楊亞飛，王國強，崔　勇，陶德清，林　彤，賈方聞

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州　225300)

?

折光法混藥濃度在線檢測裝置的設(shè)計與試驗研究

楊亞飛，王國強，崔勇，陶德清，林彤，賈方聞

(江蘇農(nóng)牧科技職業(yè)學(xué)院，江蘇 泰州225300)

摘要：根據(jù)不同濃度溶液折光率不同，設(shè)計了一種混藥濃度在線檢測的裝置。同時，選用650nm二極管激光器作為光源、PSD作為信號接收器，設(shè)計和制造了三角形流道和以O(shè)PA4277芯片為主的信號放大電路。試驗結(jié)果表明：在總流量為4.77L/min時，其線性度較高(R2=0.995 3)，數(shù)據(jù)離散程度較低(CV=2.4%)，檢出時間小于5s，檢測最大偏差為0.015 2g/L，可用于混藥濃度的在線檢測。

關(guān)鍵詞：混藥濃度;折射率;激光;PSD 在線檢測

0引言

相對于預(yù)混式混藥，在線混藥的優(yōu)勢是：①避免了人工混藥和清洗，從而提高了安全性；②可以根據(jù)田間狀況實現(xiàn)施藥量與施藥機器行駛速度的自動匹配，從而減少農(nóng)藥的超量使用[1]。

我國植保機械混藥裝置檢測標準中只有定性檢測指標，尚無定量檢測指標，因此需要針對在線混藥裝置發(fā)展混藥濃度在線檢測的方法與裝置，以便完善國家檢測標準；另一方面，為適應(yīng)混藥裝置工作過程中混藥濃度的變化和波動，也需要發(fā)展在線混藥裝置的濃度檢測方法及其裝置。國外在20世紀90年代就已經(jīng)開展了混藥濃度檢測的研究。Miller 等1992年采用微孔流量計測量了一種直接注入式混藥裝置的混藥濃度[2]。Zhu等1998年采用計量泵控制進入水流中的農(nóng)藥藥劑量，同時在霧場中等間隔放置取樣容量瓶收集霧滴，再計量出取樣容器中農(nóng)藥的含量[3]。Miller和Zhu等所選定的測量位置位于藥劑箱與藥劑注入口之間，故測量的并非是混藥后的藥液濃度，而是加入到水流中的藥劑量，因此這類測量只適合于開環(huán)控制，不能用于混藥濃度的閉環(huán)反饋控制。國內(nèi)近期也已經(jīng)開展了相關(guān)研究。郭宇波等2008年使用步進電機帶動流量調(diào)節(jié)閥來控制混藥濃度[4]，劉志壯等2009年對進入混藥器的水流量和農(nóng)藥流量同時進行測量來計算與控制混藥濃度[5]。

至今為止，關(guān)于混藥后濃度測量方法的研究工作很少。Ozkan等1998年建立了根據(jù)藥箱濁度推斷藥箱混藥濃度的方法[6]。Vondricka等2009年設(shè)計了基于光吸收原理的混藥濃度檢測傳感器[7]，利用碘酒能將藍色淀粉與硫代硫酸鈉混合液脫色這一機理，進行碘酒濃度的在線檢測。

本文設(shè)計了一種基于不同濃度溶液、其折光率不同的原理實現(xiàn)混藥濃度在線檢測的方法及其裝置。相比于Ozkan的方法，該裝置實現(xiàn)了混藥濃度的在線檢測；同時相對于Vondricka光吸收傳感器，該裝置對于光源和溶液的顏色要求較低。

1混藥濃度在線檢測裝置設(shè)計

混藥濃度在線檢測裝置主要由功率可調(diào)式激光發(fā)生器、流道、PSD(位置敏感傳感器)及其配套信號處理電路組成。檢測系統(tǒng)如圖1所示。

1.水箱　2.柱塞泵　3.射流混藥器　4.藥箱　5.PSD　6.流道

以PSD作為光斑位置接收傳感器[8]，為了提高檢測裝置的分辨率，本文選用位置分辨率為0.2um的型號為武漢搏盛科技有限公司生產(chǎn)的BS-PSD0018型PSD傳感器，其有效光敏面積為1×8mm，光譜響應(yīng)范圍為300～1 100nm。同時，為了滿足PSD對光強和波長的要求，本文選用了陜西日成科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的RD650-50G1型焦距可調(diào)式激光器，其輸出波長650nm，輸出功率0～30mW，光束發(fā)散角0.3mrad。

三角形流道沿圖1中A-A處橫截面如圖2所示。

圖2　流道橫截面示意圖

圖2中，α為光線入射角，β為光線出射角；a為等腰三角形頂角；D為溶液為水時光斑出射點到PSD的距離；d為溶液濃度變化時PSD上光斑移動的距離。由此可得△d的變化率為

(1)

由此可以看出：△d的分辨率與α、a、D有關(guān)。α越大精確度越低，a越大精確度越高，D越大精確度越高[9]。

以型號為2WA-J的阿貝折射儀檢測了5種草甘膦溶液濃度的折射率，如表1所示。當濃度變化△C=1g/L時，其測量的折射率差值最大為△γmax=0.000 24，最小為△γmin=0.000 16，平均差值為△γ=0.000 2。

表1　濃度的草甘膦溶液折射率

為了加工方便，本文設(shè)置的等腰三角形流道頂角a=90°；清水的折射率n=1.332 4；入射角α定為65°，不會發(fā)生全反射，且入射角較小。草甘膦常用噴霧濃度最小為1.5g/L，本文設(shè)定濃度變化最小為0.1g/L，即折射率變化最小為△nmin=2×10-5。將上述參數(shù)帶入式(1)得△d=2.907×10-5·D，根據(jù)PSD的分辨率算出Dmin=16mm。但是，實際激光器的光斑和液體的流動都會對裝置的性能產(chǎn)生影響，因此實際距離D要根據(jù)實驗情況進行調(diào)節(jié)。

流道整體采用有機玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)制造，其折射率為1.492，光透率超過92%[10]。為了方便流道兩端與現(xiàn)有管道的連接，本文選擇的管道連接頭內(nèi)外徑分別為R1=16mm、R2=20mm。主體部分為等腰直角三角形截面的通道，橫截面積越大，裝置分辨率越高；但是橫截面積過大，會使氣泡從流道里排出所需要的時間增加，并且會使裝置體積過大。因此，本文使用的流道是尺寸分別為45mm×85mm、45mm×85mm和63.7mm×85mm，厚度為3mm的有機玻璃粘接而成。

2混藥濃度在線檢測裝置配套電路

由于不同溶液濃度引起的光線偏折角度較小，并且PSD的輸出的電流信號是μA級的，自然光、暗電流和信號干擾都會對輸出的電流信號產(chǎn)生影響[11-13]。因此，本文設(shè)計了信號調(diào)制電路作為其配套電路，以提高裝置的檢測靈敏度。

2.1配套電路要求

配套電路功能要求：①提供電壓轉(zhuǎn)換、微電流信號的I/U轉(zhuǎn)換；②電壓信號放大、AD轉(zhuǎn)換和顯示。

設(shè)定參數(shù)要求：①配套電路能夠使用現(xiàn)有的24V穩(wěn)壓電源供電；②PSD輸出的μA級電流信號轉(zhuǎn)換為0～3.3V的電壓信號；③A/D模塊至少12位；④單片機有可以用于擴展顯示模塊得I/O口。其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　配套電路結(jié)構(gòu)示意圖

2.2核心器件選取和信號調(diào)理電路設(shè)計

2.2.1單片機最小系統(tǒng)

單片機最小系統(tǒng)需集成兩通道12位ADC模塊、DS18B20溫度檢測模塊、12864顯示模塊及多種串口等，以完成信號的采集、A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)的顯示和通信，以及其他擴展功能。本文選用以MSP430F149芯片為核心的單片機最小系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換和顯示。

2.2.2運算放大器和電壓轉(zhuǎn)換芯片的選取

運算放大器的選取主要考慮運算放大器的偏移電壓、開環(huán)增益、偏置電流和溫度漂移等方面的影響，且本文需要使用4個運算放大器進行兩路電流的I/U轉(zhuǎn)換和放大。所以，此處選擇了一款型號為OPA4277的四運放集成放大器，使用ICL7660芯片將24V轉(zhuǎn)化為±5V給OPA4277供電。

2.2.3信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路包括I/U轉(zhuǎn)換和放大電路兩個部分，如圖4所示。

圖4　信號調(diào)理電路

C1、C2和C3為電源的去耦電容，其電容值均為0.1μF；C4和C5為高頻濾波旁路電容，為了改進濾波效率，本文均選用0.01μF的鉭電容；R1～R5在信號調(diào)理電路中起I/U轉(zhuǎn)換和放大作用，其中R1=R4=448kΩ，R2=R5=22kΩ，R3=R6=200kΩ；J1為兩路信號輸出端口。為了進一步降低噪聲對PSD輸出信號的干擾，本文直接將PSD設(shè)計安裝在雙面覆銅的PCB板上[14]，附著信號調(diào)理電路的PCB板尺寸為50mm×50mm。

3混藥濃度的在線檢測

影響流動液體濃度檢測的因素除了濃度之外，流速、溫度等都會對裝置的檢測精度產(chǎn)生影響[15]。因此，本次試驗以濃度為主要影響因素，對檢測裝置進行性能測定。

3.1試驗儀器和材料

試驗所用儀器包括以下幾類：①混藥濃度在線檢測裝置，包括激光發(fā)生器、流道、PSD及配套電路。②射流混藥器，江蘇大學(xué)自主研發(fā)，射流嘴直徑3mm，椎度16°。③JA31002天平，精度0.01g；UV-2102PCS型紫外可見分光光度計；水桶；芳帝牌胭脂紅作為模擬農(nóng)藥[16-17]。④柱塞泵，由變頻器控制的電機帶動。

3.2混藥濃度在線檢測裝置的標定

首先，使用天平稱量4份質(zhì)量為4g的胭脂紅；在水桶內(nèi)裝入8L的清水，將柱塞泵的入水管放入桶中，出水管與射流混藥器的入水端相接，射流混藥器的吸藥端也放在水桶中；射流混藥器的出水端與流道入水端相接，射流混藥器出水端與流道入水端距離1.5m，流道出水端也放在桶中。其調(diào)節(jié)變頻器頻率為6.52Hz，即出口總流量為4.77L/min，設(shè)置光斑出射點到PSD的距離為27cm。開啟激光器電源并啟動變頻器，由于在初始啟動電機時，流道內(nèi)液體流動不平穩(wěn)且有氣泡存在，所以啟動電機后等待氣泡排空后間隔1s記錄1次顯示屏上顯示的數(shù)據(jù)，并每隔25s時水向桶內(nèi)加入4g胭脂紅，充分攪拌使其混合均勻，共加入4次，使水桶內(nèi)的溶液濃度分別為0.5、1、1.5、2g/L，采樣時間125s。數(shù)據(jù)記錄如圖5所示。選取每次加入溶液前20s的數(shù)據(jù)，采用最小二乘線性擬合方法[18-19]，得到光斑位置/濃度擬合曲線為y=0.114 9x+0.331 1，R2=0.995 3，變異系數(shù)最大為CV=2.4%，裝置檢出時間小于5s。

圖5　位置/濃度擬合曲線

3.3混藥濃度在線檢測

首先，使用天平稱量質(zhì)量為8、16、24、32、40g的胭脂紅各1份，分別放入盛有8L清水的5只桶中攪拌均勻，配制成濃度為1、2、3、4、5g/L的溶液。如圖1所示，在桶中依然放入清水，射流混藥器的吸藥端依次放入上述裝有不同濃度溶液的桶中進行檢測，并將數(shù)據(jù)帶入模型中，計算出濃度值；每次檢測過程中，用試管收集混合后的胭脂紅溶液樣本，用分光光度計測量其濃度，并與實際檢測值進行比較，比較結(jié)果如表2所示。

表2　混藥濃度在線檢測濃度值

由表2可以看出：本裝置測量的濃度值與分光光度計測量的濃度值最大偏差為0.015 2g/L，小于本文設(shè)定的0.1g/L，說明該裝置在檢測誤差范圍內(nèi)，可用于混藥濃度檢測。

4結(jié)論

1)根據(jù)不同濃度溶液、其折射率不同的原理，設(shè)計了一種混藥濃度在線檢測裝置。以焦距可調(diào)式激光器作為光源，有效地提高了光斑質(zhì)量；PSD和三角形流道的使用有效的提高了裝置的分辨率；配套信號調(diào)理電路和PCB板的加工及濾光片的使用，有效地消除了噪聲和環(huán)境光的影響，從而實現(xiàn)了混藥濃度的在線檢測。

2)在總流量為4.77L/min時，得到的擬合曲線為R2=0.995 3，變異系數(shù)最大為CV=2.4%，表明該裝置具有較高的線性度并且數(shù)據(jù)離散度較低。另外，檢出時間小于5s。

3)本裝置測量的濃度值與用分光光度計測量的濃度值最大偏差為0.015 2g/L，小于本文設(shè)定的0.1g/L，可適用于混藥濃度在線檢測。

參考文獻：

[1]邱白晶,徐溪超,鄧斌,等.射流混藥裝置面積比對混藥均勻性的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(10):95-100.

[2]M.S. Miller, D.B. Smith.A direct nozzle injection controlled rate spray boom[J].Transactions of the ASABE, 1992, 35(3):781-785.

[3]H. Zhu, HE Ozkan, RD Fox, et al., Mixture Uniformity in SupplyLines and Spray Patterns of a Laboratory Injection Sprayer[J].Applied Engineering in Agriculture，1998,14(3): 223-230.

[4]郭宇波,何雄奎,宋堅利,等.靜態(tài)混合器在自動混藥裝置中的應(yīng)用[J].農(nóng)機化研究,2008(2):147-149.

[5]劉志壯,徐漢虹,洪添勝,等.在線混藥式變量噴霧系統(tǒng)設(shè)計與試驗[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2009,40(12):93-96.

[6]H.E.Ozkan, K.D. Ackerman.Instrumentation for measuring mixture variability in sprayer tanks[J]. Applied Engineering in Agriculture, 1999, 15(1):19-24.

[7]J.Vondricka.Study on the Process of Direct Nozzle Injection for Real-Time Site-Specific Pesticide Application. PhD Dissertation[D].Bonn: University of Bonn,2007.

[8]Colin D. Costin, Robert E. Synovec .Measuring the transverse concentration gradient between adjacent laminar flows in a micro fluidic device by a laser-based refractive index gradient detector[J]. Talanta ,2002 (58) :551-560.

[9]謝家興,茹占軍,于助.光折射法測量牛乳乳糖質(zhì)量分數(shù)單雙式樣盒的對比研究[J].哈爾濱理工大學(xué)學(xué)報,2005,10(2)：93-96.

[10]崔建英.光學(xué)機械基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2008.

[11]裴先登,羅春, 黃浩.PSD高精度位置測量系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,32(2):7-9.

[12]孟令震,王建立,韓曉泉,等.PSD在光欄精密定位中的應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程,2004,12(4):52-54.

[13]張大興,賈建援,段亞博.基于光電位移檢測的振動主動被動復(fù)合控制[J].西南交通大學(xué)學(xué)報,2007,42(3):362-367.

[14]莫偉. 基于PSD的高速激光距離傳感器的信號檢測與處理[D].武漢：華中科技大學(xué)，2009.

[15]Mitsuhiro Fukuta, Tadashi Yanagisawa, Masao Shimasaki, et al.Real-time measurement of mixing ratio of refrigerant/refrigeration oil mixture[J].International Journal of Refrigeration,2006(29):1058-1065.

[16]呂曉蘭，傅錫敏，宋堅利，等.噴霧技術(shù)參數(shù)對霧滴飄移特性的影響[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報,2011,42(1):59-63.

[17]何雄奎，曾愛軍，何娟，等.果園噴霧機風(fēng)速對霧滴的沉積分布影響研究[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2002,18(4):75-77.

[18]王伊卿，趙萬華，施樂平，等.光固化快速成型高分辨激光液位檢測系統(tǒng)的開發(fā)[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報,2008,42(11):1394-1397.

[19]張曉芳,俞信,蔣誠志,等.位置敏感探測器PSD特性的試驗研究[J].儀器儀表學(xué)報,2003,24(4):250-253.

[20]V. Krishna,C. H. Fan,J. P. Longtin .Real-time precision concentration measurement for flowing liquid solutions[J]. Review of Scientific Instruments,2000,71(10):3864-3868.

[21]V. Krishna,C. H. Fan,J. P. Longtin .Real-time precision concentration measurement for flowing liquid solutions[J]. Review of Scientific Instruments,2000,71(10):3864-3868.

[22]吳恩啟,柯映林,李江雄. 基于位置傳感器的微細管道內(nèi)表面無損檢測[J].光電子·激光，2005,16(9):1080-1084.

[23]邱白晶,賈方聞,鄧斌,等.混藥質(zhì)量濃度在線檢測裝置[J].農(nóng)業(yè)機械學(xué)報，2014,45(2):99-104.

Abstract ID:1003-188X(2016)02-0158-EA

Design and Experimental Study on Online Detector of Mixing Concentration

Yang Yafei, Wang Guoqiang，Cui Yong, Tao Deqing, Lin Tong, Jia Fangwen

(Jiangsu Agri-animal Husbandry Vocational College, Taizhou 225300,China)

Abstract：This paper designed an online detection of mixed concentration device based on different concentrations of solution have different refractive index. Used a 650nm diode laser as a light source, the PSD as a signal receiver, designed and manufactured the triangular flow channel and OPA4277 chip-based signal amplification circuit. The performance test showed that at the flow of 4.77L,this device has a higher linearity with R2=0.9953,data dispersion degree is low with CV=2.4%,check out time is less than 5s。At this time the largest deviation is 0.015 2g/L which can be applied to mixing concentration online detection.

Key words：mixing concentration; laser; refractive index; PSD online detect

文章編號：1003-188X(2016)02-0158-04

中圖分類號：S126

文獻標識碼：A

作者簡介：楊亞飛(1989-),男，江蘇泰州人，助教，(E-mail)yangyafei890506@163.com。

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(31271620);江蘇農(nóng)牧技術(shù)職業(yè)學(xué)院科研項目(NSFYB1414；NSFYB1415)

收稿日期：2015-03-06