CN114993886B - 航空施药飘移测量装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的航空施药飘移测量装置、系统及方法，属于智能检测技术领域，该装置主要包括：雾滴检测机构包括两端开口的筒状结构，中心轴平行于风标杆；在其内部按照直角三维坐标系交汇设置有导风通道、激光通道和探测通道，导风通道与筒状结构的进风方向相平行；在激光通道和探测通道中分别设置有激光二极管和光电二极管；主控模块接收激光二极管的电流信号，以获取药液飘移量。本发明通过风向传感机构确保雾滴检测机构中的导风通道与当前风向相同，进而可以通过激光散射反演计算飘移的方法，由光电二极管检测激光二极管的散射光后生成的相关电流信号来实时检测药液飘移量，能有效地提高药液飘移量测量的智能化程度和测量精度。

Description

航空施药飘移测量装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及智能检测技术领域，尤其涉及一种航空施药飘移测量装置、系统及方法。

背景技术

航空施药是现代农业发展水平的重要标志。当前航空施药技术已被广泛应用于林业、农业作物病虫害防治中。航空施药中飞机距离作物的空间较大，受旋翼气流、环境风场作用，药液雾滴在风场作用下产生的药液飘移，会严重威胁生态环境和人畜生命安全。作业过程中对药液飘移量进行量化，可以获得药液飘移污染严重程度，进而指导飞机优化飞行路径、飞行参数和喷洒参数，或者用于测试喷雾系统、喷头在不同环境风速、风向工况下的飘移性能，为系统优化、喷雾配件选择提供科学依据。

当前药液飘移量检测方法主要是在施药过程中，通过将雾滴接收卡（包括水敏纸、培养皿、麦拉片、滤纸、筛网等）固定于台架，调整好雾滴接收卡的方向，使雾滴接收卡的宽截面与环境风场方向垂直。在施药结束后，收集雾滴接收卡，在实验室内利用图像扫描或示踪剂荧光光谱分析的方法，检测雾滴接收卡上的雾滴分布情况，来确定雾滴飘移量。

当前的药液飘移量检测方法主要存在以下缺陷：

（1）检测过程繁琐、试验过程复杂，费时费力，单次检测往往需要多名作业人员同时操作，且对作业人员的专业技术要求高；

（2）飘移雾滴在大气中的扩散运动与环境气流关系密切，通常飘移的雾滴尺寸多为150微米以下，环境风场细微的偏转均会驱使雾滴运动方向发生转变，由此影响飘移测量结果；

（3）由于雾滴接收卡是静态固定放置的，施药过程中环境侧风风向的偏转降低雾滴接收卡对雾滴的收集效率，造成飘移量监测误差；此外，传统检测方式无法准确地分析环境风向对雾滴飘移的影响。

发明内容

本发明提供一种航空施药飘移测量装置、系统及方法，用以解决现有技术中需要利用雾滴接收卡进行药液飘移量的检测所存在的操作过程繁琐、受环境风向影响显著、测量误差大等缺陷。

第一方面，本发明提供一种航空施药飘移测量装置，包括：

底座、风向传感机构、雾滴检测机构和主控模块；

所述风向传感机构包括尾翼、风标杆、平衡杆和转动轴；所述尾翼垂直设置与所述风标杆的尾部；所述风标杆通过所述转动轴与所述底座相连，所述转动轴可绕与所述底座的连接部转动；所述平衡杆设置于所述风标杆的头部；

所述雾滴检测机构包括两端开口的筒状结构，固定于所述平衡杆的头部，且所述筒状结构的中心轴平行于所述风标杆；所述筒状结构的进风方向与所述风向传感机构的进风方向一致；

在所述筒状结构内部按照直角三维坐标系交汇设置有导风通道、激光通道和探测通道，所述导风通道与所述筒状结构的进风方向相平行；在所述激光通道中设置有激光二极管，在所述探测通道中设置有光电二极管；

所述主控模块接收所述光电二极管产生的电流信号，以根据所述电流信号确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，所述导风通道、所述激光通道和所述探测通道均为圆柱型通道；

所述导风通道、所述激光通道和所述探测通道的交汇处形成一球型探测区。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，还包括环境传感机构；

所述环境传感机构设置于所述雾滴检测机构的筒状结构的外壁上；

所述环境传感机构包括风速传感器和温湿度传感器，用于检测环境风速信息和环境温湿度信息；

所述风速传感器的进风方向与所述风向传感机构的进风方向一致。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，在所述导风通道的进风口处连接有第一漏斗，在所述导风通道的出风口处连接有第二漏斗；

所述第一漏斗和所述第二漏斗的开口直径与所述筒状结构的直径相同。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，在所述第二漏斗的开口处嵌装有排风机；

所述排风机的排风方向与所述风向传感机构的进风方向一致。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，所述主控模块与所述风速传感器以及所述排风机通信连接，以根据所述风速传感器检测到的环境风速信息，调控所述排风机的转速。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，由所述激光二极管发射出的准直激光束的直径大于所述导风通道的直径；

所述光电二极管的中轴线正交与所述准直激光束以及所述导风通道中的气流方向，且所述光电二极管与所述球型探测区的中心的距离大于第一预设距离。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，在所述主控模块中集成有药液飘移量检测电路；

所述药液飘移量检测电路包括信号放大电路、滤波电路、模数转换电路以及计数电路；

所述光电二极管产生的电流信号接入至所述信号放大电路，所述信号放大电路的输出端通过所述滤波电路连接至所述模数转换电路和所述计数电路；

所述模数转换电路用于确定所述电流信号对应的散射光电流值；所述计数电路用于统计所述散射光电流值中的电流脉冲峰值的数量；

所述主控模块根据所述散射光电流值确定气流中的药液直径，并根据所述电流脉冲峰值的数量确定每一药液直径对应的雾滴数量，以综合所述药液直径和所述雾滴数量，确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，在所述风向传感机构的所述转动轴上配置有角度传感器；

在所述转动轴的内壁配置有环形电阻丝，在所述底座与所述转动轴连接的连接部设置有一滑片，所述滑片与所述环形电阻丝线性接触；

所述尾翼带动所述风标杆转动时，所述滑片与所述环形电阻丝的接触部位发生变化。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量装置，所述风向传感机构的转动惯量与阻尼比满足以下条件：

其中，μ为所述阻尼比；S为所述尾翼的面积；I为所述转动惯量；m₁为所述尾翼得到 质量；r₁为所述尾翼的重心回转半径；m₂为所述风标杆的质量；r₂为所述风标杆的重心回转 半径；m₃为所述雾滴检测机构的质量；r₃为所述雾滴检测机构的回转半径；

为所述尾翼 的板纵横比。

第二方面，本发明还提供一种航空施药飘移测量装置，包括：用于控制上述第一部分任一项所述的航空施药飘移测量装置的运行。

根据本发明提供的一种航空施药飘移测量方法，根据所述电流信号对应的散射光电流值确定药液直径的计算公式具体为：

其中，I_scattering为散射光电流值；d为药液直径；

为激光二极管的入射激光波长；

为所述激光二极管的入射光强度；

为常数；

综合所述药液直径和所述雾滴数量，确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量的计算公式具体为：

其中，V为所述药液飘移量；

为直径为

的药液雾滴的雾滴数量；k为所有药液 雾滴的直径类别数。

本发明提供的航空施药飘移测量装置、系统及方法，通过风向传感机构确保雾滴检测机构中的导风通道与当前风向相同，进而可以通过激光散射反演计算飘移的方法，由光电二极管检测激光二极管的散射光后生成的相关电流信号来实时检测药液飘移量，能有效地提高药液飘移量测量的智能化程度和测量精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的航空施药飘移测量装置的结构示意图；

图2是本发明提供的底座与风向传感机构的连接示意图；

图3是本发明提供的雾滴检测机构的结构示意图；

图4是本发明提供的药液飘移量检测电路的结构示意图；

其中，附图标记为：

1：底座；21：尾翼；22：风标杆；23：平衡杆；24：转动轴；3：雾滴检测机构；31：筒状结构；32：导风通道；33：激光通道；34：探测通道；35：第一漏斗；36：第二漏斗；37：排风机；38：激光二极管；39：光电二极管；4：环境传感机构；5：主控模块；51：信号放大电路；52：滤波电路；53：模数转换电路；6：数据发送模块；7：协调器；8：上位机。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

下面结合图1-图4描述本发明实施例所提供的航空施药飘移测量装置、系统及方法。

图1是本发明提供的航空施药飘移测量装置的结构示意图，如图1所示，主要包括：底座1、风向传感机构、雾滴检测机构3和主控模块。

其中，所述风向传感机构包括尾翼21、风标杆22、平衡杆23和转动轴24；所述尾翼21垂直设置与所述风标杆22的尾部；所述风标杆22通过所述转动轴24与所述底座1相连，所述转动轴24可绕与所述底座1的连接部转动；所述平衡杆23设置于所述风标杆22的头部。

所述雾滴检测机构3包括两端开口的筒状结构，固定于所述平衡杆23的头部，且所述筒状结构的中心轴平行于所述风标杆22；所述筒状结构的进风方向与所述风向传感机构的进风方向一致；

在所述筒状结构内部按照直角三维坐标系交汇设置有导风通道、激光通道和探测通道，所述导风通道与所述筒状结构的进风方向相平行；在所述激光通道中设置有激光二极管，在所述探测通道中设置有光电二极管；

所述主控模块接收所述光电二极管产生的电流信号，以根据所述电流信号确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量。

考虑到飘移雾滴在大气中的扩散运动与环境气流之间的关系密切，环境风向细微的偏转均会驱使飘移雾滴的运动方向发生转变，由此影响药液飘移量的测量结果。传统的雾滴检测机构是采用雾滴接收卡，通过设置雾滴接收卡的宽截面与进风方向（以下称作风向）相垂直。但是，当气流运动至雾滴接收卡时受到阻挡，会造成风速剖面分布发生改变，部分涡流绕过雾滴接收卡，尤其是斯托克斯数值小于1时，飘移雾滴跟随气流流线运动，会造成部分飘移雾滴发生逃逸现象，实际收集的雾滴量是低于真实值的，所造成的测量误差会影响飘移规律的准确分析。

例如，通过常用的雾滴接收卡对比筛网进行了测试，将筛网放置于4.3米/秒的风场中，并使筛网的宽截面与风向相垂直，当筛网的孔隙率为53%时，筛网背面的风速会降低至3.3米/秒；当空隙率为39%时，筛网背面的风速会降低至1.5米/秒。由此证实了雾滴接收装置的透风性能直接关系到飘移测量准确性。

受上述试验的启发，本发明提供的航空施药飘移测量装置，一方面配置有风向传感机构，图2是本发明提供的底座与风向传感机构的连接示意图，如图2所示，该风向传感机构主要包括尾翼21、风标杆22、平衡杆23和转动轴24组成，整个风向传感机构通过转动轴24与底座1相连接，并可以使得风标杆22绕两者的连接部转动。

结合图1和图2所示，由于风向标22的尾部垂直设置了受风面积大的尾翼21，而风向标22的头部受风面积小，这样垂直于尾翼21的风压产生风压力矩，使得与风向标22连接的转动轴24绕底座连接部旋转，由于翼板21两边受力平衡，风向标22就稳定在某一方位，直至尾翼21所在的平面与环境风向一致，此时环境风向相当于从风向标22的头部指向尾部。

进一步地，本发明所提供的航空施药飘移测量装置中，还包括雾滴检测机构3。

雾滴检测模块3固定与平衡杆23的顶端，整体结构为两端开口的筒状结构。其中，筒状结构可拆卸的设置在平衡杆23上。

结合图1所示，需要说明的是，雾滴检测机构3的筒状结构的中心轴平行与风向标22，这样在尾翼21使得风向标22与环境风向相同的基础上，能够根据环境风向的变化自动校准，确保环境风向始终垂直于筒状结构的轴切面，以最小程度减小环境风向对检测结果的干扰。

上述环境风向垂直于筒状结构的轴切面，是指雾滴检测模块3筒状结构的长轴端平行于风向标22，其进风口与风向标22的指示方向相反，即垂直于环境风场运动方向。

图3是本发明提供的雾滴检测机构的结构示意图，如图3所示，雾滴检测模块3在筒状结构31的内部嵌设有导风通道32、激光通道33和探测通道34，上述导风通道32、激光通道33和探测通道34按照直角三维坐标系交汇连通，直角三维坐标系的原点即为导风通道32、激光通道33和探测通道34的交汇处。

需要说明的是，上述导风通道32与环境风场中的环境风向相平行，即从导风通道32的头部（进风口）至尾部（出风口）方向即为环境风向。

在航空施药飘移测量时，裹挟细小飘移雾滴的环境气流进入至导风通道32后，激光通道33中所设置的激光二极管38所发出的准直的激光束会在交汇处照射环境气流。

环境气流中的飘移雾滴会使得入射的准直的激光束发生散射，散射光会被探测通道34中的光电二极管39接收。光电二极管39在接收到散射光之后，会产生电流信号（又称电流脉冲信号）。

根据米氏散射理论，粒子对电磁辐射散射光强度

与雾滴直径、折射率有关，当雾 滴大于1微米时，散射强度仅与雾滴尺寸相关。施药液滴在田间环境中当液滴小于10微米会 发生蒸发，这就保证了进入雾滴检测机构的液滴形成的传感散射强度

仅与雾滴尺寸相 关。在本发明所提供的航空施药飘移测量装置运用于漂移雾滴的检测时，由于漂移雾滴的 粒子直径远大于激光波长，故散射强度

与漂移雾滴粒子直径d²呈正相关。

因此，本发明所提供的航空施药飘移测量装置，由主控模块5对光电二极管39所生成的电流信号进行分析，以根据电流信号的信号特征，确定出进入至雾滴检测机构中的环境气流中的漂移雾滴的直径大小以及数量，进而就可以统计出其中所携带的漂移雾滴的药液飘移量。

本发明提供的航空施药飘移测量装置，通过风向传感机构确保雾滴检测机构中的导风通道与当前风向相同，进而可以通过激光散射反演计算飘移的方法，由光电二极管检测激光二极管的散射光后生成的相关电流信号来实时检测药液飘移量，能有效地提高药液飘移量测量的智能化程度和测量精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，所述导风通道、所述激光通道和所述探测通道均为圆柱型通道；

所述导风通道、所述激光通道和所述探测通道的交汇处形成一球型探测区。

结合图3所示，在本发明提供的航空施药飘移测量装置中，设置在筒状结构31中的导风通道32、所述激光通道33和所述探测通道34可以均采用圆柱型通道，这三个圆柱型通道的交汇处会形成一个暗室，该暗室可以称作球型探测区。

这三个圆柱型通道是按照直角三维坐标系排列的，作为一种可选的方式，设导风通道32所在的方向为X轴方向、激光通道33所在的方向为Y轴方向、激光通道33所在的方向为Z轴方向。

由于激光通道33中的激光二极管38发射的准直的激光束仅仅在球型探测区中与由导风通道中进入的环境气流中的漂移雾滴发生接触并生成漫反射，所产生的散射光会从球型探测区被位于探测通道34中的光电二极管39所接收到，故能够最大程度保证进行药液飘移量检测时不会受到环境光线的干扰，确保检测的精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，结合图1所示，本发明提供的航空施药飘移测量装置，还包括环境传感机构4。

其中，所述环境传感机构4设置于所述雾滴检测机构3的筒状结构31的外壁上。

所述环境传感机构4主要包括风速传感器和温湿度传感器，用于检测环境风速信息和环境温湿度信息；所述风速传感器的进风方向与所述风向传感机构的进风方向一致。

作为一种可选实施例，如图1所示，上述风速传感器的圆形的轴流风机包括多个叶片，轴流风机的叶片在环境气流的推动下的转动会生成对应的感应电流，感应电流的大小与环境气流的风速成正比。

需要说明的是，上述轴流风机固定设置在筒状结构的外壁上，且轴流风机的进风方向与环境风向一致，这样能最大程度保证由风速传感器所检测到的环境风速信息的准确性。

上述温湿度传感器可以设置在该轴流风机的外壁上或者悬空置于所述轴流风机的进风口处，以最大程度保证所检测到的环境温湿度信息的准确性。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，结合图3所示，本发明提供的航空施药飘移测量装置，在所述导风通道32的进风口处连接有第一漏斗35，在所述导风通道32的出风口处连接有第二漏斗36；

所述第一漏斗35和所述第二漏斗36的开口直径与所述筒状结构的直径相同。

若导风通道32的进风口的口径过小，环境气流在运动过程中会受到阻挡，有鉴于此本发明通过在导风通道32的进风口处设置第一漏斗35，能够确保流经筒状结构31的环境气流均进入至导风通道32中，能够保证进入至导风通道32的环境气流中的雾滴密度与实际情况相接近。

进一步地，通过在导风通道32的出风口处增加第二漏斗36，能够减小在导风通道32中形成的涡流，故也能够一定程度上提升检测的精度。

需要说明的是，还可以一定程度的增加第一漏斗35和所述第二漏斗36的开口直径，特别是第一漏斗35的开口直径，以更大能力的增加进入至导风通道32中的环境气流的大小，但在后续进行药液飘移量的实际计算时，需结合第一漏斗35的开口直径来进行分析。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，结合图3所示，在所述第二漏斗36的开口处嵌装有排风机37；

所述排风机37的排风方向与所述风向传感机构的进风方向一致。

由于导风通道22的开口直径较小，即使增加了第一漏斗35之后，环境气流在进入至导风通道22后的风速仍然会比实际的环境风速要小。

为此，本发明提供的航空施药飘移测量装置，通过在第二漏斗36的径向上增设一个排风机37，以利用该排风机37根据环境风速实时地对导风通道22中的风速补偿，使导风通道22的进风口风速与环境风速一致，进而保证进入导风通道22中的漂流雾滴的密度与环境空间一致。

其中，对于排风机37的风速调整可以由主控模块5来进行。

具体地，主控模块5与环境传感机构4中的风速传感器，以及上述排风机37通信连接，以根据所述风速传感器检测到的环境风速信息，调控所述排风机37的转速。

作为一种可选实施例，主控模块5实现对于排风机37的转速调控，可以采用以下方式来实现：

首先，采用风场试验，通过测定不同风场环境下同一导风通道22的进风口风速，构建环境风速-进风口风速关系模型，该环境风速-进风口风速关系模型中记载了每一环境风速对应下的导风通道22的进风口风速。

进一步地，还可以采用风场试验，构建该导风通道22的进风口风速-风机转速补偿模型，该进风口风速-风机转速补偿模型记载了在不同进风口风速下的不同风机转速的对应关系。

通过联立上述两个模型，在通过风速传感器检测到当前的环境风速之后，就可以根据环境风速-进风口风速关系模型，查询到其对应的进风口风速；进而，可根据查询到的进风口风速从进风口风速-风机转速补偿模型中查询到当前需要设置的排风机37的转速。

最后，由主控模块5根据查询到的排风机37的转速，向排风机的相关控制器发送对应的调控指令，完成对其转速的调整。

本发明提供的航空施药飘移测量装置，通过增设排风机，以利用其对导风通道的进风口风速进行补偿，能够保证进入导风通道中的漂流雾滴的密度与环境空间一致，有效地提升检测的精度。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，由激光二极管38发射出的准直激光束的直径大于所述筒状结构31的直径；

所述光电二极管39的中轴线正交与所述准直激光束以及所述导风通道22中的气流方向，且所述光电二极管39与所述球型探测区的中心的距离大于第一预设距离。

作为一种可选实施例，激光通道33内所设置的激光二极管38，能够发射波长为0.65微米的准直激光束，准直激光束的直径应当比导风通道22的直径略宽，以保证准直激光束能够完全覆盖进入至球型探测区的环境气流的宽度。

进一步地，在探测通道34内设置有高灵敏度的光电二极管39作为传感元件，其中轴线正交于准直激光束和环境气流的方向。

可选地，光电二极管39与球型探测区中心的距离为20毫米，以保证光电二极管39所探测的光强度保持在合理水平。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在主控模块5中集成有药液飘移量检测电路。图4是本发明提供的药液飘移量检测电路的结构示意图，如图4所示，在所述药液飘移量检测电路中主要包括：信号放大电路51、滤波电路52、模数转换电路53以及计数电路（图4中未示出）。

其中，所述光电二极管39产生的电流信号接入至所述信号放大电路51，所述信号放大电路51的输出端通过所述滤波电路52连接至所述模数转换电路53和所述计数电路；

所述模数转换电路53用于确定所述电流信号对应的散射光电流值；所述计数电路用于统计所述散射光电流值中的电流脉冲峰值的数量。

进一步地，所述主控模块5可以根据所述散射光电流值确定气流中的药液直径，并根据所述电流脉冲峰值的数量确定每一药液直径对应的雾滴数量，以综合所述药液直径和所述雾滴数量，确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量。

光电二极管39的作用原理是将散射光的信号转换成电流信号，经过模数转换电路53的处理，最终由主控模块5将获得的模拟信号（电流信号）转换为数字量信号。

在实际测量过程中，若雾滴尺寸较小、雾滴数量较少，由光电二极管39所生成的电流信号会很小，极易受到其他信号的干扰。其次在对散射光强度信号的转换中，一些特定干扰信号会不可避免地引入到模数转换电路53中。因此，本发明通过加入前置的信号放大电路51和滤波电路52对原电流信号进行增强以及滤波处理，在光电二极管39在光伏模式下极化，以最大限度地提高检测的灵敏度和线性度。

进一步地，在主控模块5通过数据发送单元6与上述药液飘移量检测电路通信连接，以实时的接收由模数转换电路53检测到的由电流信号变换的数字量信号，主要包括散射光电流值（即电流信号对应的幅值）以及电流脉冲峰值的数量。

最后，主控模块5就可以根据散射光电流值计算出所检测到的漂移药滴的直径，根据电流脉冲峰值的数量预计出所有的漂移药滴的数量，进而就可以根据漂移药滴的直径以及漂移药滴的数量计算出整个环境气流中的药液飘移量。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，在本发明提供的航空施药飘移测量装置中，在风向传感机构的所述转动轴24上配置有角度传感器；

所述角度传感器与所述主控模块5通信连接；

在所述转动轴24的内壁配置有环形电阻丝，在所述底座1与所述转动轴24连接的连接部设置有一滑片，所述滑片与所述环形电阻丝线性接触；

所述尾翼带动所述风标杆转动时，所述滑片与所述环形电阻丝的接触部位发生变化。

具体地，转动轴24的内壁配置有环形电阻丝，环形电阻丝的一端为接线柱B；底座1与所述转动轴24连接的连接部链接有滑片，该滑片与环形电阻丝相接触，滑片联接有接线柱A。通过接线柱A和接线柱B之间的电阻实现电路导通。

在风场作用下，风标杆22带动转动轴24转动，转动轴24由带动环形电阻丝转动，将滑片在环形电阻丝两端对应的电阻值最大值与最小值分别标成360°与0°，当风标杆22产生转动的时候，根据产生的不同的电压变化就可以计算出风向的角度。

本发明提供的航空施药飘移测量装置，通过在风向传感机构中增设角度传感器以实时获取当前的环境风向，同时还能够根据环境传感机构实时采集当前的其它环境信息，如环境风速信息以及环境温湿度信息，上述实时采集的环境信息均被主控模块接收，并最终通过数据发送模块6经由协调器7上传至上位机8进行存储，为后续进行其它相关分析研究提供数据支撑。

其中，底座1可以采用为兰设计以方便固定，主控模块5和数据发送模块6均固定于底座1上或装设在底座1的内部。

需要说明的是，由于转动轴上总共配置有3个载荷部分，包括风向传感机构（由尾 翼21、风标杆22、平衡杆23构成）、雾滴检测模块3和环境传感机构4，故风向传感机构的跟踪 性和稳定性与上述部分质量、位置直接相关，为提高风向测量精度和对风向的灵敏度，风向 标阻尼比

应大于0.4。

具体地，所述风向传感机构的转动惯量与阻尼比满足以下条件：

其中，μ为所述阻尼比；S为所述尾翼的面积；I为所述转动惯量；m₁为所述尾翼得到 质量；r₁为所述尾翼的重心回转半径；m₂为所述风标杆的质量；r₂为所述风标杆的重心回转 半径；m₃为所述雾滴检测机构的质量；r₃为所述雾滴检测机构的回转半径；

为所述尾翼 的板纵横比。

另外，本发明所提供的航空施药飘移测量装置，其雾滴检测机构3可以采用碳纤维复合材料制作，以保证检测器质量轻、强度高、耐高温、耐腐蚀。

本发明提供的航空施药飘移测量装置，通过合理的设置各个部件的尺寸，能够最大程度保证所检测到的雾滴检测机构中的风标杆的方向始终与环境风向保持一致。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明还提供一种航空施药飘移测量装置系统，主要包括：协调器7、上位机8，以及设置在目标区域内不同位置处的多个如上述实施例中任一项所述的航空施药飘移测量装置。

其中，在每个所述航空施药飘移测量装置上设置有数据发送模块6，所述数据发送模块6与所述主控模块5通信连接；

所述协调器7与每个所述数据发送模块6通信连接，且所述协调器7与所述上位机8通信连接；

对每个所述数据发送模块6进行编码后生成的编码列表，预先存储在所述协调器7和所述上位机8中。

可选地，本发明提供的航空施药飘移测量装置系统中，各个航空施药飘移测量装置与上位机之间采用无线传输方式通信连接。

在实际航空施药飘移检测中，需要在下风向不同距离、不同高度处布置多个采样点，因此，上位机可同时连接多个航空施药飘移测量装置，每个航空施药飘移测量装置作为一个传感节点。协调器7负责数据的中转和分发，协调器7和各航空施药飘移测量装置通过ZigBee技术进行信号传输，上位机8和协调器7通过蓝牙实现数据或指令传送。对每个航空施药飘移测量装置进行编码并存储于协调器7和上位机8中，并利用传输协议保证传感节点输出通道准确对应。

本发明提供的航空施药飘移测量装置系统，可以有效地解决以往飘移测量过程繁琐、耗时耗力、雾滴采集效率低等不足；通过激光散射反演计算飘移的方法，提高了航空施药飘移测量的智能化程度；基于实时获取环境风速、风向、温度、湿度和飘移量，可以准确地分析这些气象参数对飘移的影响规律。

基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，本发明还提供一种航空施药飘移测量方法，用于控制如上述任一实施例所述的航空施药飘移测量装置的运行。

作为一种可选实施例，根据所述电流信号对应的散射光电流值确定药液直径的计算公式具体为：

其中，I_scattering为所述散射光电流值；d为所述药液直径；

为所述激光二极管的 入射激光波长；

为所述激光二极管的入射光强度；

为常数；

综合所述药液直径和所述雾滴数量，确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量的计算公式具体为：

其中，V为所述药液飘移量；

为直径为

的药液雾滴的雾滴数量；k为所有药液 雾滴的直径类别数。

需要说明的是，主控模块5对电流信号的采样频率应满足一个最低值，电流信号脉冲尺寸时间取决于导风通道22内的空气流动速度。

作为一种适合的取值，航空施药作业的最大环境风速

为3米/秒，因此脉冲的采 样频率应最好满足3米/秒的风速条件。此时，电信号脉冲最小持续时间

为：

则对应的采样频率最低为

。其中，

为准直激光束的宽度。

为了进一步证实本发明所提供的航空施药飘移测量装置、系统及方法的可行性，在环境风速可调施药风洞中开展了验证试验，检测本发明对于药液飘移量测量的准确性，实验方法如下：

采用了两台飘移测量装置，其中装置1为本发明提供的航空施药飘移测量装置进行飘移量检测；装置2的进风口处固定一种孔隙率为60的尼龙筛网，用作雾滴收集器，尼龙筛网的宽截面与风向垂直，且装置2中的风速补偿模型按照增设尼龙筛网后重新设计。

试验中装置2的检测模块内的风机实时调节，保证穿透尼龙筛网的风速与环境风速一致，这样就消除雾滴收集器阻风作用造成的飘移测量误差。

装置1和装置2紧挨着布置在同一高度，高度为1米，用于模拟航空施药的喷头固定与风洞上风向风洞中央位置，所用喷头为空心圆锥雾TR8001喷头，喷头下端距离地面1.2米，喷雾压力设计3bar，风洞风速设为2米/秒，喷头与这两种检测装置的水平距离为5米，喷头开启时间设为10秒，利用5克/升等诱惑红溶液作为喷雾液。

表1 环境风速可调施药风洞试验结果

喷雾开始前，提前启动上述装置1和装置2，装置1采用本发明提供的航空施药飘移测量方法进行测量，装置2利用常规的示踪检测法测量。

待喷雾接收后，等待1分钟，使空中的细雾滴完全飘移出收集区域。

试验进行3次重复。测试结束后，装置1计算飘移量结果从上位机中直接获得，装置2上的筛网利用去离子水洗脱，采用分光光度计计算尼龙筛网表面示踪雾滴沉积量。试验结果如上述表1所示，通过比较，充分说明了本发明所提供的航空施药飘移测量装置、系统及方法与装置2之间的检测误差是小于5%的。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等）执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

最后应说明的是：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。

Claims (11)

1.一种航空施药飘移测量装置，其特征在于，包括：底座、风向传感机构、雾滴检测机构和主控模块；

所述风向传感机构包括尾翼、风标杆、平衡杆和转动轴；所述尾翼垂直设置于所述风标杆的尾部；所述风标杆通过所述转动轴与所述底座相连，所述转动轴可绕所述底座的连接部转动；所述平衡杆设置于所述风标杆的头部；

所述雾滴检测机构包括两端开口的筒状结构，固定于所述平衡杆的头部，且所述筒状结构的中心轴平行于所述风标杆；所述筒状结构的进风方向与所述风向传感机构的进风方向一致；

在所述筒状结构内部按照直角三维坐标系交汇设置有导风通道、激光通道和探测通道，所述导风通道与所述筒状结构的进风方向相平行；在所述激光通道中设置有激光二极管，在所述探测通道中设置有光电二极管；

所述主控模块接收所述光电二极管产生的电流信号，以根据所述电流信号确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量；

所述风向传感机构的转动惯量与阻尼比满足以下条件：

；

其中，

为所述阻尼比；

为所述尾翼的面积；

为所述转动惯量；

为所述尾翼得到质量；

为所述尾翼的重心回转半径；

为所述风标杆的质量；

为所述风标杆 的重心回转半径；

为所述雾滴检测机构的质量；

为所述雾滴检测机构的回转半径；

为所述尾翼的板纵横比。

2.根据权利要求1所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，所述导风通道、所述激光通道和所述探测通道均为圆柱型通道；

所述导风通道、所述激光通道和所述探测通道的交汇处形成一球型探测区。

3.根据权利要求1所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，还包括环境传感机构；

所述环境传感机构设置于所述雾滴检测机构的筒状结构的外壁上；

所述环境传感机构包括风速传感器和温湿度传感器，用于检测环境风速信息和环境温湿度信息；

所述风速传感器的进风方向与所述风向传感机构的进风方向一致。

4.根据权利要求3所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，在所述导风通道的进风口处连接有第一漏斗，在所述导风通道的出风口处连接有第二漏斗；

所述第一漏斗和所述第二漏斗的开口直径与所述筒状结构的直径相同。

5.根据权利要求4所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，在所述第二漏斗的开口处嵌装有排风机；

所述排风机的排风方向与所述风向传感机构的进风方向一致。

6.根据权利要求5所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，所述主控模块与所述风速传感器以及所述排风机通信连接，以根据所述风速传感器检测到的环境风速信息，调控所述排风机的转速。

7.根据权利要求2所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，由所述激光二极管发射出的准直激光束的直径大于所述导风通道的直径；

所述光电二极管的中轴线正交于所述准直激光束以及所述导风通道中的气流方向，且所述光电二极管与所述球型探测区的中心的距离大于第一预设距离。

8.根据权利要求1所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，在所述主控模块中集成有药液飘移量检测电路；

所述药液飘移量检测电路包括信号放大电路、滤波电路、模数转换电路以及计数电路；

所述光电二极管产生的电流信号接入至所述信号放大电路，所述信号放大电路的输出端通过所述滤波电路连接至所述模数转换电路和所述计数电路；

所述模数转换电路用于确定所述电流信号对应的散射光电流值；所述计数电路用于统计所述散射光电流值中的电流脉冲峰值的数量；

所述主控模块根据所述散射光电流值确定气流中的药液直径，并根据所述电流脉冲峰值的数量确定每一药液直径对应的雾滴数量，以综合所述药液直径和所述雾滴数量，确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量。

9.根据权利要求1所述的航空施药飘移测量装置，其特征在于，在所述风向传感机构的所述转动轴上配置有角度传感器；

所述角度传感器与所述主控模块通信连接；

在所述转动轴的内壁配置有环形电阻丝，在所述底座与所述转动轴连接的连接部设置有一滑片，所述滑片与所述环形电阻丝线性接触；

所述尾翼带动所述风标杆转动时，所述滑片与所述环形电阻丝的接触部位发生变化。

10.一种航空施药飘移测量装置系统，其特征在于，包括协调器、上位机，以及设置在目标区域内不同位置处的多个如权利要求1-9任一项所述的航空施药飘移测量装置；

在每个所述航空施药飘移测量装置上设置有数据发送模块，所述数据发送模块与所述主控模块通信连接；

所述协调器与每个所述数据发送模块通信连接，且所述协调器与所述上位机通信连接；

对每个所述数据发送模块进行编码后生成的编码列表，预先存储在所述协调器和所述上位机中。

11.一种基于权利要求1至9任一项所述的航空施药飘移测量装置的航空施药飘移测量方法，其特征在于，根据所述电流信号对应的散射光电流值确定药液直径的计算公式具体为：

；

其中，

为散射光电流值；

为药液直径；

为激光二极管的入射激光波长；

为所述激光二极管的入射光强度；

为常数；

综合所述药液直径和雾滴数量，确定流经所述导风通道中的气流中的药液飘移量的计算公式具体为：

；

其中，

为所述药液飘移量；

为直径为

的药液雾滴的雾滴数量；

为所有药液雾滴的直径类别数。

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