CN102495028B - 一种混药浓度在线检测方法及其装置 - Google Patents
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Abstract
本发明根据不同浓度溶液折光率不同的特点，提出了一种基于光纤内反射原理实现混药浓度在线检测的方法及其装置。可以实现混药浓度在线检测的目的，并可以对现有混药装置的混药效果做出评价。该装置主要包括：(1)过滤网、(2)外壳、(3)光电倍增管、(4)发光二极管、(5)聚焦透镜、(6)出射光纤、(7)光纤耦合器、(8)入射光纤、(9)光纤探头、(10)流道。本发明结构简单，便于拆卸和移动。通过与后置电路及显示器的连接，可以方便的观察到浓度的变化。
Description
技术领域
本发明涉及一种混药浓度的在线检测方法及其装置，属于植物保护机械领域。
技术背景
相比于传统的预混药方式，在线混药的特点是：药箱和水箱分离，工作时通过混药装置在线混药。在线混药装置可以实现农药浓度按需改变，在病虫害严重区域提高药液浓度，在病虫害较轻区域降低药液浓度，达到根据病虫害程度按需混药。
在线混药是当前提高农药利用率的最有效手段之一，也是提高农药使用安全性的最有效手段之一。建立在线混药浓度测量技术并把这种技术应用于在线混药浓度反馈，是实现农药定点定浓度喷施的必要条件。本发明直接针对这种工程需求，发展了一种混药浓度在线检测的方法及其装置，可以实现混药浓度的在线实时检测。这种在线混药浓度测量装置与信号放大电路及显示器和存储器连接还可以实现浓度的实时显示和存储。并可作为混药器性能评价的检测装备。填补植保机械混药技术检测装置的空白。
在对现有专利的检索过程中，申请者未发现有对混药浓度进行检测的方法及装置的介绍。在对相近技术现有专利进行检索时发现，申请号为200810019185.5，名称为“液体浓度检测装置及检测方法”的专利，公开了一种利用不同浓度溶液折光率不同的特点，检测静止溶液浓度的装置。但是上述装置体积较大，而且无法实现流通液体浓度的在线检测。申请号为200820047346.7，名称为“一种变量喷雾自动混药装置”的专利，公开了一种使用差压流量计来控制进入混药器的药液和水的比例，从而实现混药浓度改变的装置。但是上述装置无法检测混药后不同位置处的溶液浓度。申请号为200920293017.5，名称为“一种动态实时检测液体浓度的装置”的专利公开了一种采用光纤光栅作为探头，通过对反射光谱的检测来测量溶液浓度的装置。但是上述装置校准复杂，造价较高。
为了弥补上述不足，本发明根据不同浓度溶液折光率不同的特点，提出了一种基于光纤内反射原理实现混药浓度检测的方法及其装置。该装置可以实现混药浓度的在线实时监测，并且具有价格低，体积小，安装方便的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种混药浓度在线检测的方法及其装置，可以实现混药浓度的在线实时监测，并可作为混药器性能评价的检测装备。
光线从折射率为 
的介质（纤芯）入射到折射率为
的介质（溶液）的分界面上时（
>
）,将会产生反射和折射现象。根据斯涅耳定律，光线的入射角
、反射角
和折射角
之间有下列关系：
由于
>
，因此折射角
>
。当
时，=90°，此时不再有光线进入介质
，所有光能量将发生反射。
称为全反射的临界角。当
发生变化时，
也随即发生变化，因此到达探头端面的光线发生全反射的数量也会发生改变，探测到的反射光强度就会改变。根据此原理提出了一种基于光纤内反射实现混药浓度在线检测的方法及其装置。
该发明采用的混药浓度在线检测装置主要包括：过滤网、外壳、光电倍增管、发光二极管、聚焦透镜、出射光纤、光纤耦合器、入射光纤、光纤探头、流道。外壳采用不透光的塑料制造，流道的入口处设有过滤网，外壳一侧与流道垂直开设光纤探头的接入通道，聚焦透镜、光纤耦合器、入射光纤、光纤探头依次设置于接入通道内，光纤探头处于流道壁内侧，光电倍增管通过出射光纤与光纤耦合器连接。
采用该混药浓度在线检测装置实现混药浓度在线检测的方法包含如下步骤：
（1）检测装置的标定
1）预先配置好包含纯水在内的不同浓度的农药溶液若干份；
2)将纯水溶液装入水箱中，使用离心泵抽取溶液使其进入流道；
3）在溶液流过流道的同时，单片机驱动发光二极管发光，光线经过聚焦透镜聚焦后进入入射光纤传递到光纤探头处；
4）反射光线在光纤耦合器的作用下与入射光线分离进入出射光纤后被光电倍增管接收转换成电信号传递到单片机中，单片机将获得的信号放大后进行模数转换并存储。利用平均值法将存储的信号进行处理得到一个与纯水溶液浓度对应的平均电压值，存储在单片机中。
5）水箱中重新装入预先配置好浓度稍高的农药溶液后依照上述步骤得到一个与此浓度对应的电压信号值存储在单片机中。依次类推，得到一张与浓度相对应的数值表。运用回归分析的方法得到浓度与像点位置的关系式，建立数学模型。
（2）检测装置的应用
1）使待测未知浓度农药溶液从流道内持续流过；
2）在溶液流过流道的同时，单片机驱动二极管发光，光点倍增管按时间等间隔接收光信号并将其转换为相应的电压信号后进入单片机进行放大、模数转换并存储；
3）单片机将转换后得到的数值存储到一定数量后进行多点平均，再将得到平均值带入标定过程中建立的数学模型，得出相应的浓度值。
本发明与现有技术相比，具有如下优势：（1）半圆弧形光纤制作感应探头可以与溶液充分接触，降低了结构的复杂性。（2）光纤耦合器的使用实现了入射光线和反射光线的分离，同时减小了装置的体积。（3）采用普通的发光二极管作为光源，降低了装置的费用。
附图说明
图1为该混药浓度在线检测装置结构示意图。
图2为实现混药浓度在线检测的整个系统示意图。
图3 为光纤探头示意图。
图中，(1)过滤网、(2)外壳、(3)光电倍增管、(4)发光二极管、(5)聚焦透镜、(6)出射光纤、(7)光纤耦合器、 (8)入射光纤、 (9)光纤探头、(10)流道。
图2中，(1)过滤网、 (3)光电倍增管、(4)发光二极管、(5)聚焦透镜、(6)出射光纤、(7)光纤耦合器、 (8)入射光纤、 (9)光纤探头、(10)流道、（11）喷头、 (12)药箱、(13)水箱、(14)离心泵、(15)水箱阀门、(16)射流混药器、(17)药箱阀门、 (18)单片机模块。
图3中, （19）纤芯、（20）光线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的具体实施方案进行详细说明：
本发明的示意图如图1所示，主要组成部件为：过滤网1、外壳2、光电倍增管3、发光二极管4、聚焦透镜5、出射光纤6、光纤耦合器7、入射光纤8、光纤探头9、流道10。外壳采用不透光的塑料制造，防止光线泄露，提高检测精度；光源采用普通的发光二极管；流道直径约为5-10mm，探头圆弧半径约为0.6-1mm；采用Y型光纤耦合器实现入射光与出射光的分离；使用光电倍增管接收反射光线，并可以对光信号起到放大的作用；过滤网的使用可以有效降低杂质对浓度检测的影响。
（1）检测装置的标定
预先配置好包含纯水在内的不同浓度的农药溶液若干份；首先将纯水溶液装入水箱13中，将水箱阀门15打开，药箱阀门17关闭；然后开启离心泵14使水箱13中的水流入射流混药器16后经过过滤网1的过滤后进入流道10中，最后通过喷头11喷出；在溶液流经流道时，单片机模块18内的驱动电路将产生激励信号使发光二极管4发光，光线经过聚焦透镜5聚焦后进入入射光纤8传递到光纤探头9处；到达探头与溶液交界面的光线会发生折射和反射现象，反射光线在光纤耦合器7的作用下与入射光线分离进入出射光纤6后被光电倍增管3接收，光电倍增管3将按时间信号等间隔接收到的光信号转换成相应的电信号后传递到单片机模块18中，单片机模块18中的信号处理电路将获得的电压信号放大后进行模数转换并存储。将存储的信号进行平均便得到一个与纯水溶液浓度对应的平均电压值，将其存储在单片机中。在水箱13中重新装入浓度稍高的相同浓度溶液后依照上述步骤得到一个与此浓度对应的电压值存储在单片机中。依次类推，我们将得到一张与浓度相对应的数值表。运用回归分析的方法得到浓度与电压的关系式，建立数学模型。
（2）检测装置的应用
首先在水箱13和药箱12中分别装入水溶液和未知浓度的农药溶液，将水箱阀门15和药箱阀门17打开，开启离心泵14，使水和农药溶液在混药器16中混合经过过滤网1过滤后进入检测装置的流道10内；然后使用单片机模块18驱动发光二极管4发光，光线通过聚焦透镜5聚焦后进入入射光纤到达光纤探头9，反射光线在光纤耦合器7的作用下与入射光线分离进入出射光纤6后被光电倍增管3按时间等间隔接收并转换为相应的电压信号后进入单片机模块18进行放大和模数转换；最后单片机将转换后得到的数值存储到一定数量后进行多点平均，再将得到平均值带入标定过程中建立的数学模型，得出相应的浓度值。
调节水箱阀门15和药箱阀门17的开口大小改变混药浓度，待混药平稳后使用单片机模块18驱动混药浓度在线检测装置，重新采集信号并计算便可得出变化后的混药浓度值。
Claims (1)
1.一种浓度在线检测方法，其特征在于，光纤探头是利用光纤受抑内反射原理制作的，探头半径为0.6-1mm，具体步骤是：
A）预先配置好包含纯水在内的不同浓度的农药溶液若干份；
B)将纯水溶液装入水箱中，使用离心泵抽取溶液使其进入流道；
C）在溶液流过流道的同时，单片机驱动发光二极管发光，光线经过聚焦透镜聚焦后进入入射光纤传递到光纤探头处；
D）反射光线在光纤耦合器的作用下与入射光线分离进入出射光纤后被光电倍增管接收转换成电信号传递到单片机中，单片机将获得的信号放大后进行模数转换并存储；
利用平均值法将存储的信号进行处理得到一个与纯水溶液浓度对应的平均电压值，存储在单片机中；
E）水箱中重新装入预先配置好浓度稍高的农药溶液后依照上述步骤得到一个与此浓度对应的电压信号值存储在单片机中；
依次类推，得到一张与浓度相对应的数值表；
运用回归分析的方法得到浓度与像点位置的关系式，建立数学模型；
F）使待测未知浓度农药溶液从流道内持续流过；
G）在溶液流过流道的同时，单片机驱动二极管发光，光电倍增管按时间等间隔接收光信号并将其转换为相应的电压信号后进入单片机进行放大、模数转换并存储；
H）单片机将转换后得到的数值存储到一定数量后进行多点平均，再将得到平均值带入标定过程中建立的数学模型，得出相应的浓度值。
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