CN203148847U - 一种植保机械混药浓度场在线测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型根据平面激光诱导荧光测量原理，提出一种混药浓度场在线测量装置，可以实现植保机械自动混药中的混药浓度场实时在线测量。该装置主要包括：激光器（1）、导光臂（2）、片状平面光束成形系统（3）、滤光片（4）、CCD相机（5）、混药器（6）、光学畸变校正装置（7）、计算机（8）等部分。激光器发射激光，经导光臂和片状平面光束成形系统形成片状平面光，沿混药器的混药室中心轴线方向照射到混药器。混药器具有透明的管壁，具有农药注入口、水注入口、混药室和混合液出口，在农药中按固定比例加入荧光示踪剂，在混药器的混药室内，带有荧光示踪剂的农药与水混合，经片状激光激发，产生激光诱导荧光，在混药器外面设置光学畸变校正装置，在与片状激光照射面垂直方向设置CCD相机，获取荧光图像，根据荧光图像的像素灰度分布情况，反演混药器内农药与水混合液的浓度分布情况即浓度场。本实用新型基于平面激光诱导荧光的方法，采用相应的光学通道和测量装置，解决植保机械混药浓度场实时在线测量的问题。
Description
技术领域
本发明涉及植保机械领域，尤其是一种植保机械混药浓度场在线测量装置。
背景技术
植保机械在线混药的特点是：药箱和水箱分离，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，实现精确施药，以节省农药，降低环境污染。要实现精确施药，混药浓度分布的在线测量是一个重要方面。目前溶液浓度的测量方法，有采用比重法（密度法），即通过测量混合液的密度，如果已知原液及水的密度，则可以通过计算得到混合液的浓度，该方法可以实现浓度测量，但是要求原液与水的密度差异较大，并且测量的只是平均浓度。另外有采用导电测量方法，超声波法，折射率法等。其测量对溶液的要求较高，而且测得的是平均浓度。尚缺乏浓度场准确测量和分析的装置或手段。一般的流场测量装置只适用于离线实验测量，缺乏对真实混药流场的在线准确测量。
本发明根据平面激光诱导荧光测量原理提供一种植保机械混药浓度场在线测量装置，以实现混药浓度场的在线准确测量，为自动混药和流场分析提供基础数据。
发明内容
本发明克服现有测量技术的不足，基于平面激光诱导荧光测量原理，提供一种混药浓度场在线测量装置，以实现混药浓度的在线准确测量。
本发明采用的技术方案是：
本发明一种植保机械混药浓度场在线测量装置，包含以下部件：激光器、导光臂、片状平面光束成形系统、滤光片、CCD相机、混药器、光学畸变校正装置、计算机、农药注入装置、水注入装置。激光器为固体激光器，可发射266nm、355nm或532nm波长的激光，单位脉冲能量大于等于10mJ。导光臂为7关节导光臂。激光器发射的激光经导光臂和片状平面光束成形系统形成平面片状激光，片状平面光束成形系统产生厚度为0.2-2mm的片光，片光角度为15度、30度、45度可选。激光器的上侧激光出口与导光臂的进光口采用螺栓连接，导光臂的出光口与片状平面光束成形系统光线入口通过螺纹连接，片状平面光束成形系统通过固定环和连杆与支架连接，片状平面光束成形系统与固定环通过螺栓连接固定，固定环与固定连杆通过螺纹连接，通过旋转固定环可以调整片状平面光束成形系统的方向，固定连杆与支架的垂直杆通过螺栓固定，松开螺栓可调整固定连杆的高度，结合导光臂的移动，片状平面光束成形系统（3）的位置、高度、出口方向及片光方向可以根据测量要求在导光臂行程范围内任意调整。在测量时，调整片状平面光沿混药器的混药室中心轴线从上往下照射到混药室。混药器为透明管，具有农药注入口、水注入口、混药室和混合液出口。光学畸变校正装置为与混药器相同材质的透明方形装置，其上侧敞开，两端设有混药器安装接口，其安装接口与混药器通过密封圈和密封盖板以螺栓连接固定，通过更换密封圈和密封盖板可以安装不同尺寸的混药器。混药器安装固定于光学畸变校正装置的中间，混药器的中心轴线与光学畸变校正装置的中心轴线平行，光学畸变校正装置内部与混药器之间充满水。在采用266nm或355nm的激光时，混药器和光学畸变校正装置必须为石英材质的，采用532nm波长时混药器和光学畸变校正装置可以为石英材质或玻璃材质。农药注入装置通过水管与混药器的农药注入口连接，水注入装置通过水管与混药器的水注入口连接，混药器的混合液出口通过水管与喷杆连接，光学畸变校正装置和CCD相机放置在同一水平桌面上，CCD相机的镜头轴线与片状平面光束成形系统的片光平面垂直，CCD相机放置高度与混药室在同一水平高度；CCD相机前置滤光片，滤光片为比激光波长大5nm以上的长通滤光片，CCD相机与计算机通过数据连接线连接。
采用可由紫外光激发荧光的农药作为原液，或在普通农药中按固定比例加入罗丹明6G混合均匀配制成为原液。在测量时，通过农药注入装置将原液经农药注入口注入到混药器，通过水注入装置将水经水注入口注入到混药器，在混药器的混药室内，原液和水混合，之后经过混合液出口流向喷杆。水注入装置一般为隔膜泵，压力范围为0.2-0.8Mpa，农药注入装置一般为隔膜泵或计量泵，压力范围为0.2-0.8Mpa，当采用射流混药器时，可以通过自吸方式注入农药。进行特定农药测量时，通过稀释原液配制不同浓度的均匀混合液，依次进行激光诱导荧光浓度测量，获取不同灰度的荧光图像，进行标定，通过曲线拟合获得不同灰度值对应的混合液浓度值，建立浓度与灰度值映射关系。在实际测量时获得的荧光图像，基于浓度与灰度值映射关系反演混药浓度场。
本发明的有益效果：
本发明通过导光臂和支架固定装置，可以实现片状光源的位置、高度、方向的任意调整，从而可以获得最佳的测量位置和姿态。通过光学畸变校正装置，可以测量圆形混药器内的流场，并可以提高测量的准确性，光学畸变校正装置的安装接口可以适应不同管径的混药器，在实际应用中可以节省测量成本。采用可发射多种波长的激光，对于可由紫外光激发荧光的农药，直接可以作为原液使用，测量结果更接近真实情况，对于普通农药可添加荧光示踪剂，所以本发明适合的农药范围较广，提高了测量的通用性。本发明有助于研究不同混药结构、不同性质农药的混合过程研究，对混药器优化设计、混药方式及流场分析提供基础数据，有助于实现施药浓度的实时控制和按需施药，可以提高农药利用率，节省农药，减轻环境污染。
附图说明
图1为一种植保机械混药浓度场在线测量装置的示意图。
图2为激光器和片状平面光束成形系统等的连接示意图。
图3为混药器和光学畸变校正装置等的连接示意图。
1——激光器、2——导光臂、3——片状平面光束成形系统、4——滤光片、5——CCD相机、6——混药器、7——光学畸变校正装置、8——计算机，9——农药注入装置、10——水注入装置，11——喷杆，12——固定环，13——固定连杆，14——支架，15——密封垫圈，16——密封盖板，17——混药器水注入口，18——混药器农药注入口，19——混药器混合液出口。
具体实施方式
结合附图说明本发明的具体实施方式。
本发明的示意图如图1所示，主要组成部件有：激光器1、导光臂2、片状平面光束成形系统3、滤光片4、CCD相机5、混药器6、光学畸变校正装置7、计算机8，农药注入装置9、水注入装置10。
具体实施方式一：
1. 硬件连接和定位：
固体激光器的上侧激光出口与七关节导光臂光线入口采用螺栓连接，导光臂光线出口与片状平面光束成形系统采用螺纹连接，片状平面光束成形系统采用固定环和固定杆与支架连接。混药器安装固定于光学畸变校正装置的中间，混药器的中心轴线与光学畸变校正装置的中心轴线平行。农药注入装置通过水管与混药器的农药注入口连接，水注入装置通过水管与混药器的水注入口连接，混药器的混合液出口通过水管与喷杆连接。光学畸变校正装置和CCD相机放置在同一水平桌面上，调节片状平面光束成形系统的高度和方向，使得片状激光通过混药器的中心轴线从上往下照射到混药器上。CCD相机的镜头轴线与片状平面光束成形系统的片光平面垂直，CCD相机放置高度与混药室在同一水平高度；CCD相机前置滤光片，滤光片为545nm的长通滤光片，CCD相机与计算机用数据连接线连接。激光器发射波长为532nm的激光。
2. 原液配制
在农药中按固定比例加入荧光示踪剂罗丹明6G，均匀混合配制成为原液。原液中要求荧光示踪剂的浓度不超过荧光饱和浓度。
3. 标定及测量
（1）标定
取步骤2配制的原液，分别稀释成6种以上不同浓度的均匀混合液。针对每一种均匀混合液，将均匀混合液充满混药器的混药室，封闭混药器，将混药器固定在光学畸变校正装置中间。整个系统处于测量状态，启动激光器发射激光，通过导光臂和片光源形成片状平面激光，照射到混药室，CCD相机获取荧光图像，记录荧光图像的灰度值和混合液的浓度值。按以上步骤完成6种以上不同浓度混合液的测量，获得荧光灰度值和浓度值的对应列表，通过曲线拟合获取荧光灰度值和浓度的映射关系，保存在计算机中。
（2）测量
在测量时，通过水注入装置将水经水注入口注入到混药器，通过农药注入装置将步骤2配制的原液经农药注入口注入到混药器，在混药器的混药室内，原液和水混合，之后经过混合液出口流向喷杆。水注入装置为隔膜泵，农药注入装置为计量泵，可以根据施药浓度要求改变原液的注入量。使得整个系统处于测量状态，启动激光器发射激光，通过导光臂和片光源形成片状平面激光，照射到混药室，CCD相机获取荧光图像，保存在计算机中。根据标定获得的荧光灰度值和浓度的映射关系，将荧光图像转换为浓度分布图，即获得混药浓度场。
具体实施方式二：
1. 硬件连接和定位：
该步骤中，激光器激发266nm波长的激光，滤光片采用290nm的长通滤光片，混药器和光学畸变校正装置采用石英材质，其他与实施方式一的步骤1相同。
2. 原液配制
采用毒死蜱乳油作为原液。
3. 标定及测量
该步骤与实施方式一的步骤3相同。
Claims (5)
1. 一种植保机械混药浓度场在线测量装置，包括激光器（1）、导光臂（2）、片状平面光束成形系统（3）、滤光片（4）、CCD相机（5）、混药器（6）、光学畸变校正装置（7）、计算机（8）、农药注入装置（9）、水注入装置（10）, 激光器（1）的上侧激光出口与导光臂（2）的进光口通过螺栓连接，导光臂（2）的出光口与片状平面光束成形系统（3）光线入口通过螺纹连接，片状平面光束成形系统（3）通过固定环和连杆与支架连接，其片状平面光沿混药器的混药室中心轴线从上往下照射到混药室；CCD相机（5）的镜头轴线与片状平面光束成形系统（3）的片光平面垂直，CCD相机（5）放置高度与混药室在同一水平高度；CCD相机（5）前置滤光片（4）, CCD相机（5）与计算机（8）通过数据连接线连接，其特征在于：光学畸变校正装置（7）两端设有混药器安装接口，混药器（6）安装固定于光学畸变校正装置（7）的中间，混药器的中心轴线与光学畸变校正装置（7）的中心轴线平行，光学畸变校正装置（7）的内部和混药器之间充满水；农药注入装置通过水管与混药器的农药注入口连接，水注入装置通过水管与混药器的水注入口连接，混药器的混合液出口通过水管与喷杆连接，光学畸变校正装置和CCD相机放置在同一水平桌面上。
2. 如权利要求1所述的一种植保机械混药浓度场在线测量装置，其特征在于：激光器（1）为固体激光器，可发射波长为266nm、355nm或532nm的激光，单位脉冲能量大于等于10mJ。
3. 如权利要求1所述的一种植保机械混药浓度场在线测量装置，其特征在于：导光臂（2）为7关节导光臂，片状平面光束成形系统（3）与固定环通过螺栓连接固定，固定环与固定连杆通过螺纹连接，通过旋转固定环可以调整片状平面光束成形系统（3）的方向，固定连杆与支架的垂直杆通过螺栓固定，松开螺栓可调整固定连杆的高度，片状平面光束成形系统（3）产生厚度为0.2-2mm的片光，片光角度为15度、30度或45度。
4. 如权利要求1所述的一种植保机械混药浓度场在线测量装置，其特征在于：混药器（6）是材质为石英或玻璃的透明管，光学畸变校正装置（7）为与混药器相同材质的透明方形装置，其两端与混药器通过密封圈和密封盖板以螺栓连接，通过更换密封圈和密封盖板可以安装不同尺寸的混药器。
5. 如权利要求1所述的一种植保机械混药浓度场在线测量装置，其特征在于：滤光片（4）为比激光波长大5nm以上的长通滤光片。
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