一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法技术方案

本发明专利技术公开一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法，该系统由数据处理模块、数据采集器、温度传感器、空间叉指式电容传感器、通讯模块、定位模块、电源模块和控制端等部分组成。本发明专利技术提供了一种具有三维结构的空间叉指式电容传感器，其能够输出与雾滴沉积量成正比的电压数据，并提供了一种雾滴沉积量参数检测的具体方法和步骤，雾滴沉积量在线检测系统的数据处理模块通过数据采集器获取并处理空间叉指式电容传感器输出的电压数据，并经由通讯模块传输至控制端。该检测系统及方法具有在线检测植保机械喷雾作业雾滴沉积量参数的功能，同时具有适应性强、响应快、检测精度高等优点，为植保机械喷雾作业的调控提供可靠的依据。

An on-line detection system and method for droplet deposition in spray operation of plant protection machinery

The invention discloses an on-line detection system and method for droplet deposition in spray operation of plant protection machinery. The system is composed of data processing module, data acquisition device, temperature sensor, space interdigital capacitance sensor, communication module, positioning module, power supply module and control terminal. The invention provides a spatial interdigital capacitive sensor with three-dimensional structure, which can output voltage data proportional to droplet deposition, and provides a specific method and procedure for detecting droplet deposition parameters. The data processing module of the droplet deposition on-line detection system obtains and coexists through a data acquisition device. The output voltage data of the interdigital capacitive sensor is transmitted to the control terminal through the communication module. The system and method have the function of on-line measuring droplet deposition parameters of plant protection machinery spraying operation, and have the advantages of strong adaptability, fast response and high detection accuracy, which provide a reliable basis for the control of plant protection machinery spraying operation.

【技术实现步骤摘要】
一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法
本专利技术属于智能化机械领域，具体是一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法，即结合无线传感器网络技术与雾滴沉积量传感器，从而实时检测雾滴沉积量数据。
技术介绍
随着智能化精准农业技术的研究发展，精准施药技术已经广泛应用于农作物病虫害防止。在大田、森林、果园等环境的喷雾作业中，药液在植株表面的沉积特性直接影响到病虫害的防治效果。雾滴沉积效果的测量一般通过传统检测方法如水敏纸、器皿采样等完成，从而实现对喷雾效果的衡量。目前，雾滴沉积量的测量方法有着色法、洗脱法、水敏纸法、集槽法和图像处理方法等。近年来，部分研究者将水敏纸检测方法与图像处理技术相结合，主要工作步骤是：先将水敏纸贴附于植株的叶面的正反面，然后在进行喷雾作业后，收集水敏纸，利用图像处理方法对沉积在水敏纸上的雾滴进行分析计算。但是该方法存在测量成本高，布置速度慢，对雾滴运动干扰大等问题。而且Fox等(2003)研究比较了基于水敏纸的图像处理和视觉两种检测方法，对比结果表明当雾滴覆盖率大于40％时，测量结果不可取。公告号CN106442235A的专利文献公开了一种农药雾滴沉积与蒸发检测装置及方法；该检测装置包括：共平面插指式电容器、高频振荡器、信号瞬时周期检测模块和数据处理模块。该农药雾滴沉积与蒸发检测装置的检测方法：利用高频振荡器跟踪共平面插指式电容器并输出频率可变的高频振荡信号，通过信号瞬时周期检测模块进行采集并发送给数据处理模块进行处理。相对于上述专利，本专利技术设计并采用一种适应性强、响应快、精度高的新型空间叉指式电容传感器，能够获取精度更高的雾滴沉积量数据；并且本专利技术提供的基准电压、环境温度、以及雾滴沉积量检测方法能够消除不同雾滴粒径、不同药液剂型以及环境温度造成的影响。公告号CN104596567A的专利文献公开了一种药液地面沉积均一性测量方法及系统。该测量系统通过将传感器节点设备与自组网无线传感器网络相结合，实现对喷洒区域内药液雾滴沉积量的自动实时采集，并通过计算机对雾滴沉积量的统计分析得到喷洒区域药液沉积均一性的评价；但是该专利并没有提供详细的雾滴沉积感应传感器结构设计方案。本专利技术设计了一种适应性强、响应快、精度高的空间叉指式电容传感器，能够获取精度更高的雾滴沉积量数据；并提供了具体的基准电压、环境温度、以及雾滴沉积量检测办法。小型喷雾植保机具作业的方式日益发展，而上述几种雾滴沉积量测量方法存在操作繁琐、工作量大、不能实时检测等缺点，同时也会受到各种外界环境因素的影响，最终导致测量结果存在很大误差。
技术实现思路
针对以上问题，本专利技术提供了一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统及方法，即结合雾滴沉积量传感器和无线传感器网络技术完成数据的采集；设计并采用一种适应性强、响应快、精度高的新型空间叉指式电容传感器，实现了不受外界因素影响的高精度雾滴沉积量在线检测。为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其包括温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块、控制端及电源模块；所述温度传感器和空间叉指式电容传感器用于检测环境温度以及喷雾作业时雾滴沉积量；所述数据采集器用于获取空间叉指式电容传感器输出的电压信号，同时为空间叉指式电容传感器提供激励电压；所述运算放大模块用于对空间叉指式电容传感器所采集的电压数据进行放大处理；所述定位模块用于检测所述雾滴沉积量在线检测系统的位置信息；所述数据处理模块用于处理空间叉指式电容传感器所输出的电压信号，从而得到雾滴沉积量数据；所述功率放大模块用于对传输的数据进行放大处理；所述通讯模块用于完成数据的发送与接收；所述控制端用于向数据处理模块发送指令；所述电源模块用于为数据处理模块提供电源；所述温度传感器、定位模块、电源模块直接与数据处理模块连接；空间叉指式电容传感器通过数据采集器和运算放大模块与数据处理模块相连接；通讯模块通过功率放大模块与数据处理模块连接。所述空间叉指式电容传感器能够根据叉指电容间介质的变化，即电导率的变化，从而输出与沉积在该传感器上的雾滴沉积量成正比的电压信号。在喷雾作业前后，空间叉指式电容传感器电容分别为空气和气液混合体，从而导致电容间的电导率增大，输出的电压值随之增大，从而输出与雾滴沉积量成正比的电压数据。所述空间叉指式电容传感器包括高电位总线、低电位侧边总线、叉指电极、基底以及钝化层；所述高电位总线、低电位侧边总线和叉指电极采用不同尺寸的铜导线组成，其中高电位总线位于传感器中心线上，两个低电位侧边总线分别位于与中心线平行的传感器的两侧，叉指电极分布在高电位总线和低电位侧边总线之间，分别与高电位总线和低电位侧边总线相连；所述基底位于叉指电极的底部，起到对叉指电极的支撑作用，该基底采用绝缘材料：例如尼龙材料或聚丙烯材料，这两种材料均具有质轻、耐磨及较好的耐腐蚀性等优点；所述钝化层均匀地覆盖在叉指电极表面，该钝化层采用二氧化硅材料，所述二氧化硅材料能够有效地保护叉指电极不被农药腐蚀、破坏，以增加该传感器的使用寿命。所述空间叉指式电容传感器形状为矩形，且所述传感器的长L为60～80mm之间，宽W为40～60mm之间，其中L:W为1.1至1.5之间；所述高电位总线高度HZ大于低电位侧边总线11的高度HL，其中HZ为0.3至0.8mm之间，HL为0.2至0.8mm之间，且HZ:HL为1.1至1.3之间。所述传感器的基底底面被叉指电极完全填充，叉指电极的边线相互平行，且其中心线与高电位总线和低电位侧边总线垂直，增大空间叉指式电容传感器的电容密度；相邻叉指电极之间的间距Lt＝(0.5～0.6)D50，其中D50为喷雾雾滴的体积中径，且当D50>0.8mm时，Lt取(0.5～0.6)X(D50＝0.8mm)；该尺寸范围的空间叉指式电容传感器相对其他叉指式电容传感器拥有高精度、响应快、适用性强等优点。所述温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块组成无线传感器网络节点，并将传感器网络节点分为两部分：传感器模块和系统控制模块，其中传感器模块包括空间叉指式电容传感器和温度传感器，系统模块包括数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块，并将系统控制模块进行密闭封装，将其与外界隔离开，构成系统封装盒。所述传感器节点在田间的安装方式为：使用可伸缩支架将该传感器网络节点固定于田间；该可伸缩支架调节范围为0.3至1.2m之间，在系统封装盒的顶端设有支撑板，该支撑板具有密集的防积水圆孔；将系统封装盒固定于可伸缩直接的顶端，空间叉指式电容传感器和温度传感器置于支撑板的上方，并且空间叉指式电容传感器表面与地面平行，并且保证其不被其他植株叶面遮盖。所述支撑板设有密集防积水圆孔，能够有效的避免药液在检测平台上的沉积，从而保证雾滴沉积量测量结果的准确性和绝对性。所述数据处理模块是通过雾滴沉积量检测方法、基准电压检测方法以及环境温度检测方法对雾滴沉积量、基准电压以及环境温度进行测量，并对雾滴沉积量数据进行分析处理，消除药液剂型、雾滴粒径本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：其包括温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块、控制端及电源模块；所述温度传感器和空间叉指式电容传感器用于检测环境温度以及喷雾作业时雾滴沉积量；所述数据采集器用于获取空间叉指式电容传感器输出的电压信号，同时为空间叉指式电容传感器提供激励电压；所述运算放大模块用于对空间叉指式电容传感器所采集的电压数据进行放大处理；所述定位模块用于检测所述雾滴沉积量在线检测系统的位置信息；所述数据处理模块用于处理空间叉指式电容传感器所输出的电压信号，从而得到雾滴沉积量数据；所述功率放大模块用于对传输的数据进行放大处理；所述通讯模块用于完成数据的发送与接收；所述控制端用于向数据处理模块发送指令；所述电源模块用于为数据处理模块提供电源；所述温度传感器、定位模块、电源模块直接与数据处理模块连接；空间叉指式电容传感器通过数据采集器和运算放大模块与数据处理模块相连接；通讯模块通过功率放大模块与数据处理模块连接。

【技术特征摘要】
1.一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：其包括温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块、控制端及电源模块；所述温度传感器和空间叉指式电容传感器用于检测环境温度以及喷雾作业时雾滴沉积量；所述数据采集器用于获取空间叉指式电容传感器输出的电压信号，同时为空间叉指式电容传感器提供激励电压；所述运算放大模块用于对空间叉指式电容传感器所采集的电压数据进行放大处理；所述定位模块用于检测所述雾滴沉积量在线检测系统的位置信息；所述数据处理模块用于处理空间叉指式电容传感器所输出的电压信号，从而得到雾滴沉积量数据；所述功率放大模块用于对传输的数据进行放大处理；所述通讯模块用于完成数据的发送与接收；所述控制端用于向数据处理模块发送指令；所述电源模块用于为数据处理模块提供电源；所述温度传感器、定位模块、电源模块直接与数据处理模块连接；空间叉指式电容传感器通过数据采集器和运算放大模块与数据处理模块相连接；通讯模块通过功率放大模块与数据处理模块连接。2.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述空间叉指式电容传感器能够根据叉指电容间介质的变化，即电导率的变化，从而输出与沉积在该传感器上的雾滴沉积量成正比的电压信号；在喷雾作业前后，空间叉指式电容传感器电容分别为空气和气液混合体，从而导致电容间的电导率增大，输出的电压值随之增大，从而输出与雾滴沉积量成正比的电压数据。3.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述空间叉指式电容传感器包括高电位总线、低电位侧边总线、叉指电极、基底以及钝化层；所述高电位总线、低电位侧边总线和叉指电极采用不同尺寸的铜导线组成，其中高电位总线位于传感器中心线上，两个低电位侧边总线分别位于与中心线平行的传感器的两侧，叉指电极分布在高电位总线和低电位侧边总线之间，分别与高电位总线和低电位侧边总线相连；所述基底位于叉指电极的底部，起到对叉指电极的支撑作用，该基底采用绝缘材料；所述钝化层均匀地覆盖在叉指电极表面，该钝化层采用二氧化硅材料，所述二氧化硅材料能够有效地保护叉指电极不被农药腐蚀、破坏，以增加该传感器的使用寿命。4.如权利要求3所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述空间叉指式电容传感器形状为矩形，且所述传感器的长L为60～80mm之间，宽W为40～60mm之间，其中L:W为1.1至1.5之间；所述高电位总线高度HZ大于低电位侧边总线11的高度HL，其中HZ为0.3至0.8mm之间，HL为0.2至0.8mm之间，且HZ:HL为1.1至1.3之间；所述传感器的基底底面被叉指电极13完全填充，叉指电极的边线相互平行，且其中心线与高电位总线和低电位侧边总线垂直，增大空间叉指式电容传感器的电容密度；相邻叉指电极之间的间距Lt＝(0.5～0.6)D50，其中D50为喷雾雾滴的体积中径，且当D50>0.8mm时，Lt取(0.5～0.6)X(D50＝0.8mm)。5.如权利要求1所述的一种植保机械喷雾作业雾滴沉积量在线检测系统，其特征在于：所述温度传感器、空间叉指式电容传感器、数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块组成无线传感器网络节点，并将传感器网络节点分为两部分：传感器模块和系统控制模块，其中传感器模块包括空间叉指式电容传感器和温度传感器，系统模块包括数据采集器、运算放大模块、定位模块、数据处理模块、功率放大模块、通讯模块以及电源模块，并将系统控制模块进行密闭封装，将其与外界隔离开，构成系统封装盒；所述传感器节点在田间的安装方式为：使用可伸缩支架将该传感器网络节点固定于田间；该可伸缩支架调节范围为0.3至1.2m之间，在系统封装盒的顶端设有支撑板，该支撑板具有密集的防积水圆孔；将系统封装盒固定于可伸缩直接的顶端，空间叉指式电容传感器和温度传感器置于支撑板的上方，并且空间叉指式电容传感器表面与地面平行，...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾卫东，于伟，欧鸣雄，王沛，毛广阳，
申请(专利权)人：江苏大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32