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原文传递在线连续农药雾滴沉积特性检测装置及方法

专利名称：	在线连续农药雾滴沉积特性检测装置及方法
摘要：	本发明涉及一种在线连续农药雾滴沉积特性检测装置及方法，该装置包括雾滴收集与洗脱暗箱、红外成像传感器、雾滴红外检测机构、聚酯透明传输带和Zigbee组网装置盒；雾滴红外检测机构包括检测暗箱，以及位于检测暗箱内部的MCU主控板和多个检测单元；各检测单元的光信号电压传输模块将红外接收传感器接收到的雾滴红外光源强度信号转换为一级雾滴电压模拟信号后传送至MCU主控板；MCU主控板将各检测单元的一级雾滴电压模拟信号模数转换为一级雾滴电压数字信号，并对一级雾滴电压数字信号进行计算，获得一个二级雾滴电压数字信号，最后通过Zigbee组网装置上传至控制终端进行监控，最终实现在线连续农药雾滴沉积特性检测。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	北京;11
申请人：	中国农业大学
发明人：	祁力钧;高春花;吴亚垒;张豪;程浈浈;刘婠婠;肖雨;杨泽鹏;伊丽莎白·穆西;杨知伦
专利状态：	有效
申请日期：	2019-03-14T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-31T00:00:00+0800
申请号：	CN201910192546.4
公开号：	CN109827925A
代理机构：	北京中安信知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	李彬;徐林
分类号：	G01N21/3577(2014.01);G;G01;G01N;G01N21
申请人地址：	100083 北京市海淀区清华东路17号
主权项：	1.一种在线连续农药雾滴沉积特性检测装置，其特征在于：该装置包括雾滴收集与洗脱暗箱(1)、红外成像传感器(7)、雾滴红外检测机构(23)、聚酯透明传输带(33)和Zigbee组网装置盒(30)；所述雾滴收集与洗脱暗箱(1)包括顶板(24)和底板(29)，所述顶板(24)与底板(29)之间竖直地固接有回收腔隔板(9)和洗脱腔隔板(26)；雾滴收集与洗脱暗箱(1)被回收腔隔板(9)和洗脱腔隔板(26)依次分为三个腔室：雾滴回收腔(5)、洗脱腔(27)和检测腔(35)；其中，雾滴回收腔(5)与洗脱腔(27)之间通过回收腔隔板(9)隔开，洗脱腔(27)与检测腔(35)之间通过洗脱腔隔板(26)隔开；所述雾滴回收腔(5)对应的顶板(24)上设有回收腔雾滴采集口(6)，雾滴回收腔(5)内设有农药回收盒(2)；所述红外成像传感器(7)固接在雾滴回收腔(5)的侧壁或回收腔隔板(9)上，在竖直方向位于回收腔雾滴采集口(6)与农药回收盒(2)之间；所述洗脱腔(27)对应的顶板(24)上设有洗脱腔雾滴采集口(21)；检测腔(35)内设有Zigbee组网装置盒(30)；所述洗脱腔(27)和检测腔(35)的同一侧的侧壁上分别设有通过电机驱动旋转的主动轴(20)、第一从动轴(32)、第二从动轴(28)和第三从动轴(12)；其中，所述主动轴(20)和第三从动轴(12)分别位于洗脱腔(27)的的侧壁的上部和下部，所述第一从动轴(32)和第二从动轴(28)分别位于检测腔(35)的的侧壁的上部和下部；所述聚酯透明传输带(33)套设在主动轴(20)、第一从动轴(32)、第二从动轴(28)和第三从动轴(12)上，使得聚酯透明传输带(33)沿着其运动方向依次分为以下四个连续的部分：包括洗脱腔(27)内和检测腔(35)内的部分的上层带、位于检测腔(35)内的第一侧边带、包括洗脱腔(27)内和检测腔(35)内的部分的下层带以及位于洗脱腔(27)内的第二侧边带；其中，所述上层带在洗脱腔(27)内的部分位于洗脱腔雾滴采集口(21)的下方；所述洗脱腔隔板(26)的上部和下部分别开设有上输送口(22)和下输送口(13)，所述聚酯透明传输带(33)的上层带从上输送口(22)中穿过，下层带从下输送口(13)中穿过；所述聚酯透明传输带(33)的第一侧边带的外侧设有一与第一侧边带的外表面接触的一级脱水棉辊(34)；所述聚酯透明传输带(33)的第二侧边带的外侧设有一与第二侧边带的外表面接触的二级脱水棉辊(15)；所述雾滴红外检测机构(23)固接在检测腔(35)内，位于聚酯透明传输带(33)的上层带的正下方；所述洗脱腔隔板(26)上的下输送口(13)的上方设有一霍尔传感器(55)；所述聚酯透明传输带(33)的侧边缘固接有一磁片(56)；所述霍尔传感器(55)对磁片(56)进行脉冲检测；所述雾滴红外检测机构(23)包括检测暗箱(52)，以及位于检测暗箱(52)内部的MCU主控板和多个检测单元(53)；所述检测暗箱(52)的上端面设有与洗脱腔雾滴采集口(21)的尺寸相同的检测口(50)；多个检测单元(53)沿聚酯透明传输带(33)的上层带的输送方向构成多排检测单元排，相邻的检测单元排的检测单元(53)交错布置；每个检测单元(53)均包括红外发射传感器(49)、红外接收传感器(51)和光信号电压传输模块，所述红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)朝向检测口(50)上方的聚酯透明传输带(33)的上层带，且二者相对于聚酯透明传输带(33)的法线相互对称布置，所述红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)之间的夹角为84°～126°。 2.根据权利要求1所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测装置，其特征在于：所述MCU主控板通过Zigbee组网装置盒(30)获取由控制终端发送的检测模式指令，选择喷头磨损检测模式或雾滴沉积量均匀性检测模式； MCU主控板接收红外成像传感器(7)发送的脉冲信号，并根据红外成像传感器(7)发送的脉冲信号控制主动轴(20)的电机开启以及各检测单元(53)的红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)开启；所述MCU主控板接收霍尔传感器(55)发送的脉冲信号，并根据霍尔传感器(55)发送的脉冲信号确定是否关闭主动轴(20)的电机以及各检测单元(53)的红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)；各检测单元(53)的光信号电压传输模块将红外接收传感器(51)接收到的雾滴红外光源强度信号转换为一级雾滴电压模拟信号后传送至MCU主控板；MCU主控板将各检测单元(53)的一级雾滴电压模拟信号模数转换为一级雾滴电压数字信号，并对一级雾滴电压数字信号进行计算，获得一个二级雾滴电压数字信号，最后通过Zigbee组网装置(30)上传至控制终端进行监控，最终实现在线连续农药雾滴沉积特性检测。 3.根据权利要求1所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测装置，其特征在于：所述洗脱腔(27)内部，洗脱腔隔板(26)与回收腔隔板(9)之间固接有一位于二级脱水棉辊(15)上方的倾斜的挡水板(17)，所述挡水板(17)将洗脱腔(27)分隔为上下两个部分，其中挡水板(17)与洗脱腔隔板(26)的连接端为高端，与回收腔隔板(9)的连接端为低端；所述挡水板(17)的中部开设一传输带口(16)，所述聚酯透明传输带(33)的第二侧边带由所述传输带口(16)中穿过，并与挡水板(17)相互垂直；所述回收腔隔板(9)上与挡水板(17)的连接处开有一位于农药回收盒(2)的上方的泄水通道(8)。 4.根据权利要求1所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测装置，其特征在于：所述一级脱水棉辊(34)或二级脱水棉辊(15)设置在张紧装置(11)上；所述张紧装置(11)包括由上至下依次固接在回收腔隔板(9)上的第一铰链座(43)、第二铰链座(45)和第三铰链座(46)，以及光滑杆(37)、圆筒套管(38)、压紧弹簧(39)、圆筒卡箍(40)、转臂(14)和连臂(44)；所述第一铰链座(43)、第二铰链座(45)和第三铰链座(46)均具有一水平销；所述圆筒卡箍(40)、压紧弹簧(39)和圆筒套管(38)从上至下依次滑动套接在光滑杆(37)上，所述压紧弹簧(39)的上端和下端分别与圆筒卡箍(40)和圆筒套管(38)固接，所述圆筒卡箍(40)通过紧定螺母(42)固定在光滑杆(37)上；所述光滑杆(37)的上端和下端分别通过水平销安装在第一铰链座(43)和第二铰链座(45)上；所述转臂(14)的一端通过水平销安装在第三铰链座(46)上，另一端固接一“U”形卡管(47)；“U”形卡管(47)上设有一转辊轴(48)，所述二级脱水棉辊(15)安装在转辊轴(48)上；所述连臂(44)的一端转动连接在圆筒套管(38)上，另一端转动连接在转臂(14)的中部。 5.根据权利要求1所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测装置，其特征在于：所述在线连续农药雾滴沉积特性检测装置进一步包括传输带张紧报警机构，所述传输带张紧报警机构包括弹簧张紧限位开关(18)和皮带松弛限位开关(19)，所述弹簧张紧限位开关(18)和皮带松弛限位开关(19)设置在挡水板(17)的传输带口(16)的边缘处，其中，弹簧张紧限位开关(18)位于聚酯透明传输带(33)的第二侧边带的外侧，皮带松弛限位开关(19)位于聚酯透明传输带(33)的第二侧边带的内侧。 6.一种利用如权利要求1-5任意一项所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测装置的在线连续农药雾滴沉积特性检测方法，其特征在于：该方法包括如下步骤： a、建立雾滴沉积量与一级电压数字信号的电压的关系模型：检测前，分别采用分光光度仪洗脱法和在线连续农药雾滴沉积特性检测装置的雾滴红外检测机构(23)对多个雾滴沉积时间依次递增的标准液雾滴样本进行检测，分别获得多个不同时间长度的雾滴沉积量和多个不同时间长度的一级雾滴电压数字信号，经多项式拟合后，建立雾滴沉积量与电压数字信号的电压的关系曲线，从而确定误差修正系数k； b、检测模式选择及雾滴探测阶段：将在线连续农药雾滴沉积特性检测装置摆放在田间农药喷洒装置的喷雾作业区域内，MCU主控板通过Zigbee组网装置盒(30)获取由控制终端发送的检测模式指令，选择喷头磨损检测模式或雾滴沉积量均匀性检测模式；田间农药喷洒装置开始喷洒作业，雾滴(54)从雾滴收集与洗脱暗箱(1)的回收腔雾滴采集口(6)和洗脱腔雾滴采集口(21)分别进入雾滴回收腔(5)和洗脱腔(27)；雾滴回收腔(5)内的红外成像传感器(7)实时对降落的雾滴(54)进行检测，并向MCU主控板发送脉冲信号；在喷头磨损检测模式下，当有雾滴沉降时，MCU主控板接收到红外成像传感器(7)发送的脉冲信号由低电平脉冲信号变为高电平脉冲信号，控制主动轴(20)的电机开启以及各检测单元(53)的红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)开启；在雾滴沉积量均匀性检测模式下，当雾滴沉降结束后，MCU主控板接收到红外成像传感器(7)发送的脉冲信号由高电平脉冲信号变为低电平脉冲信号，控制主动轴(20)的电机开启以及各检测单元(53)的红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)开启； c、雾滴沉积检测阶段：主动轴(20)在电机的驱动下，顺时针匀速转动，带动聚酯透明传输带(33)的上层带由洗脱腔(27)向检测腔(35)运动，将沉降在聚酯透明传输带(33)的上层带上的雾滴(54)输送经过雾滴红外检测机构(23)的检测口(50)的上方；雾滴红外检测机构(23)的各检测单元(53)的红外发射传感器(49)发射红外光源，红外接收传感器(51)接收聚酯透明传输带(33)反射回来的雾滴红外光源强度信号；各检测单元(53)的光信号电压传输模块将红外接收传感器(51)接收到的雾滴红外光源强度信号转换为一级雾滴电压模拟信号后传送至MCU主控板，MCU主控板将各检测单元(53)的一级雾滴电压模拟信号模数转换为一级雾滴电压数字信号，并对一级雾滴电压数字信号进行计算，获得一个二级雾滴电压数字信号，最后通过Zigbee组网装置(30)上传至控制终端进行监控；在喷头磨损检测模式中，所述二级雾滴电压数字信号为喷头磨损分布变异系数；在雾滴沉积量均匀性检测模式中，所述二级雾滴电压数字信号为单位面积上的雾滴沉积量；所述霍尔传感器(55)对聚酯透明传输带(33)上的磁片(56)进行脉冲检测，所述MCU主控板接收霍尔传感器(55)发送的脉冲信号，当所述MCU主控板接收到霍尔传感器(55)发送的脉冲信号时，MCU主控板确定是否关闭主动轴(20)的电机以及各检测单元(53)的红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)； d、雾滴脱水与回收阶段：进入回收腔(5)的雾滴(54)通过斜面漏斗(4)被农药回收盒(2)收集，避免农药对土壤环境造成污染；进入洗脱腔(27)的雾滴(54)中，一部分沉降在洗脱腔(27)的侧壁以及回收腔隔板(9)和洗脱腔隔板(26)上，并顺着洗脱腔(27)侧壁以及回收腔隔板(9)和洗脱腔隔板(26)滑落至挡水板(17)上，挡水板(17)上的雾滴则顺着挡水板(17)由泄水通道(8)流入雾滴回收腔(5)内的农药回收盒(2)中；另一部分雾滴(54)沉降到聚酯透明传输带(33)的上层带上；聚酯透明传输带(33)进入检测腔(35)，经过雾滴红外检测机构(23)后，通过一级脱水棉辊(34)进行一级脱水处理；聚酯透明传输带(33)继续运动由检测腔(35)返回洗脱腔(27)，通过二级脱水棉辊(15)进行二级脱水处理。 7.根据权利要求6所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测方法，其特征在于：所述步骤a包括如下步骤： a1、检测前，将多张滤纸水平地布置于在线连续农药雾滴沉积特性检测装置的顶板(24)的洗脱腔雾滴采集口(21)的周围；所述滤纸的尺寸与洗脱腔雾滴采集口(21)的尺寸相同；利用标准植保机械进行N次作业时间tm(m＝1、…N，N≥3)的标准液喷洒作业，其中，作业时间tm依次递增； a2、每次标准液喷洒作业结束后，采用分光光度仪洗脱法对每张滤纸进行检测：将滤纸收集到干燥的采样瓶中，在瓶中加入100mL的稀释液，用振动筛将滤纸上沉积的标准液雾滴洗脱下来，再通过分光光度仪测定液体中滤纸上沉积的标准液雾滴浓度，利用公式1计算每张滤纸上的雾滴沉积量，然后取平均值，最终获得N个不同时间长度的雾滴沉积量；其中： βdep为雾滴沉积量，其单位为μL； ρsmpl为滤纸上标准液雾滴的分光光度仪的读数； ρblk为空白对照的分光光度仪读数； Vii为用于洗脱滤纸收集的标准液的稀释液的体积，其单位为l； ρspray为标准植保机械喷洒的标准液的浓度，其单位为g/l； Fcal为校正因子； a3、每次标准液喷洒作业结束后，同时开启在线连续农药雾滴沉积特性检测装置的雾滴红外检测机构(23)的各检测单元(53)的红外发射传感器(49)和红外接收传感器(51)，对聚酯透明传输带(33)上的雾滴(54)进行检测，各检测单元(53)的光信号电压传输模块将红外接收传感器(51)接收到的雾滴红外光源强度信号转换为一级雾滴电压模拟信号后传送至MCU主控板，MCU主控板将各检测单元(53)的一级雾滴电压模拟信号模数转换为一级雾滴电压数字信号，最终获得N个不同时间长度的一级雾滴电压数字信号； a4、将步骤a2获得的N个不同时间长度的雾滴沉积量和步骤a3获得的N个不同时间长度的一级雾滴电压数字信号进行多项式拟合，从而建立雾滴沉积量与电压数字信号的电压的关系曲线，进而确定误差修正系数k。 8.根据权利要求6所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测方法，其特征在于：所述步骤c中，在喷头磨损检测模式下，MCU主控板对一级雾滴电压数字信号的计算过程如下：首先，MCU主控板对一级雾滴电压数字信号的本地噪声进行滤波，然后对一级雾滴电压数字信号的电压进行采样，MCU主控板对一级雾滴电压数字信号的电压每单位采样时间T内采样100次；根据步骤a中确定的误差修正系数k，通过公式2计算获得喷头磨损检测模式的单位采样时间T的雾滴沉积量，再通过公式3计算获得不同单位采样时间内的聚酯透明传输带(33)上的不同位置的雾滴沉积量标准差，最后通过公式4计算获得喷头磨损分布变异系数：式中，MT为单位采样时间的雾滴沉积量，k为步骤a中确定的误差修正系数，T为单位采样时间，n为采样次数，Vn为第n次采样电压值；式中，CVnoz为喷头磨损分布变异系数；Snoz为不同单位采样时间内的聚酯透明传输带(33)上的不同位置的雾滴沉积量标准差；为不同单位采样时间的聚酯透明传输带(33)上的不同位置的雾滴沉积量平均值；为不同单位采样时间的聚酯透明传输带(33)上的不同位置的雾滴沉积量；i为单位采样时间的个数。 9.根据权利要求6所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测方法，其特征在于：所述步骤c中，在雾滴沉积量均匀性检测模式下，MCU主控板对一级雾滴电压数字信号的计算过程如下：首先，MCU主控板对一级雾滴电压数字信号的本地噪声进行滤波，然后对一级雾滴电压数字信号的电压进行采样，MCU主控板对一级雾滴电压数字信号的电压每单位采样时间T内采样100次；根据步骤a中确定的误差修正系数k，通过公式5计算获得雾滴沉积量均匀性检测模式的雾滴沉积量： Ms为单位面积上的雾滴沉积量，k为步骤a中确定的误差修正系数，Ti为雾滴检测过程中第i个单位采样时间，n为采样次数，Vn为第n次采样电压值，A为沉积到聚酯透明传输带(33)上雾滴的面积，为定值。 10.根据权利要求6所述的在线连续农药雾滴沉积特性检测方法，其特征在于：所述在线连续农药雾滴沉积特性检测方法，进一步包括对植保机械施药整体区域的雾滴沉积量分布均匀性的检测：将多个在线连续农药雾滴沉积特性检测装置分别布置在喷雾作业区域的不同位置，获取喷雾作业区域的不同位置的雾滴沉积量，通过公式6计算喷雾作业区域的不同位置的雾滴沉积量标准差，然后通过公式7计算获得喷雾作业区域内雾滴沉积量分布变异系数：式中，CVdep为喷雾作业区域内雾滴沉积量分布变异系数，其单位为％；Sdep为喷雾作业区域的不同位置的雾滴沉积量标准差；为喷雾作业区域的不同位置的雾滴沉积量平均值；为喷雾作业区域的不同位置的雾滴沉积量；j为位于喷雾作业区域的不同位置的在线连续农药雾滴沉积特性检测装置的总个数。
所属类别：	发明专利