基于微力測量的霧滴沉積量快速測量系統(tǒng)設計與試驗*

孫誠達

(紹興文理學院機械與電氣工程學院，浙江紹興，312000)

0 引言

對農(nóng)作物病蟲草害防治中，化學防治是目前和今后一段時間內(nèi)使用的主要方法[1-3]，但目前農(nóng)藥利用率仍有待提高[3]，先進的施藥技術與植保機械有助于提升農(nóng)藥利用率、提高作業(yè)效率、增強防治效果[4-5]。霧滴沉積量測量是開展噴霧規(guī)律研究和植保機械作業(yè)性能評價、優(yōu)化的重要基礎和前提。

示蹤劑法[6-9]是目前霧滴沉積量測量的常用方法，用載體(尼龍、棉繩、紙卡等)[10]收集熒光示蹤劑、染色或金屬鹽類霧滴，接著將載體帶回實驗室洗滌，通過對洗脫液中化學元素光譜特性定量分析來計算霧滴沉積量，測量環(huán)節(jié)比較繁瑣復雜，尤其對大容量樣本測量時，測量效率有待進一步提高。為此，許多學者對霧滴沉積量快速測量方法開展了研究。Salyani等[11]基于電阻變化原理設計了霧滴沉積量測量系統(tǒng)；張瑞瑞等[12]基于電容原理，設計了霧滴沉積量測量系統(tǒng)；吳亞壘等[13]基于駐波率原理，設計了適用于溫室使用的叉指型霧滴沉積量測量系統(tǒng)。這些研究提高了霧滴沉積量測量效率，但當感應板霧滴量較大時，霧滴容易滑落，影響測量精度，此時需要對傳感器表面進行清洗、擦拭等處理后再使用[12]。

基于微力傳感器，設計霧滴沉積量測量系統(tǒng)。研究目標如下：(1)實現(xiàn)不用示蹤劑，對各類農(nóng)藥霧滴沉積量快速測量；(2)通過選擇傳感器，杠桿對微力放大和減小摩擦阻力，提高測量分辨率；(3)開展與示蹤劑測量法對比試驗，檢驗系統(tǒng)準確性；(4)開展風速、液體蒸發(fā)、環(huán)境溫度、農(nóng)藥種類等對測量精度的影響試驗，檢驗系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性。

1 測量系統(tǒng)

1.1 測量原理

微力傳感器由電阻式應變片按惠斯通電橋原理組成。電阻式應變片在承受壓力后產(chǎn)生機械形變的同時，電阻值也會發(fā)生變化。由材料電阻與形變關系理論[14]可知，在彈性形變范圍內(nèi)，電阻相對變化與縱向應變成正比

(1)

式中：R——材料電阻；

ΔR——變化的電阻；

K——金屬靈敏度系數(shù)；

ε——縱向應變。

為把微小應變引起的微小電阻變化精確地測量出來，測量系統(tǒng)采用如圖1所示電橋電路。

圖1 電橋電路Fig. 1 Bridege circuit

當各電阻滿足R1R3=R2R4時，達到電橋平衡。設工作應變片電阻為R1，變形后引起電阻變化ΔR1，產(chǎn)生電橋輸出不平衡電壓，可以推導電橋中輸出電壓與輸入電壓關系如式(2)所示[14]。

(2)

式中：U0——輸出電壓；

Ui——輸入電壓。

由式(1)和式(2)可推得

(3)

式(3)表明，對一個固定電阻電橋壓力傳感器，橋臂電阻比n、電源電壓Ui、金屬靈敏度系數(shù)K確定時，輸出電壓U0與傳感器金屬材料的縱向應變ε成正比。建立壓力變化和輸出電壓變化的對應關系，就可以通過測量輸出電壓得到壓力值。本測量系統(tǒng)根據(jù)此原理設計。

1.2 測量系統(tǒng)設計

1.2.1 技術框架

測量系統(tǒng)由霧滴采集裝置，微力傳感器，數(shù)據(jù)采集卡，PC機數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)四部分組成，其技術流程如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)流程圖Fig. 2 Flow chart of the system

測量過程如下。

1) 霧滴采集裝置采集霧滴，Vs-100g微力傳感器測量收集霧滴前后所受到的力，并向數(shù)據(jù)采集卡輸出對應的模擬信號，VK701數(shù)據(jù)采集卡自帶模擬信號放大和轉(zhuǎn)換數(shù)字信號功能，把采集到的信號放大后、轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸送到PC機。

2) 軟件系統(tǒng)利用Matlab的相關函數(shù)將從串口讀進來的數(shù)據(jù)按列順序存放在矩陣中，并顯示測量值。

3) 系統(tǒng)用xlswrite函數(shù)把測量數(shù)據(jù)存入Excel的對應表中，供后繼進一步分析、調(diào)用。

1.2.2 硬件平臺搭建

測量系統(tǒng)由Vs-100g微力傳感器、托盤、霧滴采樣盒、杠桿、防風裝置、VK701數(shù)據(jù)采集卡、定位支架及PC機等組成，如圖3～圖4所示。

采集水平面上霧滴，采樣盒按圖3設計。把采樣盒水平放置在樣點處，采樣口(c1d1e1f1)與水平面平行。采集微量霧滴時，采樣盒底部放高分子保水劑片，減小霧滴蒸發(fā)對測量影響。

(a) 原理圖

(b) 實物圖圖3 霧滴沉積量水平測量裝置Fig. 3 Measurement device for droplet mass deposit on horizontal plane1.杠桿 2.連接繩 3.金屬刀口 4.托架 5.采樣盒 6.防風罩 7.電機 8.防風蓋板 9.傳感器 10.支架

采集豎直面上霧滴，采樣盒按圖4設計，采樣盒上加裝霧滴擋板。采集微量霧滴時，擋板采集霧滴的一面，貼高分子保水劑片，減小霧滴蒸發(fā)對測量影響。采樣盒上設計導流孔和輕質(zhì)導流板，當采集霧滴時，氣流會沖開導流板，從擋板下方通過，減小對氣流分布的影響。當讀數(shù)時，導流板在重力作用下封閉導流孔，起防風作用。測量時，采集面(c2d2e2f2)與豎直面平行。

(a) 原理圖

(b) 實物圖圖4 霧滴沉積量豎直測量裝置Fig. 4 Measurement device for droplet mass deposit on vertical plane1.防風蓋板 2.電機 3.霧滴擋板 4.防風罩 5.導流板 6.導流孔

測量其他面上霧滴沉積量時，可將霧滴采集口平面調(diào)節(jié)成與該采集面平行。防風罩、防風蓋板可減少周圍空氣流動對測量干擾。蓋板周邊帶密封圈，采集霧滴時蓋板打開，采集后蓋板自動關閉。Vs傳感器為微弱力測量而專門研制的傳感器，帶橋路溫度補償，有多種規(guī)格，本文選擇量程0～100 g，測量精度1 mg微力傳感器。采樣盒口尺寸為5.5 cm×5.5 cm，杠桿對微力10倍放大，測量分辨率可達到0.003 3 mg/cm2，測量范圍0～8 g。

VK701數(shù)據(jù)采集卡，外殼采用全金屬屏蔽，400 ksps采樣率，500倍精密前置增益，能滿足本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集要求。

1.2.3 軟件系統(tǒng)設計

軟件系統(tǒng)主要完成串口讀數(shù)、數(shù)據(jù)濾波、人機交互控制和可視化顯示等功能。

系統(tǒng)基于Matlab GUI，設計了可視化人機交互界面，主要實現(xiàn)采集和處理試驗數(shù)據(jù)，分析和顯示數(shù)據(jù)規(guī)律，儲存和導出測量結果。界面由菜單欄、顯示窗口及操作按鈕三部分組成。

為提高測量數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性，采用中位值平均濾波法對測量數(shù)據(jù)進行處理，其具體方法為：連續(xù)采樣N個數(shù)據(jù)(N可根據(jù)需要確定數(shù)值)，去掉一個最大值和最小值，然后計算N-2個數(shù)據(jù)的平均值，該方法能較好地消除偶然因素引起的波動干擾，提高測量的穩(wěn)定性。

2.1 霧滴沉積量與傳感器輸出電壓對應關系的建立

標定試驗分兩組進行，根據(jù)霧滴沉積量大小，分為0～200 mg和0.2～8 g兩個區(qū)段，建立不同區(qū)段的標定表達式。

0～200 mg標定試驗：對0～5 mg和5～200 mg區(qū)段的霧滴沉積量，采用不同的霧滴沉積量增加方法。

0～5 mg范圍內(nèi)霧滴沉積量增加方法為：(1)將測量裝置放在分析天平上(精度0.1 mg)，在測量裝置周圍設計一個防護罩，防止霧滴沉積在天平托盤上，在采樣盒內(nèi)，放置高分子保水劑，減小霧滴蒸發(fā)，如圖5所示；(2)閉合電路，讀出傳感器輸出電壓初值U1。(3)在霧滴進口正上方2.0 m位置設置噴頭，向下噴霧，噴頭移動速度為1.5m/s；每次噴霧后，蓋上防風蓋板，從天平讀出霧滴累積的總質(zhì)量m1，(4)閉合電路，讀出傳感器輸出電壓Ux。重復步驟(3)、步驟(4)，使采樣液中霧滴累積質(zhì)量增至5 mg左右。

圖5 霧滴沉積量與傳感器輸出電壓標定試驗Fig. 5 Calibration test between droplet mass deposit and output voltage of the sensor1. 霧滴采樣盒 2. 防風罩 3.分析天平

5～200 mg范圍內(nèi)霧滴沉積量增加方法為：使用移液槍每次向采樣盒加入約2.5 μL清水，從天平讀出所加清水總質(zhì)量m1，PC機上讀出傳感器輸出電壓Ux，直至加入清水質(zhì)量達到200 mg。

0.2～8 g標定試驗：(1)將圖3測量裝置放在天平上，閉合電路，讀出傳感器輸出電壓初值U1；(2)使用移液槍每次向采樣盒加入約200 μL清水，從天平讀出所加清水總質(zhì)量m1，PC機上讀出傳感器輸出電壓Ux；(3)重復步驟(2)，直至加入清水質(zhì)量達到8 g。

對采樣液質(zhì)量m1與傳感器增加的輸出電壓(Ux-U1)進行線性擬合，趨勢曲線和擬合公式如圖6所示。由圖可知，各組決定系數(shù)R2均達到0.999，兩者呈現(xiàn)較好的線性關系。

由上述試驗可知，采樣液質(zhì)量與輸出電壓關系

m=aU+b

(4)

式中：a，b——待定系數(shù)；

U——傳感器輸出電壓值，mV；

m——采樣液質(zhì)量，g。

(a) 0～200 mg標定曲線

(b) 0.2～8 g標定曲線圖6 霧滴累積沉積量與傳感器輸出電壓的關系Fig.6 Relation between accumulating droplet mass deposit and voltage

2 試驗與驗證

2.1 穩(wěn)定性測試

分3次隨機向測量系統(tǒng)采樣盒中加入一定量固體樣品，每次加完后，蓋上防風蓋板，每隔10 min從PC機上讀出測量值，讀10次，計算變異系數(shù)。表1為本系統(tǒng)穩(wěn)定性測試記錄，分析表中數(shù)據(jù)可知，三次數(shù)據(jù)變異系數(shù)都小于1.73%，說明測量系統(tǒng)有較好穩(wěn)定性。

表1 系統(tǒng)穩(wěn)定性測試記錄Tab. 1 Measurement results of stability test

2.2 與示蹤劑測量法的對比試驗

為檢驗本系統(tǒng)測量的準確性，開展了與常用示蹤劑測量法的對比試驗，用相對誤差來評價。

2.2.1 測豎直面上霧滴沉積量對比試驗

搭建由雙缸柱塞泵、噴頭、風機等組成噴霧平臺。噴頭軸線水平，離地高度1.25 m，樣點離地面高度0.95 m，噴霧距離分別為0.8 m，1.2 m，1.6 m，2.0 m，2.4 m。用0.1%的酸性黃示蹤劑作為噴霧液。噴霧時，風機出口風速5 m/s，樣點與噴頭相對移動速度為1.5 m/s，噴霧壓力1.0 MPa。

開展本文測量系統(tǒng)與示蹤劑測量方法在豎直面上霧滴沉積量測量對比試驗，試驗分2組進行，第1組使用示蹤劑測量方法，第2組使用本文測量系統(tǒng)。

第1組，(1)在樣點處布置與圖4中采集面c2d2e2f2相等面積的濾紙(濾紙粘在小支架上)，濾紙平面與噴頭中心軸線方向垂直；(2)進行噴霧作業(yè)，采集樣點處霧滴；(3)噴霧結束后對濾紙收集，洗滌，測量，計算濾紙上霧滴沉積量，每一噴霧距離重復5次，試驗結果見表2。

表2 測豎直平面上霧滴沉積量對比試驗結果Tab. 2 Droplet mass deposits on vertical plane

第2組，在樣點處布置圖4測量裝置，采集口與噴頭中心軸線方向垂直，在PC機界面讀取噴霧前后測量值m1和m2，則m2-m1為本次霧滴沉積量，每一噴霧距離重復5次，試驗結果見表2。

表2為測豎直面上霧滴沉積量對比試驗結果。由表中數(shù)據(jù)可知，兩種測量法的相對誤差為6.13%，表明本系統(tǒng)有較高的測量精度。

2.2.2 測水平面上霧滴沉積量對比試驗

開展本文測量系統(tǒng)與示蹤劑測量方法在水平面上霧滴沉積量測量對比試驗，試驗分2組進行，第1組使用示蹤劑測量方法，第2組使用本文測量系統(tǒng)。

用2.2.1節(jié)噴霧平臺，噴頭中心軸線水平，噴頭中心點離地面高度為1.25 m，樣點離地高度0.30 m，噴霧距離分別為0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m，1.4 m，用質(zhì)量分數(shù)為0.1%的酸性黃示蹤劑作為噴霧液。噴霧時，樣點與噴頭相對移動速度為1.5 m/s，噴霧壓力1.0 MPa，試驗分2組進行。

第1組，在樣點處布置與圖3霧滴采集口相等面積的濾紙(濾紙粘在小支架上)，濾紙平面與水平面平行。具體測量方法參照2.2.1節(jié)第1組方法，每一噴霧距離重復5次，試驗結果見表3。

第2組，在樣點處布置圖3測量裝置。采集口與水平面平行。具體測量方法參照2.2.1節(jié)第2組方法，每一噴霧距離重復5次，試驗結果見表3。

表3 測水平面上霧滴沉積量對比試驗結果Tab. 3 Droplet mass deposits on horizontal plane

表3為測水平面上霧滴沉積量對比試驗結果。由表中數(shù)據(jù)可知，兩種測量法的相對誤差為5.13%，比豎直面上略有下降，表明本系統(tǒng)有較高的測量精度。

2.3 外界因素對測量的影響試驗

2.3.1 采樣液蒸發(fā)對裝置測量的影響試驗

噴頭豎直向下，噴頭中心點離地高度為2.0 m；(1)將圖3裝置放在采樣處，采樣盒內(nèi)加入高分子保水劑片；(2)噴霧后，在PC機上界面讀取霧滴沉積量測量值m0；(3)每隔30 s讀取測量值mn，則m0-mn為第n次讀數(shù)時霧滴蒸發(fā)量，(m0-mn)/m0為相對誤差，(4)改變噴霧時間，從而調(diào)節(jié)初始質(zhì)量，重復步驟(2)及步驟(3)，試驗時環(huán)境溫度31.5 ℃。結果見表4。

表4為采樣液蒸發(fā)對測量精度影響試驗的結果。分析表中數(shù)據(jù)可知，由于高分子保水劑片和防風蓋板的作用，霧滴蒸發(fā)量較小；霧滴沉積量為1.9 mg數(shù)量級時，在90 s內(nèi)霧滴蒸發(fā)造成的相對誤差小于5.3%，而隨著霧滴沉積量增加，相對誤差減小。由于收集霧滴時，防風蓋板只開啟幾秒鐘，測量時，讀數(shù)時間只需幾秒鐘，因此采樣液蒸發(fā)因素對測量精度影響較小。

表4 采樣液蒸發(fā)對測量精度影響試驗結果Tab. 4 Results for influence of liquid evaporation on measurement precision

2.3.2 環(huán)境溫度對測量精度影響試驗

試驗時在采樣盒內(nèi)放置質(zhì)量為10 mg固態(tài)樣品(減少蒸發(fā)影響)，放入HWS-50B恒溫恒濕箱，調(diào)節(jié)至不同溫度，讀取相應的測量結果，計算質(zhì)量變化及相對誤差，試驗結果見表5。分析表中數(shù)據(jù)可知，當樣本質(zhì)量為10 mg時，溫度變化10 ℃，相對誤差變化為1.25%，溫度對測量影響較小。

表5 環(huán)境溫度對測量精度影響試驗結果Tab. 5 Results for the influence of the temperature on measurement precision

2.3.3 風速對測量精度的影響試驗

本裝置采樣時，防風蓋板打開。采樣結束后，蓋上防風蓋板進行測量讀數(shù)。因此，分2個試驗進行。

試驗一：風送噴霧過程中采樣點不同風速對測量精度的影響試驗。方法如下。

搭建噴霧平臺，噴頭軸線水平，離地高度1.65 m，樣點離地面高度1.5 m，噴霧距離為1.5 m。用0.1%的酸性黃示蹤劑作為噴霧液，試驗分2組進行，第1組使用示蹤劑測量方法，第2組使用本文測量系統(tǒng)。噴霧壓強1.5 MPa，通過繼電器設置噴霧時間為1 s。開啟風機，用風速儀測量樣點處風速，接著開啟噴頭噴霧，完成霧滴采樣后，進行霧滴沉積量測量，測量方法可參照2.2.1節(jié)。用變頻器改變風機轉(zhuǎn)速，從而改變測量樣點處風速值，重復上述測量步驟，獲得樣點不同風速下霧滴沉積量，試驗記錄見表6。分析表中數(shù)據(jù)可知，采樣點位置風速由1.5 m/s增加至3.6 m/s，測量值相對誤差變化不大，平均誤差為7.02%，測量系統(tǒng)比較穩(wěn)定。

表6 風送噴霧過程中采樣點不同風速對測量精度的影響試驗Tab. 6 Influence of air velocity of sampling point during air-assisted spraying on measurement precision

試驗二：測量系統(tǒng)在防風蓋板合上后，外界風速對測量精度的影響試驗。方法如下。

(1)將采樣盒放置在出風口中軸線上，距離出風口中心點0.5 m處，在采樣盒內(nèi)加入一定量采樣液后，蓋緊防風蓋；(2)開啟風機，用風速儀測量采樣處風速；(3)在PC機界面上讀取測量值；(4)用變頻器改變風機轉(zhuǎn)速，重復步驟(2)、(3)，試驗記錄見表7。

表7 外界環(huán)境風速對測量精度影響試驗Tab. 7 Influence of environmental wind velocity on measurement precision

分析表中數(shù)據(jù)可知，由于防風蓋板的作用，有風時相比無風時，測量結果變化不大，相對誤差比較穩(wěn)定，外界風速對測量影響較小。

2.3.4 農(nóng)藥種類對測量精度的影響試驗

選用若干不同種農(nóng)藥(見表8)進行噴霧試驗。試驗時，噴頭中心軸線水平，噴頭中心點離地高度1.25 m，樣點離地高度0.3 m，噴霧距離為0.5 m，樣點與噴頭相對移動速度為1.5 m/s，壓強1.0 MPa，試驗分2組進行。

第1組，在樣點處布置圖3裝置，采集面水平，試驗結果見表8。

第2組，在樣點處布置濾紙(固定在水平小板上)，采樣面積與第一組相同，用精度0.1 mg分析天平測量噴霧前后濾紙質(zhì)量，兩者的差值為采集的藥液霧滴質(zhì)量。

表8為農(nóng)藥種類對測量精度影響試驗結果，分析表中數(shù)據(jù)可知，不同種農(nóng)藥噴霧試驗，與稱量法比較，相對誤差6.59%～7.37 %，平均誤差6.95%，說明本系統(tǒng)測量不同種類農(nóng)藥霧滴沉積量，有較好的測量精度。

表8 農(nóng)藥種類對測量精度的影響試驗結果Tab. 8 Results for influence of pesticide species on measurement precision

3 結論

本文設計的霧滴沉積量快速測量系統(tǒng)?？刹挥檬聚檮?，對各類農(nóng)藥霧滴沉積量直接快速測量。系統(tǒng)測量分辨率為0.003 3 mg/cm2。測量系統(tǒng)與示蹤劑法對比試驗表明，水平面上和豎直面上相對誤差為5.13%和6.13%，有較好的測量精度。采樣液蒸發(fā)影響試驗表明，霧滴沉積量為1 mg數(shù)量級時，在90 s內(nèi)霧滴蒸發(fā)造成的相對誤差小于5.3%，而隨著霧滴沉積量增加，相對誤差減??；環(huán)境溫度影響試驗表明，當樣本質(zhì)量為10 mg時，溫度變化10 ℃，相對誤差變化約為1.25%，說明溫度對測量影響較小；風速影響試驗結果表明，采樣點位置風速由1.5 m/s增加至3.6 m/s，測量值平均相對誤差為7.02%；上述影響試驗表明，測量精度受外界因素影響較小，有較好的穩(wěn)定性。農(nóng)藥種類對測量精度的影響試驗表明，與稱量法測量平均誤差為6.95%，說明本測量系統(tǒng)對不同種類試驗液有較好適應性。

本系統(tǒng)仍有以下不足：(1)不能顯示霧滴大小的分布；(2)不能測量霧滴覆蓋率。試驗時需與傳統(tǒng)測量方法有機結合。