呈下降趨勢,第6天09:00隨水施肥后,柔性和標(biāo)準(zhǔn)pH傳感器的監(jiān)測結(jié)果分別從5.68、5.63變化為6.11、6.05,基質(zhì)pH值變化幅值分別為0.43、0.42,數(shù)據(jù)提高趨勢一致,變化幅值接近。

綜合比較整個(gè)監(jiān)測周期內(nèi)兩種傳感器的測量偏差及數(shù)據(jù)相關(guān)性,柔性芯片與標(biāo)準(zhǔn)電極間的測量值絕對誤差為-0.07～0.09,相對誤差為-1.19%～1.50%。同時(shí)兩傳感器數(shù)據(jù)一致性良好,擬合方程為pHf=1.05pHstd-0.29,R2=0.91,均方根誤差僅為0.05。同時(shí),使用標(biāo)準(zhǔn)EC傳感器監(jiān)測的基質(zhì)EC值均在正常范圍內(nèi)[21]。

4 結(jié)論

(1)MSER仿射變換實(shí)現(xiàn)了雙涂層pH芯片敏感材料打印區(qū)域的有效配準(zhǔn),配準(zhǔn)后“疊層復(fù)合結(jié)構(gòu)”的最小線寬及線間距分別為90、500 μm,疊層配準(zhǔn)相對誤差小于25%,為柔性打印設(shè)備提供了一種加工精度提升軟補(bǔ)償方案。

(2)MSER放射配準(zhǔn)后,柔性pH芯片的靈敏度達(dá)到了每單位pH值-61.9 mV,與商用玻璃 pH電極的測量絕對誤差小于 0.15,相對誤差小于 4.1%,準(zhǔn)確性及精度較為理想。

(3)連續(xù)7 d的基質(zhì)培番茄酸堿度在線監(jiān)測試驗(yàn)中,自制柔性pH芯片與商用pH電極測量結(jié)果具有良好一致性,同步測定絕對誤差小于0.09,相對誤差小于1.5%,RMSE僅為0.05。配準(zhǔn)后的柔性pH傳感芯片表現(xiàn)出良好的農(nóng)業(yè)應(yīng)用前景。