一种便携式航空施药雾滴沉积量检测装置及其方法与流程

本发明实施例涉及农业技术领域，更具体地，涉及一种便携式航空施药雾滴沉积量检测装置及其方法。

背景技术：

航空施药中，农药在作物叶片上的药液沉积量是航空施药质量评价的重要指标。当前，航空施药雾滴的地面沉积特性测量方法可以分为着色法和洗脱法。

着色法是利用在地面铺设水敏纸的方法，对药液沉积的雾滴进行采样，然后利用图像处理方法获得采样点的雾滴覆盖率、雾滴粒径分布等参数，进而间接计算出喷施区域的施药覆盖率、粒径分布等。利用水敏纸方法进行地面沉积特性分析的具体实施步骤是：在喷施区域按照一定间距安装固定水敏纸用水平托盘，在托盘上放置水敏纸，并按照所在位置对水敏纸编号；植保飞机飞过喷施区域后，等待一段时间喷洒药滴沉降结束后，收集水敏纸，回到实验室利用扫描仪逐张扫描水敏纸，并将水敏纸图像存储为图片文件；利用专用图像分析软件分析水敏纸图像，生成地面沉积特性数据文件。

洗脱法是另外一种较为典型的检测方法。其实验步骤与利用水敏纸的检测方式较为接近。洗脱法则是用采集卡承接农药雾滴，然后用一定量的溶剂将采集卡上的农药雾滴洗脱制成样本溶液。最后用分析仪器测量样本溶液中农药的浓度，进而计算采集卡上的药雾滴沉积量。

近年来，荧光光谱技术、光电法在农药残留领域研究越来越多，从国内外学者的研究来看，两者结合对农药量的检测是可行的。荧光光谱技术是根据基态分子吸收能量后发射的荧光特性和强度对待测物进行定性或定量分析的原理。当某种常温物质经某种波长的入射光(通常是紫外线或x射线)照射，吸收光能后进入激发态，并且立即退激发并发出比入射光的波长长的出射光(通常波长在可见光波段)；很多荧光物质一旦停止入射光，发光现象也随之立即消失，具有这种性质的出射光就被称之为荧光，该种常温物质称之为荧光物质。同一种荧光物质，用同一波长的入射光照射，可以激发出相同波长的荧光，激发光谱强度的大小取决于沉积雾滴中荧光物质的浓度，且二者呈线性关系。常见荧光的光谱强度在硅光电池、光电倍增管等光电传感器转换量程范围内，在一定条件下，荧光光谱强度与光电传感器转化的电信号呈线性关系。因此在已知的荧光增白剂种类的情况下，其入射光波长和出射光波长均已知，可通过测定特征波段荧光光谱强度与光电传感器转化的电信号的特定关系后，来预测施药雾滴沉积量情况。

专利号为cn108444878a的发明专利也公开了一种便携式航空喷施作业的雾滴沉积效果测量装置和方法，其装置包括装置主体和设置在装置主体上用于夹持液杯的夹持机构；装置主体上还设有对夹持机构进行遮光的遮光罩；夹持机构包括合页、激发光组件和光电转换组件，合页与液杯配合，激发光组件和光电转换组件分别设置于合页两侧，合页中设有按压式开关；激发光组件包括依次设置的光源、透镜和滤光器；光电转换组件包括依次设置的透镜、滤光器和光电倍增管；装置主体包括外壳和设置在外壳内的控制电路板。液杯触发按压式开关，控制激发光组件和光电转换组件工作。液杯中盛放包含荧光剂的洗脱液，检测洗脱液中的荧光剂浓度后计算叶片单位面积内雾滴的沉积量。该专利只是将洗脱检测装置小型化，田间作业时，仍然需要大量人工采样、洗脱后放入检测装置，实施过程仍然复杂，给使用者带来不便。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的便携式航空施药雾滴沉积量检测装置及其方法。

第一方面本发明实施例提供了一种便携式航空施药雾滴沉积量检测装置，包括：设置在外壳中的主控模块、激发光源模块、光电转换模块、采集模块及电源模块；其中，

所述主控模块分别与所述激发光源模块、所述光电转换模块以及电源模块相连；所述采集模块包括探头、激发光纤及接收光纤，所述探头通过所述激发光纤与所述激发光源模块相连，所述探头通过所述接收光纤与所述光电转换模块相连；

所述电源模块用于为所述主控模块供电；

所述激发光源模块用于根据所述主控模块发出的指令按预设频率产生预设光强发射光，并依次通过所述激发光纤及所述探头将所述发射光发射至待测物；

所述光电转换模块用于依次通过所述探头及所述接收光纤接收待测物被所述发射光激发后产生的激发荧光，并输出对应的电信号，再将所述电信号发送至所述主控模块；

所述主控模块中存储有多个预设预测模型，用于根据接收到的电信号获取待测物的沉积量。

进一步地，所述探头包括金属内筒和金属外筒；所述激发光纤套装在所述金属内筒的外侧，所述金属外筒套装在所述激发光纤的外侧，且所述激发光纤的端面与外界之间设置有耦合透镜；所述金属内筒套装在所述接收光纤外侧，且从所述接收光纤的端面到外界依次设置有可调带通滤波器、聚光镜及透镜。

进一步地，所述装置还包括测量按键，所述测量按键与所述主控模块连接，用于在按下所述测量按键时所述主控模块向所述激发光源模块发出指令。

进一步地，所述装置还包括触控显示屏，所述触控显示屏与所述主控模块连接，用于人机交互。

进一步地，所述激发光源模块为可调紫外光源。

进一步地，所述光电转换模块为硅光电池或光电倍增管。

另一方面本发明实施例提供了一种利用上述装置进行沉积量检测的方法，包括：

通过触控显示屏分别选取所述装置的预设预测模型、工作模式及采样模式；其中，所述工作模式包括标准工作模式和快速工作模式，所述采样模式包括单点采样模式和多点采样模式；

利用所述装置对待测物进行检测获取所述待测物的沉积量。

进一步地，在通过触控显示屏选取所述装置的预设预测模型之前，还包括：

建立所述多个预设预测模型。

进一步地，当选取的工作模式为标准模式时，利用所述装置对待测物进行检测获取所述待测物的沉积量，具体包括：

将一个或多个具有预设形状的白色无荧光卡片设置在施药区域内；

在药液喷洒沉降完成后，利用所述装置对所述一个或多个具有预设形状的白色无荧光卡进行检测，获取沉积量。

进一步地，当选取的工作模式为快速模式时，利用所述装置对待测物进行检测获取所述待测物的沉积量，具体包括：

在药液喷洒沉降完成后，采集一个或多个施药区域内的叶片；

利用所述装置对所述一个或多个施药区域内的叶片进行检测，获取沉积量。

本发明实施例提供的一种便携式航空施药雾滴沉积量检测装置及其方法，基于荧光光谱技术，利用主控模块控制激发光源模块向待测物发射激发光线，再通过光电转换模块将接收到的激发荧光转换成对应的电信号，利用主控模块中存储的预设预测模型计算出对应的沉积量，实现了航空施药雾滴沉积量的自动实时检测，且检测方便，结果准确，该装置结构简单小巧，便于携带。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种便携式航空施药雾滴沉积量检测装置的结构示意图；

图2为图1所示结构示意图的正视图；

图3为本发明实施例中采集模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种利用图1所示装置进行沉积量检测的方法的流程图；

图5为本发明实施例的实例中以甲氧虫酰肼杀虫剂为例的预测模型结构图；

图6为本发明实施例的实例中触摸显示屏上检测的雾滴沉积量图表及相应参数；

附图标记：

1-外壳；2-主控模块；

3-激发光源模块；4-光电转换模块；

5-采集模块；6-测量按键；

7-触控显示屏；8-电源开关；

9-电源模块；10-充电接口；

11-散热片；5-1-探头；

5-2-激发光纤；5-3-接收光纤；

5-1-1-金属内筒；5-1-2-金属外筒；

5-2-1-耦合透镜；5-3-1-可选带通滤光器；

5-3-2-聚光镜；5-3-3-透镜。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的一种便携式航空施药雾滴沉积量检测装置的结构示意图，如图1所示，包括：设置在外壳1中的主控模块2、激发光源模块3、光电转换模块4、采集模块5及电源模块9；其中，

所述主控模块2分别与所述激发光源模块3、所述光电转换模块4以及电源模块9相连；所述采集模块5包括探头5-1、激发光纤5-2及接收光纤5-3，所述探头5-1通过所述激发光纤5-2与所述激发光源模块3相连，所述探头5-1通过所述接收光纤5-2与所述光电转换模块4相连；

所述电源模块9用于为所述主控模块2供电；

所述激发光源模块3用于根据所述主控模块2发出的指令按预设频率产生预设光强发射光，并依次通过所述激发光纤5-2及所述探头5-1将所述发射光发射至待测物，激发光源模块3具有可自动调节光源的发射光强度、开关频率功能。

所述光电转换模4块用于依次通过所述探头5-1及所述接收光纤5-3接收待测物被所述发射光激发后产生的激发荧光，并输出对应的电信号，再将所述电信号发送至所述主控模块2；

所述主控模块2中存储有多个预设预测模型，用于根据接收到的电信号获取待测物的沉积量。

其中，所述装置上还设置有电源开关8，电源开关8与主控模块2相连，用于控制所述装置的通断电。所述装置上还设置有充电接口10，充电接口10与电源模块9连接，用于通过外接电源为电源模块9充电。在激发光源模块3的外侧设置有金属材质的散热片11，用于为激发光源模块3散热以降低其工作时的温度。

具体地，本发明实施例提供的便携式航空施药雾滴沉积量检测装置，工作原理如下：将采集模块按一定方式对准待测物的一定区域，主控模块2发出指令至激发光源模块3，激发光源模块3根据该指令按照预设频率产生预设光强发射光，使其对应的激发荧光的光谱强度满足在所述光电转换模块4光敏传感器的最敏感量程fs(1/3～2/3)范围内。主控模块2控制所述激发光源模块3以某一恒定开关频率f开关，主控模块2也将以频率f采集到光强转化的电信号x。主控模块2在单位时间内采集1/f次电信号x。主控模块2内预设预测程序根据接收到的电信号x计算出沉积量。

本发明实施例提供的一种便携式航空施药雾滴沉积量检测装置，基于荧光光谱技术，利用主控模块控制激发光源模块向待测物发射激发光线，再通过光电转换模块将接收到的激发荧光转换成对应的电信号，利用主控模块中存储的预设预测模型计算出对应的沉积量，实现了航空施药雾滴沉积量的自动实时检测，且检测方便，结果准确，该装置结构简单小巧，便于携带。

在上述实施例中，所述探头包括金属内筒和金属外筒；所述激发光纤套装在所述金属内筒的外侧，所述金属外筒套装在所述激发光纤的外侧，且所述激发光纤的端面与外界之间设置有耦合透镜；所述金属内筒套装在所述接收光纤外侧，且从所述接收光纤的端面到外界依次设置有可调带通滤波器、聚光镜及透镜。

具体地，如图2和图3所示，所述激发光纤5-2、接收光纤5-3材料均为石英光纤，其中激发光纤为石英光纤集束，其探头端呈环形紧密均匀围绕于所述金属内筒5-1-1外侧且外侧包有金属外筒5-1-2，其探头端并固定有耦合透镜5-2-1；接收光纤5-3探头端位于所述探头5-1中心，外侧包有金属内筒5-1-1，其探头端从内到外依次固定有可选带通滤光器5-3-1、聚光镜5-3-2、透镜5-3-3；所述金属外筒5-1-2端面高于金属内筒5-1-1端面。

其中，可调带通滤光器5-3-1可自动切换4档带通滤光片，只允许400nm～420nm、420nm～440nm、440nm～460nm、460nm～480nm四档波段的光照射进检测装置。

所述接收光纤5-3探头端端面高于激发光纤5-2探头端端面，所述激发光纤5-2的探头端距离圆形采样区的距离为d，d的选择需要满足所述激发光源模块3的发出的激发光束完全且均匀覆盖圆形采样区这一条件。测量时，所述检测装置探头端需贴紧被测量叶片或者采集卡，围成一个圆形采样区，避免外部光线干扰，圆形采样区的面积为1～3cm²，优选1cm²。

在上述实施例中，所述装置还包括测量按键6，所述测量按键6与所述主控模块2连接，用于在按下所述测量按键6时所述主控模块2向所述激发光源模块3发出指令。

在上述实施例中，所述装置还包括触控显示屏7，所述触控显示屏7与所述主控模块2连接，用于人机交互。

具体地，在测量前，可以通过触控显示屏7选取所要使用的预设预测模型。测量时，可以通过触控显示屏7显示测量结果。

在上述实施例中，所述激发光源模块为可调紫外光源。所述光电转换模块为硅光电池或光电倍增管。

图4为本发明实施例提供的一种利用上述述装置进行沉积量检测的方法的流程图，如图4所示，包括：

s401，通过触控显示屏分别选取所述装置的预设预测模型、工作模式及采样模式；其中，所述工作模式包括标准工作模式和快速工作模式，所述采样模式包括单点采样模式和多点采样模式；

s402，利用所述装置对待测物进行检测获取所述待测物的沉积量。

其中，采样模式包括单点采样模式和多点采样模式，单点采样模式，检测装置在单个雾滴沉积介质上只检测一个圆形采样区，在单位时间内对该圆形采集区多次采样，所述主控模块2对采样结果均值化处理。多点采样模式，检测装置在单个雾滴沉积介质上检测多个圆形采样区，所述主控模块2对多点采样结果均值化处理。每个圆形采集区单次采集时间t固定，采集时间t与所述激发光源模块3的开关频率f有关，t＝1/f。

本发明实施例提供的一种便携式航空施药雾滴沉积量检测方法，基于荧光光谱技术，利用主控模块控制激发光源模块向待测物发射激发光线，再通过光电转换模块将接收到的激发荧光转换成对应的电信号，利用主控模块中存储的预设预测模型计算出对应的沉积量，实现了航空施药雾滴沉积量的自动实时检测，且检测方便，结果准确，该装置结构简单小巧，便于携带。

在上述实施例中，在通过触控显示屏选取所述装置的预设预测模型之前，还包括：

建立所述多个预设预测模型。

具体地，预测模型建立步骤如下：

步骤1：水敏纸法标定，实验中在同一激发光源的照射下，不同种类农药在不同浓度条件下分别添加和不添加一定比例的荧光增白剂分别喷施在水敏纸上，使用光谱仪分别测得两种情况下激发的400nm～480nm波段荧光光谱数据。

步骤2：特定农药修正，由于一些农药自身在紫外光源的照射下，会激发出荧光，为避免沉积量检测结果受到农药的干扰，在形成预测模型前，都要对待测农药修正。根据步骤1中得到的两种情况的荧光光谱数据，将添加荧光增白剂的激发光谱数据滤除不添加荧光增白剂的激发光谱数据干扰，得到混合药液中单纯荧光增白剂的激发的蓝光光谱数据。

步骤3：将步骤2滤除后得到的光谱数据400nm～480nm蓝光波段分成4档特征光波段：400nm～420nm、420nm～440nm、440nm～460nm、460nm～480nm，分别将四档特征光波段的光谱强度数据与水敏纸法测得的雾滴沉积量进行相关性分析，选取相关性最高的一档波段，通过标定后得到雾滴沉积量d与光谱强度p的关系d＝f(p)。选择合适光电传感器构成光电转换模块(4)，将光谱强度信号p转换为电信号x。进一步将d＝f(p)关系式转化为雾滴沉积量d与电信号x的关系d＝f(x)，最终建立预测模型。

步骤4：将步骤3建立的不同种类农药、不同浓度条件下的预测模型信息整理为数据库，导入到便携式航空施药雾滴沉积量检测装置的主控模块。

步骤5：检测人员使用检测装置前，通过检测装置的触摸显示屏选择设定农药类型、浓度来调取对应预测模型，并选择工作模式、采样模式。检测装置的可调带通滤光器自动更换到合适带通滤光片，将检测装置探头端贴紧待测雾滴沉积介质，检测完成后，检测装置会将结果显示在触摸显示屏上。

在上述实施例中，当选取的工作模式为标准模式时，利用所述装置对待测物进行检测获取所述待测物的沉积量，具体包括：

将一个或多个具有预设形状的白色无荧光卡片设置在施药区域内；

在药液喷洒沉降完成后，利用所述装置对所述一个或多个具有预设形状的白色无荧光卡进行检测，获取沉积量。

具体地，检测人员使用检测装置时，从数据库中调取待检测农药的预测模型，检测装置自动切换到对应档位的带通滤光片，只允许需要波段的反射荧光进入装置内，雾滴沉积介质采用白色无荧光卡片，其形状为规则矩形或圆形卡片。在施药区域，白色无荧光卡片可以无序放置，也可以均匀放置其在一条水平直线上。药液喷洒沉降完成后，检测人员使用检测装置检测之前放置的n(n＝1,2,3……)张白色无荧光卡片，检测完成后，触摸显示屏会依序以图表形式显示统计的各点的沉积情况，并显示出喷施区域各点沉积量之间最大值点max、最小值点min、平均值va、标准差vd、变异系数cv等参数。

在上述实施例中，当选取的工作模式为快速模式时，利用所述装置对待测物进行检测获取所述待测物的沉积量，具体包括：

在药液喷洒沉降完成后，采集一个或多个施药区域内的叶片；

利用所述装置对所述一个或多个施药区域内的叶片进行检测，获取沉积量。

具体地，检测人员有时需要对一片作业区域的喷药情况进行大致评估，无需特定的白色无荧光卡片作为雾滴沉积介质，检测人员可以使用检测装置直接检测作物叶片。首先，通过触摸显示屏设定检测装置为“快速模式”。由于一些作物在紫外光源的照射下，会激发出荧光，因此检测前选取多组未喷洒农药的作物叶片，使用检测装置进行检测。如果激发出荧光，检测装置会得到其荧光电信号xa，基于荧光电信号xa，检测装置会自动对所选农药的预测模型d＝f(x)进行修正得到d＝f(x-xa)。然后，检测人员在待测喷药区域可随机选择n(n＝1,2,3……)个叶片测量。检测完成后，检测装置的触摸显示屏会依序以图表形式显示检测的各点的沉积量，并计算显示出各点沉积量最大值点max、最小值点min、平均值va、标准差vd、变异系数cv等参数。

下面通过一个实例来对本发明实施例进行进一步说明，需要说明的是，本发明实施例并不以此实例为限。

如图5所示，以甲氧虫酰肼杀虫剂为例的预测模型结构图，预测模型建立具体流程如下：

首先，选择优选水溶性较好的荧光增白剂，农药方面选择甲氧虫酰肼杀虫剂，在甲氧虫酰肼中混合0.3％～0.9％浓度的荧光增白剂，优先0.6％；雾滴沉积介质采用白色无荧光卡片，卡片形状为规则矩形或圆形卡片，本实例优选76毫米×26毫米的矩形卡片。

前期实验室内采用水敏纸法对检测装置标定。测量前，购买市售的甲氧虫酰肼杀虫剂，农药稀释浓度按厂家推荐浓度。在不同稀释浓度的甲氧虫酰肼杀虫剂药液中分别添加和不添加6％比例的荧光增白剂，将添加和不添加荧光增白剂的药液分别均匀喷施在水敏纸上，使用光强恒定、中心波长365nm、开关频率10hz的可调紫外光源照射两种条件下的水敏纸，使用光谱仪检测获得两种情况激发的400nm～480nm荧光光谱数据。实验中调节入射光光强，使激发后的400nm～480nm荧光光谱强度满足在所述光电转换模块(4)中硅光电池的最敏感量程fs(1/3～2/3)范围内，确定最佳入射光强。实验中使用图像处理方法得到水敏试纸上的沉积量di(d1,d2,d3……)。将添加荧光增白剂的荧光光谱数据滤除不添加荧光增白剂的荧光光谱数据干扰，得到混合药液中单纯荧光增白剂的激发的荧光光谱数据。

将滤除后获得的400nm～480nm波段的荧光光谱数据分成4档特征光波段：400nm～420nm、420nm～440nm、440nm～460nm、460nm～480nm，分别将四档特征光波段的光谱强度数据与水敏纸法测得的雾滴沉积量di进行相关性分析，选取相关性最高的一档波段f1～f2，通过标定得到雾滴沉积量d与光谱强度p的关系d＝f(p)。本实例选择硅光电池作为光敏传感器，将光谱强度信号p转换为电信号x。进一步将d＝f(p)转化为雾滴沉积量d与电信号x的关系d＝f(x)。由此建立甲氧虫酰肼杀虫剂不同浓度条件下的预测模型，将甲氧虫酰肼杀虫剂在不同浓度条件下的预测模型信息整理为数据库，导入到检测装置的主控模块。

本实例中工作模式为标准模式：首先在喷施的甲氧虫酰肼杀虫剂药液均匀混合6％比例的荧光增白剂，选用76毫米×26毫米矩形白色无荧光卡片作为雾滴沉积介质，使用方式类似于水敏试纸方法，采用双头夹子固定在支撑杆上，正面朝上。在位于作业区域植保飞机航线正下方均匀地布置10张卡片，植保飞机作业飞过作业区域，等待喷洒药液沉降完成后，检测人员可手持本发明所述的检测装置开展检测工作。检测人员使用检测装置前，通过检测装置的触摸显示屏选择设定农药类型为“甲氧虫酰肼杀虫剂”，选择浓度为“1:3000”来调取对应预测模型，并选择工作模式“标准模式”，选择采样模式为单点或多点采样模式，优选“多点采样模式”，设置点数为“3”。检测装置的可调带通滤光器自动更换到对应的带通滤光片，将检测装置探头端贴紧1号无荧光卡片，每张卡片采样3个点，每个点检测完成后，触摸显示屏上显示检测完成，该卡片的沉积量结果取3次的平均值，同理依次检测其他序号的无荧光卡片，全部检测完成后，在触摸显示屏上确定检测完成。经过处理计算，检测装置会依次显示统计的各点的沉积量，并形成图表，并显示出各点沉积量最大值点max、最小值点min、平均值va、标准差vd、变异系数cv等参数，如图6所示为触摸显示屏上检测的雾滴沉积量图表及相应参数。

本实例中工作模式为快速模式：首先，检测人员使用检测装置前，通过检测装置的触摸显示屏选择设定农药类型为“甲氧虫酰肼杀虫剂”，选择浓度为“1:3000”来调取对应预测模型，并选择工作模式为“快速模式”，选择采样模式为单点或多点采样模式，优选“多点采样模式”，设置点数为“3”。由于一些作物在紫外光源的照射下，会激发出荧光，因此检测前选取多组未喷洒农药的作物叶片，使用检测装置进行检测，如果激发出荧光，检测装置会得到其荧光电信号xa。基于荧光电信号xa，检测装置会自动对所选农药的预测模型d＝f(x)进行修正得到d＝f(x-xa)。植保飞机施药完成后，检测人员可手持本发明所述的检测装置开展检测工作，检测人员在作业区域，随机选取所喷洒作物的叶片进行检测，每个叶片采样3个点，每个叶片检测完成后，触摸显示屏上显示检测完成，该叶片沉积量结果取3次的平均值，同理检测其他叶片，全部检测完成后，在触摸显示屏上确定检测完成。检测装置经过处理计算后会依次显示统计的各叶片的沉积量，并形成图表，并显示出各叶片沉积量最大值点max、最小值点min、平均值va、标准差vd、变异系数cv等参数。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。