一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器及检测方法与流程

本发明属于智能农业装备领域，涉及一种液滴分布检测传感器及检测方法，尤其涉及一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器及检测方法，可以用于智能植保装备喷洒效果检测。

背景技术：

液滴沉积量和液滴分布均匀度的是检验植保装备性能以及施药效果的重要指标。

国内外的学者针对液滴沉积量与均匀度进行了一系列的研究，例如水敏纸测量法和示踪剂分析法：采用纯白卡纸作为液滴沉积载体用于各项参数的测试，用图像处理技术分析液滴沉积参数(张盼等，2016)；以水敏纸作为液滴采集卡以收集喷施液滴,将收集的液滴采集卡逐一用扫描仪扫描，扫描后的图像通过图像处理软件进行分析(陈盛德等，2017)；以荧光粉作为示踪剂，测试悬停无人机变量喷药的液滴沉积规律(王玲等，2016)。水敏纸最大的优点是对水分非常敏感，而这也是它的缺点，对于非目标水分子的响应成为其干扰因素。示踪法的优点是灵敏度高，易分辨，但不能实时获得液滴沉积量，且测量过程复杂、测量成本高，因而要求更准确的测量方法。国内外学者对于液滴传感器进行了研究，通过研究液滴沉积量与电容传感器参数之间的线性关系，设计了液滴传感器，实现对液滴沉积量的检测(张瑞瑞等，2016)。

植物叶片的表面形态同水敏纸、传统液滴传感器的表面相比存在较大差别，液滴落在叶片表面及其后续扩散过程也与水敏纸和传统液滴传感器不同。因此，模仿植物叶片绒毛的相关结构与分布特性，设计传感器表面结构，可以更真实的反映植保装备喷洒作业后液滴在叶片表面的分布与沉积情况。

技术实现要素：

本发明将着重解决该类研究中依然存在的问题——液滴分布均匀度的检测。针对现有技术的不足，本发明提供一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器，以及使用该传感器检测液滴分布均匀度的方法。

本发明中的仿生传感器仿照植物叶片表面结构，使得液滴的收集更为准确，准确地收集液滴能够使实验结果更为精准，较于水敏纸等测量仪器准确度将有大幅提升。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器，包括绝缘外框，绝缘外框内部为检测板，检测板表面垂直方向分布有小孔，小孔中放置有绒毛，检测板表面小孔周围安装有电极，电极和绒毛由绝缘体隔开；检测板内部设有上下错开的横向通孔和纵向通孔，横向通孔中包裹有电极连线，电极连线通过小孔经过一个极性方向为电极至电极连线的二极管与其所在列的电极相连接；纵向通孔中包裹有绒毛连线，绒毛连线与其所在行的绒毛相连接；横向通孔中的电极连线经绝缘外框导出后，与配套的电极数据采集模块连接；纵向通孔中的绒毛连线经绝缘外框导出后，与配套的绒毛控制模块连接；电极数据采集模块、绒毛控制模块、定位模块均与无线传输模块相连接，无线传输模块将采集到的信息传输至监测终端；定位模块贴在检测板底部；电源与电压变送模块相连，电压变送模块与无线传输模块、电极数据采集模块、绒毛控制模块分别连接。

所述的一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器，检测板材质为树脂，绒毛材质为高强高导电铜合金，电极材质为导电银胶，绒毛连线和电极连线材质为高强高导电铜合金。

所述的一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器，绒毛材质亦可选用细铜丝。

所述的一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器，绒毛为螺旋状空间结构，符合方程：

x1＝20*cos(t)；

y1＝20*sin(t)；

z1＝35*t；

t的范围为[0,6π]，x1、y1、z1单位均为μm。

所述的一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器，电极为圆台状空间结构，其母线符合方程：

x、y单位均为μm。

本发明同时提供一种使用液滴分布检测传感器检测液滴分布均匀度的方法，包括以下步骤：

第一步，植保装备开始作业后，液滴喷洒到检测装置上，液滴吸附于检测板，并包裹绒毛根部、电极；

第二步，检测开始时，首先由绒毛控制模块通过绒毛连线逐行为绒毛提供+3vdc高电平，当为第ri行提供高电平时，在液滴表面力的作用下，液滴会包裹与之接触的绒毛和电极，从而将与其接触的绒毛、电极连通；同时，电极数据采集模块和绒毛控制模块同步处于信号收集的状态，在电路瞬间导通的状态对通过电极连线传出的模拟信号进行a/d转换，并存储高电平列线的序号li，即建立第ri行的液滴分布情况；随着绒毛控制模块的逐行扫描式供电，可建立完整的液滴分布二维矩阵；

第三步，根据监测终端获取的有液滴包裹的坐标(ri，li)，获取液滴分布位置、液滴分布均匀度、以及液滴覆盖的总面积。

所述的一种检测液滴分布均匀度的方法，第三步中获取液滴分布位置与均匀度的具体步骤为：

s11：读取监测终端输入端编号，分别查找对应的行号与列号，得到相应的坐标；

s12：根据s11得到的坐标，得出液滴覆盖的点及其个数k；

s13：监测终端按照对应关系，在显示器的检测板1坐标系中显示液滴分布位置；

s14：通过监测终端显示器显示的液滴位置，可反映液滴分布均匀度；

所述的一种检测液滴分布均匀度的方法，第三步中获取液滴覆盖的总面积的具体步骤为：

s21：读取监测终端输入端编号，分别查找对应的行号与列号；

s22：在检测板坐标系中，找出对应的行号与列号，得出液滴覆盖的点；

s23：计算总覆盖点数k；

s24：以d1为边长，以液滴覆盖的点为中心做正方形，该正方形的面积视为液滴覆盖面积，面积为：s1＝(d1)²；

s25：计算总面积s＝k×s1＝k×(d1)²；

s26：计算液滴覆盖面积所占百分比

第四步，定位模块获取检测装置所在地理位置信息，无线传输模块将地理位置信息、以及二三步获取的液滴分布均匀度等信息发送给监测终端，由监测终端显示并存储相关信息。

附图说明

图1为本发明所述检测板网格状微孔分布以及面积检测原理图

图2为本发明所述检测板的绒毛排列方式结构图

图3为本发明所述绒毛空间曲线图

图4为本发明检测系统结构框图

图5为本发明检测过程流程图

图6为本发明绒毛、电极、检测板位置结构图

图7为本发明绒毛、电极、检测板参数示意图

图中：1-检测板；2-绒毛；3-电极；4-电极连线；5-绒毛连线；6-电极数据采集模块；7-绒毛控制模块；8-无线传输模块；9-绝缘体；10-电源；11-定位模块；12-监测终端；13-绝缘外框；14-二极管；21-电压变送模块

具体实施方式

以下结合附图详细介绍本发明的技术方案：

参照图4，图6，一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器，包括绝缘外框13，绝缘外框13内部为矩形的检测板1，检测板1表面垂直方向分布有小孔，小孔中放置有绒毛2，检测板1表面小孔周围安装有电极3。电极3和绒毛2由绝缘体9隔开。检测板1内部设有上下错开的横向通孔和纵向通孔，横向通孔中包裹有电极连线4，电极连线4通过小孔经过极性为电极至电极连线4的二极管14与这一列的电极3相连接；纵向通孔中包裹有绒毛连线5，绒毛连线5与所在行的绒毛2相连接。横向通孔中的电极连线4经绝缘外框13导出后，与配套的电极数据采集模块6连接，纵向通孔中的绒毛连线5经绝缘外框13导出后，与配套的绒毛控制模块7连接。电极数据采集模块6、绒毛控制模块7、定位模块11均与无线传输模块8相连接，无线传输模块8将采集到的信息传输至监测终端12。定位模块11贴在检测板底部，用以采集传感器位置信息。电源10与电压变送模块21相连，电压变送模块21与无线传输模块8、电极数据采集模块6、绒毛控制模块7分别连接，为传感器工作时提供所需电压。

检测板1材质为树脂，绒毛2材质为高强高导电铜合金，电极3材料优选铜丝，绒毛连线5和电极连线4材质为高强高导电铜合金。

参照图7，绒毛2均布在检测板表面，绒毛2直径为d1，5μm≤d1≤100μm；优选的，绒毛2直径d1＝50μm。

绒毛2为螺旋状空间结构，符合方程：

x1＝20*cos(t)；

y1＝20*sin(t)；

z1＝35*t；

t的范围为[0,6π]，x1、y1、z1单位均为μm。

电极3顶部直径为d2，12μm≤d2≤200μm；优选的，电极3顶部直径d2＝80μm；电极3为圆台状空间结构，其母线符合方程：

x、y单位均为μm

电极3内部竖向通孔的直径为d3，符合条件：d3＝1.4*d1；电极3顶部圆直径120μm；电极3高度h1，5μm≤h1≤20μm；各个绒毛2之间的间距为d4，50μm≤d4≤1000μm；绒毛2高度为h2，50μm≤h2≤2000μm，优选绒毛2高度为h2＝2000μm＝2mm；检测板1厚度为h3，2mm≤h3≤10mm，优选检测板1厚度为h3＝10mm。

电极3包裹绒毛2根部，由绝缘材料填充电极3与绒毛2中间空隙，并固定在检测板1上整个检测板1周围有绝缘外框12。

绒毛2垂直分布在检测板1表面，穿过电极3引入检测板1内，每一行绒毛2对应连接在一根绒毛连线5上；绒毛连线5一端与所在行绒毛2连接、可导，另一端与绒毛控制模块7输出端对应端口连接、可导，绒毛2仅与所在行绒毛连线5、绒毛控制模块7输出端对应端口连接，与其他部分均绝缘；绒毛连线5仅与所在行绒毛2、绒毛控制模块7输出端对应端口连接、可导，与其他部分均绝缘；每一行绒毛2通过该连线连接在绒毛控制模块7输出端对应端口上。

在每个绒毛2与检测板1的交界面处，分布有一个电极3，电极3与绒毛2根部由绝缘体隔开，每一列电极3对应连接在一根电极连线4上，电极3仅与所在列电极连线4相连，与其他部分均绝缘；在电源10通过绒毛连线5为绒毛2扫描供电时，为避免产生的高电平信号通过同列的电极连线4将这一高电平信号传递至其他行列导致判断错误，故在各个电极3至对应的电极连线4的连接区间连接有极性为电极3至电极连线4的二极管14；电极连线4一端通过二极管14与所在列电极3连接、可导，另一端与电极数据采集模块6的对应输入端连接、可导；电极连线4仅与所在列电极3、电极数据采集模块6对应输入端连接、可导，与其他部分均绝缘；电极连线4贯通各列电极3且在检测板1内部与绒毛连线5在空间上不相交。

各行绒毛2通过绒毛连线5连接，各列电极3通过电极连线4连接；绒毛连线5与电极连线4无相交点、不直接导通，绒毛连线5与绒毛控制模块7输出端连接与电极连线4与电极数据采集模块6输入端连接并依次编号；

绒毛控制模块7的各个输出端，在检测板1对应行号，分别定义为：r1、r2、……、ri、……、rn；n由检测板1面积大小、检测密度等需求决定。

电极数据采集模块6的各个输入端，在检测板1对应列号，分别定义为：l1、l2、……、li、……、lm；m由检测板1面积大小、检测密度等需求决定。

使用本发明所述的一种具有仿生表面结构的液滴分布检测传感器检测液滴分布均匀度的方法，是通过下述原理与步骤实现的：

第一步，按照所测区域将检测装置均匀分布，可以按照叶片生长角度、以及叶片分布情况放置在与被测叶面同一高度处，连接电源10，开启电压变送模块21为装置供电，开启定位模块11，向监测终端12传输位置信息，调试系统。待植保装备开始作业后，液滴喷洒到检测装置上，液滴吸附于检测板1，并包裹绒毛2、电极3。如附图1所示。

第二步，检测开始时，首先由绒毛控制模块7通过绒毛连线5逐行为绒毛2提供+3vdc高电平，因为吸附于检测板1的液滴为导电体，且在液滴表面力的作用下，液滴会包裹与之接触的绒毛2和电极3，从而将与之接触的绒毛2和电极3连通，使得与之接触的绒毛2、电极3带有+3vdc高电平；与此同时，电极数据采集模块6和绒毛控制模块7同步且始终处于信号收集的状态，在电路瞬间导通的状态对通过电极连线4传出的模拟信号进行a/d转换，并存储高电平列线的序号li。如此即可建立一行的液滴分布情况，随着绒毛控制模块7的逐行扫描式供电，可建立完整的液滴分布二维矩阵。循环检测，直至液滴分布近乎稳定不在发生变化；

最终得到，r5行扫描时检测到3个导通点，即3组绒毛2与电极3导通；r6行扫描时检测到3个导通点，即3组绒毛2与电极3导通；r7行扫描时检测到4个导通点，即4组绒毛2与电极3导通；r8行扫描时检测到2个导通点，即2组绒毛2与电极3导通；r9行扫描时检测到3个导通点，即3组绒毛2与电极3导通；r10行扫描时检测到3个导通点，即3组绒毛2与电极3导通；r11行扫描时检测到3个导通点，即3组绒毛2与电极3导通；共计有21个导通点。

第三步，将电级数据采集模块数据6通过无线传输模块8将数据传输至监测终端12；根据监测终端12输入端获取的坐标(r5，l7)、(r5，l8)、(r5，l9)，(r6，l7)、(r6，l8)、(r6，l9)，(r7，l4)、(r7，l5)、(r7，l7)、(r7，l8)，(r8，l4)、(r8，l5)，(r9，l8)、(r9，l8)、(r9，l9)，(r10，l8)、(r10，l8)、(r10，l9)，(r11，l8)、(r11，l8)、(r11，l9)，从而得到液滴分布位置，了解到液滴分布不均匀，以及液滴覆盖的总面积为21mm²。

其中第三步中获取液滴分布位置与均匀度、液滴覆盖总面积的具体步骤如下：

若要获取液滴分布位置与均匀度，其具体步骤为：

s11：读取监测终端12输入端编号，分别查找对应的行号与列号；

s12：根据s11得到的坐标，得出液滴覆盖的点的坐标分别为(r5，l7)、(r5，l8)、(r5，l9)，(r6，l7)、(r6，l8)、(r6，l9)，(r7，l4)、(r7，l5)、(r7，l7)、(r7，l8)，(r8，l4)、(r8，l5)，(r9，l8)、(r9，l8)、(r9，l9)，(r10，l8)、(r10，l8)、(r10，l9)，(r11，l8)、(r11，l8)、(r11，l9)；

s13：监测终端12按照对应关系，在显示器的检测板1坐标系中显示液滴分布位置；

s14：通过监测终端12显示器显示的液滴位置，可反映液滴分布不均匀；

若要获取液滴覆盖的总面积，其具体步骤为：

s21：读取监测终端12输入端编号，分别查找对应的行号与列号；

s22：在检测板1坐标系中，找出对应的行号与列号，得出液滴覆盖的点为(r5，l7)、(r5，l8)、(r5，l9)，(r6，l7)、(r6，l8)、(r6，l9)，(r7，l4)、(r7，l5)、(r7，l7)、(r7，l8)，(r8，l4)、(r8，l5)，(r9，l8)、(r9，l8)、(r9，l9)，(r10，l8)、(r10，l8)、(r10，l9)，(r11，l8)、(r11，l8)、(r11，l9)；

s23：计算总覆盖点数为k＝21个；

s24：以d1为边长，以液滴覆盖的点为中心做正方形，该正方形的面积视为液滴覆盖面积，面积为：s1＝(d1)²＝1mm²，本实施例中，绒毛2间距d1＝1000μm＝1mm；

s25：计算总面积s＝k×(d1)²＝21×1mm²＝21mm²；

s26：计算液滴覆盖面积所占百分比

即液滴覆盖率为7.72％。

第四步，定位模块11获取检测装置所在地理位置信息，无线传输模块8将地理位置信息、以及二三步获取的液滴分布均匀度等信息发送给监测终端12，由监测终端12显示并存储相关信息。

若要进行下一次测试，以吹风或鼓风装置吹电极3和绒毛2，将药液吹干，重复步骤二、三，如显示所有电极3和绒毛2均不是高电平，则表明检测装置的药液已吹干，可以进行下一次测试。