CN209931300U - 一种喷雾效果可视化检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于农业航空喷洒技术领域，涉及一种喷雾效果可视化检测系统。系统包括：喷头液压系统、风机、激光粒度仪和二维红外激光雷达等；所述系统的应用简述如下：将喷头等调至待测位置；启动喷头液压系统，用激光粒度仪获得雾滴粒径分布；用二维红外激光雷达扫描雾场，检测雾滴分布；调整喷头位置，测显不同截面雾滴粒径分布；调整激光粒度仪至起始位置，通过二维红外激光雷达的升降，测显雾场整体分布与立体模型；调整压力、喷头高度和风速，实现不同条件下的雾滴粒径和雾场立体分布检测。本实用新型实现了：对喷雾场在三种因素作用下的检测，检测误差小、操作简便，具有可重复性，特别适于光强较弱的环境和复杂条件的喷施效果评价。

Description

一种喷雾效果可视化检测系统

技术领域

本实用新型属于农业航空喷洒技术领域，尤其涉及一种喷雾效果可视化检测系统。

背景技术

喷头喷雾是农作物施药最常用的方法，利用雾滴沉积附着在作物表面，达到防治效果。但喷雾过程中，农药雾滴的漂移会对目标作物及周边环境产生影响，也会降低喷施的效果。因此，准确评价喷头喷洒效果、展现喷雾雾滴的空间分布，是农业喷雾施药应用技术的必要基础支撑。

国内外已开始有多项研究，计算流体力学是方法之一，但是由于喷雾过程受喷施技术参数(如喷雾距离、喷头型号、喷雾压力、风机风速)和外界环境因素(风速、风向、空气温度和相对湿度)的交互作用，且环境因素不可控，因此计算流体动力学对喷雾过程的模拟仿真结果仍需用其他检测技术进行验证；沉积量反演法也是最常用的方法之一，采用滤纸、水敏纸、雾滴采集架和试管等材料，结合示踪剂溶液，收集分析雾滴含量进行沉积量反演，从而推算出整个喷雾过程中雾滴的空间分布，但是该方法的试验过程与数据处理繁杂，且处理结果依赖图像扫描效果，容易导致测量结果不准确。高速相机法则利用高速相机拍摄整个喷雾过程，并采用相应的图像处理技术和算法来分析雾滴的分布情况，但高速相机的成本较高，且拍摄的效果受光照影响较大，图像分析软件的准确率也仍有待提高。

此外，上述的几种方法虽然较为常用，但是仍然处于独立应用阶段，尚未考虑对喷头在多种不同因素交互下的喷施效果进行综合评价。因此，提出一种对喷头喷施效果进行综合检测的系统，对节约喷施时间，提升喷头喷施效果综合检测的可重复性，具有重大意义。

实用新型内容

为了能够实现对喷头的喷施效果进行综合检测与评价，获得喷头喷雾场的空间尺度、粒径分布和均匀性等参数，本实用新型提出了一种喷雾效果可视化检测系统，具体技术方案如下：

一种喷雾效果可视化检测系统，包括：激光器升降平台1、激光粒度仪承载平台2、喷头升降测试架3、喷头液压系统、若干风机4、底座5、面阵激光器7、二维红外激光雷达8、喷头9、激光粒度仪10、单片机(下位机)、若干电机驱动器和计算机(上位机)；

所述喷头9安装于喷头升降测试架3上；

所述喷头9的喷嘴朝下；

所述喷头升降测试架3用于：升降喷头9；

所述喷头液压系统与喷头9连接，用于：将待测液体传输至喷头9中，进行喷雾，形成喷雾场；

所述面阵激光器7与二维红外激光雷达8安装于激光器升降平台1上，且所述面阵激光器7与二维红外激光雷达8位于所述喷雾场一侧；

所述激光器升降平台1用于：升降面阵激光器7与二维红外激光雷达8；

所述面阵激光器7用于：对正在检测的喷雾场截面照射可见激光，高亮显示截面位置与截面内雾滴的二维分布，达到直观、清晰的可视化效果；

所述激光粒度仪10安装于激光粒度仪承载平台2上；

所述激光粒度仪承载平台2位于底座5上，并与底座5连接；

所述激光粒度仪承载平台2用于：调节激光粒度仪10的位置，以扫描喷雾场；

所述若干风机4活动安装于底座5上，用于：向所述喷雾场吹风，模拟外界环境风因素；

所述风机4包括：风机电机；

所述单片机作为控制核心，通过电机驱动器与激光器升降平台1、激光粒度仪承载平台2、喷头升降测试架3、风机电机连接；

所述单片机通过继电器与喷头液压系统连接；

所述单片机与计算机连接；

所述计算机与二维红外激光雷达8、激光粒度仪10连接；

所述计算机用于：显示可视化界面，作为人机交互的接口；通过单片机实现：①面阵激光器7与二维红外激光雷达8的升降；②喷头9的升降；③激光粒度仪10的位置移动；④调整风机4的风速；⑤喷头液压系统的启停与压力调节。

在上述技术方案的基础上，所述激光器升降平台1包括：激光器支撑板11、激光器升降平台电机12、滚珠丝杠线性模组一16、支撑杆17和滑块二；

所述支撑杆17竖直安装于底座5上；

所述滚珠丝杠线性模组一16安装于支撑杆17一侧，其螺纹部下端与激光器升降平台电机12连接；

所述激光器升降平台电机12安装于底座5上；

所述单片机通过电机驱动器与激光器升降平台电机12连接；

在所述滚珠丝杠线性模组一16上设有与其螺纹部配合的滑块二；

所述激光器支撑板11由水平板和竖直板组成，为折形；

所述竖直板与滑块二固定连接；

所述面阵激光器7与二维红外激光雷达8安装于所述水平板上；

当激光器升降平台电机12运转时，带动滚珠丝杠线性模组一16的螺纹部转动，滑块二进行竖直升降运动，进而带动激光器支撑板11进行竖直升降运动，实现面阵激光器7与二维红外激光雷达8的竖直升降。

在上述技术方案的基础上，所述喷头升降测试架3包括：升降杆13、滑块一14、喷头升降电机15和滚珠丝杠线性模组二18；

所述滚珠丝杠线性模组二18竖直安装于底座5上；

所述喷头升降电机15安装于滚珠丝杠线性模组二18底部一侧，并与滚珠丝杠线性模组二18的螺纹部连接；

所述单片机通过电机驱动器与喷头升降电机15连接；

所述滑块一14与滚珠丝杠线性模组二18的螺纹部螺纹配合；

所述升降杆13的一端与滑块一14固定连接，另一端与喷头9固定连接；

当喷头升降电机15运转时，带动滚珠丝杠线性模组二18的螺纹部转动，滑块一14进行竖直升降运动，进而升降杆13进行竖直升降运动，实现喷头9的竖直升降。

在上述技术方案的基础上，所述升降杆13和支撑杆17利用工业铝型材制作。

在上述技术方案的基础上，所述喷头液压系统包括：储水罐19、液压泵20、减压阀21和数字水压表22；

所述储水罐19用于：盛装待测液体；

所述液压泵20的一端通过液压管从储水罐19中获取待测液体，另一端通过液压管与减压阀21的一端连接；

所述减压阀21的另一端通过液压管与喷头9连接；

在减压阀21与喷头9连接的液压管上设有数字水压表22；

所述单片机通过继电器与液压泵20连接；

当液压泵20运转时，待测液体从储水罐19中依次通过液压泵20和减压阀21传输至喷头9。

在上述技术方案的基础上，所述底座5包括：弧形导轨(弧形轨道)6、若干直线导轨、滚珠丝杠线性模组三23、SBR导轨24和激光粒度仪承载平台电机；

所述滚珠丝杠线性模组三23与SBR导轨24平行设置；

所述激光粒度仪承载平台2的下方与滚珠丝杠线性模组三23螺纹配合，激光粒度仪承载平台2位于SBR导轨24上方，并在SBR导轨24上滑动；

在所述底座5的边缘上设有弧形导轨6和若干直线导轨；

所述若干直线导轨与弧形导轨6依次首尾连接，形成封闭轨道；

所述激光粒度仪承载平台电机与滚珠丝杠线性模组三23的螺纹部连接；

所述单片机通过电机驱动器与激光粒度仪承载平台电机连接；

当激光粒度仪承载平台电机运转时，带动滚珠丝杠线性模组三23的螺纹部转动，激光粒度仪承载平台2沿SBR导轨24移动，进而调节激光粒度仪10的位置。

在上述技术方案的基础上，在所述弧形导轨6上安装有可拆卸的风机4，在直线导轨上也安装设有可拆卸的风机4；

所述弧形导轨6可拆卸，所述若干直线导轨可折叠，以减小非测试时间内的占地面积。

在上述技术方案的基础上，所述单片机为Arduino Mega 2560单片机；所述单片机采用串口通讯方式与计算机连接；所述计算机采用以太网与二维红外激光雷达8连接；

所述喷雾效果可视化检测系统还包括：合页25，所述若干直线导轨通过合页25连接，用于：折叠若干直线导轨。

在上述技术方案的基础上，所述喷头9的类型包括：农机喷头和航空喷头。

一种喷雾效果可视化检测方法，应用上述喷雾效果可视化检测系统，包括以下步骤：

S1、将喷头9升降至某一高度，以方便生成将出现的喷雾场；并将激光粒度仪10和二维红外激光雷达8调整至喷雾场的某一待测截面周围，并作为起始位置；

S2、激光粒度仪10扫描待测截面一次，获得该待测截面内的环境背景；

S3、启动喷头液压系统，喷头9喷出待测液体，形成喷雾场；利用激光粒度仪10测试，获得待测截面的雾滴粒径分布；同时，利用面阵激光器7和二维红外激光雷达8扫描待测截面的喷雾场，检测待测截面的雾滴分布，并将待测截面的位置与雾滴分布同步后，在计算机上直观、高亮显示待测截面的雾滴粒径分布和雾滴分布；

S4、调整二维红外激光雷达8与喷头9的位置，重复步骤S1和步骤S3，获得喷雾场中不同截面的雾滴粒径分布和雾滴分布，并在计算机上同步显示不同截面的雾滴粒径分布与雾滴分布；

S5、控制激光粒度仪10至起始位置，通过控制二维红外激光雷达8的竖直往复运动，测得并同步显示喷雾场的整体分布与立体模型；

S6、通过单片机控制液压泵20，调节喷头9在喷嘴处的出口压力；调节喷头9的高度和风机4的位置与转速，重复步骤S1、步骤S3-步骤S5，实现不同条件下，对不同截面的雾滴粒径分布、雾滴分布与喷雾场整体分布与立体模型的检测；

S7、关闭喷头液压系统，喷头9、二维红外激光雷达8、激光粒度仪10和风机4回到起始位置。

本实用新型的有益技术效果如下：

本实用新型针对农业施药与检测技术领域中，对喷头喷洒效果综合评价存在的难点问题，提出技术方案加以解决；本申请所述技术方案能够在较少的测试次数条件下检测并获取喷头9的多项喷洒指标，包括：雾滴粒径分布、沉积均匀度、喷幅和喷雾场的立体模型等；在检测过程中能够同步显示检测截面的位置与检测截面内的雾滴分布情况，避免了在传统方法检测的过程中存在的：设备主观任意摆放和对中性差等问题，具有良好的直观性和清晰性；由于风速、喷嘴出口压力与喷头9的高度可调节，本实用新型更加符合对实际作业的模拟检测需求；由于所述的激光粒度仪10、面阵激光器7、二维红外激光雷达8对环境光线的敏感度低，因此本实用新型特别适用于光强较弱的喷头雾场检测环境。本实用新型的技术方案综合程度高，操作简单，精确度高，适合用于农机喷头或航空喷头在复杂条件下的性能评价与参数优化的调整测试中。

附图说明

本实用新型有如下附图：

图1为喷雾效果可视化检测方法流程示意图；

图2为喷雾效果可视化检测系统在检测状态时的结构示意图；

图3为喷雾效果可视化检测系统在非检测状态时的结构示意图；

图4为激光器升降平台1的结构示意图；

图5为喷头升降测试架3的结构示意图；

图6为喷头液压系统的原理结构示意图；

图7为运动系统部件连接关系示意框图；

图8为低压力下的X方向雾滴频数分布直方图；

图9为低压力下的三维点云分布图；

图10为高压力下的X方向雾滴频数分布直方图；

图11为高压力下的三维点云分布图。

附图标记：

1.激光器升降平台，2.激光粒度仪承载平台，3.喷头升降测试架，4.风机，5.底座，6.弧形导轨，7.面阵激光器，8.二维红外激光雷达，9.喷头，10.激光粒度仪，11.激光器支撑板，12.激光器升降平台电机，13.升降杆，14.滑块，15.喷头升降电机，16.滚珠丝杠线性模组一，17.支撑杆，18.滚珠丝杠线性模组二，19.储水罐，20.液压泵，21.减压阀，22.数字水压表，23.滚珠丝杠线性模组三，24.SBR导轨，25.合页。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本实用新型。

图1为本实用新型喷雾效果可视化检测方法的工作流程示意图。图2—图3展示了喷雾效果可视化检测系统的结构示意图，其中图2为系统在检测状态时的结构示意图，图3为喷雾效果可视化检测系统在非检测状态时的结构示意图，部分部件经拆解后，以减小日常的占地面积。所述喷雾效果可视化检测系统还包括：合页25，若干直线导轨通过合页25连接，用于：折叠若干直线导轨。

激光器升降平台1的结构示意如图4所示，利用支撑杆17、滚珠丝杠线性模组一16与激光器支撑板11等，搭建激光器升降平台1。将面阵激光器7与二维红外激光雷达8安装置于激光器支撑板11上，实现面阵激光器7与二维红外激光雷达8的升降。

喷头升降测试架3的结构示意如图5所示，利用工业铝型材制作升降杆13，通过滑块一14与滚珠丝杠线性模组二18相连接，实现喷头9的升降。

喷头液压系统的原理结构示意如图6所示，利用储水罐19、液压管、液压泵20、减压阀21与数字水压表22，搭建喷头9喷嘴处的出口压力可调节的喷头液压系统，实现对喷头9不同压力条件下的喷洒参数检测。

图7展示了运动系统部件连接关系示意框图，采用Arduino Mega2560单片机(下位机)作为运动系统核心，并采用串口通讯方式实现与计算机(上位机)的交互；计算机采用以太网实现与二维红外激光雷达8与计算机的通讯；采用上位机的可视化界面实现人机交互，实现液压泵20的启停和压力调节、二维红外激光雷达8的升降、喷头9的升降、风机4的转速调节和激光粒度仪承载平台2的位移等。

以下所示的，对喷雾场进行雾滴扫描的实例是对以上所述过程的试验验证。

试验目的：验证本实用新型的有效性，检测喷雾效果可视化检测系统的各部分是否运行良好。

试验设计：参考图1的操作步骤进行，具体试验过程为：

(1)固定喷头9于喷头升降测试架3上，将激光粒度仪10移动至喷雾场待测截面的合适位置(位于喷头9的下方周围)，并调整激光粒度仪的激光发射端与激光接收端的间距至合适距离；将面阵激光器7与二维红外激光雷达8安装放置于激光器升降平台1上；

(2)激光粒度仪10扫描待测截面一次，获得该待测截面内的环境背景；启动喷头液压系统，待喷雾场稳定后，激光粒度仪10再扫描一次，获得该待测截面的雾滴粒径分布；

(3)将激光粒度仪10从喷头9的下方移出；控制面阵激光器7和二维红外激光雷达8竖直方向往复运动2次，记录不同时刻、不同空间位置的雾滴数据，对数据进行处理；其中图8为雾滴在X方向的频数分布直方图(即X方向雾滴频数分布直方图)，图9为三维点云分布图，其中，采用Z向移动时间(ms)代表示意二维红外激光雷达8的Z向移动距离，在此，二维红外激光雷达8的升降速度为匀速，即将Z向移动时间(ms)与二维红外激光雷达8的升降速度相乘，则得到Z向的实际距离。

(4)增大喷头9的喷嘴出口压力1次，重复步骤(1)-步骤(3)，采集增大压力条件下的雾滴分布数据，对数据进行处理。图10为增大压力后的雾滴在X方向的频数分布直方图(即X方向雾滴频数分布直方图)，图11为增大压力后的三维点云分布图，其中，采用Z向移动时间(ms)代表示意二维红外激光雷达8的Z向移动距离，在此，二维红外激光雷达8的升降速度为匀速，即将Z向移动时间(ms)与二维红外激光雷达8的升降速度相乘，则得到Z向的实际距离。

由试验结果显示可知，运用本申请所述方法，雾滴粒径、沉积均匀性、喷头截面喷幅、点云三维分布情况展现清晰，能够成功得到检测所需指标。

本实用新型的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无任何遗漏或将本实用新型限于所公开的形式。许多修改对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。

本说明书中未做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)

1.一种喷雾效果可视化检测系统，其特征在于，包括：激光器升降平台(1)、激光粒度仪承载平台(2)、喷头升降测试架(3)、喷头液压系统、若干风机(4)、底座(5)、面阵激光器(7)、二维红外激光雷达(8)、喷头(9)、激光粒度仪(10)、单片机、若干电机驱动器和计算机；

所述喷头(9)安装于喷头升降测试架(3)上；

所述喷头(9)的喷嘴朝下；

所述喷头升降测试架(3)用于：升降喷头(9)；

所述喷头液压系统与喷头(9)连接，用于：将待测液体传输至喷头(9)中，进行喷雾，形成喷雾场；

所述面阵激光器(7)与二维红外激光雷达(8)安装于激光器升降平台(1)上，且所述面阵激光器(7)与二维红外激光雷达(8)位于所述喷雾场一侧；

所述激光器升降平台(1)用于：升降面阵激光器(7)与二维红外激光雷达(8)；

所述面阵激光器(7)用于：对正在检测的喷雾场截面照射可见激光，高亮显示截面位置与截面内雾滴的二维分布；

所述激光粒度仪(10)安装于激光粒度仪承载平台(2)上；

所述激光粒度仪承载平台(2)位于底座(5)上，并与底座(5)连接；

所述激光粒度仪承载平台(2)用于：调节激光粒度仪(10)的位置，以扫描喷雾场；

所述若干风机(4)活动安装于底座(5)上，用于：向所述喷雾场吹风，模拟外界环境风因素；

所述风机(4)包括：风机电机；

所述单片机通过电机驱动器与激光器升降平台(1)、激光粒度仪承载平台(2)、喷头升降测试架(3)、风机电机连接；

所述单片机通过继电器与喷头液压系统连接；

所述单片机与计算机连接；

所述计算机与二维红外激光雷达(8)、激光粒度仪(10)连接；

所述计算机用于：显示可视化界面，作为人机交互的接口；通过单片机实现：①面阵激光器(7)与二维红外激光雷达(8)的升降；②喷头(9)的升降；③激光粒度仪(10)的位置移动；④调整风机(4)的风速；⑤喷头液压系统的启停与压力调节。

2.如权利要求1所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：所述激光器升降平台(1)包括：激光器支撑板(11)、激光器升降平台电机(12)、滚珠丝杠线性模组一(16)、支撑杆(17)和滑块二；

所述支撑杆(17)竖直安装于底座(5)上；

所述滚珠丝杠线性模组一(16)安装于支撑杆(17)一侧，其螺纹部下端与激光器升降平台电机(12)连接；

所述激光器升降平台电机(12)安装于底座(5)上；

所述单片机通过电机驱动器与激光器升降平台电机(12)连接；

在所述滚珠丝杠线性模组一(16)上设有与其螺纹部配合的滑块二；

所述激光器支撑板(11)由水平板和竖直板组成，为折形；

所述竖直板与滑块二固定连接；

所述面阵激光器(7)与二维红外激光雷达(8)安装于所述水平板上。

3.如权利要求2所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：所述喷头升降测试架(3)包括：升降杆(13)、滑块一(14)、喷头升降电机(15)和滚珠丝杠线性模组二(18)；

所述滚珠丝杠线性模组二(18)竖直安装于底座(5)上；

所述喷头升降电机(15)安装于滚珠丝杠线性模组二(18)底部一侧，并与滚珠丝杠线性模组二(18)的螺纹部连接；

所述单片机通过电机驱动器与喷头升降电机(15)连接；

所述滑块一(14)与滚珠丝杠线性模组二(18)的螺纹部螺纹配合；

所述升降杆(13)的一端与滑块一(14)固定连接，另一端与喷头(9)固定连接。

4.如权利要求3所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：所述升降杆(13)和支撑杆(17)利用工业铝型材制作。

5.如权利要求1所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：所述喷头液压系统包括：储水罐(19)、液压泵(20)、减压阀(21)和数字水压表(22)；

所述储水罐(19)用于：盛装待测液体；

所述液压泵(20)的一端通过液压管从储水罐(19)中获取待测液体，另一端通过液压管与减压阀(21)的一端连接；

所述减压阀(21)的另一端通过液压管与喷头(9)连接；

在减压阀(21)与喷头(9)连接的液压管上设有数字水压表(22)；

所述单片机通过继电器与液压泵(20)连接。

6.如权利要求1所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：所述喷头液压系统包括：所述底座(5)包括：弧形导轨(6)、若干直线导轨、滚珠丝杠线性模组三(23)、SBR导轨(24)和激光粒度仪承载平台电机；

所述滚珠丝杠线性模组三(23)与SBR导轨(24)平行设置；

所述激光粒度仪承载平台(2)的下方与滚珠丝杠线性模组三(23)螺纹配合，激光粒度仪承载平台(2)位于SBR导轨(24)上方，并在SBR导轨(24)上滑动；

在所述底座(5)一侧的边缘上设有弧形导轨(6)和若干直线导轨；

所述若干直线导轨与弧形导轨(6)依次首尾连接，形成封闭轨道；

所述激光粒度仪承载平台电机与滚珠丝杠线性模组三(23)的螺纹部连接；

所述单片机通过电机驱动器与激光粒度仪承载平台电机连接。

7.如权利要求6所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：在所述弧形导轨(6)上安装有可拆卸的风机(4)，在直线导轨上也安装设有可拆卸的风机(4)；

所述弧形导轨(6)可拆卸，所述若干直线导轨可折叠。

8.如权利要求7所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：所述单片机为ArduinoMega 2560单片机；所述单片机采用串口通讯方式与计算机连接；所述计算机采用以太网与二维红外激光雷达(8)连接；

所述喷雾效果可视化检测系统还包括：合页(25)，所述若干直线导轨通过合页(25)连接。

9.如权利要求1所述的喷雾效果可视化检测系统，其特征在于：所述喷头(9)的类型包括：农机喷头和航空喷头。

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