一種在線檢測農藥濃度的裝置及其檢測方法
【專利摘要】本發明根據不同濃度農藥吸光度不同的特性，再結合CCD傳感器能夠同時感光的特點，提出了一種利用的LED平行光源，CCD傳感器接收光強，來實現對光照區域內的一片農藥濃度在線檢測的裝置和該裝置在線測量農藥濃度的方法。該裝置主要包括：LED平行光源（1）、透明流道（2）、混藥出口（3）、外殼（4）、凸透鏡（5）和CCD傳感器器（7）組成的光強接收系統（6）、混藥進口（10）和穩壓電源（11）、運放電路（8）、單片機（9）組成。該裝置具有結構簡單、成本低等優點、利用該裝置測試濃度，測試反應速度快、能連續在線檢測光照的一片區域內混藥濃度。
【專利說明】一種在線檢測農藥濃度的裝置及其檢測方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及農藥濃度在線檢測裝置，尤其屬于植物保護領域和傳感器【技術領域】。【背景技術】
[0002]混藥是機械化施藥的第一步，傳統的預混藥方式是施藥人員事先計算農藥量，由人來混藥至均勻，但是如果計算量和實際用量有誤差的話就存在農藥的浪費、污染環境的現象，而且混藥時施藥人員直接接觸到農藥存在中毒隱患的問題。在線混藥實現藥箱和水箱分開可以有效的解決預混藥存在的問題，在線混藥裝置可以實現農藥濃度按需改變，在病蟲害嚴重區域提高藥液濃度，在病蟲害較輕區域降低藥液濃度，達到根據病蟲害程度按需混藥。
[0003]要實現農藥濃度按需改變，這就要求一種能夠在線檢測農藥濃度的裝置，該裝置采集濃度信號作為反饋控制藥流量，本發明針對這種要求，設計了一種混藥濃度在線檢測的裝置及其方法，可以實現對光照區域內的一片混藥濃度的在線實時檢測。這種在線混藥濃度測量裝置與單片機開發板組合，還可以實現農藥濃度的實時顯示。可以用來作為混藥裝置性能的評價檢測裝置。
[0004]在對現有液體濃度檢測的檢索中，申請者發現 申請日期:1996.3.25申請號96208109.4中國專利《液體濃度光電在線檢測傳感器》和 申請日期:為2008.1.16，申請號200810019185.5的中國專利《液體濃度檢測裝置及檢測方法》都是利用不同濃度的溶液具有不同折光率的特點檢測濃度， 申請日期:2011.11.18，申請號201110367027.0的中國專利《激光混藥濃度在線檢測的方法及其裝置》提出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。但是上述幾種檢測方法檢測的僅僅是濃度場空間中光線走過的單點的濃度信息，而非混藥區域的濃度信息。 申請日期:2010.12.24申請號201010603080.1中國專利《液體混合濃度場檢測方法》可以對混合區域濃度進行檢測，但需要利用CCD照相機再進行圖像處理，還需要示蹤粒子，技術復雜。申請日2010.05.18，申請號201010176201.9中國專利《用于對液體濃度進行連續監測的光學檢測裝置》外別的都不能對一片混合區域濃度進行檢測，但需要步進電機控制光程差，結構復雜且不能對混藥濃度進行在線檢測。
【發明內容】
[0005]針對已有發明的缺點，本發明根據不同濃度農藥吸光度不同的特點，結合CCD傳感器，提出了一種使用LED平行光源，CCD傳感器接收光來實現對光照區域的一片混藥濃度在線監測的裝置。
[0006]本發明依據的原理為朗伯比爾定律:當一束均勻平行的單色光通過吸光物質溶液后，光的吸光度與溶液液層厚度和溶液濃度的乘積成正比，即:
A=Ig (1。/1) =adc(I)
A為吸光度，Itl為入射光強度，I為透射光強度，d為液層厚度，c為溶液濃度，a為比例常數。
[0007]使用CCD傳感器進行測定光強時，10U分別改稱為所要測的入射光灰度值g(1和它穿過樣品后的透射光灰度值g，A就稱為光密度0D，式(I)可改寫為
OD=Ig (g0/g)(2)
在X-Y平面上對某點(X，y)來講，取一個無限小區域(X — x+dx, y — y+dy)，式⑵可以改寫為
OD(X，y)=lg(g0(x, y)/g(x, y)) =adc(3)
式(3)可以改寫為
Ig [go (x> y) ] _lg [g (x, y) ] =adc(4)
由于入射光灰度值一定，所以lg[go(x，y)] 一定，所以C與透射光灰度值g(x, y)成對應關系。我們可以預先配置好包含純水在內濃度等差遞增的該農藥若干份，在最佳的LED光源供電電壓下，用調好最佳曝光時間的CCD傳感器測出其每個農藥濃度對應的g(x，y)值，制出g(x，y)-C標準曲線圖，然后通過在線檢測未知農藥濃度下的g(x，y)值，來對應g (X，y) -C標準曲線圖，快速得到該農藥濃度。
[0008]本發明設計的一種在線檢測農藥濃度的裝置，包括穩壓電源11、運放電路8、單片機9，還包括LED平行光源1、透明流道2、混藥出口 3、外殼4、凸透鏡5、CXD傳感器7、混藥進口 10組成；其特征在于:LED平行光源I垂直照射流道2且有穩壓電源11供電；(XD傳感器7與LED平行光源I和凸透鏡5在一條中心線上，CXD傳感器7與運放電路8連接，再與單片機連接，單片機對CXD傳感器7進行信號采集；LED平行光源I和外殼4是卡口連接，凸透鏡5與CXD傳感器7組成光強接收系統6，光強接收系統6和外殼4是卡口連接；透明流道2、混藥進口 10和混藥出口 3均用用高透光性耐高壓塑料制成；外殼4由不透光材料做成。
[0009]CXD傳感器7為一個光電二極管陣列，包括線性CXD傳感器和面陣(XD。
[0010]LED平行光源I是由發光二極管和燈罩組成，額定工作電壓2.7^3.5V，發白光，可以通過改變穩壓電壓大小來調節LED平行光源I光強大小，LED平行光源I光強調節范圍800(Tl4000mCd。當測量濃度較小的農藥溶液時調整穩壓電壓使LED平行光源I光強較小，當測量濃度較大的農藥溶液時調整穩壓電壓至LED平行光源I光強較大。
[0011]CXD傳感器7曝光時間可調，范圍為33.75 μ s^lOOms,當測量濃度較小的農藥溶液時將曝光時間調小，當測量濃度較大的農藥溶液時將曝光時間調大。可與改變穩壓電源電壓大小配合使用。
[0012]用該裝置進行農藥濃度檢測時，Rl=4.7ΚΩ，R=IOK Ω，R3=1K Ω，Cl=InF,C2=100nF，LMV358為放大元件。I為輸入端，5為輸出端。
[0013]在采用該裝置實現農藥濃度在線檢測前先制定農藥濃度標準曲線圖。具體步驟為:
第一步:打開該農藥濃度在線檢測裝置，調整最佳的LED平行光源供電電壓和CCD的曝光時間。最佳的LED平行光源供電電壓和CCD的曝光時間是指能使CCD傳感器的每個像素都處于非飽和但又無限接近飽和狀態時的LED平行光源供電電壓和CXD的曝光時間；第二步:配置濃度等差遞增的農藥若干份；一般為十份。
[0014]第三步:將其中一份農藥與水混合后通過混藥進口 10流入透明流道2中，LED平行光源I照射透明流道2 ；
第四步:(XD傳感器7吸收凸透鏡5折射的光，將產生的信號通過放大電路放大后傳遞給單片機；單片機記錄該信號為g(x，y)0;
為了減少誤差，單片機可連續采集100次，記錄相應的100次信號，8(1，7)(|取其平均值。單片機采集的是數據是所有像素點灰度值得和；
第五步:對剩余的不同濃度的農藥依次按照上述第三步至第四步的方法操作，獲得各自對應的信號值g(x，y)i (i>0);最終得到一張灰度值g(x，y)i與濃度c相對應的關系表；第六步:運用回歸擬合法得到灰度值g(x，Wi與濃度c的關系式，建立模型。
[0015]采用該裝置實現農藥濃度在線檢測的方法:
第一步:使待測未知濃度農藥通過混藥進口 10，從透明流道2持續通過；
第二步:LED平行光源I照射透明流道2，CXD傳感器7接受凸透鏡5折射的光信息，轉變為電信號經過放大電路傳遞給單片機；
第三步:單片機將該信號值帶入模型，實時計算出該未知溶液的濃度值。
[0016]本發明的有益效果是:結構簡單、成本低、反應速度快、能連續在線檢測光照的一片區域內混藥濃度等。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0017]圖1是本濃度檢測裝置的結構示意圖。
[0018]圖2是光通過吸光物質的示意圖。
`[0019]圖3是運放電路。
[0020]圖中，I一LED平行光源，2—透明流道，3—混藥出口，4一外殼，5—凸透鏡，6—光強接收裝置，7 —CCD傳感器，8一運放電路，9—單片機，10—混藥進口，11 一穩壓電源。
【具體實施方式】
[0021]下面結合附圖對本發明的【具體實施方式】作進一步詳細說明。
[0022]本發明設計的一種在線檢測農藥濃度的裝置，包括穩壓電源11、運放電路8、單片機9，還包括LED平行光源1、透明流道2、混藥出口 3、外殼4、凸透鏡5、CXD傳感器7、混藥進口 10組成；其特征在于:LED平行光源I垂直照射流道2且有穩壓電源11供電；(XD傳感器7與LED平行光源I和凸透鏡5在一條中心線上，CXD傳感器7與運放電路8連接，再與單片機連接，單片機對CXD傳感器7進行信號采集；LED平行光源I和外殼4是卡口連接，凸透鏡5與CXD傳感器7組成光強接收系統6，光強接收系統6和外殼4是卡口連接；透明流道2、混藥進口 10和混藥出口 3均用用高透光性耐高壓塑料制成；外殼4由不透光材料做成。
[0023]CXD傳感器7為一個光電二極管陣列，包括線性CXD傳感器和面陣(XD。
[0024]LED平行光源I是由發光二極管和燈罩組成，額定工作電壓2.7^3.5V，發白光，可以通過改變穩壓電壓大小來調節LED平行光源I光強大小，LED平行光源I光強調節范圍800(Tl4000mCd。當測量濃度較小的農藥溶液時調整穩壓電壓使LED平行光源I光強較小，當測量濃度較大的農藥溶液時調整穩壓電壓至LED平行光源I光強較大。
[0025]CXD傳感器7曝光時間可調，范圍為33.75μ s^lOOms,當測量濃度較小的農藥溶液時將曝光時間調小，當測量濃度較大的農藥溶液時將曝光時間調大。可與改變穩壓電源電壓大小配合使用。
[0026]在采用該裝置實現農藥濃度在線檢測前先制定農藥濃度標準曲線圖。具體步驟為:
第一步:打開該農藥濃度在線檢測裝置，調整最佳的LED平行光源供電電壓和CCD的曝光時間。最佳的LED平行光源供電電壓和CCD的曝光時間是指能使CCD傳感器的每個像素都處于非飽和但又無限接近飽和狀態時的LED平行光源供電電壓和CXD的曝光時間；第二步:配置濃度等差遞增的農藥若干份；
第三步:將其中一份農藥與水混合后通過混藥進口 10流入透明流道2中，LED平行光源I照射透明流道2 ；
第四步:(XD傳感器7吸收凸透鏡5折射的光，將產生的信號通過放大電路放大后傳遞給單片機；單片機記錄該信號為g(x，y)0 ;
為了減少誤差，單片機可連續采集100次，記錄相應的100次信號，8(1，7)(|取其平均值。單片機采集的是數據是所有像素點灰度值得和；
第五步:對剩余的不同濃度的農藥依次按照上述第三步至第四步的方法操作，獲得各自對應的信號值g(x，y)i (i>0);最終得到一張灰度值g(x，y)i與濃度c相對應的關系表；第六步:運用回歸擬合法得到灰度值g(x，Wi與濃度c的關系式，建立模型。
[0027]采用該裝置實現農藥濃度在線檢測的方法:
第一步:使待測未知濃度農藥通過混藥進口 10，從透明流道2持續通過；
第二步:LED平行光源I照射透明流道2，CXD傳感器7接受凸透鏡5折射的光信息，轉變為電信號經過放大電路傳遞給單片機；
第三步:單片機將該信號值帶入模型，實時計算出該未知溶液的濃度值。
[0028]本發明的有益效果是:結構簡單、成本低、反應速度快、能連續在線檢測光照的一片區域內混藥濃度等。
【權利要求】
1.一種在線檢測農藥濃度的裝置，包括穩壓電源(11)、運放電路(8)、單片機(9)，其特征在于:還包括LED平行光源(I)、透明流道(2)、混藥出口(3)、外殼(4)、凸透鏡(5)、C⑶傳感器(7 )、混藥進口( 10 ); LED平行光源(I)垂直照射流道(2 )且有穩壓電源(11)供電；CXD傳感器(7 )與LED平行光源(I)和凸透鏡(5 )在一條中心線上，CXD傳感器(7 )與運放電路(8)連接，再與單片機連接，單片機對CXD傳感器(7)進行信號采集；LED平行光源(I)和外殼(4)是卡口連接，凸透鏡(5)與CXD傳感器(7)組成光強接收系統(6)，光強接收系統(6)和外殼(4)是卡口連接。
2.根據權利要求1所述的在線檢測農藥濃度的裝置，其特征在于:透明流道(2)、混藥進口(10)和混藥出口(3)均用高透光性耐高壓塑料制成；外殼(4)由不透光材料做成。
3.根據權利要求1所述的在線檢測農藥濃度的裝置，其特征在于:CCD傳感器(7)為一個光電二極管陣列，包括線性CCD傳感器和面陣CCD。
4.根據權利要求1所述的在線檢測農藥濃度的裝置，其特征在于:LED平行光源(O是由發光二極管和燈罩組成，額定工作電壓2.7^3.5V，發白光，可以通過改變穩壓電源(11)電壓大小來調節LED平行光源(I)光強大小，LED平行光源(I)光強調節范圍800(Tl4000mcd。
5.根據權利要求1所述的在線檢測農藥濃度的裝置，其特征在于:CCD傳感器(7)曝光時間可調，范圍為33.75 μ s~100ms。
6.根據權利I所述的在線檢測農藥濃度的裝置，其特征在于:運放電路的Rl=4.7ΚΩ，R=IOKQ , R3=1KQ , Cl=InF, C2=100nF, LMV358 為放大元件；1 為輸入端，5 為輸出端。
7.一種利用權利要求1所述的在線檢測農藥濃度的裝置進行在線檢測農藥濃度的方法，具體步驟為: 第一步:制定農藥濃度標準曲線圖:` a:配置濃度等差遞增的農藥若干份； b:打開該農藥濃度在線檢測裝置； c:將其中一份農藥與水混合后通過混藥進口(10)流入透明流道(2)中，LED平行光源(I)照射透明流道(2); d:(XD傳感器(7)吸收凸透鏡(5)折射的光，將產生的信號通過放大電路放大后傳遞給單片機；單片機記錄該信號為g(x，y)0 ; e:對剩余的不同濃度的農藥依次按照上述c步至e步的方法操作，獲得各自對應的信號值g(x，y)i (i>0);最終得到一張灰度值g(x, y)i與濃度c相對應的關系表；f:運用回歸擬合法得到灰度值g(x，Wi與濃度c的關系式，建立模型； 第二步:農藥濃度在線檢測: a:使待測未知濃度農藥通過混藥進口(10)，從透明流道(2)持續通過；b =LED平行光源(I)照射透明流道(2)，CXD傳感器(7)接受凸透鏡(5)折射的光信息，轉變為電信號經過放大電路傳遞給單片機； c:單片機將該信號值帶入模型，實時計算出該未知溶液的濃度值。
8.根據權利要求7所述的在線檢測農藥濃度的方法，其特征在于:為了S(Xj)tl的準確度，單片機可以連續采集100次，記錄相應的100次信號，g(x，為該100次信號的平均值。
【文檔編號】G01N21/31GK103630509SQ201310637208
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年12月3日 優先權日:2013年12月3日
【發明者】邱白晶, 楊亞飛, 何耀杰, 鄧武清, 許佳蕊 申請人:江蘇大學