一种光透射药液浓度在线检测系统

专利摘要:
本实用新型提出了一种光透射药液浓度在线检测系统，光透射药液浓度在线检测装置主要由检测装置和控制电路两部分构成。光透射检测装置由激光发射、激光矫正、激光接收三部分。单色光从蓝紫半导体激光器发出经过光纤末端准直器校正，光束之间平行且垂直地照射到药液检测腔室上，从药液检测腔室透出来的光被平凸透镜汇聚，再由激光功率计接收后保存并通过显示屏显示出来。控制器部分包括32位处理器最小系统单元、电源转换模块、信号采集接口模块、显示模块。本实用新型所采用的光透射检测装置适用于农药浓度检测，能有效解决误差问题。本实用新型可以实现在田间震动环境下药液的在线检测，是保证农药精确使用、避免农药浪费、提高农药利用率的关键。
公开号:CN214334676U
申请号:CN202120352083.6U
申请日:2021-02-08
公开日:2021-10-01
发明作者:王卓；韦飞；白晓平；杨亮
申请人:Shenyang Institute of Automation of CAS；
IPC主号:G01N21-59

专利说明:
[n0001] 本实用新型涉及植保农业机械的在线混药技术领域，尤其是涉及一种光透射药液浓度在线检测系统。
[n0002] 我国的施药方式主要为开环控制，比较落后，浓度检测方式也不够精确，无法精确地浓度反馈和实时处理系统造成的浓度偏差，造成在线混药装置喷洒的农药浓度远高于设定浓度。改善施药技术，科学使用农药是实现农业可持续发展的重要保障。为了促进施药方式的智能化发展，为了解决在线混药浓度配制准确性的问题，农药浓度检测研究成为了亟待解决的科学问题。
[n0003] 目前，溶液浓度检测方法包括光谱法、电导率法、高速摄像机法、光折射法、光透射法。其中光谱法需取样分析，无法用于在线检测；电导率法需要混合药液含有导电物质；高速摄像机法需要加入示踪粒子，这个方法对环境有一定危害。基于对低检测成本、简便制作、适应农药特性、完善检测性能的追求，目前国内外农药浓度检测主要采用光透射法和光折射法。
[n0004] 但是现有研究都是在静态情况下对光透射法或者光折射法在检测农药浓度的可行性方面进行探讨研究，而对实际运用于田间环境中震动引起的误差没有进行详细介绍和研究处理。光折射法对光源进入检测室的折射角度有很高要求，在实际田间环境中折射角度可能容易受到干扰，使用条件较为苛刻。
[n0005] 田间复杂的地形环境、农机行走时引起的震动、以及精准的农药浓度在线检测装置和处理技术的缺乏，降低了在线混药浓度的精确性，为了解决这一问题，本实用新型采用光透射法的药液浓度在线检测方法，保证田间作业时在线混药后药液浓度的准确性。
[n0006] 实现本实用新型所采用的技术方案是：
[n0007] 一种光透射药液浓度在线检测系统，包括光透射检测装置和控制电路；
[n0008] 所述光透射检测装置包括激光发射模块、光纤准直器、药液检测腔室、平凸透镜、激光接收模块；所述药液检测腔室为平行六面体结构，其中一对相对的侧面分别开有通孔连接进药管路、出药管路，另外一对相对的侧面作为激光入射窗口和出射窗口为透明材质板，液体农药经进药管路流入并暂存在腔室内，然后经出药管路流出；激光发射模块发射激光经过光纤准直器后照射药液检测腔室内的液体农药、然后激光经过药液后射出，经平凸透镜汇聚在激光接收模块上；
[n0009] 所述控制电路包括处理器模块和与其分别电性连接的电源转换模块、信号接口模块、显示屏模块；所述信号接口模块连接激光接收模块，所述控制电路还连接激光发射模块。
[n0010] 所述光透射检测装置采用蓝紫光半导体激光器；所述激光接收模块采用激光功率计；所述处理器模块采用32位处理器最小系统单元。
[n0011] 所述激光器输出波长为405nm，输出功率50mW；所述激光功率计的光谱范围0.19-20um，功率测量范围2mw-2w，探测直径为14mm。
[n0012] 所述药液检测腔室与进药管路、出药管路连接的侧面为不锈钢板；所述作为激光入射窗口和出射窗口的侧面为有机玻璃板。
[n0013] 所述药液检测腔室的侧面开孔位置靠近平行六面体结构上表面。
[n0014] 所述光透射检测装置外设有壳体固定所述光透射检测装置。
[n0015] 所述激光发射模块、光纤准直器、药液检测腔室、平凸透镜、激光接收模块下设有高度不等的高度可调节底座，所述高度可调节底座固定在壳体底板上。
[n0016] 所述高度可调节底座包括上层支撑板、下层支撑板以及在上、下层支撑板之间的可调节支撑柱。所述可调节支撑柱包括支撑套、支撑杆和定位销，所述支撑套、支撑杆之间螺纹连接，定位销插入设在支撑套侧面的通孔并抵住支撑杆。
[n0017] 所述该光透射药液浓度在线检测系统安装在田间农药喷洒车上，通过所述光透射检测装置的药液检测腔室与喷洒药液管路连接。
[n0018] 所述电源转换模块将外部电压转换为3.3V、5V和12V；所述信号接口模块采用串口模块；所述显示屏模块为LED或LCD显示屏。
[n0019] 本实用新型的有益效果是：
[n0020] 所提出的光透射药液检测系统可实现药液浓度在田间震动环境下的在线实时检测，如能结合农药喷洒车上的混药装置还能够做到按需配药，精准施药，提高农药利用率。系统采用ARM系列芯片作为处理器，具有高精度运算，功耗低，运行速度快，抗干扰性能强等多种优势。
[n0021] 图1为本实用新型的光透射药液浓度检测系统及装置连接示意图；
[n0022] 图2为本实用新型的控制器结构及连接示意图；
[n0023] 图3为本实用新型的光透射药液浓度检测装置中检测室的示意图；
[n0024] 1-蓝紫半导体激光器；2-光纤准直器；3-药液检测腔室；4-平凸透镜；5-激光功率计；6-外壳；7-控制电路；8-32位处理器最小系统；9-电源转换模块；10信号接口模块；11-显示模块。
[n0025] 下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型的目的，但不用来限定本实用新型的范围。
[n0026] 如图1所示，光透射药液检测系统由光透射检测装置1和控制电路7两部分构成；透射检测装置1由蓝紫半导体激光器6、光纤准直器2、药液检测腔室3、平凸透镜4、激光功率计5、外壳组成。控制电路7由32位处理器最小系统模块8、电源转换模块9、信号接收模块10、显示模块11、卡尔曼数据处理单元12组成。
[n0027] 透射检测装置1中，外壳主要用于遮光，单色光从蓝紫半导体激光器6发出经过光纤末端准直器2校正，光束之间平行且垂直地照射到检测室3上，从检测室3透出来的光被平凸透镜4汇聚，再由激光功率计5接收后用接收表头保存在光透射检测装置中，蓝紫半导体激光器6、光纤准直器2、检测室3、平凸透镜4、激光功率计5都用螺丝牢牢固定在面包板上，以防止光透射检测装置在田间作业时会晃动，影响浓度检测的准确性。把光透射检测装置放置在在线混药装置上时，在光透射检测装置和在线混药装置的接触面放置海绵减缓路面不平带来的影响。
[n0028] 药液检测腔室3的设计主要考虑减少流量和折射、反射的影响。根据光透射原理设计的药液检测腔室3，使用透光率高达92％的聚甲基丙烯酸甲酯制成的有机玻璃材料和不锈钢制成，正对入射光和出射光的面为有机玻璃，连通混药装置的两面为不锈钢制成。检测室通道外周加内细螺纹用于检测室和混药器管道的紧密配合，一方面减少震动带来的影响，另一方面为了减小液流湍流现象对浓度检测的影响，将药液检测腔室3的侧面开孔位置靠近检测腔室上表面。在保证检测室足以透过全部光线的同时尽量减小检测室深度，同时还将检测室长度适当增大来减小两端湍流对中心检测部分的浓度影响。检测室设计成长方形以减少单色平行光的折射和反射，让光尽可能的进入检测腔室3，检测室、激光发射装置和激光功率计接收装置下面设有高度不等的高度可调节底座，这样可以使穿过准直透镜的光垂直并将全部进入检测腔室3，同时使透过检测腔室3出来的光被平凸透镜4汇聚，再由激光功率计5全部接收。进一步的，高度可调节底座包括上层支撑板、下层支撑板以及在上、下层支撑板之间的可调节支撑柱。可调节支撑柱包括支撑套、支撑杆和定位销，所述支撑套、支撑杆之间螺纹连接，定位销插入设在支撑套侧面的通孔并抵住支撑杆。
[n0029] 控制电路7中，32位处理器最小系统8由32位处理器和晶振、电源等基本外围电路构成，用于输出信号控制激光器6和激光功率计5工作，将信号接收模块10接收的光强信号转换为浓度信号发送给显示模块，光强信号转换为浓度信号为根据已知的光强-浓度关系得到。电源转换模块9中通过SP7675和AMS1117稳压芯片转换出3.3V、5V和12V的工作电压用于芯片和检测。信号接收单元10包括RS232、RS485串口通信，用于接收激光功率计5的信号传输。显示模块11用于将检测到的浓度实时显示出来。
[n0030] 本实验采用的是长春新产业光电技术有限公司的MDL-III-405，输出波长为405nm，输出功率50mW的蓝紫光半导体激光器，并配有光纤末端准直器可准直光斑,和同公司型号TS2+TP100，光谱范围0.19-20um，功率测量范围2mw-2w,探测直径为14mm的激光功率计。
[n0031] 下面对利用上述在光透射药液检测系统进行药液浓度实时检测的典型工作过程进行详细描述。
[n0032] 本实用新型采用光透射法，在分光光度计的原理上提出光透射法来检测溶液的浓度，将处理后的透射光强结合静态标准透射光强-浓度的曲线得到被测溶液的精确浓度，从而实现实际施药过程中溶液浓度的在线准确检测。
[n0033] 本实用新型的光透射药液检测系统典型工作过程包括如下步骤：
[n0034] S01：将配置好若干份不同浓度的溶液，按浓度高低不同依次缓慢经管道流过光透射检测装置的药液检测腔室3。
[n0035] S02：控制电路7控制蓝紫半导体激光器6发出激光，激光经光纤准直器2准直平行后透过药液检测腔室3照射到平凸透镜4上聚焦到激光功率计5上。
[n0036] S03：当控制电路7接收到激光功率计5的光强后，32位处理单元系统将数值存储在控制电路7中。以此类推，可以得到一张透射光强与浓度相对应的数值表，运用回归分析拟合得到浓度与透射光强的关系图。
[n0037] S04：使待测溶液在震动模拟情况下缓缓地经管道流过光透射检测装置的药液检测腔室3。
[n0038] S05：控制电路7控制蓝紫半导体激光器6发出激光，激光经光纤准直器2校准后透过药液检测腔室3照射到平凸透镜4上聚焦到激光功率计5上。
[n0039] S06：当控制电路7接收到激光功率计5的光强后，将透射光强代入已知的预先检测得到的透射光强与浓度的关系中得到对应的浓度，在显示模块11上显示出来。
[n0040] 综上所述，所提出的光透射药液检测系统可实现药液浓度在田间震动环境下的在线实时检测，如能结合农药喷洒车上的混药装置还能够做到按需配药，精准施药，提高农药利用率。系统采用ARM系列芯片作为处理器，具有高精度运算，功耗低，运行速度快，抗干扰性能强等多种优势。
[n0041] 以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰应视为本实用新型的保护范围。

权利要求:
Claims (10)
[0001] 1.一种光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，包括光透射检测装置(1)和控制电路(7)；所述光透射检测装置(1)包括激光发射模块(6)、光纤准直器(2)、药液检测腔室(3)、平凸透镜(4)、激光接收模块(5)；所述药液检测腔室(3)为平行六面体结构，其中一对相对的侧面分别开有通孔连接进药管路、出药管路，另外一对相对的侧面作为激光入射窗口和出射窗口为透明材质板，液体农药经进药管路流入并暂存在腔室(3)内，然后经出药管路流出；激光发射模块(6)发射激光经过光纤准直器(2)后照射药液检测腔室(3)内的液体农药、然后激光经过药液后射出，经平凸透镜(4)汇聚在激光接收模块(5)上；所述控制电路(7)包括处理器模块(8)和与其分别电性连接的电源转换模块(9)、信号接口模块(10)、显示屏模块(11)；所述信号接口模块(10)连接激光接收模块(5)，所述控制电路(7)还连接激光发射模块(6)。
[0002] 2.根据权利要求1所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述光透射检测装置(1)采用蓝紫光半导体激光器；所述激光接收模块(5)采用激光功率计；所述处理器模块(8)采用32位处理器最小系统单元。
[0003] 3.根据权利要求2所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述激光器输出波长为405nm，输出功率50mW；所述激光功率计的光谱范围0.19-20um，功率测量范围2mw-2w，探测直径为14mm。
[0004] 4.根据权利要求1所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述药液检测腔室(3)与进药管路、出药管路连接的侧面为不锈钢板；所述作为激光入射窗口和出射窗口的侧面为有机玻璃板。
[0005] 5.根据权利要求1所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述药液检测腔室(3)的侧面开孔位置靠近平行六面体结构上表面。
[0006] 6.根据权利要求1所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述光透射检测装置(1)外设有壳体固定所述光透射检测装置(1)。
[0007] 7.根据权利要求1所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述激光发射模块(6)、光纤准直器(2)、药液检测腔室(3)、平凸透镜(4)、激光接收模块(5)下设有高度不等的高度可调节底座，所述高度可调节底座固定在壳体底板上。
[0008] 8.根据权利要求7所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述高度可调节底座包括上层支撑板、下层支撑板以及在上、下层支撑板之间的可调节支撑柱；所述可调节支撑柱包括支撑套、支撑杆和定位销，所述支撑套、支撑杆之间螺纹连接，定位销插入设在支撑套侧面的通孔并抵住支撑杆。
[0009] 9.根据权利要求1所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述该光透射药液浓度在线检测系统安装在田间农药喷洒车上，通过所述光透射检测装置(1)的药液检测腔室(3)与喷洒药液管路连接。
[0010] 10.根据权利要求1所述的光透射药液浓度在线检测系统，其特征在于，所述电源转换模块(9)将外部电压转换为3.3V、5V和12V；所述信号接口模块(10)采用串口模块；所述显示屏模块(11)为LED或LCD显示屏。

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同族专利:

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公开号 | 公开日

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引用文献:

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公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题

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法律状态:
2021-10-01| GR01| Patent grant|

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2021-10-01| GR01| Patent grant|

优先权:

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申请号 | 申请日 | 专利标题

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CN202120352083.6U|CN214334676U|2021-02-08|2021-02-08|一种光透射药液浓度在线检测系统|CN202120352083.6U| CN214334676U|2021-02-08|2021-02-08|一种光透射药液浓度在线检测系统|