專利名稱：激光混藥濃度在線檢測的方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及混藥濃度在線檢測裝置，具體屬于植物保護(hù)領(lǐng)域和傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
一直以來液體濃度的測量在化學(xué)、制藥、食品、塑料加工等領(lǐng)域都有著十分重要的作用。液體濃度的測量以比重法為主，近期以來發(fā)展了一些新的方法，例如根據(jù)超聲波在不同濃度溶液中傳播速度不同的原理設(shè)計(jì)的超聲波濃度檢測裝置；基于不同濃度溶液透光率不同的性質(zhì)設(shè)計(jì)的分光光度計(jì)；基于有機(jī)物發(fā)光機(jī)理研制的光纖熒光光譜濃度傳感器寸。精確施藥(即根據(jù)病蟲害濃度調(diào)節(jié)施藥濃度)作為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，其發(fā)展離不開混藥濃度的在線監(jiān)測，實(shí)時的濃度檢測及反饋是實(shí)現(xiàn)精確施藥的必經(jīng)之路。鑒于農(nóng)藥與其他領(lǐng)域溶液在理化性質(zhì)方面存在的巨大差異，現(xiàn)有方法無法在植保領(lǐng)域開展應(yīng)用。在對現(xiàn)有混藥濃度測量技術(shù)的檢索中發(fā)現(xiàn)郭宇波等人(2008)將混合后的液體經(jīng)過相鄰50cm的4個噴頭噴出，在系統(tǒng)開始噴霧達(dá)到穩(wěn)定后，取同一時間段內(nèi)4個噴頭噴出的液體測量其濃度。am Heping (1998)采用計(jì)量泵來嚴(yán)格控制進(jìn)入攜流中的農(nóng)藥藥劑量，同時在霧場中等間隔取樣容量收集霧滴，再根據(jù)化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法給出取樣容器中精確的農(nóng)藥含量。上述兩種方法都無法實(shí)現(xiàn)在線測量。劉志壯等(2009)研制了藥量流量計(jì)和水流流量計(jì)，測量的是農(nóng)藥和水流進(jìn)入混藥器的的流量，雖然兩者配合可給出混藥平均濃度，但無法實(shí)時給出經(jīng)過混藥器后的濃度值。Hloben (2007)設(shè)計(jì)了基于光透射率法檢測內(nèi)流混藥過程中平均濃度的變化的裝置，但這種傳感器對光源的選擇上和對被測液體的顏色上有較高要求，限制了對一般性液體的測量。由此說明在植保機(jī)械領(lǐng)域，混藥濃度的在線監(jiān)測方法及其裝置在國內(nèi)外都存在著巨大的空白。本發(fā)明針對以上現(xiàn)狀，并結(jié)合農(nóng)藥溶液的特性，通過對激光技術(shù)的研究，提出了一種基于激光技術(shù)實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥溶液濃度檢測的裝置，即激光濃度傳感器。該裝置具有測量精度高，測量范圍廣，響應(yīng)時間短等優(yōu)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)混藥濃度的在線監(jiān)測，從而填補(bǔ)國內(nèi)外空白。

發(fā)明內(nèi)容
其原理如附圖3所示空氣，管壁，溶液1，2的折射率分別是，，，，流道寬度為L。 入射光線以角度θ ,入射并穿過管壁和溶液，在流道背面反光紙的反射作用下打到光屏上， 當(dāng)流道內(nèi)溶液濃度發(fā)生變化時(變成)，光屏上的光點(diǎn)位置會發(fā)生改變。通過對光屏上光點(diǎn)位置改變量的測量，我們就能夠得到溶液折射率的變化，并根據(jù)濃度與折射的一一對應(yīng)關(guān)系得出溶液的濃度值。其中
激光濃度檢測裝置主要由外殼、流道、過濾網(wǎng)、激光發(fā)生器、準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡、一維線陣CXD (或PSD)和單片機(jī)組成；外殼采用強(qiáng)度較高的不透明塑料加工而成，流道為透明塑料制造，嵌入到外殼內(nèi)部，位于激光反射面的流道外表面貼有一層反光紙；激光發(fā)生器以螺紋聯(lián)接的方式與外殼連接，所述激光發(fā)生器內(nèi)裝有激光驅(qū)動器，用以調(diào)節(jié)激光的強(qiáng)度；所述準(zhǔn)直透鏡以彈性元件擠壓方式定位在外殼中，保證將激光發(fā)生器發(fā)出的激光平行的穿入流道；所述一維線陣CXD (或PSD)以螺紋聯(lián)接的方式與外殼連接，所述聚焦透鏡以彈性元件擠壓方式定位在外殼中，保證將從流道外表面的反光紙反射出來的激光聚焦在一維線陣 CXD (或PSD)上；單片機(jī)用來接收存儲一維線陣CXD (或PSD)的信號并調(diào)節(jié)驅(qū)動激光發(fā)生
ο采用該裝置實(shí)現(xiàn)混藥濃度在線檢測的步驟如下 (1)檢測裝置的標(biāo)定
1)預(yù)先配置好包含純水在內(nèi)的不同濃度的農(nóng)藥溶液若干份；
2)將純水溶液裝入水箱中，使用離心泵抽取溶液使其進(jìn)入流道；
3)在溶液流過流道的同時，激光發(fā)生器發(fā)光，激光穿過溶液并在一維線陣CCD(或PSD) 上成像；
4)一維線陣CCD (或PSD)將像點(diǎn)位置信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行存儲，單片機(jī)根據(jù)信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)激光發(fā)生器的功率，一維線陣CCD (或PSD)上的像點(diǎn)強(qiáng)度高于其響應(yīng)下限，又不至于產(chǎn)生溢出；
5)單片機(jī)驅(qū)動激光發(fā)生器按時間等間隔發(fā)光，并存儲一維線陣CCD(或PSD)上傳來的位置信號，最后使用平均值法得出與純水溶液對應(yīng)的像點(diǎn)位置值；
6)水箱中重新裝入預(yù)先配置好濃度稍高的農(nóng)藥溶液后依照上述步驟得到一個與此濃度對應(yīng)的電信號值存儲在單片機(jī)中。依次類推，得到一張與濃度相對應(yīng)的數(shù)值表。運(yùn)用回歸分析的方法得到濃度與像點(diǎn)位置的關(guān)系式，建立數(shù)學(xué)模型。(2)檢測裝置的應(yīng)用
1)使待測未知濃度農(nóng)藥溶液從流道內(nèi)持續(xù)流過；
2)在溶液流過流道的同時，激光發(fā)生器發(fā)光，激光穿過溶液并在一維線陣CCD(或PSD) 上成像；
3)—維線陣CCD (或PSD)將像點(diǎn)位置信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行存儲，單片機(jī)根據(jù)信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)激光發(fā)生器的功率，一維線陣CCD (或PSD)上的像點(diǎn)強(qiáng)度高于其響應(yīng)下限，又不至于產(chǎn)生溢出；
4)單片機(jī)驅(qū)動激光發(fā)生器按時間等間隔發(fā)光，并存儲一維線陣CCD(或PSD)上傳來的位置信號，最后使用平均值法得出與純水溶液對應(yīng)的像點(diǎn)位置值帶入數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得出該溶液的濃度值。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。圖1為激光混藥濃度在線監(jiān)測裝置結(jié)構(gòu)示意2為實(shí)現(xiàn)混藥濃度在線檢測的整個系統(tǒng)示意3為本發(fā)明的技術(shù)原理圖
圖中，1外殼、2流道、3過濾網(wǎng)、4激光發(fā)生器、5準(zhǔn)直透鏡、6聚焦透鏡、7 —維線陣CXD (或PSD)、8單片機(jī)、9噴頭、10藥箱閥門、11藥箱、12水箱、13離心泵、14水箱閥門、15射流
混藥器。
具體實(shí)施例方式
下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方案進(jìn)行詳細(xì)說明激光濃度檢測裝置主要由外殼(1)、流道(2)、過濾網(wǎng)(3)、激光發(fā)生器(4)、準(zhǔn)直透鏡 (5)、聚焦透鏡(6)、一維線陣CXD (或PSD) (7)和單片機(jī)8組成；外殼(1)采用強(qiáng)度較高的不透明塑料加工而成，所述流道2為透明塑料制造，嵌入到外殼(1)內(nèi)部，位于激光反射面的流道2外表面貼有一層反光紙；激光發(fā)生器(4)以螺紋聯(lián)接的方式與外殼(1)連接，所述激光發(fā)生器(4)內(nèi)裝有激光驅(qū)動器，用以調(diào)節(jié)激光的強(qiáng)度；所述準(zhǔn)直透鏡(5)以彈性元件擠壓方式定位在外殼(1)中，保證將激光發(fā)生器(4)發(fā)出的激光平行的穿入流道2 ；所述一維線陣CXD (或PSD) (7)以螺紋聯(lián)接的方式與外殼(1)連接，所述聚焦透鏡(6)以彈性元件擠壓方式定位在外殼(1)中，保證將從流道2外表面的反光紙反射出來的激光聚焦在一維線陣CXD (或PSD) (7)上；單片機(jī)8用來接收存儲一維線陣CXD (或PSD) (7)的信號并調(diào)節(jié)驅(qū)動激光發(fā)生器(4)。為了達(dá)到C⑶產(chǎn)生信號的要求同時又不產(chǎn)生溢出的目的，本文根據(jù)常用農(nóng)藥濃度的光穿透性選擇激光發(fā)生器為功率范圍50 150mW，波長650nm的紅光激光發(fā)生器，激光的入射角度Q1 >30°即可滿足要求，但是本文為了提高裝置的靈敏度所使用的入射角在 40° 60°之間。所述流道流道(2)的制作材料采用的是具有高透射率的透明塑料，為了提高CCD 的靈敏度，流道橫截面積可以加工的非常小，而為了提高裝置檢測靈敏度，所使用的流道橫截面積在在25 225mm2的范圍。一維線陣CXD (或PSD)均采用具有高速檢測功能的器件，CXD像元彡2048，像元尺寸彡14um。因此其分辨率可達(dá)lum，由此推算出的溶液濃度分辨力彡0.01%。一維線陣 CXD (或PSD)都有后置配套信號處理器，可以對信號進(jìn)行降噪和平滑處理，減小裝置的測量誤差。(1)檢測裝置的標(biāo)定
預(yù)先配置好包含純水在內(nèi)的不同濃度的農(nóng)藥溶液若干份；首先將純水溶液裝入水箱 12中，將水箱閥門(14)開到最大，藥箱閥門(10)關(guān)閉；然后開啟離心泵(13)，使水箱(12) 中的水流入射流混藥器(15)后經(jīng)過過濾網(wǎng)(3)的過濾進(jìn)入流道(2)中，最后從噴頭(9)噴出；在溶液流過流道的同時，使用單片機(jī)(8)驅(qū)動激光發(fā)生器(4)發(fā)光，激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡 (5)平行后穿過流道壁進(jìn)入流道并在反光紙的作用下反射后穿出流道壁被聚焦透鏡(6)聚焦后在一維線陣CXD (或PSD) (7)上成像；一維線陣CXD (或PSD) (7)將光點(diǎn)位置信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給單片機(jī)(8)中進(jìn)行存儲，單片機(jī)根據(jù)信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)激光發(fā)生器(5)的功率，使一維線陣CXD (或PSD) (7)上的像點(diǎn)強(qiáng)度高于其響應(yīng)下限，又不至于產(chǎn)生溢出；之后單片機(jī)驅(qū)動激光發(fā)生器(4)按時間等間隔發(fā)光，并存儲一維線陣CXD (或PSD) (7)上傳來的位置信號，最后使用平均值法得出與純水溶液對應(yīng)的像點(diǎn)位置值。在水箱(12)中重新裝入預(yù)先配置好濃度稍高的農(nóng)藥溶液后依照上述步驟得到一個與此濃度對應(yīng)的電信號值存儲在單片機(jī)中。依次類推，我們將得到一張與濃度相對應(yīng)的數(shù)值表，運(yùn)用回歸分析的方法得到濃度與像點(diǎn)位置的關(guān)系式，建立數(shù)學(xué)模型。(2)檢測裝置的應(yīng)用
首先在水箱(1 和藥箱(11)中分別裝入水溶液和未知濃度的農(nóng)藥溶液，將水箱閥門 (14)和藥箱閥門(10)打開，開啟離心泵(14)，使水和農(nóng)藥溶液在混藥器(15)中混合后經(jīng)過過濾網(wǎng)(3)過濾后進(jìn)入檢測裝置的流道(2)內(nèi)經(jīng)噴頭(9)噴出；在混合液流過流道(2)的時候使用單片機(jī)(8 )驅(qū)動激光發(fā)生器(4 )發(fā)光，激光經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(5 )平行后穿過流道壁進(jìn)入流道并在溶液的作用下產(chǎn)生折射，折射光線在反光紙的作用下反射后傳出流道壁被聚焦透鏡(6)聚焦后在一維線陣CXD (或PSD) (7)上成像；一維線陣CXD (或PSD) (7)將光點(diǎn)位置信號轉(zhuǎn)換為電信號傳遞給單片機(jī)(8)中進(jìn)行存儲，并根據(jù)信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)激光發(fā)生器(5) 的功率，使一維線陣C⑶(或PSD) (7)上的像點(diǎn)強(qiáng)度高于其響應(yīng)下限，又不至于產(chǎn)生溢出； 之后單片機(jī)驅(qū)動激光發(fā)生器(4)按時間等間隔發(fā)光，并存儲一維線陣CXD (或PSD) (7)上傳來的位置信號，最后使用平均值法得出與純水溶液對應(yīng)的像點(diǎn)位置值帶入步驟檢測裝置 (1)的標(biāo)定中建立的數(shù)學(xué)模型中計(jì)算得出相應(yīng)的濃度值。 調(diào)節(jié)水箱閥門(14)和藥箱閥(10)的開口大小來改變混藥濃度，待混藥平穩(wěn)后使用單片機(jī)模塊8)驅(qū)動混藥濃度在線檢測裝置，重新采集信號并計(jì)算便可得出變化后的混藥濃度值。
權(quán)利要求
1.一種激光混藥濃度在線監(jiān)測裝置，其特征在于由外殼(1)、流道(2)、過濾網(wǎng)(3)、激光發(fā)生器(4)、準(zhǔn)直透鏡(5)、聚焦透鏡(6)、一維線陣CXD (或PSD) (7)和單片機(jī)8組成； 外殼(1)采用強(qiáng)度較高的不透明塑料加工而成，所述流道(2)為透明塑料制造，嵌入到外殼 (1)內(nèi)部，位于激光反射面的流道(2)外表面貼有一層反光紙；激光發(fā)生器(4)以螺紋聯(lián)接的方式與外殼(1)連接，所述激光發(fā)生器(4)內(nèi)裝有激光驅(qū)動器，用以調(diào)節(jié)激光的強(qiáng)度；所述準(zhǔn)直透鏡(5)以彈性元件擠壓方式定位在外殼(1)中，保證將激光發(fā)生器(4)發(fā)出的激光平行的穿入流道2 ；所述一維線陣C⑶或PSD (7)以螺紋聯(lián)接的方式與外殼(1)連接，所述聚焦透鏡(6)以彈性元件擠壓方式定位在外殼(1)中，保證將從流道(2)外表面的反光紙反射出來的激光聚焦在一維線陣CCD或PSD (7)上；單片機(jī)(8)用來接收存儲一維線陣CCD 或PSD (7)的信號并控制驅(qū)動激光發(fā)生器(4)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混藥濃度在線濃度檢測裝置，其特征在于，流道(2)的橫截面積為25 225mm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混藥濃度在線濃度檢測裝置，其特征在于，所述一維線陣CCD 或PSD (7)后置配套信號處理器，對信號進(jìn)行降噪和平滑處理。
4.一種利用權(quán)利要求1所述的激光混藥濃度在線監(jiān)測裝置在線檢測混藥濃度的方法， 其特征在于，具體步驟為A)預(yù)先配置好包含純水在內(nèi)的不同濃度的農(nóng)藥溶液若干份；B)將純水溶液裝入水箱中，使用離心泵抽取溶液使其進(jìn)入流道；C)在溶液流過流道的同時，激光發(fā)生器發(fā)光，激光穿過溶液并在一維線陣CCD或PSD上成像；D)一維線陣CCD (或PSD)將像點(diǎn)位置信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行存儲，單片機(jī)根據(jù)信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)激光發(fā)生器的功率，一維線陣CCD或PSD上的像點(diǎn)強(qiáng)度高于其響應(yīng)下限，又不至于產(chǎn)生溢出；E)之后單片機(jī)驅(qū)動激光發(fā)生器按時間等間隔發(fā)光，并存儲一維線陣CCD或PSD上傳來的位置信號，最后使用平均值法得出與純水溶液對應(yīng)的像點(diǎn)位置值；F)水箱中重新裝入預(yù)先配置好濃度稍高的農(nóng)藥溶液后依照上述步驟得到一個與此濃度對應(yīng)的電信號值存儲在單片機(jī)中；依次類推，得到一張與濃度相對應(yīng)的數(shù)值表；運(yùn)用回歸分析的方法得到濃度與像點(diǎn)位置的關(guān)系式，建立數(shù)學(xué)模型；G)使待測未知濃度農(nóng)藥溶液從流道內(nèi)持續(xù)流過；H)在溶液流過流道的同時，激光發(fā)生器發(fā)光，激光穿過溶液并在一維線陣CCD或PSD上成像；I)一維線陣CCD或PSD將像點(diǎn)位置信號轉(zhuǎn)換為電信號后傳遞給單片機(jī)進(jìn)行存儲，單片機(jī)根據(jù)信號強(qiáng)度調(diào)節(jié)激光發(fā)生器的功率，一維線陣CCD或PSD上的像點(diǎn)強(qiáng)度高于其響應(yīng)下限，又不至于產(chǎn)生溢出；J)單片機(jī)驅(qū)動激光發(fā)生器按時間等間隔發(fā)光，并存儲一維線陣CCD或PSD上傳來的位置信號，最后使用平均值法得出與純水溶液對應(yīng)的像點(diǎn)位置值帶入數(shù)學(xué)模型，計(jì)算得出該溶液的濃度值。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在線檢測混藥濃度的方法，其特征在于激光的功率在50mff 150wW,波長為650nm，激光的入射角度為40° 60°。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的在線檢測混藥濃度的方法，其特征在于C⑶或PSD的像元彡2048，像元尺寸彡14um，分辨率為lum。
全文摘要
本發(fā)明根據(jù)不同濃度溶液折光率不同的特點(diǎn)，結(jié)合激光技術(shù)，提出了一種使用激光作為光源來實(shí)現(xiàn)混藥濃度在線監(jiān)測的裝置。該裝置主要包括(1)外殼、(2)流道、(3)過濾網(wǎng)、(4)激光發(fā)生器(包括激光驅(qū)動器)、(5)準(zhǔn)直透鏡、(6)聚焦透鏡、(7)一維線陣CCD(或PSD)。該裝置具有響應(yīng)速度快，測量精度高，測量范圍廣等特點(diǎn)。
文檔編號G01N21/55GK102507506SQ20111036702
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月18日
發(fā)明者賈方聞, 邱白晶 申請人:江蘇大學(xué)