CN102507506B - 激光混药浓度在线检测的方法及其装置 - 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，结合激光技术，提出了一种使用激光作为光源来实现混药浓度在线监测的装置。该装置主要包括：（1）外壳、（2）流道、（3）过滤网、（4）激光发生器（包括激光驱动器）、（5）准直透镜、（6）聚焦透镜、（7）一维线阵CCD（或PSD）。该装置具有响应速度快，测量精度高，测量范围广等特点。
Description
技术领域
本发明涉及混药浓度在线检测装置，具体属于植物保护领域和传感器技术领域。
背景技术
一直以来液体浓度的测量在化学、制药、食品、塑料加工等领域都有着十分重要的作用。液体浓度的测量以比重法为主，近期以来发展了一些新的方法，例如：根据超声波在不同浓度溶液中传播速度不同的原理设计的超声波浓度检测装置；基于不同浓度溶液透光率不同的性质设计的分光光度计；基于有机物发光机理研制的光纤荧光光谱浓度传感器等。
精确施药（即根据病虫害浓度调节施药浓度）作为现代农业的发展方向，其发展离不开混药浓度的在线监测，实时的浓度检测及反馈是实现精确施药的必经之路。鉴于农药与其他领域溶液在理化性质方面存在的巨大差异，现有方法无法在植保领域开展应用。
在对现有混药浓度测量技术的检索中发现：郭宇波等人（2008）将混合后的液体经过相邻50cm的4个喷头喷出，在系统开始喷雾达到稳定后，取同一时间段内 4个喷头喷出的液体测量其浓度。Zhu Heping（1998）采用计量泵来严格控制进入携流中的农药药剂量，同时在雾场中等间隔取样容量收集雾滴，再根据化学计量学的方法给出取样容器中精确的农药含量。上述两种方法都无法实现在线测量。刘志壮等（2009）研制了药量流量计和水流流量计，测量的是农药和水流进入混药器的的流量，虽然两者配合可给出混药平均浓度，但无法实时给出经过混药器后的浓度值。Hloben（2007）设计了基于光透射率法检测内流混药过程中平均浓度的变化的装置，但这种传感器对光源的选择上和对被测液体的颜色上有较高要求，限制了对一般性液体的测量。由此说明在植保机械领域，混药浓度的在线监测方法及其装置在国内外都存在着巨大的空白。
本发明针对以上现状，并结合农药溶液的特性，通过对激光技术的研究，提出了一种基于激光技术实现农药溶液浓度检测的装置，即激光浓度传感器。该装置具有测量精度高，测量范围广，响应时间短等优点，可以实现混药浓度的在线监测，从而填补国内外空白。
发明内容
其原理如附图3所示：空气，管壁，溶液1，2的折射率分别是，， ，，流道宽度为L。入射光线以角度θ1入射并穿过管壁和溶液，在流道背面反光纸的反射作用下打到光屏上，当流道内溶液浓度发生变化时（变成），光屏上的光点位置会发生改变。通过对光屏上光点位置改变量的测量，我们就能够得到溶液折射率的变化，并根据浓度与折射的一一对应关系得出溶液的浓度值。其中：
激光浓度检测装置主要由外壳、流道、过滤网、激光发生器、准直透镜、聚焦透镜、一维线阵CCD（或PSD）和单片机组成；外壳采用强度较高的不透明塑料加工而成，流道为透明塑料制造，嵌入到外壳内部，位于激光反射面的流道外表面贴有一层反光纸；激光发生器以螺纹联接的方式与外壳连接，所述激光发生器内装有激光驱动器，用以调节激光的强度；所述准直透镜以弹性元件挤压方式定位在外壳中，保证将激光发生器发出的激光平行的穿入流道；所述一维线阵CCD（或PSD）以螺纹联接的方式与外壳连接，所述聚焦透镜以弹性元件挤压方式定位在外壳中，保证将从流道外表面的反光纸反射出来的激光聚焦在一维线阵CCD（或PSD）上；单片机用来接收存储一维线阵CCD（或PSD）的信号并调节驱动激光发生器。
采用该装置实现混药浓度在线检测的步骤如下：
（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，激光发生器发光，激光穿过溶液并在一维线阵CCD（或PSD）上成像；
4）一维线阵CCD（或PSD）将像点位置信号转换为电信号后传递给单片机进行存储，单片机根据信号强度调节激光发生器的功率，一维线阵CCD（或PSD）上的像点强度高于其响应下限，又不至于产生溢出；
5）单片机驱动激光发生器按时间等间隔发光，并存储一维线阵CCD（或PSD）上传来的位置信号，最后使用平均值法得出与纯水溶液对应的像点位置值；
6）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，激光发生器发光，激光穿过溶液并在一维线阵CCD（或PSD）上成像；
3）一维线阵CCD（或PSD）将像点位置信号转换为电信号后传递给单片机进行存储，单片机根据信号强度调节激光发生器的功率，一维线阵CCD（或PSD）上的像点强度高于其响应下限，又不至于产生溢出；
4）单片机驱动激光发生器按时间等间隔发光，并存储一维线阵CCD（或PSD）上传来的位置信号，最后使用平均值法得出与纯水溶液对应的像点位置值带入数学模型，计算得出该溶液的浓度值。
附图说明：
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为激光混药浓度在线监测装置结构示意图
图2为实现混药浓度在线检测的整个系统示意图
图3为本发明的技术原理图
图中，1外壳、2流道、3过滤网、4激光发生器、5准直透镜、6聚焦透镜、7一维线阵CCD（或PSD）、8单片机、9喷头、10药箱阀门、11药箱、12水箱、13离心泵、14水箱阀门、15射流混药器。
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：
激光浓度检测装置主要由外壳（1）、流道（2）、过滤网（3）、激光发生器（4）、准直透镜（5）、聚焦透镜（6）、一维线阵CCD（或PSD）（7）和单片机8组成；外壳（1）采用强度较高的不透明塑料加工而成，所述流道2为透明塑料制造，嵌入到外壳(1)内部，位于激光反射面的流道2外表面贴有一层反光纸；激光发生器（4）以螺纹联接的方式与外壳（1）连接，所述激光发生器（4）内装有激光驱动器，用以调节激光的强度；所述准直透镜（5）以弹性元件挤压方式定位在外壳（1）中，保证将激光发生器（4）发出的激光平行的穿入流道2；所述一维线阵CCD（或PSD）（7）以螺纹联接的方式与外壳（1）连接，所述聚焦透镜（6）以弹性元件挤压方式定位在外壳（1）中，保证将从流道2外表面的反光纸反射出来的激光聚焦在一维线阵CCD（或PSD）（7）上；单片机8用来接收存储一维线阵CCD（或PSD）（7）的信号并调节驱动激光发生器（4）。
为了达到CCD产生信号的要求同时又不产生溢出的目的，本文根据常用农药浓度的光穿透性选择激光发生器为功率范围50～150mW，波长650nm的红光激光发生器，激光的入射角度θ1＞30°即可满足要求，但是本文为了提高装置的灵敏度所使用的入射角在40°～60°之间。
所述流道流道（2）的制作材料采用的是具有高透射率的透明塑料，为了提高CCD的灵敏度，流道横截面积可以加工的非常小，而为了提高装置检测灵敏度，所使用的流道横截面积在在25～225mm2的范围。
一维线阵CCD（或PSD）均采用具有高速检测功能的器件，CCD像元≥2048，像元尺寸≤14um。因此其分辨率可达1um，由此推算出的溶液浓度分辨力≥0.01%。一维线阵CCD（或PSD）都有后置配套信号处理器，可以对信号进行降噪和平滑处理，减小装置的测量误差。
（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12中，将水箱阀门（14）开到最大，药箱阀门（10）关闭；然后开启离心泵（13），使水箱（12）中的水流入射流混药器（15）后经过过滤网（3）的过滤进入流道（2）中，最后从喷头（9）喷出；在溶液流过流道的同时，使用单片机（8）驱动激光发生器（4）发光，激光经过准直透镜（5）平行后穿过流道壁进入流道并在反光纸的作用下反射后穿出流道壁被聚焦透镜（6）聚焦后在一维线阵CCD（或PSD）（7）上成像；一维线阵CCD（或PSD）（7）将光点位置信号转换为电信号传递给单片机（8）中进行存储，单片机根据信号强度调节激光发生器（5）的功率，使一维线阵CCD（或PSD）（7）上的像点强度高于其响应下限，又不至于产生溢出；之后单片机驱动激光发生器（4）按时间等间隔发光，并存储一维线阵CCD（或PSD）（7）上传来的位置信号，最后使用平均值法得出与纯水溶液对应的像点位置值。
在水箱（12）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信号值存储在单片机中。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像点位置的关系式，建立数学模型。
（2）检测装置的应用
首先在水箱(12)和药箱（11）中分别装入水溶液和未知浓度的农药溶液，将水箱阀门（14）和药箱阀门（10）打开，开启离心泵（14），使水和农药溶液在混药器（15）中混合后经过过滤网（3）过滤后进入检测装置的流道（2）内经喷头（9）喷出；在混合液流过流道（2）的时候使用单片机（8）驱动激光发生器（4）发光，激光经过准直透镜（5）平行后穿过流道壁进入流道并在溶液的作用下产生折射，折射光线在反光纸的作用下反射后传出流道壁被聚焦透镜（6）聚焦后在一维线阵CCD（或PSD）（7）上成像；一维线阵CCD（或PSD）（7）将光点位置信号转换为电信号传递给单片机（8）中进行存储，并根据信号强度调节激光发生器（5）的功率，使一维线阵CCD（或PSD）（7）上的像点强度高于其响应下限，又不至于产生溢出；之后单片机驱动激光发生器（4）按时间等间隔发光，并存储一维线阵CCD（或PSD）（7）上传来的位置信号，最后使用平均值法得出与纯水溶液对应的像点位置值带入步骤检测装置（1）的标定中建立的数学模型中计算得出相应的浓度值。
调节水箱阀门（14）和药箱阀（10）的开口大小来改变混药浓度，待混药平稳后使用单片机模块8）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 (5)
1.一种混药浓度在线浓度检测装置，其特征在于：由外壳（1）、流道（2）、过滤网（3）、激光发生器（4）、准直透镜（5）、聚焦透镜（6）、一维线阵CCD或PSD（7）和单片机（8）组成；外壳（1）采用不透明塑料加工而成，所述流道（2）为透明塑料制造，嵌入到外壳(1)内部，位于激光反射面的流道（2）外表面贴有一层反光纸；激光发生器（4）以螺纹联接的方式与外壳（1）连接，所述激光发生器（4）内装有激光驱动器，用以调节激光的强度；所述准直透镜（5）以弹性元件挤压方式定位在外壳（1）中，保证将激光发生器（4）发出的激光平行的穿入流道（2）；所述一维线阵CCD或PSD（7）以螺纹联接的方式与外壳（1）连接，所述聚焦透镜（6）以弹性元件挤压方式定位在外壳（1）中，保证将从流道（2）外表面的反光纸反射出来的激光聚焦在一维线阵CCD或PSD（7）上；单片机（8）用来接收存储一维线阵CCD或PSD（7）的信号并控制驱动激光发生器（4）。
2.根据权利要求1所述的混药浓度在线浓度检测装置，其特征在于，流道（2）的横截面积为25～225mm2。
3.根据权利要求1所述的混药浓度在线浓度检测装置，其特征在于，所述一维线阵CCD或PSD（7）后置配套信号处理器，对信号进行降噪和平滑处理。
4.一种利用权利要求1所述的混药浓度在线浓度检测装置的在线检测混药浓度的方法，其特征在于，具体步骤为：
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) 将纯水装入水箱中，使用离心泵抽取纯水使其进入流道；
C）在纯水流过流道的同时，激光发生器发光，激光穿过纯水并在一维线阵CCD或PSD上成像；
D）一维线阵CCD或PSD（7）将像点位置信号转换为电信号后传递给单片机进行存储，单片机根据信号强度调节激光发生器的功率，一维线阵CCD或PSD上的像点强度高于其响应下限，又不至于产生溢出；
E）之后单片机驱动激光发生器按时间等间隔发光，并存储一维线阵CCD或PSD上传来的位置信号，最后使用平均值法得出与纯水对应的像点位置值；
F）水箱中重新装入步骤A）预先配置好浓度稍高的农药溶液后依照上述步骤B至E）得到一个与此浓度对应的电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；
G）使待测未知浓度农药溶液从流道内持续流过；
H）在溶液流过流道的同时，激光发生器发光，激光穿过溶液并在一维线阵CCD或PSD上成像；
I）一维线阵CCD或PSD将像点位置信号转换为电信号后传递给单片机进行存储，单片机根据信号强度调节激光发生器的功率，一维线阵CCD或PSD上的像点强度高于其响应下限，又不至于产生溢出；
J）单片机驱动激光发生器按时间等间隔发光，并存储一维线阵CCD或PSD上传来的位置信号，最后使用平均值法得出与纯水对应的像点位置值带入数学模型，计算得出该溶液的浓度值。
5.根据权利要求4所述的在线检测混药浓度的方法，其特征在于：激光的功率在50mW～150mW，波长为650nm，激光的入射角度为40°～60°。
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