平面激光诱导荧光法测量射流混药浓度场研究

管贤平，邱白晶，龚 艳，董晓娅，欧鸣雄，董立立



平面激光诱导荧光法测量射流混药浓度场研究

管贤平1,2※，邱白晶2，龚 艳1，董晓娅2，欧鸣雄2，董立立2

（1. 农业农村部现代农业装备重点实验室，南京 210014；2. 江苏大学农业农村部植保工程重点实验室，镇江 212013）

为了验证平面激光诱导荧光（planar laser induced fluorescence，PLIF）方法测量射流混药浓度场的可行性，该文在考察射流混药浓度场随压力变化特性基础上，开展基于PLIF的射流混药浓度场测量试验。研制了射流混药装置及辅助测量装置。配制6种不同浓度的罗丹明6G均匀混合液进行浓度标定，采用平滑滤波消除测量噪声影响。对比总体灰度值标定和分栅格标定2种方法的标定效果，结果表明：采用分栅格标定可以获得较平均的分区域浓度，在标定浓度为1.000 mg/L时，分栅格标定的最大最小平均值之差仅为总体标定的25.22%。开展3种吸入浓度、进水口压力0.1～0.6 MPa时的浓度场测量试验，结果表明：总体上混合管末端变异系数偏大，靠近管壁的变异系数偏大；在压力0.1和0.2 MPa时，在测量区域末端的混合液浓度偏大，变异系数较大，混合均匀性较差。该文试验结果表明PLIF方法可用于射流混药浓度场测量，试验方法和结果可为其他液液混合浓度场测量提供参考。

农药；浓度；射流混药；平面激光诱导荧光；标定

0 引 言

在线混药方法在精准农业领域得到学者广泛关注[1]，在控制[1-2]、性能试验[3-4]和建模[5-6]等方面都有相关研究，其中射流混药得到较多研究[7-12]，如邱白晶等[9]进行了不同结构参数对射流混药性能的数值分析，宋海潮等[10-11]进行了脂溶性农药旋动射流混药器结构分析仿真与混合性能试验。混药浓度及浓度场测量是评价与分析混合效果的重要手段，有多种浓度测量方法，如透射法或浊度法[13-15]、近红外[16-17]、超声测量法[18-19]、表面等离子共 振[20]、图像法[21]和平面激光诱导荧光法（planar laser induced fluorescence，PLIF）[22]等，以上方法中只有图像和PLIF方法适合在线测量浓度场。徐幼林等[21]采用高速图像分析方法进行混合均匀性评价，需添加示踪粒子，且测量精度受所添加示踪粒子密度限制。PLIF技术是一种新型无干扰流场测试技术，可用于液相或气相流场流动形态的可视化测量，并能够定量地测量浓度场、温度场等信息。林柯利等[22]采用PLIF 技术对液-液喷射混合器的湍流混合特性进行了研究，得到了喷射器内湍流混合的二维浓度场。Nemri等[23]同时采用粒子图像测速和PLIF进行圆管内流体流动特性分析。Thong等[24]采用PLIF方法进行圆管内多层流动态特性分析。Shim等[25]采用温度敏感的罗丹明B和温度不敏感的硫代罗丹明101，实现了双色激光诱导荧光的测量分析。

在一般的浓度标定中，假设浓度和灰度的关系是均一的。但在实际PLIF的测量中，标定结果受入射激光强度、溶液吸光性能、材料透光性能等众多因素影响，浓度分布可能不均匀。Karasso等[26]试验表明，Nd:YAG激光器激发荧光素钠的荧光强度存在非线性，不适合用于浓度定量测量；Crimaldi[27]指出荧光强度与浓度成线性关系的条件是荧光浓度远小于饱和浓度；Shan等[28]研究表明，罗丹明6G在同一激光强度下，荧光强度与浓度存在较好的线性关系，但是激光强度与荧光强度不是线性关系。激光在通过溶液时，根据激光路径长度，光强有衰减，Sarathi等[29]的试验结果表明，在水中4 cm光程，光强衰减小于0.1%。

目前还缺乏射流混药的PLIF浓度场测量试验工作，标定时如何处理因测量条件造成的浓度分布不均问题有待进一步探讨。本文拟通过构建PLIF浓度场测量系统，开展浓度场标定试验和不同压力下的浓度场测量试验，以验证PLIF方法测量射流混药浓度场的可行性，并考察射流混药浓度场随压力变化特性。

1 材料与方法

1.1 射流混药PLIF测量试验系统

1.1.1 射流混药装置及光学畸变校正装置

考虑测量装置外形透光特性、加工成本和连接使用方便性等因素，设计加工了射流混药装置及用于辅助测量的光学畸变校正装置。射流混药装置采用射流管、射流嘴、混合管等多个部件组装的形式，其中混合管为圆形石英玻璃管。光学畸变校正装置主要是在圆管外面放置的充满待测液体的方形容器，以降低光学畸变[30-31]。方形容器上侧敞口，两侧面为有机玻璃平板，两端采用端盖密封。射流混药测量装置及光学畸变校正装置连接示意图如图1a所示。本文主要针对小流量喷头的混药浓度场测量，射流混药装置设计考虑了流量、吸药特性和器件承压特性等因素，主要参数选择参考文献[9]，混合管扩散角为9°，吸药口在射流嘴有锥度的侧面位置，利于阻止药液回流。由于不同混合管和射流嘴直径组合的吸药特性不同，因此加工多种尺寸规格，以利于选择可吸药的组合。加工的混合管入口直径有=1.0、1.5、2.5 mm，射流嘴出口直径有=0.6、0.8、1.0 mm，混合管总长度均为186.0 mm，出口直径均为8.0 mm。喷雾用液泵为普兰迪PLD-1206隔膜泵，最大压力为1.0 MPa，最大流量为3.2 L/min，采用PWM控制器进行液泵喷雾压力调控，采用0～1.0 MPa的压力表测量射流混药装置进水口处的压力。

1.1.2 PLIF测量试验系统

PLIF测量试验系统主要包括激光系统、CCD相机、计算机及待测装置等部分，其中待测装置主要包括射流混药装置、光学畸变校正装置和相关的喷雾系统。激光系统采用中科思远光电科技公司生产的PLITE200激光系统，主要包括激光器、导光臂、片光源装置。激光器为Nd:YAG双脉冲固体激光器，激光波长532 nm，频率10 Hz，最大脉冲能量为200 mJ。通过7关节导光臂和片光源装置形成厚度为0.5～2.0 mm、扇面角30°的片状光源。CCD相机为美国TSI公司的 PowerView4M跨帧相机，分辨率为2048像素´2048像素，相机灰度动态值为12位，每秒最多可以采集14帧图像。荧光试剂采用罗丹明6G，相机滤镜采用545 nm的长波滤镜。软件系统包括Insight 3G软件平台和PLIF分析处理模块，图片灰度平滑和统计分析软件主要基于MATLAB 2012编程实现。PLIF浓度场测量现场如图1b所示。

1.2 试验方法

1.2.1 测量系统连接定位及测试参数设置预试验

1）测量系统连接定位。为了获得测量区域一致的图片以便于统计和对比分析，在各测试过程中保持测量装置的相对位置固定不变。将射流混药装置各部件按图1a连接并安装固定到光学畸变校正装置上，使两者成为一体。将安装好的光学畸变校正装置通过螺丝固定在光学平台上，片光源装置采用辅助装置固定在光学平台上，并位于射流混药装置的正上方，调节片光源出口到混药管距离约为1.0 m。调节片光源装置角度，使片光从上向下投射，片光平面与水平的光学平台垂直且经过混合管的中心轴线，从而照亮整个混合管的垂直截面。CCD相机由三脚架支撑，调节CCD相机镜头中心线与混合管中心轴线在同一水平高度且相互垂直，即镜头中心线与片光平面垂直，使相机可以正面拍摄混合管的垂直截面区域。调节相机镜头相对混合管位置，对准混合管入口区域，以便拍摄混合管从入口到扩散段的测量图片。在各测试条件下，保持射流混药装置、片光源装置、CCD相机等装置的位置固定不变，并保持各设备的测试参数不变，以使获得的测量照片所拍摄对象的实际几何形状和尺寸完全相同。

1. 射流管 2. 射流嘴 3. 左端盖 4. 混合管 5. 光学畸变校正装置 6. 右端盖 A. 进水口 B. 吸药口 C. 混合液出口

1. Jet pipe 2. Jet nozzle 3. Left end cap 4. Mixing tube 5. Optical distortion correction device 6. Right end cap A. Water inlet B. Pesticides inlet C. Mixing liquid outlet

注：为混合管入口直径，mm；为射流嘴出口直径，mm；为混合管扩散角，（°）。

Note:is inlet diameter of mixing tube, mm;is outlet diameter of jet nozzle, mm;is diffusion angle of mixing tube, (°).

a. 射流混药装置及光学畸变校正装置

a. Jet mixing device and optical distortion correction device

1. CCD相机 2. 双脉冲激光器 3. 导光臂 4. 计算机 5. 片光源装置 6. 射流混药装置及光学畸变校正装置 7. 混合液出口管 8. 光学平台 9.进水管 10. 吸药管

1. CCD camera 2. Double pulse laser 3. Light arm 4. Computer 5. Sheet light source device 6. Jet mixing device and optical distortion correction device 7. Mixing liquid outlet pipe 8. Optical platform 9. Water inlet pipe 10. Pesticide inlet pipe

b. 测量现场

b. Measurement site

图1 PLIF浓度场测量系统示意图及测量现场

Fig.1 Schematic diagram and measurement site of PLIF concentration field measurement system

2）测试参数设置预试验。为了获得合适的测试参数，进行测量状态下的预试验。为了获取清晰的测量图片，在测量状态下，进行激光强度、片光厚度和每秒连续拍摄图片数量等参数的优选。经过不同参数范围的多次测试对比，选择激光器光强为低，单位脉冲能量约为50 mJ，片光厚度约为0.5 mm，采集的图片灰度值均未饱和，整体图片较清晰。PLIF激光器频率为10 Hz，即每秒最多可以发射10次激光，对比每秒不同帧数设置，从荧光图片效果看，每秒拍摄5帧时，图片清晰度和稳定性较好。因此以每秒采集5帧图片的速度，连续采集2 s，获得测量区域的连续10帧测量图片。

3）射流混药吸药性能预试验。由于不同的混合管和射流嘴直径组合的吸药特性不同，本文要求在可以吸药的条件下进行浓度场测试，为此进行不同混合管和射流嘴组合的吸药特性预试验。预试验时，混合液出口连接4个TP110015喷头，进水口工作压力调节范围为0.1～0.6 MPa。水箱的水通过软管连接到泵的吸入口，泵的出口通过软管连接到混药装置的进水口，混合管出口与喷头连接。敞口烧杯中由4 mm软管连接到射流混药装置的吸药口，以此作为药箱。预试验结果表明，部分组合产生回流现象，吸药效果较好的组合为混合管入口直径=1.5 mm，射流嘴出口直径=0.80 mm，该组合在各压力下均可吸药。因此在后续的浓度场标定试验和不同压力测量试验中，均采用上述的混合管和射流嘴组合，喷雾系统配置与预试验相同。

1.2.2 图片灰度与溶液浓度的标定试验

采用精度0.1 mg的电子天平sartorius BS210S及量筒、滴定管等配制所需的罗丹明6G溶液。为了获得不同浓度混合液，采用配制母液多次稀释的方法配制溶液，首先称量1.0000 g罗丹明6G粉末，溶解稀释到约490 mL去离子水中，经过滴定获得500 mL溶液，作为母液，再根据不同浓度要求，对母液进行稀释，以获得所需浓度的溶液。标定试验中，分别配制0.050、0.100、0.250、0.600、1.000 mg/L的罗丹明6G均匀溶液，在药箱和水箱中同时加入所配制的溶液，背景条件为药箱和水箱中都加入清水，作为浓度0.000 mg/L的混合液，以上测量在进水口压力0.3 MPa下进行。设置每秒采集5帧图片，连续采集2 s，取10帧图片测量区域的平均灰度值作为对应浓度下的平均灰度值，以此进行浓度标定。

1.2.3 不同吸入药液浓度下的混药浓度测量试验

将配制的母液稀释，配制浓度分别为3.125、1.000、0.250 mg/L的罗丹明6G溶液作为模拟农药，放置在药箱中，而水箱中为清水。3次试验中，在进水口0.1～0.6 MPa工作压力下，间隔0.1 MPa分别进行测试。设置每秒采集5帧图片，连续采集2 s，每种条件下获得10帧连续图片，进行各测试的统计分析。

2 结果与分析

2.1 标定试验结果分析

首先进行测量空间尺寸标定，在未混药情况下，拍摄静态图片，并根据混合管的直径进行空间尺寸标定。混合管右端直径为8.0 mm，对应的像素数为347.01，则每个像素的尺寸为8.0/347.01=0.023mm。测量图片为2048像素´2048像素，测量图片尺寸为47.21 mm´47.21 mm。

各浓度下的第1秒第3帧测量图片如图2所示。在测量图片中，混药浓度场的目标测量区域为混合管从入口到扩散段内部充满混合液的区域，对应于测量图片中的区域为图2f中的红色框内区域（由于保持测量位置一致不变，各测量图片中的测量区域相对位置相同。）对目标测量区域的灰度进行统计分析。

荧光图像的原始灰度局部有较大波动，存在测量噪声。如浓度0.250 mg/L的第1秒第3张标定图片，纵向和横向局部原始灰度见图3。常用像素平滑方法来减少局部噪声[29,32-33]。为了提高测量的可靠性，对各设置情况下的10次图片取平均值，然后对平均图片进行均值滤波处理。

1）图片灰度均值滤波：参考文献[29]，对于像素点（，）处，作邻域像素点为的平滑，即取其周围×点平均值作为（，）的平滑灰度值。综合考虑平滑效果、与原图误差和计算时间因素，选择=5，平滑效果见图3。

图2 不同浓度罗丹明6G溶液的标定图片

图3 浓度0.250 mg×L–1标定时邻域像素点N = 5平滑效果

其中为||目标测量区域的像素点数，(,)为属于目标测量区域的像素点(,)处的灰度值，相机灰度动态值为12位，所以灰度值取值范围为0～4095。

标准差S为

变异系数C为

3）总体标定（total average gray calibration，TAC）：根据全局平均浓度值和全局平均灰度值，进行直线拟合，拟合结果如图4所示。由图4可见，全局平均浓度和灰度的线性度较好。

图4 总体平均灰度与浓度拟合结果

标定浓度0.000、0.050、0.100、0.250、0.600、1.000 mg/L对应的全局平均变异系数依次为：0.875 0.300 0.298 0.304 0.310 0.313。从各次测量的变异系数看，背景标定时变异系数较大，而其他浓度溶液标定的变异系数较小，总体上，标定浓度大于0时变异系数较小，浓度测量结果较稳定。

4）分栅格标定（grid-based calibration，GBC）：由标定时各测量图片及不同位置的局部灰度曲线看，不同区域的灰度值存在差异，总体上靠近混合管壁两侧的灰度值较低，而中间区域的灰度值较高，这可能是由于圆管不同区域透射和反射程度不同造成的。混合管最大光程为8 mm，混合管上侧和下侧的灰度值无明显差别，可见荧光实际衰减比例均较小，可忽略不计。为了考察各区域的浓度分布情况，降低由于测量区域透光性差异对标定造成的影响，进行分栅格统计分析。

根据测量区域的形状和尺寸特点，结合计算量要求，进行测量区域的栅格划分。初步选择将目标测量区域沿混合管液流流向（即纵向）均匀分为10个单元格，沿混合管径向（即横向）均匀分为6个单元格。然后根据测量结果对栅格进行细分：由于靠近管壁的栅格灰度差异较大，将横向靠近管壁的1行栅格均匀分为2行，又由于纵向前后端栅格相对中间段的灰度差异较大，将纵向最前面2列和最后面2列皆均匀一分为二，这样获得8×14的栅格划分方案，如图5所示。

图5 测量区域按8×14栅格划分

假设标定时，各栅格的平均浓度值yg和栅格平均灰度值g之间拟合关系为g=1g+2。8×14 GBC标定时，各栅格的标定系数和相关系数如图6所示。从图6可看出，各栅格标定系数因位置不同差异较大，系数1均为正，中间栅格较小，边缘栅格较大；系数2均为负，中间栅格绝对值较小，边缘栅格绝对值较大，而相关系数都接近1，各栅格差别不大。

GBC方法和TAC方法，部分标定浓度时各栅格浓度如图7所示。总体上，在测量区域的中间部分平均浓度值较稳定，数值较大，而贴近混合管边缘的浓度值较小，如果不按栅格标定，将导致边缘栅格的浓度值偏低。由图7可见，TAC标定时，边缘栅格和中间栅格的浓度差别较大，边缘栅格的浓度值偏小；GBC标定时，边缘栅格和中间栅格的浓度差别较小，但是边缘栅格的浓度值仍略偏小。

注：GBC表示分栅格标定。下同。

注：TAC表示总体标定，下同。

Note: TAC means total average gray calibration，the same below.

图7 TAC和GBC标定时各栅格平均灰度值

Fig.7 Average gray value of each grid with TAC and GBC

采用GBC方法和TAC方法标定时，在背景标定时，各栅格变异系数没有明显规律，在其他标定浓度时，总体上是边缘栅格的变异系数较大，中间栅格的较小。可能原因是：边缘栅格由于透射特性，灰度值差异较大，所以变异系数较大；通过分栅格标定，总体上能改善边缘栅格的平均浓度值，但是由于固有的灰度值差异存在，变异系数仍较大。采用直径更大的混合管，边缘栅格受光学畸变影响更小，应该可以获得更准确的标定 结果。

采用GBC方法和TAC方法标定时，全局平均浓度和变异系数相差不大。可能原因是：2种标定的差异主要体现在边缘栅格，但是边缘栅格区域面积较小，占总体区域的比例较小，对总体的测量效果影响不大。

为了量化不同标定方法的效果，对比TAC和GBC标定时，所有栅格平均浓度最大值和最小值之差，结果如图8所示。由图8可见，GBC标定，除了背景标定时差值较大外，其他测量情况均小于TAC标定，如1.000 mg/L标定时，GBC标定的最大最小平均值之差仅为TAC标定时的25.22%，可见GBC标定可以减少由于测试条件造成不同区域灰度不均匀引起的标定误差，获得更准确的标定结果。

不同标定方法，横向和纵向各位置栅格平均浓度值的平均值如图9所示。TAC标定时，横向边缘栅格的平均值与中间栅格的平均值差异较大，边缘栅格的平均浓度值较小，中间栅格的平均浓度值较大，纵向栅格序列的平均浓度有较大波动。GBC标定时，横向和纵向平 均浓度值比较均匀，变化较小。由此可见，GBC标定可以改善边缘栅格浓度偏小的缺点，能获得更均匀的标定效果。

图8 TAC和GBC标定的最大最小平均浓度差值对比

2.2 不同吸入药液浓度的混药浓度场测量结果分析

不同吸入浓度时各压力下的混药浓度场部分测量结果如图10所示。

从图10测量结果可看出，总体上混药浓度分布比较均匀，在0.1和0.2 MPa时，混合管右端出现部分区域浓度较高现象，其可能原因是压力较小，测量区域的混合液流动不足，到了混合管末端，出现部分气泡，导致亮度增大，在图中表现为浓度变大。在I=3.125 mg/L时，混合管中间，出现部分区域浓度略偏高，其可能原因是浓度较大时，混合管中间部分区域更易于发射荧光，造成部分区域亮度略偏高，表现为浓度略偏高。

图9 TAC和GBC标定横向和纵向栅格平均值对比

图10 不同吸入浓度时各压力下的混药浓度场测量结果

基于GBC方法获得的各栅格标定系数，对各测量条件下的平均浓度和变异系数统计分析，总体平均浓度和变异系数如图11所示。总体看，压力对平均浓度和变异系数都有一定影响，0.1和0.2 MPa时平均浓度值偏高，变异系数偏大，0.3～0.6 MPa时，浓度值偏小，变异系数较小，说明随着压力增加，混药均匀性提高。

为了考察各吸入浓度条件下，沿混合管纵向和横向区域的浓度分布特性，进行了纵向栅格和横向栅格的平均浓度和变异系数统计，如图12～15所示。

图12为不同吸入浓度时各压力下纵向栅格平均浓度值。由图12可见，总体上，纵向栅格在混合管前端的浓度值比较平稳，在末端的浓度值在压力较小时偏大，其中I=3.125 mg/L和I=0.250 mg/L时，0.1和0.2 MPa时末端浓度值均偏大较多，而I=1.000 mg/L时，0.1 MPa时末端浓度值均偏大，0.2 MPa时只在第13、14栅格偏大。

图13为不同吸入浓度时各压力下纵向栅格平均变异系数。由图13可见，整体上前端的纵向平均变异系数偏小，末端的平均变异系数偏大，而且前端的变异系数随压力变化的差异不明显，在第9栅格，除了I=0.250 mg/L、0.1 MPa时，其他情况都出现变异系数低谷，第10至第14栅格，总体上变异系数呈上升趋势；末端的变异系数随压力有一定变化，但是无明显变化规律，如I=1.000 mg/L时末端变异系数最大的为0.1 MPa时，而I=0.250 mg/L时，末端变异系数最大是在0.5和0.6 MPa时。

图14为不同吸入浓度时各压力下横向栅格平均浓度值。由图14可见，横向栅格的平均浓度值总体上是中间偏大两侧小，而且总体上在压力较小时浓度值偏大，但是不同吸入浓度下，各压力条件下的变化情况并不一致。在I=3.125 mg/L时，0.1和0.2 MPa时浓度值明显偏大，且中间栅格浓度值最大；0.6 MPa时中间栅格浓度明显偏大，浓度曲线有明显的凸起形状；而0.3～0.5 MPa时，浓度值比较平稳，并且不同压力时浓度值差异较小。在I=1.000 mg/L时，0.1 MPa时浓度值明显偏大，且中间栅格浓度值最大；0.2～0.6 MPa时浓度变化曲线比较一致，但是浓度值较大的是0.3和0.2 MPa时，浓度值最小的是0.4 MPa时。在I=0.250 mg/L时，0.1和0.2 MPa时浓度值明显偏大，在第1栅格0.2 MPa时浓度值最大，其他情况是0.1 MPa时浓度值最大；0.3～0.6 MPa时，浓度值变化比较一致，总体上是0.3 MPa时大于0.4 MPa时，而0.5和0.6 MPa时相差不大，2个曲线基本重合。

注：吸入浓度1、2、3分别为3.125、1.000和0.250 ml·L-1。

图12 不同吸入浓度时各压力下纵向栅格平均浓度值

图13 不同吸入浓度时各压力下纵向栅格平均变异系数

图14 不同吸入浓度时各压力下横向栅格平均浓度值

图15为不同吸入浓度时各压力下横向栅格平均变异系数。由图15可见，横向栅格的平均变异系数变化一致性较好，总体上是中间栅格变异系数小，两侧变异系数大，并且不同压力下变化规律基本一致。第1和第8栅格的变异系数比较接近，而且数值最大，第7栅格变异系数较第1、8栅格小，但是比其他栅格明显偏大，而第2～6栅格变异系数较小，总体上数值比较接近。说明混合管中间均匀性较好，靠近壁面混合均匀性下降。

为了量化不同吸入浓度时的浓度差异，统计各吸入浓度下，不同压力时8×14栅格的平均浓度最大值和最小值之差，结果如图16所示。由图16可见，在不同吸入浓度情况下，总体上是压力较小时（0.1、0.2 MPa），差值较大，0.3～0.5 MPa时各吸入浓度的差值均较小，I= 3.125 mg/L时，0.6 MPa时差值又偏大。总体上压力较低时，混合均匀较差，压力增大到一定情况，也可能降低混合均匀性。

图15 不同吸入浓度时各压力下横向栅格平均变异系数

图16 不同吸入浓度和压力时最大最小平均浓度差值对比

3 结 论

1）搭建了射流混药装置和辅助测量装置，开展了混药浓度场的PLIF测量试验。首先进行浓度与测量灰度的标定，然后在吸药的情况下进行不同压力下的混药浓度场测量试验。

2）标定结果表明：按总体平均灰度值标定时，各区域的浓度差异较大，边缘区域的浓度值明显偏小，采用分栅格区域标定能较好处理测量图片灰度不均匀的问题，在纵向和横向都能够平滑栅格之间的灰度差异，可以获得较平均的分区域浓度。1.000 mg/L标定时，按8×14栅格标定的最大最小平均值之差仅为总体标定的25.22%，分栅格标定可以明显提高标定的准确性。

3）不同吸入浓度在不同压力时的测量结果表明：总体上，压力对平均浓度和变异系数都有一定影响，压力为0.1和0.2 MPa时平均浓度值偏高，变异系数偏大，压力为0.3～0.6 MPa时，浓度值较小，变异系数较小，说明在测试压力范围内，随着压力增加，混药均匀性提高。纵向和横向栅格平均浓度值变化趋势表明：混合管末端的纵向平均变异系数偏大，靠近管壁的横向平均变异系数偏大；压力为0.1和0.2 MPa时，混合管末端出现浓度值偏高，且混合管横向平均浓度值偏高；总体上横向中间栅格变异系数较小，两侧栅格变异系数较大，说明混合管靠近壁面混合均匀度降低。总体上，在压力较低时，不同栅格之间的最大最小浓度差值较大，混合均匀性 较差。

本文采用按栅格标定的浓度场标定方法，获得了射流混药内流场的部分结果，可与外流混药结果对比。测量试验方法和结果可为其他液液混合浓度场的测量提供一定参考。但本文测量的是混合管内的浓度场，只是混药过程中的中间结果，下一步考虑测定混合后的由喷头喷出混合液的浓度，对比验证混合管浓度场和最后混药结果的关系。另一方面，采用圆形混合管，在不同栅格位置还存在体积分布差异，后续工作考虑通过测试结合仿真来拓展各截面区域的浓度分布，从而获得整个混合管的体积浓度分布情况。此外，还可进行混药过程的动态测试和CFD仿真分析，以获得混合过程的动态特性。

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Study on jet mixing pesticide concentration field measurement with planar laser induced fluorescence

Guan Xianping1,2※, Qiu Baijing2, Gong Yan1, Dong Xiaoya2, Ou Mingxiong2, Dong Lili2

(1.210014,; 2.212013,)

Online mixing provide the required concentration of pesticides by injecting the required amount of solution in real time. The concentration field measurement is important for evaluating the effect of online mixing. The plane laser induced fluorescence (PLIF) method is suitable for the concentration field measurement of online mixing with the advantages such as no-touching, no influence on the mixing field, quickly and accurately. In order to measure the jet mixing concentration field for agricultural spraying, a jet mixing device and an auxiliary measurement device of PLIF concentration field were developed in this paper. The jet mixing device included round jet pipe, jet nozzle, mixing tube and other components. This paper mainly focused on the measurement of the mixture concentration field of the small flow nozzles. For this purpose, the inlet diameters of the mixing tubes were=1.0, 1.5 and 2.5mm and the outlet diameters of jet nozzles were=0.6, 0.8 and 1.0mm. To be beneficial to pesticide inhalation, the selected combination was=1.5mm and=0.8mm in the experiments. Then experiments based on PLIF measurement devices were carried out. Firstly, the concentration calibration experiments were carried out. 6 different concentrations of Rhodamine 6G homogeneous mixture were formulated to calibrate the concentration test. The measured image was filtered by smoothing filter to eliminate the influence of the measurement noise. According to the calibration of total average gray value, the concentration difference between each local area was large, and the gray values of the edge area were obviously smaller than those of the centre one. The calibration based on grid division was able to handle the problem of uneven gray level of the measured image, and a more uniform subarea concentration could be obtained. The calibration effect of 2 calibration methods was compared. The first method was the total average gray calibration（TAC）one which taken the global average gray to calibrate the concentration. The second was grid-based calibration（GBC） one which divided the measurement field into grids and calibrated the concentration grid by grid. The measurement results showed that both the longitudinal and lateral grayscale differences could be smoothed by GBC and more balanced subregional concentrations could be obtained. The difference between the maximum and minimum average gray value based on 8×14 GBC was only 25.22% of that of TAC, which meaned that the calibration accuracy could be improved greatly by GBC. Secondly, the measurement of concentration field with water inlet pressure 0.1-0.6 MPa was carried out with 3 different inhalation concentrations (3.125, 1.000 and 0.250 mg/L). The calibration coefficients of each grid by GBC calibration were used to calculate the average concentrations and coefficient of variation of the measured pictures. The measurement results of different inhalation concentration at different pressure showed that the pressure had a certain effect on average concentration and coefficient of variation in general. Both the average concentrations and the coefficients of variation were relatively larger at pressure 0.1 and 0.2 MPa. Both the average concentrations and the coefficients of variation were smaller at pressure 0.3-0.6 MPa, which indicated that the uniformity of the mixture increased with the increase of pressure in general. The variation trend of the average concentration of the longitudinal and lateral grids showed that the concentration of the end of the mixed tube was higher and the longitudinal mean variation coefficient of the end was larger at 0.1 and 0.2 MPa. The mixing uniformity of the mixing tube was reduced as near the pipe wall. In general, the maximum and minimum concentration difference between different grids was larger at lower pressure, that was, the mixing uniformity was poor at lower pressure. The study showed that the PLIF method is suitable for the concentration field measurement, and the measurement precision can be improved with GBC method and that the pressure may influence the concentration field.

pesticide; concentration; jet mixing; plane laser induced fluorescence; calibration

管贤平，邱白晶，龚 艳，董晓娅，欧鸣雄，董立立. 平面激光诱导荧光法测量射流混药浓度场研究[J]. 农业工程学报，2018，34(23)：49－58. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.006 http://www.tcsae.org

Guan Xianping, Qiu Baijing, Gong Yan, Dong Xiaoya, Ou Mingxiong, Dong Lili. Study on jet mixing pesticide concentration field measurement with planar laser induced fluorescence[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2018, 34(23): 49－58. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.006 http://www.tcsae.org

2018-06-28

2018-09-30

国家重点研发计划项目课题（2016YFD0200708，2017YFD0200303）；农业部现代农业装备重点实验室开放课题（201302002）

管贤平，副研究员，主要从事精确施药技术研究。 Email：xpguan@ujs.edu.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2018.23.006

S224.3

A

1002-6819(2018)-23-0049-10