折光法混药浓度在线检测装置的设计与试验研究

杨亚飞，王国强，崔　勇，陶德清，林　彤，贾方闻

(江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州　225300)



折光法混药浓度在线检测装置的设计与试验研究

杨亚飞，王国强，崔勇，陶德清，林彤，贾方闻

(江苏农牧科技职业学院，江苏 泰州225300)

摘要：根据不同浓度溶液折光率不同，设计了一种混药浓度在线检测的装置。同时，选用650nm二极管激光器作为光源、PSD作为信号接收器，设计和制造了三角形流道和以OPA4277芯片为主的信号放大电路。试验结果表明：在总流量为4.77L/min时，其线性度较高(R2=0.995 3)，数据离散程度较低(CV=2.4%)，检出时间小于5s，检测最大偏差为0.015 2g/L，可用于混药浓度的在线检测。

关键词：混药浓度;折射率;激光;PSD 在线检测

0引言

相对于预混式混药，在线混药的优势是：①避免了人工混药和清洗，从而提高了安全性；②可以根据田间状况实现施药量与施药机器行驶速度的自动匹配，从而减少农药的超量使用[1]。

我国植保机械混药装置检测标准中只有定性检测指标，尚无定量检测指标，因此需要针对在线混药装置发展混药浓度在线检测的方法与装置，以便完善国家检测标准；另一方面，为适应混药装置工作过程中混药浓度的变化和波动，也需要发展在线混药装置的浓度检测方法及其装置。国外在20世纪90年代就已经开展了混药浓度检测的研究。Miller 等1992年采用微孔流量计测量了一种直接注入式混药装置的混药浓度[2]。Zhu等1998年采用计量泵控制进入水流中的农药药剂量，同时在雾场中等间隔放置取样容量瓶收集雾滴，再计量出取样容器中农药的含量[3]。Miller和Zhu等所选定的测量位置位于药剂箱与药剂注入口之间，故测量的并非是混药后的药液浓度，而是加入到水流中的药剂量，因此这类测量只适合于开环控制，不能用于混药浓度的闭环反馈控制。国内近期也已经开展了相关研究。郭宇波等2008年使用步进电机带动流量调节阀来控制混药浓度[4]，刘志壮等2009年对进入混药器的水流量和农药流量同时进行测量来计算与控制混药浓度[5]。

至今为止，关于混药后浓度测量方法的研究工作很少。Ozkan等1998年建立了根据药箱浊度推断药箱混药浓度的方法[6]。Vondricka等2009年设计了基于光吸收原理的混药浓度检测传感器[7]，利用碘酒能将蓝色淀粉与硫代硫酸钠混合液脱色这一机理，进行碘酒浓度的在线检测。

本文设计了一种基于不同浓度溶液、其折光率不同的原理实现混药浓度在线检测的方法及其装置。相比于Ozkan的方法，该装置实现了混药浓度的在线检测；同时相对于Vondricka光吸收传感器，该装置对于光源和溶液的颜色要求较低。

1混药浓度在线检测装置设计

混药浓度在线检测装置主要由功率可调式激光发生器、流道、PSD(位置敏感传感器)及其配套信号处理电路组成。检测系统如图1所示。

1.水箱　2.柱塞泵　3.射流混药器　4.药箱　5.PSD　6.流道

以PSD作为光斑位置接收传感器[8]，为了提高检测装置的分辨率，本文选用位置分辨率为0.2um的型号为武汉搏盛科技有限公司生产的BS-PSD0018型PSD传感器，其有效光敏面积为1×8mm，光谱响应范围为300～1 100nm。同时，为了满足PSD对光强和波长的要求，本文选用了陕西日成科技发展有限公司生产的RD650-50G1型焦距可调式激光器，其输出波长650nm，输出功率0～30mW，光束发散角0.3mrad。

三角形流道沿图1中A-A处横截面如图2所示。

图2　流道横截面示意图

图2中，α为光线入射角，β为光线出射角；a为等腰三角形顶角；D为溶液为水时光斑出射点到PSD的距离；d为溶液浓度变化时PSD上光斑移动的距离。由此可得△d的变化率为

(1)

由此可以看出：△d的分辨率与α、a、D有关。α越大精确度越低，a越大精确度越高，D越大精确度越高[9]。

以型号为2WA-J的阿贝折射仪检测了5种草甘膦溶液浓度的折射率，如表1所示。当浓度变化△C=1g/L时，其测量的折射率差值最大为△γmax=0.000 24，最小为△γmin=0.000 16，平均差值为△γ=0.000 2。

表1　浓度的草甘膦溶液折射率

为了加工方便，本文设置的等腰三角形流道顶角a=90°；清水的折射率n=1.332 4；入射角α定为65°，不会发生全反射，且入射角较小。草甘膦常用喷雾浓度最小为1.5g/L，本文设定浓度变化最小为0.1g/L，即折射率变化最小为△nmin=2×10-5。将上述参数带入式(1)得△d=2.907×10-5·D，根据PSD的分辨率算出Dmin=16mm。但是，实际激光器的光斑和液体的流动都会对装置的性能产生影响，因此实际距离D要根据实验情况进行调节。

流道整体采用有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲脂)制造，其折射率为1.492，光透率超过92%[10]。为了方便流道两端与现有管道的连接，本文选择的管道连接头内外径分别为R1=16mm、R2=20mm。主体部分为等腰直角三角形截面的通道，横截面积越大，装置分辨率越高；但是横截面积过大，会使气泡从流道里排出所需要的时间增加，并且会使装置体积过大。因此，本文使用的流道是尺寸分别为45mm×85mm、45mm×85mm和63.7mm×85mm，厚度为3mm的有机玻璃粘接而成。

2混药浓度在线检测装置配套电路

由于不同溶液浓度引起的光线偏折角度较小，并且PSD的输出的电流信号是μA级的，自然光、暗电流和信号干扰都会对输出的电流信号产生影响[11-13]。因此，本文设计了信号调制电路作为其配套电路，以提高装置的检测灵敏度。

2.1配套电路要求

配套电路功能要求：①提供电压转换、微电流信号的I/U转换；②电压信号放大、AD转换和显示。

设定参数要求：①配套电路能够使用现有的24V稳压电源供电；②PSD输出的μA级电流信号转换为0～3.3V的电压信号；③A/D模块至少12位；④单片机有可以用于扩展显示模块得I/O口。其整体结构如图3所示。

图3　配套电路结构示意图

2.2核心器件选取和信号调理电路设计

2.2.1单片机最小系统

单片机最小系统需集成两通道12位ADC模块、DS18B20温度检测模块、12864显示模块及多种串口等，以完成信号的采集、A/D转换、数据的显示和通信，以及其他扩展功能。本文选用以MSP430F149芯片为核心的单片机最小系统进行数据的采集、转换和显示。

2.2.2运算放大器和电压转换芯片的选取

运算放大器的选取主要考虑运算放大器的偏移电压、开环增益、偏置电流和温度漂移等方面的影响，且本文需要使用4个运算放大器进行两路电流的I/U转换和放大。所以，此处选择了一款型号为OPA4277的四运放集成放大器，使用ICL7660芯片将24V转化为±5V给OPA4277供电。

2.2.3信号调理电路

信号调理电路包括I/U转换和放大电路两个部分，如图4所示。

图4　信号调理电路

C1、C2和C3为电源的去耦电容，其电容值均为0.1μF；C4和C5为高频滤波旁路电容，为了改进滤波效率，本文均选用0.01μF的钽电容；R1～R5在信号调理电路中起I/U转换和放大作用，其中R1=R4=448kΩ，R2=R5=22kΩ，R3=R6=200kΩ；J1为两路信号输出端口。为了进一步降低噪声对PSD输出信号的干扰，本文直接将PSD设计安装在双面覆铜的PCB板上[14]，附着信号调理电路的PCB板尺寸为50mm×50mm。

3混药浓度的在线检测

影响流动液体浓度检测的因素除了浓度之外，流速、温度等都会对装置的检测精度产生影响[15]。因此，本次试验以浓度为主要影响因素，对检测装置进行性能测定。

3.1试验仪器和材料

试验所用仪器包括以下几类：①混药浓度在线检测装置，包括激光发生器、流道、PSD及配套电路。②射流混药器，江苏大学自主研发，射流嘴直径3mm，椎度16°。③JA31002天平，精度0.01g；UV-2102PCS型紫外可见分光光度计；水桶；芳帝牌胭脂红作为模拟农药[16-17]。④柱塞泵，由变频器控制的电机带动。

3.2混药浓度在线检测装置的标定

首先，使用天平称量4份质量为4g的胭脂红；在水桶内装入8L的清水，将柱塞泵的入水管放入桶中，出水管与射流混药器的入水端相接，射流混药器的吸药端也放在水桶中；射流混药器的出水端与流道入水端相接，射流混药器出水端与流道入水端距离1.5m，流道出水端也放在桶中。其调节变频器频率为6.52Hz，即出口总流量为4.77L/min，设置光斑出射点到PSD的距离为27cm。开启激光器电源并启动变频器，由于在初始启动电机时，流道内液体流动不平稳且有气泡存在，所以启动电机后等待气泡排空后间隔1s记录1次显示屏上显示的数据，并每隔25s时水向桶内加入4g胭脂红，充分搅拌使其混合均匀，共加入4次，使水桶内的溶液浓度分别为0.5、1、1.5、2g/L，采样时间125s。数据记录如图5所示。选取每次加入溶液前20s的数据，采用最小二乘线性拟合方法[18-19]，得到光斑位置/浓度拟合曲线为y=0.114 9x+0.331 1，R2=0.995 3，变异系数最大为CV=2.4%，装置检出时间小于5s。

图5　位置/浓度拟合曲线

3.3混药浓度在线检测

首先，使用天平称量质量为8、16、24、32、40g的胭脂红各1份，分别放入盛有8L清水的5只桶中搅拌均匀，配制成浓度为1、2、3、4、5g/L的溶液。如图1所示，在桶中依然放入清水，射流混药器的吸药端依次放入上述装有不同浓度溶液的桶中进行检测，并将数据带入模型中，计算出浓度值；每次检测过程中，用试管收集混合后的胭脂红溶液样本，用分光光度计测量其浓度，并与实际检测值进行比较，比较结果如表2所示。

表2　混药浓度在线检测浓度值

由表2可以看出：本装置测量的浓度值与分光光度计测量的浓度值最大偏差为0.015 2g/L，小于本文设定的0.1g/L，说明该装置在检测误差范围内，可用于混药浓度检测。

4结论

1)根据不同浓度溶液、其折射率不同的原理，设计了一种混药浓度在线检测装置。以焦距可调式激光器作为光源，有效地提高了光斑质量；PSD和三角形流道的使用有效的提高了装置的分辨率；配套信号调理电路和PCB板的加工及滤光片的使用，有效地消除了噪声和环境光的影响，从而实现了混药浓度的在线检测。

2)在总流量为4.77L/min时，得到的拟合曲线为R2=0.995 3，变异系数最大为CV=2.4%，表明该装置具有较高的线性度并且数据离散度较低。另外，检出时间小于5s。

3)本装置测量的浓度值与用分光光度计测量的浓度值最大偏差为0.015 2g/L，小于本文设定的0.1g/L，可适用于混药浓度在线检测。

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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

文章编号：1003-188X(2016)02-0158-04

中图分类号：S126

文献标识码：A

作者简介：杨亚飞(1989-),男，江苏泰州人，助教，(E-mail)yangyafei890506@163.com。

基金项目：国家自然科学基金项目(31271620);江苏农牧技术职业学院科研项目(NSFYB1414；NSFYB1415)

收稿日期：2015-03-06