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
技術領域：
本發明涉及混藥濃度在線檢測裝置，具體屬于植物保護領域和傳感器技術領域。
背景技術：
一直以來液體濃度的測量在化學、制藥、食品、塑料加工等領域都有著十分重要的作用。液體濃度的測量以比重法為主，近期以來發展了一些新的方法，例如根據超聲波在不同濃度溶液中傳播速度不同的原理設計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設計的分光光度計；基于有機物發光機理研制的光纖熒光光譜濃度傳感器寸。精確施藥(即根據病蟲害濃度調節施藥濃度)作為現代農業的發展方向，其發展離不開混藥濃度的在線監測，實時的濃度檢測及反饋是實現精確施藥的必經之路。鑒于農藥與其他領域溶液在理化性質方面存在的巨大差異，現有方法無法在植保領域開展應用。在對現有混藥濃度測量技術的檢索中發現郭宇波等人(2008)將混合后的液體經過相鄰50cm的4個噴頭噴出，在系統開始噴霧達到穩定后，取同一時間段內4個噴頭噴出的液體測量其濃度。am Heping (1998)采用計量泵來嚴格控制進入攜流中的農藥藥劑量，同時在霧場中等間隔取樣容量收集霧滴，再根據化學計量學的方法給出取樣容器中精確的農藥含量。上述兩種方法都無法實現在線測量。劉志壯等(2009)研制了藥量流量計和水流流量計，測量的是農藥和水流進入混藥器的的流量，雖然兩者配合可給出混藥平均濃度，但無法實時給出經過混藥器后的濃度值。Hloben (2007)設計了基于光透射率法檢測內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。由此說明在植保機械領域，混藥濃度的在線監測方法及其裝置在國內外都存在著巨大的空白。本發明針對以上現狀，并結合農藥溶液的特性，通過對激光技術的研究，提出了一種基于激光技術實現農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，響應時間短等優點，可以實現混藥濃度的在線監測，從而填補國內外空白。
發明內容
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， 當流道內溶液濃度發生變化時(變成)，光屏上的光點位置會發生改變。通過對光屏上光點位置改變量的測量，我們就能夠得到溶液折射率的變化，并根據濃度與折射的一一對應關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、激光發生器、準直透鏡、聚焦透鏡、一維線陣CXD (或PSD)和單片機組成；外殼采用強度較高的不透明塑料加工而成，流道為透明塑料制造，嵌入到外殼內部，位于激光反射面的流道外表面貼有一層反光紙；激光發生器以螺紋聯接的方式與外殼連接，所述激光發生器內裝有激光驅動器，用以調節激光的強度；所述準直透鏡以彈性元件擠壓方式定位在外殼中，保證將激光發生器發出的激光平行的穿入流道；所述一維線陣CXD (或PSD)以螺紋聯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；單片機用來接收存儲一維線陣CXD (或PSD)的信號并調節驅動激光發生
ο采用該裝置實現混藥濃度在線檢測的步驟如下 (1)檢測裝置的標定
1)預先配置好包含純水在內的不同濃度的農藥溶液若干份；
2)將純水溶液裝入水箱中，使用離心泵抽取溶液使其進入流道；
3)在溶液流過流道的同時，激光發生器發光，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)將像點位置信號轉換為電信號后傳遞給單片機進行存儲，單片機根據信號強度調節激光發生器的功率，一維線陣CCD (或PSD)上的像點強度高于其響應下限，又不至于產生溢出；
5)單片機驅動激光發生器按時間等間隔發光，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的像點位置值；
6)水箱中重新裝入預先配置好濃度稍高的農藥溶液后依照上述步驟得到一個與此濃度對應的電信號值存儲在單片機中。依次類推，得到一張與濃度相對應的數值表。運用回歸分析的方法得到濃度與像點位置的關系式，建立數學模型。(2)檢測裝置的應用
1)使待測未知濃度農藥溶液從流道內持續流過；
2)在溶液流過流道的同時，激光發生器發光，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)將像點位置信號轉換為電信號后傳遞給單片機進行存儲，單片機根據信號強度調節激光發生器的功率，一維線陣CCD (或PSD)上的像點強度高于其響應下限，又不至于產生溢出；
4)單片機驅動激光發生器按時間等間隔發光，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的像點位置值帶入數學模型，計算得出該溶液的濃度值。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1為激光混藥濃度在線監測裝置結構示意2為實現混藥濃度在線檢測的整個系統示意3為本發明的技術原理圖
圖中，1外殼、2流道、3過濾網、4激光發生器、5準直透鏡、6聚焦透鏡、7 —維線陣CXD (或PSD)、8單片機、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。
具體實施例方式
下面將結合附圖對本發明的具體實施方案進行詳細說明激光濃度檢測裝置主要由外殼(1)、流道(2)、過濾網(3)、激光發生器(4)、準直透鏡 (5)、聚焦透鏡(6)、一維線陣CXD (或PSD) (7)和單片機8組成；外殼(1)采用強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；激光發生器(4)以螺紋聯接的方式與外殼(1)連接，所述激光發生器(4)內裝有激光驅動器，用以調節激光的強度；所述準直透鏡(5)以彈性元件擠壓方式定位在外殼(1)中，保證將激光發生器(4)發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8用來接收存儲一維線陣CXD (或PSD) (7)的信號并調節驅動激光發生器(4)。為了達到C⑶產生信號的要求同時又不產生溢出的目的，本文根據常用農藥濃度的光穿透性選擇激光發生器為功率范圍50 150mW，波長650nm的紅光激光發生器，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，可以對信號進行降噪和平滑處理，減小裝置的測量誤差。(1)檢測裝置的標定
預先配置好包含純水在內的不同濃度的農藥溶液若干份；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)后經過過濾網(3)的過濾進入流道(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(8)驅動激光發生器(4)發光，激光經過準直透鏡 (5)平行后穿過流道壁進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)將光點位置信號轉換為電信號傳遞給單片機(8)中進行存儲，單片機根據信號強度調節激光發生器(5)的功率，使一維線陣CXD (或PSD) (7)上的像點強度高于其響應下限，又不至于產生溢出；之后單片機驅動激光發生器(4)按時間等間隔發光，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的像點位置值。在水箱(12)中重新裝入預先配置好濃度稍高的農藥溶液后依照上述步驟得到一個與此濃度對應的電信號值存儲在單片機中。依次類推，我們將得到一張與濃度相對應的數值表，運用回歸分析的方法得到濃度與像點位置的關系式，建立數學模型。(2)檢測裝置的應用
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)，使水和農藥溶液在混藥器(15)中混合后經過過濾網(3)過濾后進入檢測裝置的流道(2)內經噴頭(9)噴出；在混合液流過流道(2)的時候使用單片機(8 )驅動激光發生器(4 )發光，激光經過準直透鏡(5 )平行后穿過流道壁進入流道并在溶液的作用下產生折射，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)將光點位置信號轉換為電信號傳遞給單片機(8)中進行存儲，并根據信號強度調節激光發生器(5) 的功率，使一維線陣C⑶(或PSD) (7)上的像點強度高于其響應下限，又不至于產生溢出； 之后單片機驅動激光發生器(4)按時間等間隔發光，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的像點位置值帶入步驟檢測裝置 (1)的標定中建立的數學模型中計算得出相應的濃度值。 調節水箱閥門(14)和藥箱閥(10)的開口大小來改變混藥濃度，待混藥平穩后使用單片機模塊8)驅動混藥濃度在線檢測裝置，重新采集信號并計算便可得出變化后的混藥濃度值。
權利要求
1.一種激光混藥濃度在線監測裝置，其特征在于由外殼(1)、流道(2)、過濾網(3)、激光發生器(4)、準直透鏡(5)、聚焦透鏡(6)、一維線陣CXD (或PSD) (7)和單片機8組成； 外殼(1)采用強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；激光發生器(4)以螺紋聯接的方式與外殼(1)連接，所述激光發生器(4)內裝有激光驅動器，用以調節激光的強度；所述準直透鏡(5)以彈性元件擠壓方式定位在外殼(1)中，保證將激光發生器(4)發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(8)用來接收存儲一維線陣CCD 或PSD (7)的信號并控制驅動激光發生器(4)。
2.根據權利要求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.根據權利要求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，對信號進行降噪和平滑處理。
4.一種利用權利要求1所述的激光混藥濃度在線監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)預先配置好包含純水在內的不同濃度的農藥溶液若干份；B)將純水溶液裝入水箱中，使用離心泵抽取溶液使其進入流道；C)在溶液流過流道的同時，激光發生器發光，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)將像點位置信號轉換為電信號后傳遞給單片機進行存儲，單片機根據信號強度調節激光發生器的功率，一維線陣CCD或PSD上的像點強度高于其響應下限，又不至于產生溢出；E)之后單片機驅動激光發生器按時間等間隔發光，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的像點位置值；F)水箱中重新裝入預先配置好濃度稍高的農藥溶液后依照上述步驟得到一個與此濃度對應的電信號值存儲在單片機中；依次類推，得到一張與濃度相對應的數值表；運用回歸分析的方法得到濃度與像點位置的關系式，建立數學模型；G)使待測未知濃度農藥溶液從流道內持續流過；H)在溶液流過流道的同時，激光發生器發光，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將像點位置信號轉換為電信號后傳遞給單片機進行存儲，單片機根據信號強度調節激光發生器的功率，一維線陣CCD或PSD上的像點強度高于其響應下限，又不至于產生溢出；J)單片機驅動激光發生器按時間等間隔發光，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的像點位置值帶入數學模型，計算得出該溶液的濃度值。
5.根據權利要求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.根據權利要求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
本發明根據不同濃度溶液折光率不同的特點，結合激光技術，提出了一種使用激光作為光源來實現混藥濃度在線監測的裝置。該裝置主要包括(1)外殼、(2)流道、(3)過濾網、(4)激光發生器(包括激光驅動器)、(5)準直透鏡、(6)聚焦透鏡、(7)一維線陣CCD(或PSD)。該裝置具有響應速度快，測量精度高，測量范圍廣等特點。
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 優先權日2011年11月18日
發明者賈方聞, 邱白晶 申請人:江蘇大學