基于微力測量的霧滴沉積量快速測量系統設計與試驗*

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

對農作物病蟲草害防治中，化學防治是目前和今后一段時間內使用的主要方法[1-3]，但目前農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藥利用率、提高作業效率、增強防治效果[4-5]。霧滴沉積量測量是開展噴霧規律研究和植保機械作業性能評價、優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，測量環節比較繁瑣復雜，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；張瑞瑞等[12]基于電容原理，設計了霧滴沉積量測量系統；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。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。研究目標如下：(1)實現不用示蹤劑，對各類農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，檢驗系統準確性；(4)開展風速、液體蒸發、環境溫度、農藥種類等對測量精度的影響試驗，檢驗系統穩定性和可靠性。

1 測量系統

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生機械形變的同時，電阻值也會發生變化。由材料電阻與形變關系理論[14]可知，在彈性形變范圍內，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；

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。本測量系統根據此原理設計。

1.2 測量系統設計

1.2.1 技術框架

測量系統由霧滴采集裝置，微力傳感器，數據采集卡，PC機數據處理系統四部分組成，其技術流程如圖2所示。

圖2 系統流程圖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，并向數據采集卡輸出對應的模擬信號，VK701數據采集卡自帶模擬信號放大和轉換數字信號功能，把采集到的信號放大后、轉換成數字信號輸送到PC機。

2) 軟件系統利用Matlab的相關函數將從串口讀進來的數據按列順序存放在矩陣中，并顯示測量值。

3) 系統用xlswrite函數把測量數據存入Excel的對應表中，供后繼進一步分析、調用。

1.2.2 硬件平臺搭建

測量系統由Vs-100g微力傳感器、托盤、霧滴采樣盒、杠桿、防風裝置、VK701數據采集卡、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，減小霧滴蒸發對測量影響。采樣盒上設計導流孔和輕質導流板，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節成與該采集面平行。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數據采集卡，外殼采用全金屬屏蔽，400 ksps采樣率，500倍精密前置增益，能滿足本系統數據采集要求。

1.2.3 軟件系統設計

軟件系統主要完成串口讀數、數據濾波、人機交互控制和可視化顯示等功能。

系統基于Matlab GUI，設計了可視化人機交互界面，主要實現采集和處理試驗數據，分析和顯示數據規律，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。

為提高測量數據的穩定性，采用中位值平均濾波法對測量數據進行處理，其具體方法為：連續采樣N個數據(N可根據需要確定數值)，去掉一個最大值和最小值，然后計算N-2個數據的平均值，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，根據霧滴沉積量大小，分為0～200 mg和0.2～8 g兩個區段，建立不同區段的標定表達式。

0～200 mg標定試驗：對0～5 mg和5～200 mg區段的霧滴沉積量，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，放置高分子保水劑，減小霧滴蒸發，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量m1，PC機上讀出傳感器輸出電壓Ux，直至加入清水質量達到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)，直至加入清水質量達到8 g。

對采樣液質量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R2均達到0.999，兩者呈現較好的線性關系。

由上述試驗可知，采樣液質量與輸出電壓關系

m=aU+b

(4)

式中：a，b——待定系數；

U——傳感器輸出電壓值，mV；

m——采樣液質量，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 穩定性測試

分3次隨機向測量系統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。表1為本系統穩定性測試記錄，分析表中數據可知，三次數據變異系數都小于1.73%，說明測量系統有較好穩定性。

表1 系統穩定性測試記錄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。

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，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。由表中數據可知，兩種測量法的相對誤差為6.13%，表明本系統有較高的測量精度。

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。

用2.2.1節噴霧平臺，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，用質量分數為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。由表中數據可知，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次讀數時霧滴蒸發量，(m0-mn)/m0為相對誤差，(4)改變噴霧時間，從而調節初始質量，重復步驟(2)及步驟(3)，試驗時環境溫度31.5 ℃。結果見表4。

表4為采樣液蒸發對測量精度影響試驗的結果。分析表中數據可知，由于高分子保水劑片和防風蓋板的作用，霧滴蒸發量較小；霧滴沉積量為1.9 mg數量級時，在90 s內霧滴蒸發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，讀數時間只需幾秒鐘，因此采樣液蒸發因素對測量精度影響較小。

表4 采樣液蒸發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 環境溫度對測量精度影響試驗

試驗時在采樣盒內放置質量為10 mg固態樣品(減少蒸發影響)，放入HWS-50B恒溫恒濕箱，調節至不同溫度，讀取相應的測量結果，計算質量變化及相對誤差，試驗結果見表5。分析表中數據可知，當樣本質量為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。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。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。用變頻器改變風機轉速，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。分析表中數據可知，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%，測量系統比較穩定。

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速，重復步驟(2)、(3)，試驗記錄見表7。

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

分析表中數據可知，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，相對誤差比較穩定，外界風速對測量影響較小。

2.3.4 農藥種類對測量精度的影響試驗

選用若干不同種農藥(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量，兩者的差值為采集的藥液霧滴質量。

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

表8 農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?？刹挥檬聚檮瑢Ω黝愞r藥霧滴沉積量直接快速測量。系統測量分辨率為0.003 3 mg/cm2。測量系統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。采樣液蒸發影響試驗表明，霧滴沉積量為1 mg數量級時，在90 s內霧滴蒸發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??；環境溫度影響試驗表明，當樣本質量為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，有較好的穩定性。農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%，說明本測量系統對不同種類試驗液有較好適應性。

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