一种雾滴发生装置及方法与流程

本发明属于农业植物保护技术领域，具体涉及一种雾滴发生装置及方法。

背景技术：

化学防治是农作物病虫害防治的主要手段，但农药的大规模使用，不仅对农作物产生药害，而且对环境也造成了严重危害。因此，高效减施是农业植物保护技术的发展方向，其中农药雾滴的飘移沉积过程是高效减施的研究重点，而雾滴粒径的随机性对试验研究的可重复性有很大影响，难以总结科学规律。

植保喷雾的雾滴粒径大多在300μm以下，航空喷雾甚至在100μm以下，传统喷雾装置一次喷雾量大，雾滴数量多，粒径随机分布，用于科学研究时，只能进行统计学研究，难以开展针对雾滴的运动特性以及飘移沉积的物理过程研究。

现有的植保技术研究领域的雾滴生成技术，大多采用注射方法。该方法存在的问题：水从固体表面分离，主要受表面张力、重力和周围空气流动曳力的影响，表面张力受固体的材质、粗糙度、温度的影响较大，一般分离时粒径较大，难以满足试验要求，并且粒径也有一定的随机性。

技术实现要素：

本发明的针对现有技术中的不足，提供一种雾滴发生装置及方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种雾滴发生装置，其特征在于，包括：发射端、反射端、成像装置、发光背板和超声信号发生器；所述发射端与超声信号发生器相连，垂直向下发射超声波；所述反射端与发射端垂直相对设置，用于反射从发射端发射的超声波，发射端和反射端之间的空间形成雾滴悬浮区；所述成像装置设置在雾滴悬浮区的水平侧，对雾滴进行实时成像；所述发光背板与成像装置水平相对设置，用于提供成像照明；所述雾滴悬浮区的一侧还设有辅助蒸发系统，用于加速雾滴的蒸发。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

所述成像装置包括显微镜组和CCD传感器。

所述辅助蒸发系统包括吹风装置和加热装置。

所述反射端包括碗形开孔上盖、第一闭合片、第二闭合片、转盘、同步带、底座和电机；所述上盖具有圆弧形上表面，中心设有上盖通孔，上盖下部设有位于同一水平面的第一闭合片和第二闭合片；所述第一闭合片和第二闭合片为大小结构相同的两块半圆形片，底部均安装在转盘上；所述转盘呈圆形，中心设有转盘通孔，转盘的圆周外侧套设有同步带；所述同步带安装在底座上，底座中心设有底座通孔，同步带与电机相连；其中，所述第一闭合片和第二闭合片在闭合时拼接成圆，覆盖转盘通孔，在打开时第一闭合片和第二闭合片相互分离，露出转盘通孔，所述上盖通孔、转盘通孔和底座通孔同轴设置。

所述第一闭合片和第二闭合片上表面分别固定有结构相同的第一转动圆柱和第二转动圆柱，第一转动圆柱和第二转动圆柱均与上盖铰接；所述第一闭合片和第二闭合片下表面分别固定有结构相同的第一滑动圆柱和第二滑动圆柱，所述转盘上表面设有与第一滑动圆柱的滑动轨迹相适配的第一滑槽和与第二滑动圆柱的滑动轨迹相适配的第二滑槽；所述电机驱动同步带传动，同步带带动转盘的转动，使得第一滑动圆柱和第二滑动圆柱分别在第一滑槽和第二滑槽中滑动，从而带动第一转动圆柱和第二转动圆柱的转动，实现第一闭合片和第二闭合片的打开和闭合。

此外，还提出了一种采用上述雾滴发生装置的雾滴发生方法：

开启超声信号发生器，调节发射端和反射端之间的距离，在雾滴悬浮区形成驻波声场；

利用注射器朝雾滴悬浮区推注雾滴，待雾滴稳定悬浮在雾滴悬浮区中，打开辅助蒸发系统，调节雾滴的蒸发速率；

通过成像装置实时监测雾滴的粒径大小，当雾滴粒径达到指定大小时，开启电机，打开第一闭合片和第二闭合片，关闭辅助蒸发系统和发射端,释放雾滴，雾滴依次经过上盖通孔、转盘通孔和底座通孔后进行收集。

进一步地，通过控制风速和温度来调节雾滴的蒸发速率，蒸发速率其中ω是风速，f(ω)是风速函数，为马格努斯饱和水气压公式，e₀是0℃时的饱和水汽压，e₀＝6.11hpa，t为温度，a＝7.5，b＝237.3，RH为相对湿度，p为当前气压。

本发明的有益效果是：采用无容器蒸发方法，把注射器推注的较大雾滴进行超声波悬浮，通过图像处理方法监测粒径并且采用加速蒸发方法缩小粒径，能有效获取指定粒径的雾滴。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的局部立体图。

图3是本发明的局部俯视图。

图4是本发明反射端的示意图。

图5是本发明第一闭合片和第二闭合片闭合状态的示意图。

图6是本发明第一闭合片和第二闭合片打开状态的示意图。

图7是本发明的工作流程图。

附图标记如下：发射端1、反射端2、上盖21、上盖通孔21-1、第一闭合片22、第一转动圆柱22-1、第一滑动圆柱22-2、第二闭合片23、第二转动圆柱23-1、第二滑动圆柱23-2、转盘24、第一滑槽24-1、第二滑槽24-2、转盘通孔24-3、同步带25、底座26、底座通孔26-1、成像装置3、发光背板4、超声信号发生器5、辅助蒸发系统6、吹风装置61、加热装置62、雾滴悬浮区7。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1-3所示，雾滴发生装置包括发射端1、反射端2、成像装置3、发光背板4、超声信号发生器5、辅助蒸发系统6和驱动电源。

发射端1(超声压电换能器)与超声信号发生器5相连，垂直向下发射超声波，反射端2设置在发射端1的垂直相对位，用于反射从发射端1发射出的超声波，发射端1和反射端2之间的空间形成雾滴悬浮区7。此处利用了超声波悬浮技术，即声悬浮技术，根据原理不同可分为驻波悬浮技术(Standing Wave Levitation)和近场悬浮技术(Near Field Levitation)，本发明具体采用的是驻波悬浮技术。驻波悬浮是利用在超声换能器辐射面和反射面中间形成的高强驻波声场来实现小颗粒物体的悬浮。驻波悬浮系统中除了驱动电源、超声信号发生器5、发射端1之外，还需在末端加入一个反射端2，使得超声波能够反射回去。当反射端2与发射端1之间的距离为1/2波长的整数倍时，发射端1所发射出的超声波，与反射端2反射回去的超声波会相互叠加形成驻波。在驻波的波节处，两侧声压方向相反，声压作用在超声驻波声场中的物体，便可实现悬浮物体在波节处的悬浮。理论上悬浮物体可以稳定的悬浮在波节处，但在实际的悬浮过程中，考虑到悬浮物体的重力作用以及悬浮物体外形的影响，实际悬浮位置会略微下降。相比其他悬浮技术，驻波悬浮中驻波声场形成后，悬浮位置相对固定，具有较高的水平稳定性和悬浮位置精度。

雾滴悬浮区7的水平侧设置有成像装置3，成像装置3包括显微镜组和CCD传感器，用于对雾滴进行实时成像，并通过图像处理方法监测雾滴的粒径大小。与成像装置3水平相对的另一侧设有发光背板4，用于提供成像照明。

雾滴悬浮区7的一侧还设有辅助蒸发系统6，辅助蒸发系统6包括吹风装置61和加热装置62，用于加速雾滴的蒸发。在蒸发的过程中:

马格努斯饱和水汽压公式：

$e_{sw}=e_0\·{10}^{\frac{at}{b+t}}$

该公式为经验公式，式中e_sw为水面温度下的饱和水汽压，单位为hpa；e₀为0℃时的饱和水汽压，e₀＝6.11hpa，t为温度，单位为℃；对于水面来说，一般a＝7.5，b＝237.3。

道尔顿蒸发定律：

$W=f\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{e_{sw}-e}{p}$

式中W为水面蒸发速率；ω是风速，f(ω)为风速函数，风速函数可采用现有技术中常用的形式，如f(ω)＝A+Bω等，风速函数需标定得出；e_sw-e为空气饱和差，e_sw为水面温度下的饱和水汽压，e为水面空气当前的实际水汽压；p为当前气压。

此外：

e＝e_sw·RH

式中RH为相对湿度。

综合以上三个公式，可以得出蒸发速率为：

$W=f\left(\mathrm{\ω}\right)\frac{e_0\·{10}^{\frac{at}{b+t}}\·(1-RH)}{p}$

因此，蒸发速率与风速、温度成正比，与相对湿度和气压成反比。

如图4所示，反射端1包括碗形开孔上盖21、第一闭合片22、第二闭合片23、转盘24、同步带25、底座26和电机27。上盖21具有圆弧形上表面，呈内凹状，中心设有上盖通孔21-1，使得雾滴落入上盖21时能够流入上盖通孔21-1，上盖21下部设有位于同一水平面的第一闭合片22和第二闭合片23。第一闭合片22和第二闭合片23为大小结构相同的两块半圆形片，底部均安装在转盘24上。转盘24呈圆形，中心设有转盘通孔24-3，转盘24的圆周外侧套设有同步带25。同步带25安装在底座26上，底座26中心设有底座通孔26-1，同步带25与电机27相连。其中，第一闭合片22和第二闭合片23在闭合时拼接成圆，覆盖转盘通孔24-3，在打开时第一闭合片22和第二闭合片23相互分离，露出转盘通孔24-3，上盖通孔21-1、转盘通孔24-3和底座通孔26-1同轴设置，使得雾滴在收集过程中依次通过上盖通孔21-1、转盘通孔24-3和底座通孔26-1，不会受到阻挡。

闭合片的具体结构参照图5-6，第一闭合片22和第二闭合片23上表面分别固定有结构相同的第一转动圆柱22-1和第二转动圆柱23-1，第一闭合片22和第二闭合片23在闭合时拼接形成一个完整的圆，而第一转动圆柱22-1和第二转动圆柱23-1分别安装在拼接线(即直径)的两端，第一转动圆柱22-1和第二转动圆柱23-1的另一端均与上盖21铰接，能够转动但不可移动，使得第一闭合片22和第二闭合片23能够分别围绕第一转动圆柱22-1和第二转动圆柱23-1在同一平面内转动，其转动方向一致。

第一闭合片22和第二闭合片23的下表面分别固定有结构相同的第一滑动圆柱22-2和第二滑动圆柱23-2，第一滑动圆柱22-2和第二滑动圆柱23-2分别安装在第一闭合片22和第二闭合片23的圆弧附近，转盘24上表面设有分别与第一滑动圆柱22-2和第二滑动圆柱23-2相适配的第一滑槽24-1和第二滑槽24-2，使得第一滑动圆柱22-2能够在第一滑槽24-1中滑动，第二滑动圆柱23-2能够在第二滑槽24-2中滑动。

在工作时，电机27驱动同步带25传动，同步带25带动转盘24的转动，转盘24的转动使得第一滑动圆柱22-2和第二滑动圆柱23-2分别在第一滑槽24-1和第二滑槽24-2中产生滑动，从而带动第一转动圆柱22-1和第二转动圆柱23-1的转动，实现第一闭合片22和第二闭合片23的打开和闭合。图5-6中转盘24在一定角度范围内逆时针旋转，带动第一闭合片22和第二闭合片23旋转打开；相应地，转盘24顺时针旋转时，可以带动第一闭合片22和第二闭合片23旋转闭合。

如图7所示，在雾滴发生过程中，首先开启超声信号发生器5，调节发射端1和反射端2之间的距离，在雾滴悬浮区7形成驻波声场。

然后利用注射器朝雾滴悬浮区7推注雾滴，待雾滴稳定悬浮在雾滴悬浮区7中，打开辅助蒸发系统6，调节雾滴的蒸发速率。吹风装置61具体可采用经标定风速的微型风扇，控制风速，缓慢使空气流动，同时利用加热装置62控制温度，温度传感器、湿度传感器和气压传感器采集当前的温度、湿度和气压。综合以上实时数据，根据公式评估当前雾滴蒸发速率，预测雾滴达到指定粒径的时间，并适时适当的调节加热装置温度、风扇转速，从而动态调节蒸发速率。当雾滴粒径接近指定大小时，自动降低蒸发速率，防止蒸发失控而导致雾滴粒径过小。

雾滴粒径由显微镜组和CCD传感器通过图像处理方法全程监测，当雾滴粒径达到指定大小时，立即关闭辅助蒸发系统6，开启电机27，打开反射端2内的第一闭合片22和第二闭合片23，同时关闭发射端1，释放雾滴，使雾滴依次经过上盖通孔21-1、转盘通孔24-3和底座通孔26-1掉落进其他试验装置内，开展后续的植保试验。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。