CN114993426A - 一种高精度累计扬尘量测定装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度累计扬尘量测定装置及方法，装置主要包括：输出基础光强的光源、凸透镜、用于汇聚光源的平凸透镜、支撑座和光强传感器。所述光源、凸透镜主点、平凸透镜主点和光强传感器竖直共线。所述凸透镜的作用是将恒流点光源转换为平行光，进而保证竖直向下直射待测扬尘；所述平凸透镜的放置方向为平面向上、凸面向下，既能用于接收扬尘，又能用于光的汇聚，其直径与凸透镜直径相同；所述光强传感器位于透镜焦点上。所述支撑座在平凸透镜至传感器处采用遮光设计，仅留出光路。本发明体积小，质量轻，无需人工移动称量，使用范围广，使用方便灵活快捷，有助于在农田开展工作。本发明结构简单，成本低。本发明使用光学原理，精度较高。
Description
技术领域
本发明属于累计扬尘量传感器领域，主要使用光强传感器对灰尘累计量进行测量。
背景技术
由于农业机械的使用，土壤、环境和空气质量不断恶化。近年来，随着农业环保要求的提高以及人民环保意识的提升，人们逐渐注重农业生产的长久发展和长期收益，农业的可持续发展尤为重要。对此，我们需要通过累积扬尘量来评估各项农业作业、不同的农业机械对环境的污染，以期达到节能减排，防风固沙的作用。
目前，累计扬尘量的监测大多采用称重的方法，精度在10mg以上，同时波动较为明显，无法实现短时间的累积量测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使用光强传感器测定累计扬尘量的方法及装置，解决背景技术中存在的问题。同时可配合积尘机构，于晚间进行农田扬尘累积量检测。
针对称重法中精度较低，成本较高，操作复杂的问题，本发明所采用的技术方案是：
一种高精度累计扬尘量测定方法，采用高精度累计扬尘量测定装置，包括以下步骤：
1)打开光源，光源发射的光线通过凸透镜后变为平行光，然后竖直射向平凸透镜；经过平凸透镜后汇聚到位于平凸透镜的焦点处的光强传感器；
2)依据光强传感器接收的光强与扬尘量的关系曲线，进行信号处理和数据处理后，在与光强传感器所连接的显示模块上显示出所需测得的累计扬尘量。
光强传感器接收的光强与累计扬尘量的关系如下
其中，
为接收光强与初始光强比值；M为累计扬尘质量，单位为μg；ki为每个粒子的消光系数，通过仿真测得，单位为m-1；nr(di)为粒子群的归一化频数分布函数，
经实验标定后测得；ρ为待测累计扬尘量粒子的密度；S为累计扬尘量接收装置面积。
一种用于实现所述高精度累计扬尘量测定方法的装置，包括：光源、凸透镜、用于汇聚光源的平凸透镜、支撑座、光强传感器、数据采集与处理模块和显示模块；
所述光源、凸透镜的主点、平凸透镜的主点和光强传感器依次从上到下处于同一竖直直线上；所述平凸透镜的放置方向为平面向上、凸面向下，平凸透镜的直径与凸透镜直径相同；所述光源位于凸透镜的焦点处，所述光强传感器位于平凸透镜的焦点处；所述支撑座用于固定平凸透镜和光强传感器的位置；所述支撑座在平凸透镜至传感器处采用遮光设计，仅留出光路；数据采集与处理模块用于对光强传感器5传输来的信号进行信号处理和数据处理；显示模块与光强传感器连接，显示模块用于显示所测得的累计扬尘量。
所述光源使用高精度恒流LED点光源；光强稳定输出为3000lux。
所述支撑座将平凸透镜和传感器固定处于水平；支撑座采用轻量化设计，选择黑色哑光材料，减少漫反射带来的误差。
所述平凸透镜为高透光玻璃，透光率在95％以上，焦距在60mm以内，使用高硼硅材料。
光强传感器测量范围在20000lux以上，精度为0.01lux。工作温度为-20℃～85℃，从而可以适应农田的不同温度环境。
所述凸透镜用于将恒流点光源射向凸透镜的光线转换为平行光。
所述装置还包括光源控制器，光源控制器用于控制光源的开关。
本发明的有益效果是：
1、本发明体积小，质量轻，无需人工移动称量，使用范围广，使用方便灵活快捷，有助于在农田开展工作。
2、本发明结构简单，成本低。
3、本发明使用光学原理，精度较高。
附图说明
图1是本发明实施例的一种高精度累计扬尘量测定装置的结构示意图。
图2是本发明实施例光强传感器接收的光强与累计扬尘量的关系曲线示意图。
图中：1-光源、2-凸透镜、3-平凸透镜、4-支撑座、5-光强传感器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
一种高精度累计扬尘量测定方法，采用高精度累计扬尘量测定装置，包括以下步骤：
1)打开光源，光源发射的光线通过凸透镜后变为平行光，然后竖直射向平凸透镜。经过平凸透镜后汇聚到位于平凸透镜的焦点处的光强传感器；
2)依据光强传感器接收的光强与累计扬尘量的关系曲线，进行信号处理和数据处理后，在与光强传感器所连接的显示模块上显示出所需测得的累计扬尘量。
本发明使用光学散射方法，利用累计扬尘会对光产生多次散射的原理，建立接收到的光强与累计扬尘质量的关系，设计由光源、凸透镜、平凸透镜、支撑架、光强传感器组成的装置，接收直射单位面积扬尘后未被散射的光照强度。将接收到的信号进行处理和分析，得到累计扬尘量。
一种高精度累计扬尘量测定装置，包括：输出基础光强的光源1、凸透镜2、用于汇聚光源的平凸透镜3、支撑座4、光强传感器5、光源控制器、数据采集与处理模块和显示模块。
所述光源、凸透镜的主点、平凸透镜的主点和光强传感器依次从上到下处于同一竖直直线上。所述凸透镜的作用是将恒流点光源的光线转换为平行光，进而保证竖直向下直射待测扬尘；所述平凸透镜的放置方向为平面向上、凸面向下，既能用于接收扬尘，又能用于光的汇聚，其直径与凸透镜直径相同；所述光源1位于凸透镜2的焦点处，所述光强传感器5位于平凸透镜3的焦点处。所述支撑座4用于固定平凸透镜3和光强传感器5的位置。所述支撑座在平凸透镜至传感器处采用遮光设计，仅留出光路。所述光源控制器用于控制光源的开关。
所述光强传感器5接收信号后传输至数据采集与处理模块进行信号处理和数据处理。
根据Beer-Lambert定律，得到多次散射后光强传感器接收的光强与累计扬尘量的关系曲线，进行标定后，经过信号处理和数据处理后，最终在与光强传感器所连接的显示模块上显示所需测得的累计扬尘量。
光强传感器接收的光强与累计扬尘量的关系如下
其中，
为接收光强与初始光强比值，即因变量；M为累计扬尘质量，即自变量，单位为μg；ki为每个粒子的消光系数，可通过仿真测得，单位为m-1；nr(di)为粒子群的归一化频数分布函数，
经实验标定后测得；ρ为待测累计扬尘量粒子的密度；S为累计扬尘量接收装置面积。
所述光源使用高精度恒流LED点光源。光强稳定输出为3000lux。
所述支撑座需要保证放置的平凸透镜和传感器处于水平，且固定效果好。支撑座采用轻量化设计，选择黑色哑光材料，减少漫反射带来的误差。
所述平凸透镜为高透光玻璃，透光率在95％以上，焦距在60mm之内，使用高硼硅材料。
光强传感器测量范围在20000lux以上，精度为0.01lux。工作温度为-20℃～85℃，从而可以适应农田的不同温度环境。
在本发明一宽泛实施例中：一种高精度累计扬尘量测定装置，从上到下依次为光源1、凸透镜2、平凸透镜3、支撑座4和光强传感器5。
光源1为高精度恒流点光源，向四周均匀的发射光线，通过凸透镜2后变为平行光，然后竖直射向平凸透镜3。经过平凸透镜3后汇聚到位于平凸透镜3的焦点处的光强传感器5。平凸透镜3和光强传感器5置于支撑座4上。支撑座4应保证平凸透镜3和光强传感器5的位置准确。
白天田间作业过后，该发明可配合积尘机构，在平凸透镜3积累灰尘，由于光照到扬尘上会产生漫反射，使传感器5接受的光强减少。并由此进行处理和标定，确定一天内的累计扬尘量。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (9)
1.一种高精度累计扬尘量测定方法，其特征在于，包括如下步骤：1)打开光源，光源发射的光线通过凸透镜后变为平行光，然后竖直射向平凸透镜；经过平凸透镜后汇聚到位于平凸透镜的焦点处的光强传感器；
2)依据光强传感器接收的光强与扬尘量的关系曲线，进行信号处理和数据处理后，在与光强传感器所连接的显示模块上显示出所需测得的累计扬尘量。
2.如权利要求1所述的高精度累计扬尘量测定方法，其特征在于，光强传感器接收的光强与累计扬尘量的关系如下：
其中，
为接收光强与初始光强比值；M为累计扬尘质量，单位为μg；ki为每个粒子的消光系数，通过仿真测得，单位为m-1；nr(di)为粒子群的归一化频数分布函数，
经实验标定后测得；ρ为待测累计扬尘量粒子的密度；S为累计扬尘量接收装置面积。
3.一种用于权利要求1或2所述高精度累计扬尘量测定方法的装置，包括：光源、凸透镜、用于汇聚光源的平凸透镜、支撑座、光强传感器、数据采集与处理模块和显示模块；
所述光源、凸透镜的主点、平凸透镜的主点和光强传感器依次从上到下处于同一竖直直线上；所述平凸透镜的放置方向为平面向上、凸面向下，平凸透镜的直径与凸透镜直径相同；所述光源位于凸透镜的焦点处，所述光强传感器位于平凸透镜的焦点处；所述支撑座用于固定平凸透镜和光强传感器的位置；所述支撑座在平凸透镜至传感器处采用遮光设计，仅留出光路；数据采集与处理模块用于对光强传感器传输来的信号进行信号处理和数据处理；显示模块与光强传感器连接，显示模块用于显示所测得的累计扬尘量。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述光源使用高精度恒流LED点光源；光强稳定输出为3000lux。
5.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述支撑座将平凸透镜和传感器固定处于水平；支撑座采用轻量化设计，选择黑色哑光材料。
6.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述平凸透镜为高透光玻璃，透光率在95％以上，焦距在60mm以内，使用高硼硅材料。
7.如权利要求3所述的装置，其特征在于：光强传感器的测量范围在20000lux以上，精度为0.01lux；工作温度为-20℃～85℃。
8.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述凸透镜用于将恒流点光源射向凸透镜的光线转换为平行光。
9.如权利要求3所述的装置，其特征在于：所述装置还包括光源控制器，光源控制器用于控制光源的开关。
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