基于微力测量的雾滴沉积量快速测量系统设计与试验*

孙诚达

(绍兴文理学院机械与电气工程学院，浙江绍兴，312000)

0 引言

对农作物病虫草害防治中，化学防治是目前和今后一段时间内使用的主要方法[1-3]，但目前农药利用率仍有待提高[3]，先进的施药技术与植保机械有助于提升农药利用率、提高作业效率、增强防治效果[4-5]。雾滴沉积量测量是开展喷雾规律研究和植保机械作业性能评价、优化的重要基础和前提。

示踪剂法[6-9]是目前雾滴沉积量测量的常用方法，用载体(尼龙、棉绳、纸卡等)[10]收集荧光示踪剂、染色或金属盐类雾滴，接着将载体带回实验室洗涤，通过对洗脱液中化学元素光谱特性定量分析来计算雾滴沉积量，测量环节比较繁琐复杂，尤其对大容量样本测量时，测量效率有待进一步提高。为此，许多学者对雾滴沉积量快速测量方法开展了研究。Salyani等[11]基于电阻变化原理设计了雾滴沉积量测量系统；张瑞瑞等[12]基于电容原理，设计了雾滴沉积量测量系统；吴亚垒等[13]基于驻波率原理，设计了适用于温室使用的叉指型雾滴沉积量测量系统。这些研究提高了雾滴沉积量测量效率，但当感应板雾滴量较大时，雾滴容易滑落，影响测量精度，此时需要对传感器表面进行清洗、擦拭等处理后再使用[12]。

基于微力传感器，设计雾滴沉积量测量系统。研究目标如下：(1)实现不用示踪剂，对各类农药雾滴沉积量快速测量；(2)通过选择传感器，杠杆对微力放大和减小摩擦阻力，提高测量分辨率；(3)开展与示踪剂测量法对比试验，检验系统准确性；(4)开展风速、液体蒸发、环境温度、农药种类等对测量精度的影响试验，检验系统稳定性和可靠性。

1 测量系统

1.1 测量原理

微力传感器由电阻式应变片按惠斯通电桥原理组成。电阻式应变片在承受压力后产生机械形变的同时，电阻值也会发生变化。由材料电阻与形变关系理论[14]可知，在弹性形变范围内，电阻相对变化与纵向应变成正比

(1)

式中：R——材料电阻；

ΔR——变化的电阻；

K——金属灵敏度系数；

ε——纵向应变。

为把微小应变引起的微小电阻变化精确地测量出来，测量系统采用如图1所示电桥电路。

图1 电桥电路Fig. 1 Bridege circuit

当各电阻满足R1R3=R2R4时，达到电桥平衡。设工作应变片电阻为R1，变形后引起电阻变化ΔR1，产生电桥输出不平衡电压，可以推导电桥中输出电压与输入电压关系如式(2)所示[14]。

(2)

式中：U0——输出电压；

Ui——输入电压。

由式(1)和式(2)可推得

(3)

式(3)表明，对一个固定电阻电桥压力传感器，桥臂电阻比n、电源电压Ui、金属灵敏度系数K确定时，输出电压U0与传感器金属材料的纵向应变ε成正比。建立压力变化和输出电压变化的对应关系，就可以通过测量输出电压得到压力值。本测量系统根据此原理设计。

1.2 测量系统设计

1.2.1 技术框架

测量系统由雾滴采集装置，微力传感器，数据采集卡，PC机数据处理系统四部分组成，其技术流程如图2所示。

图2 系统流程图Fig. 2 Flow chart of the system

测量过程如下。

1) 雾滴采集装置采集雾滴，Vs-100g微力传感器测量收集雾滴前后所受到的力，并向数据采集卡输出对应的模拟信号，VK701数据采集卡自带模拟信号放大和转换数字信号功能，把采集到的信号放大后、转换成数字信号输送到PC机。

2) 软件系统利用Matlab的相关函数将从串口读进来的数据按列顺序存放在矩阵中，并显示测量值。

3) 系统用xlswrite函数把测量数据存入Excel的对应表中，供后继进一步分析、调用。

1.2.2 硬件平台搭建

测量系统由Vs-100g微力传感器、托盘、雾滴采样盒、杠杆、防风装置、VK701数据采集卡、定位支架及PC机等组成，如图3～图4所示。

采集水平面上雾滴，采样盒按图3设计。把采样盒水平放置在样点处，采样口(c1d1e1f1)与水平面平行。采集微量雾滴时，采样盒底部放高分子保水剂片，减小雾滴蒸发对测量影响。

(a) 原理图

(b) 实物图图3 雾滴沉积量水平测量装置Fig. 3 Measurement device for droplet mass deposit on horizontal plane1.杠杆 2.连接绳 3.金属刀口 4.托架 5.采样盒 6.防风罩 7.电机 8.防风盖板 9.传感器 10.支架

采集竖直面上雾滴，采样盒按图4设计，采样盒上加装雾滴挡板。采集微量雾滴时，挡板采集雾滴的一面，贴高分子保水剂片，减小雾滴蒸发对测量影响。采样盒上设计导流孔和轻质导流板，当采集雾滴时，气流会冲开导流板，从挡板下方通过，减小对气流分布的影响。当读数时，导流板在重力作用下封闭导流孔，起防风作用。测量时，采集面(c2d2e2f2)与竖直面平行。

(a) 原理图

(b) 实物图图4 雾滴沉积量竖直测量装置Fig. 4 Measurement device for droplet mass deposit on vertical plane1.防风盖板 2.电机 3.雾滴挡板 4.防风罩 5.导流板 6.导流孔

测量其他面上雾滴沉积量时，可将雾滴采集口平面调节成与该采集面平行。防风罩、防风盖板可减少周围空气流动对测量干扰。盖板周边带密封圈，采集雾滴时盖板打开，采集后盖板自动关闭。Vs传感器为微弱力测量而专门研制的传感器，带桥路温度补偿，有多种规格，本文选择量程0～100 g，测量精度1 mg微力传感器。采样盒口尺寸为5.5 cm×5.5 cm，杠杆对微力10倍放大，测量分辨率可达到0.003 3 mg/cm2，测量范围0～8 g。

VK701数据采集卡，外壳采用全金属屏蔽，400 ksps采样率，500倍精密前置增益，能满足本系统数据采集要求。

1.2.3 软件系统设计

软件系统主要完成串口读数、数据滤波、人机交互控制和可视化显示等功能。

系统基于Matlab GUI，设计了可视化人机交互界面，主要实现采集和处理试验数据，分析和显示数据规律，储存和导出测量结果。界面由菜单栏、显示窗口及操作按钮三部分组成。

为提高测量数据的稳定性，采用中位值平均滤波法对测量数据进行处理，其具体方法为：连续采样N个数据(N可根据需要确定数值)，去掉一个最大值和最小值，然后计算N-2个数据的平均值，该方法能较好地消除偶然因素引起的波动干扰，提高测量的稳定性。

2.1 雾滴沉积量与传感器输出电压对应关系的建立

标定试验分两组进行，根据雾滴沉积量大小，分为0～200 mg和0.2～8 g两个区段，建立不同区段的标定表达式。

0～200 mg标定试验：对0～5 mg和5～200 mg区段的雾滴沉积量，采用不同的雾滴沉积量增加方法。

0～5 mg范围内雾滴沉积量增加方法为：(1)将测量装置放在分析天平上(精度0.1 mg)，在测量装置周围设计一个防护罩，防止雾滴沉积在天平托盘上，在采样盒内，放置高分子保水剂，减小雾滴蒸发，如图5所示；(2)闭合电路，读出传感器输出电压初值U1。(3)在雾滴进口正上方2.0 m位置设置喷头，向下喷雾，喷头移动速度为1.5m/s；每次喷雾后，盖上防风盖板，从天平读出雾滴累积的总质量m1，(4)闭合电路，读出传感器输出电压Ux。重复步骤(3)、步骤(4)，使采样液中雾滴累积质量增至5 mg左右。

图5 雾滴沉积量与传感器输出电压标定试验Fig. 5 Calibration test between droplet mass deposit and output voltage of the sensor1. 雾滴采样盒 2. 防风罩 3.分析天平

5～200 mg范围内雾滴沉积量增加方法为：使用移液枪每次向采样盒加入约2.5 μL清水，从天平读出所加清水总质量m1，PC机上读出传感器输出电压Ux，直至加入清水质量达到200 mg。

0.2～8 g标定试验：(1)将图3测量装置放在天平上，闭合电路，读出传感器输出电压初值U1；(2)使用移液枪每次向采样盒加入约200 μL清水，从天平读出所加清水总质量m1，PC机上读出传感器输出电压Ux；(3)重复步骤(2)，直至加入清水质量达到8 g。

对采样液质量m1与传感器增加的输出电压(Ux-U1)进行线性拟合，趋势曲线和拟合公式如图6所示。由图可知，各组决定系数R2均达到0.999，两者呈现较好的线性关系。

由上述试验可知，采样液质量与输出电压关系

m=aU+b

(4)

式中：a，b——待定系数；

U——传感器输出电压值，mV；

m——采样液质量，g。

(a) 0～200 mg标定曲线

(b) 0.2～8 g标定曲线图6 雾滴累积沉积量与传感器输出电压的关系Fig.6 Relation between accumulating droplet mass deposit and voltage

2 试验与验证

2.1 稳定性测试

分3次随机向测量系统采样盒中加入一定量固体样品，每次加完后，盖上防风盖板，每隔10 min从PC机上读出测量值，读10次，计算变异系数。表1为本系统稳定性测试记录，分析表中数据可知，三次数据变异系数都小于1.73%，说明测量系统有较好稳定性。

表1 系统稳定性测试记录Tab. 1 Measurement results of stability test

2.2 与示踪剂测量法的对比试验

为检验本系统测量的准确性，开展了与常用示踪剂测量法的对比试验，用相对误差来评价。

2.2.1 测竖直面上雾滴沉积量对比试验

搭建由双缸柱塞泵、喷头、风机等组成喷雾平台。喷头轴线水平，离地高度1.25 m，样点离地面高度0.95 m，喷雾距离分别为0.8 m，1.2 m，1.6 m，2.0 m，2.4 m。用0.1%的酸性黄示踪剂作为喷雾液。喷雾时，风机出口风速5 m/s，样点与喷头相对移动速度为1.5 m/s，喷雾压力1.0 MPa。

开展本文测量系统与示踪剂测量方法在竖直面上雾滴沉积量测量对比试验，试验分2组进行，第1组使用示踪剂测量方法，第2组使用本文测量系统。

第1组，(1)在样点处布置与图4中采集面c2d2e2f2相等面积的滤纸(滤纸粘在小支架上)，滤纸平面与喷头中心轴线方向垂直；(2)进行喷雾作业，采集样点处雾滴；(3)喷雾结束后对滤纸收集，洗涤，测量，计算滤纸上雾滴沉积量，每一喷雾距离重复5次，试验结果见表2。

表2 测竖直平面上雾滴沉积量对比试验结果Tab. 2 Droplet mass deposits on vertical plane

第2组，在样点处布置图4测量装置，采集口与喷头中心轴线方向垂直，在PC机界面读取喷雾前后测量值m1和m2，则m2-m1为本次雾滴沉积量，每一喷雾距离重复5次，试验结果见表2。

表2为测竖直面上雾滴沉积量对比试验结果。由表中数据可知，两种测量法的相对误差为6.13%，表明本系统有较高的测量精度。

2.2.2 测水平面上雾滴沉积量对比试验

开展本文测量系统与示踪剂测量方法在水平面上雾滴沉积量测量对比试验，试验分2组进行，第1组使用示踪剂测量方法，第2组使用本文测量系统。

用2.2.1节喷雾平台，喷头中心轴线水平，喷头中心点离地面高度为1.25 m，样点离地高度0.30 m，喷雾距离分别为0.6 m，0.8 m，1.0 m，1.2 m，1.4 m，用质量分数为0.1%的酸性黄示踪剂作为喷雾液。喷雾时，样点与喷头相对移动速度为1.5 m/s，喷雾压力1.0 MPa，试验分2组进行。

第1组，在样点处布置与图3雾滴采集口相等面积的滤纸(滤纸粘在小支架上)，滤纸平面与水平面平行。具体测量方法参照2.2.1节第1组方法，每一喷雾距离重复5次，试验结果见表3。

第2组，在样点处布置图3测量装置。采集口与水平面平行。具体测量方法参照2.2.1节第2组方法，每一喷雾距离重复5次，试验结果见表3。

表3 测水平面上雾滴沉积量对比试验结果Tab. 3 Droplet mass deposits on horizontal plane

表3为测水平面上雾滴沉积量对比试验结果。由表中数据可知，两种测量法的相对误差为5.13%，比竖直面上略有下降，表明本系统有较高的测量精度。

2.3 外界因素对测量的影响试验

2.3.1 采样液蒸发对装置测量的影响试验

喷头竖直向下，喷头中心点离地高度为2.0 m；(1)将图3装置放在采样处，采样盒内加入高分子保水剂片；(2)喷雾后，在PC机上界面读取雾滴沉积量测量值m0；(3)每隔30 s读取测量值mn，则m0-mn为第n次读数时雾滴蒸发量，(m0-mn)/m0为相对误差，(4)改变喷雾时间，从而调节初始质量，重复步骤(2)及步骤(3)，试验时环境温度31.5 ℃。结果见表4。

表4为采样液蒸发对测量精度影响试验的结果。分析表中数据可知，由于高分子保水剂片和防风盖板的作用，雾滴蒸发量较小；雾滴沉积量为1.9 mg数量级时，在90 s内雾滴蒸发造成的相对误差小于5.3%，而随着雾滴沉积量增加，相对误差减小。由于收集雾滴时，防风盖板只开启几秒钟，测量时，读数时间只需几秒钟，因此采样液蒸发因素对测量精度影响较小。

表4 采样液蒸发对测量精度影响试验结果Tab. 4 Results for influence of liquid evaporation on measurement precision

2.3.2 环境温度对测量精度影响试验

试验时在采样盒内放置质量为10 mg固态样品(减少蒸发影响)，放入HWS-50B恒温恒湿箱，调节至不同温度，读取相应的测量结果，计算质量变化及相对误差，试验结果见表5。分析表中数据可知，当样本质量为10 mg时，温度变化10 ℃，相对误差变化为1.25%，温度对测量影响较小。

表5 环境温度对测量精度影响试验结果Tab. 5 Results for the influence of the temperature on measurement precision

2.3.3 风速对测量精度的影响试验

本装置采样时，防风盖板打开。采样结束后，盖上防风盖板进行测量读数。因此，分2个试验进行。

试验一：风送喷雾过程中采样点不同风速对测量精度的影响试验。方法如下。

搭建喷雾平台，喷头轴线水平，离地高度1.65 m，样点离地面高度1.5 m，喷雾距离为1.5 m。用0.1%的酸性黄示踪剂作为喷雾液，试验分2组进行，第1组使用示踪剂测量方法，第2组使用本文测量系统。喷雾压强1.5 MPa，通过继电器设置喷雾时间为1 s。开启风机，用风速仪测量样点处风速，接着开启喷头喷雾，完成雾滴采样后，进行雾滴沉积量测量，测量方法可参照2.2.1节。用变频器改变风机转速，从而改变测量样点处风速值，重复上述测量步骤，获得样点不同风速下雾滴沉积量，试验记录见表6。分析表中数据可知，采样点位置风速由1.5 m/s增加至3.6 m/s，测量值相对误差变化不大，平均误差为7.02%，测量系统比较稳定。

表6 风送喷雾过程中采样点不同风速对测量精度的影响试验Tab. 6 Influence of air velocity of sampling point during air-assisted spraying on measurement precision

试验二：测量系统在防风盖板合上后，外界风速对测量精度的影响试验。方法如下。

(1)将采样盒放置在出风口中轴线上，距离出风口中心点0.5 m处，在采样盒内加入一定量采样液后，盖紧防风盖；(2)开启风机，用风速仪测量采样处风速；(3)在PC机界面上读取测量值；(4)用变频器改变风机转速，重复步骤(2)、(3)，试验记录见表7。

表7 外界环境风速对测量精度影响试验Tab. 7 Influence of environmental wind velocity on measurement precision

分析表中数据可知，由于防风盖板的作用，有风时相比无风时，测量结果变化不大，相对误差比较稳定，外界风速对测量影响较小。

2.3.4 农药种类对测量精度的影响试验

选用若干不同种农药(见表8)进行喷雾试验。试验时，喷头中心轴线水平，喷头中心点离地高度1.25 m，样点离地高度0.3 m，喷雾距离为0.5 m，样点与喷头相对移动速度为1.5 m/s，压强1.0 MPa，试验分2组进行。

第1组，在样点处布置图3装置，采集面水平，试验结果见表8。

第2组，在样点处布置滤纸(固定在水平小板上)，采样面积与第一组相同，用精度0.1 mg分析天平测量喷雾前后滤纸质量，两者的差值为采集的药液雾滴质量。

表8为农药种类对测量精度影响试验结果，分析表中数据可知，不同种农药喷雾试验，与称量法比较，相对误差6.59%～7.37 %，平均误差6.95%，说明本系统测量不同种类农药雾滴沉积量，有较好的测量精度。

表8 农药种类对测量精度的影响试验结果Tab. 8 Results for influence of pesticide species on measurement precision

3 结论

本文设计的雾滴沉积量快速测量系统。可不用示踪剂，对各类农药雾滴沉积量直接快速测量。系统测量分辨率为0.003 3 mg/cm2。测量系统与示踪剂法对比试验表明，水平面上和竖直面上相对误差为5.13%和6.13%，有较好的测量精度。采样液蒸发影响试验表明，雾滴沉积量为1 mg数量级时，在90 s内雾滴蒸发造成的相对误差小于5.3%，而随着雾滴沉积量增加，相对误差减小；环境温度影响试验表明，当样本质量为10 mg时，温度变化10 ℃，相对误差变化约为1.25%，说明温度对测量影响较小；风速影响试验结果表明，采样点位置风速由1.5 m/s增加至3.6 m/s，测量值平均相对误差为7.02%；上述影响试验表明，测量精度受外界因素影响较小，有较好的稳定性。农药种类对测量精度的影响试验表明，与称量法测量平均误差为6.95%，说明本测量系统对不同种类试验液有较好适应性。

本系统仍有以下不足：(1)不能显示雾滴大小的分布；(2)不能测量雾滴覆盖率。试验时需与传统测量方法有机结合。