CN103630509A - 一种在线检测农药浓度的装置及其检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明根据不同浓度农药吸光度不同的特性，再结合CCD传感器能够同时感光的特点，提出了一种利用的LED平行光源，CCD传感器接收光强，来实现对光照区域内的一片农药浓度在线检测的装置和该装置在线测量农药浓度的方法。该装置主要包括：LED平行光源（1）、透明流道（2）、混药出口（3）、外壳（4）、凸透镜（5）和CCD传感器器（7）组成的光强接收系统（6）、混药进口（10）和稳压电源（11）、运放电路（8）、单片机（9）组成。该装置具有结构简单、成本低等优点、利用该装置测试浓度，测试反应速度快、能连续在线检测光照的一片区域内混药浓度。
Description
技术领域
本发明涉及农药浓度在线检测装置，尤其属于植物保护领域和传感器技术领域。
背景技术
混药是机械化施药的第一步，传统的预混药方式是施药人员事先计算农药量，由人来混药至均匀，但是如果计算量和实际用量有误差的话就存在农药的浪费、污染环境的现象，而且混药时施药人员直接接触到农药存在中毒隐患的问题。在线混药实现药箱和水箱分开
可以有效的解决预混药存在的问题，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。
要实现农药浓度按需改变，这就要求一种能够在线检测农药浓度的装置，该装置采集浓度信号作为反馈控制药流量，本发明针对这种要求，设计了一种混药浓度在线检测的装置及其方法，可以实现对光照区域内的一片混药浓度的在线实时检测。这种在线混药浓度测量装置与单片机开发板组合，还可以实现农药浓度的实时显示。可以用来作为混药装置性能的评价检测装置。
在对现有液体浓度检测的检索中，申请者发现申请日期1996.3.25 申请号96208109.4中国专利《液体浓度光电在线检测传感器》和申请日期为2008.1.16，申请号200810019185.5 的中国专利《液体浓度检测装置及检测方法》都是利用不同浓度的溶液具有不同折光率的特点检测浓度，申请日期 2011.11.18，申请号 201110367027.0的中国专利《激光混药浓度在线检测的方法及其装置》提出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。但是上述几种检测方法检测的仅仅是浓度场空间中光线走过的单点的浓度信息，而非混药区域的浓度信息。申请日期2010.12.24 申请号 201010603080.1中国专利《液体混合浓度场检测方法》可以对混合区域浓度进行检测，但需要利用CCD照相机再进行图像处理，还需要示踪粒子，技术复杂。申请日 2010.05.18，申请号201010176201.9中国专利《用于对液体浓度进行连续监测的光学检测装置》外别的都不能对一片混合区域浓度进行检测，但需要步进电机控制光程差，结构复杂且不能对混药浓度进行在线检测。
发明内容
针对已有发明的缺点，本发明根据不同浓度农药吸光度不同的特点，结合CCD传感器，提出了一种使用LED平行光源，CCD传感器接收光来实现对光照区域的一片混药浓度在线监测的装置。
本发明依据的原理为朗伯比尔定律：当一束均匀平行的单色光通过吸光物质溶液后，光的吸光度与溶液液层厚度和溶液浓度的乘积成正比，即：
A=lg(I0/I) =adc （1）
A为吸光度， I0为入射光强度， I为透射光强度，d为液层厚度，c为溶液浓度，a为比例常数。
使用CCD传感器进行测定光强时，I0、I分别改称为所要测的入射光灰度值g0和它穿过样品后的透射光灰度值g，A就称为光密度OD，式（1）可改写为
OD=lg(g0/g) （2）
在X-Y平面上对某点(x,y)来讲,取一个无限小区域(x→x+dx,y→y+dy),式（2）可以改写为
OD(x,y)=lg(go(x,y)/g(x,y))=adc （3）
式（3）可以改写为
lg[g0(x,y)]-lg[g(x,y)]=adc (4)
由于入射光灰度值一定，所以lg[g0(x,y)]一定，所以c与透射光灰度值g(x,y)成对应关系。我们可以预先配置好包含纯水在内浓度等差递增的该农药若干份，在最佳的LED光源供电电压下，用调好最佳曝光时间的CCD传感器测出其每个农药浓度对应的g(x,y)值，制出g(x,y)-C标准曲线图，然后通过在线检测未知农药浓度下的g(x,y)值，来对应g(x,y)-C标准曲线图，快速得到该农药浓度。
本发明设计的一种在线检测农药浓度的装置，包括稳压电源11、运放电路8、单片机9，还包括LED平行光源1、透明流道2、混药出口3、外壳4、凸透镜5、CCD传感器7、混药进口10组成；其特征在于：LED平行光源1垂直照射流道2且有稳压电源11供电；CCD传感器7与LED平行光源1和凸透镜5在一条中心线上，CCD传感器7与运放电路8连接，再与单片机连接，单片机对CCD传感器7进行信号采集；LED平行光源1和外壳4是卡口连接，凸透镜5与CCD传感器7组成光强接收系统6，光强接收系统6和外壳4是卡口连接；透明流道2、混药进口10和混药出口3均用用高透光性耐高压塑料制成；外壳4由不透光材料做成。
CCD传感器7为一个光电二极管阵列，包括线性CCD传感器和面阵CCD。
LED平行光源1是由发光二极管和灯罩组成，额定工作电压2.7~3.5V，发白光，可以通过改变稳压电压大小来调节LED平行光源1光强大小，LED平行光源1光强调节范围8000~14000mcd。当测量浓度较小的农药溶液时调整稳压电压使LED平行光源1光强较小，当测量浓度较大的农药溶液时调整稳压电压至LED平行光源1光强较大。
CCD传感器7曝光时间可调，范围为33.75μs~100ms，当测量浓度较小的农药溶液时将曝光时间调小，当测量浓度较大的农药溶液时将曝光时间调大。可与改变稳压电源电压大小配合使用。
用该装置进行农药浓度检测时，R1=4.7KΩ ,R=10KΩ，R3=1KΩ，C1=1nF，C2=100nF，LMV358为放大元件。1为输入端，5为输出端。
在采用该装置实现农药浓度在线检测前先制定农药浓度标准曲线图。具体步骤为：
第一步：打开该农药浓度在线检测装置，调整最佳的LED平行光源供电电压和CCD的曝光时间。最佳的LED平行光源供电电压和CCD的曝光时间是指能使CCD传感器的每个像素都处于非饱和但又无限接近饱和状态时的LED平行光源供电电压和CCD的曝光时间；
第二步：配置浓度等差递增的农药若干份；一般为十份。
第三步：将其中一份农药与水混合后通过混药进口10流入透明流道2中，LED平行光源1照射透明流道2；
第四步：CCD传感器7吸收凸透镜5折射的光，将产生的信号通过放大电路放大后传递给单片机；单片机记录该信号为g(x,y)0；
为了减少误差，单片机可连续采集100次，记录相应的100次信号，g(x,y)0取其平均值。单片机采集的是数据是所有像素点灰度值得和；
第五步：对剩余的不同浓度的农药依次按照上述第三步至第四步的方法操作，获得各自对应的信号值g(x,y)i（i>0）；最终得到一张灰度值g(x,y)i与浓度c相对应的关系表；
第六步：运用回归拟合法得到灰度值g(x,y)i与浓度c的关系式，建立模型。
采用该装置实现农药浓度在线检测的方法：
第一步：使待测未知浓度农药通过混药进口10，从透明流道2持续通过；
第二步：LED平行光源1照射透明流道2，CCD传感器7接受凸透镜5折射的光信息，转变为电信号经过放大电路传递给单片机；
第三步：单片机将该信号值带入模型，实时计算出该未知溶液的浓度值。
本发明的有益效果是：结构简单、成本低、反应速度快、能连续在线检测光照的一片区域内混药浓度等。
附图说明
图1是本浓度检测装置的结构示意图。
图2是光通过吸光物质的示意图。
图3是运放电路。
图中，1—LED平行光源，2—透明流道，3—混药出口，4—外壳，5—凸透镜，6—光强接收装置，7—CCD传感器，8—运放电路，9—单片机，10—混药进口，11—稳压电源。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。
本发明设计的一种在线检测农药浓度的装置，包括稳压电源11、运放电路8、单片机9，还包括LED平行光源1、透明流道2、混药出口3、外壳4、凸透镜5、CCD传感器7、混药进口10组成；其特征在于：LED平行光源1垂直照射流道2且有稳压电源11供电；CCD传感器7与LED平行光源1和凸透镜5在一条中心线上，CCD传感器7与运放电路8连接，再与单片机连接，单片机对CCD传感器7进行信号采集；LED平行光源1和外壳4是卡口连接，凸透镜5与CCD传感器7组成光强接收系统6，光强接收系统6和外壳4是卡口连接；透明流道2、混药进口10和混药出口3均用用高透光性耐高压塑料制成；外壳4由不透光材料做成。
CCD传感器7为一个光电二极管阵列，包括线性CCD传感器和面阵CCD。
LED平行光源1是由发光二极管和灯罩组成，额定工作电压2.7~3.5V，发白光，可以通过改变稳压电压大小来调节LED平行光源1光强大小，LED平行光源1光强调节范围8000~14000mcd。当测量浓度较小的农药溶液时调整稳压电压使LED平行光源1光强较小，当测量浓度较大的农药溶液时调整稳压电压至LED平行光源1光强较大。
CCD传感器7曝光时间可调，范围为33.75μs~100ms，当测量浓度较小的农药溶液时将曝光时间调小，当测量浓度较大的农药溶液时将曝光时间调大。可与改变稳压电源电压大小配合使用。
在采用该装置实现农药浓度在线检测前先制定农药浓度标准曲线图。具体步骤为：
第一步：打开该农药浓度在线检测装置，调整最佳的LED平行光源供电电压和CCD的曝光时间。最佳的LED平行光源供电电压和CCD的曝光时间是指能使CCD传感器的每个像素都处于非饱和但又无限接近饱和状态时的LED平行光源供电电压和CCD的曝光时间；
第二步：配置浓度等差递增的农药若干份；
第三步：将其中一份农药与水混合后通过混药进口10流入透明流道2中，LED平行光源1照射透明流道2；
第四步：CCD传感器7吸收凸透镜5折射的光，将产生的信号通过放大电路放大后传递给单片机；单片机记录该信号为g(x,y)0；
为了减少误差，单片机可连续采集100次，记录相应的100次信号，g(x,y)0取其平均值。单片机采集的是数据是所有像素点灰度值得和；
第五步：对剩余的不同浓度的农药依次按照上述第三步至第四步的方法操作，获得各自对应的信号值g(x,y)i（i>0）；最终得到一张灰度值g(x,y)i与浓度c相对应的关系表；
第六步：运用回归拟合法得到灰度值g(x,y)i与浓度c的关系式，建立模型。
采用该装置实现农药浓度在线检测的方法：
第一步：使待测未知浓度农药通过混药进口10，从透明流道2持续通过；
第二步：LED平行光源1照射透明流道2，CCD传感器7接受凸透镜5折射的光信息，转变为电信号经过放大电路传递给单片机；
第三步：单片机将该信号值带入模型，实时计算出该未知溶液的浓度值。
本发明的有益效果是：结构简单、成本低、反应速度快、能连续在线检测光照的一片区域内混药浓度等。
Claims (8)
1.一种在线检测农药浓度的装置，包括稳压电源（11）、运放电路（8）、单片机（9），其特征在于：还包括LED平行光源（1）、透明流道（2）、混药出口（3）、外壳（4）、凸透镜（5）、CCD传感器（7）、混药进口（10）； LED平行光源（1）垂直照射流道（2）且有稳压电源（11）供电；CCD传感器（7）与LED平行光源（1）和凸透镜（5）在一条中心线上，CCD传感器（7）与运放电路（8）连接，再与单片机连接，单片机对CCD传感器（7）进行信号采集；LED平行光源（1）和外壳（4）是卡口连接，凸透镜（5）与CCD传感器（7）组成光强接收系统（6），光强接收系统（6）和外壳（4）是卡口连接。
2.根据权利要求1所述的在线检测农药浓度的装置，其特征在于：透明流道（2）、混药进口（10）和混药出口（3）均用高透光性耐高压塑料制成；外壳（4）由不透光材料做成。
3.根据权利要求1所述的在线检测农药浓度的装置，其特征在于：CCD传感器（7）为一个光电二极管阵列，包括线性CCD传感器和面阵CCD。
4.根据权利要求1所述的在线检测农药浓度的装置，其特征在于：LED平行光源（1）是由发光二极管和灯罩组成，额定工作电压2.7~3.5V，发白光，可以通过改变稳压电源（11）电压大小来调节LED平行光源（1）光强大小，LED平行光源（1）光强调节范围8000~14000mcd。
5.根据权利要求1所述的在线检测农药浓度的装置，其特征在于：CCD传感器（7）曝光时间可调，范围为33.75μs~100ms。
6.根据权利1所述的在线检测农药浓度的装置，其特征在于：运放电路的R1=4.7KΩ ,R=10KΩ，R3=1KΩ，C1=1nF，C2=100nF，LMV358为放大元件；1为输入端，5为输出端。
7.一种利用权利要求1所述的在线检测农药浓度的装置进行在线检测农药浓度的方法，具体步骤为：
第一步：制定农药浓度标准曲线图：
a：配置浓度等差递增的农药若干份；
b: 打开该农药浓度在线检测装置；
c：将其中一份农药与水混合后通过混药进口（10）流入透明流道（2）中，LED平行光源（1）照射透明流道（2）；
d：CCD传感器（7）吸收凸透镜（5）折射的光，将产生的信号通过放大电路放大后传递给单片机；单片机记录该信号为g(x,y)0；
e：对剩余的不同浓度的农药依次按照上述c步至e步的方法操作，获得各自对应的信号值g(x,y)i（i>0）；最终得到一张灰度值g(x,y)i与浓度c相对应的关系表；
f：运用回归拟合法得到灰度值g(x,y)i与浓度c的关系式，建立模型；
第二步：农药浓度在线检测：
a：使待测未知浓度农药通过混药进口（10），从透明流道（2）持续通过；
b：LED平行光源（1）照射透明流道（2），CCD传感器（7）接受凸透镜（5）折射的光信息，转变为电信号经过放大电路传递给单片机；
c：单片机将该信号值带入模型，实时计算出该未知溶液的浓度值。
8.根据权利要求7所述的在线检测农药浓度的方法，其特征在于：为了g(x,y)0的准确度，单片机可以连续采集100次，记录相应的100次信号， g(x,y)0为该100次信号的平均值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20140312 |