本发明公开了一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法；通过将压电陶瓷制动器安装在壳体内的滑道内，使压电陶瓷制动器能在滑道内滑动；压电陶瓷制动器的一端与杠杆的一端铰接，杠杆的另一端与撞针铰接，利用压电陶瓷制动器良好的压电效应以及其弹性实现对杠杆的控制，通过杠杆带动撞针进行往复运动，使撞针能按固定频率将药液按推送至清水中完成混合。本发明可通过操作终端进行药、水混合比设置，能够实现在小流量情况下的精确配比；采用模块化设计，能够直接与水箱、药箱和喷嘴等连接使用，具有广泛的适用性；可通过现有药剂喷雾机械车提供电力，具有结构简单、可靠，成本低的优点。
1.一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：具体如下：
壳体开设有进水口、混合出液口、进药口和阀道；进水口和阀道靠近混合出液口的一端均与混合出液口连通；进药口与阀道侧部连通；将压电陶瓷制动器与壳体内的滑道构成滑动副，将撞针与壳体的阀道构成滑动副；将压电陶瓷制动器的一端与壳体内的杠杆的一端铰接，将杠杆的另一端与撞针铰接，并通过弹簧将杠杆与壳体内壁面连接；然后，通过预紧组件对压电陶瓷制动器进行预紧；压电陶瓷制动器通过导线与供电源连接，供电源受控制器控制；接着，通过进水管将水箱的出水口与壳体上的进水口连接，通过进药管将药箱的出药口与壳体上的进药口连接；水箱的出水口处安装有泵、电磁阀和流量计；
作业开始前，操作员通过操作终端设置喷药作业的药、水混合比η，控制器接收到终端信号并设置压电陶瓷致动器的通电频率；开启泵和电磁阀后，作业开始，清水由水箱经进水口进入壳体中，并流向混合出液口，药液由药箱经进药口流至阀道处，在压电陶瓷致动器未通电的情况下，撞针抵在阀道的最深处并将进药口封堵；控制器控制供电源向压电陶瓷致动器供电时，由于压电陶瓷致动器一端由预紧组件预紧，通电后产生形变使得压电陶瓷致动器的另一端压住杠杆的一端，从而使杠杆的另一端带动撞针缩回并压缩弹簧，撞针不再封堵进药口，使药液从进药口进入阀道内；然后，控制器控制供电源停止向压电陶瓷致动器供电，压电陶瓷致动器回复至初始状态，带动杠杆的一端复位，同时弹簧带动杠杆的另一端及撞针复位，使撞针将阀道内的药液推出至混合出液口内并再次封堵进药口；药液与进入混合出液口内的清水混合输出；控制器控制供电源以设置的通电频率对压电陶瓷致动器供断电，便实现按设置的药、水混合比连续在线混药；
控制器根据药、水混合比η设置压电陶瓷致动器通电频率的计算过程，具体如下：
所述的控制器根据药、水混合比η设置压电陶瓷致动器通电频率的计算过程，具体如下：
时间Δt内流入混合出液口的药液体积V1计算公式如下：
其中，时间Δt为水箱出水口的流量计相邻两次测量的时间间隔，dv为撞针单次推出的药液体积，s为时间Δt内撞针推出药液的次数；
其中，Q为流量计在时间Δt内检测到的水流流量均值；
根据操作终端设置的药、水混合比η，将V1和V2计算公式代入药、水混合比η的计算公式：求得时间Δt内撞针推出药液的次数s，则控制器在单位时间内控制供电源对压电陶瓷致动器供、断电的次数均为s/Δt，即压电陶瓷致动器通电频率为s/Δt。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述壳体的前侧可拆卸连接有前盖，后侧可拆卸连接有后盖。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述的壳体上开设有若干个安装孔。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述的预紧组件包括螺钉、螺母和预紧保护套头；所述螺母与壳体的内壁面固定连接；所述的螺钉由壳体外穿入壳体内，与螺母连接，并穿入预紧保护套头开设的压力作用孔内；所述的预紧保护套头压紧压电陶瓷致动器。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述的壳体上开设有一个导线口；连接压电陶瓷致动器的导线穿过导线口。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述的撞针与阀道的接触处通过密封圈密封，密封圈由卡在阀道开设的环形槽内的卡簧轴向限位。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述的混合出液口处设置有混合缓冲器。
8.根据权利要求7所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述的混合缓冲器与喷嘴连接。
9.根据权利要求1所述的一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，其特征在于：所述的控制器与操作终端连接。
一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法
技术领域
[0001] 本发明属于农业机械技术领域，具体涉及一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法。
背景技术
[0002] 在传统的植保喷雾机系统中，所用药剂普遍采用预先混药的方式。预先混药是作业前预估所需水和药液的体积，并人工搅拌混合，能够保证确定的混药比；但植保喷雾前，很难对场地的药剂用量进行精准估计，若多配，配好药剂成分容易变质，则不得不倾倒，造成浪费和环境污染，若少配，则需要多次混药，而多次混药过程则难以避免地出现药剂对作业人员的身体健康产生危害，且会降低工作效率。
[0003] 为了减少浪费、避免废液倾倒污染，同时获得稳定良好的病虫害的防治效果，现代喷雾机械开始采用在线混药系统。实时混药的特点是水和药剂可以通过实时混药装置按照一定的浓度比进行实时的混合，避免了药剂的浪费，尽量减少作业人员和药剂的接触，降低药剂对人身的危害。
[0004] 在线混药的难点在于小流量药剂的定量分配和高水药比的稳定混合，如专利CN200820047346.7和专利201611020511.5均采用了通过传感器实现流量精确检测的方法来实现小流量的实时混药，但由于目前市面上用来监测小流量的流量计成本较高，而且在农业机械工作时产生的振动会导致测量不准确，难以实现对水箱药箱的小流量精准测量；专利202011239172.6公开了一种通过设计阀控算法实现药液定量按需分配，但因为存在反馈的延时难以实现低成本的高混药比的小流量药剂分配，且易出现流体脉动现象；专利
201710301178.3公开了一种在线混药器，体积相对较大，通过采用螺旋蜂孔板在缓冲器内多次混药保证均匀的混药比，但需要同时配合进药、进水、储药三个阀门，控制上保证连续的出药实现难度较大，难以实现低成本的多适用范围的在线混药。
[0005] 综上，现有高配比小流量药剂的在线混药技术受制于低成本高精度小流量的实时计量，难以保证稳定的混药均匀度和药水混合比。
发明内容
[0006] 为解决上述问题，本发明提出一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，可应用于农业植保喷雾机械，药剂混药比范围大，结构紧凑、安装方便，可以保证在线混药时药剂混合效果好，混合比稳定，适应于广泛的小流量和高配比等情况。
[0007] 本发明采用的技术方案如下：
[0008] 本发明一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，具体如下：
[0009] 壳体开设有进水口、混合出液口、进药口和阀道；进水口和阀道靠近混合出液口的一端均与混合出液口连通；进药口与阀道侧部连通；将压电陶瓷制动器与壳体内的滑道构成滑动副，将撞针与壳体内部开设的阀道构成滑动副；将压电陶瓷制动器的一端与壳体内的杠杆的一端铰接，将杠杆的另一端与撞针铰接，并通过弹簧将杠杆与壳体内壁面连接；然后，通过预紧组件对压电陶瓷制动器进行预紧；压电陶瓷制动器通过导线与供电源连接，供电源受控制器控制；接着，通过进水管将水箱的出水口与壳体上的进水口连接，通过进药管将药箱的出药口与壳体上的进药口连接；水箱的出水口处安装有泵、电磁阀和流量计；
[0010] 作业开始前，操作员通过操作终端设置喷药作业的药、水混合比η，控制器接收到终端信号并设置压电陶瓷致动器的通电频率；开启泵和电磁阀后，作业开始，清水由水箱经进水口进入壳体中，并流向混合出液口，药液由药箱经进药口流至阀道处，在压电陶瓷致动器未通电的情况下，撞针抵在阀道的最深处并将进药口封堵；控制器控制供电源向压电陶瓷致动器供电时，由于压电陶瓷致动器一端由预紧组件预紧，通电后产生形变使得压电陶瓷致动器的另一端压住杠杆的一端，从而使杠杆的另一端带动撞针缩回并压缩弹簧，撞针不再封堵进药口，使药液从进药口进入阀道内；然后，控制器控制供电源停止向压电陶瓷致动器供电，压电陶瓷致动器回复至初始状态，带动杠杆的一端复位，同时弹簧带动杠杆的另一端及撞针复位，使撞针将阀道内的药液推出至混合出液口内并再次封堵进药口；药液与进入混合出液口内的清水混合输出；控制器控制供电源以设置的通电频率对压电陶瓷致动器供断电，便实现按设置的药、水混合比连续在线混药。
[0011] 优选地，所述的控制器根据药、水混合比η设置压电陶瓷致动器通电频率的计算过程，具体如下：
[0012] 时间Δt内流入混合出液口的药液体积V1计算公式如下：
[0013] V1＝dv·s
[0014] 其中，时间Δt为水箱出水口的流量计相邻两次测量的时间间隔，dv为撞针单次推出的药液体积，s为时间Δt内撞针推出药液的次数；
[0015] 时间Δt内流入混合出液口的清水体积V2计算如下：
[0016] V2＝Q·Δt
[0017] 其中，Q为流量计在时间Δt内检测到的水流流量均值；
[0018] 根据操作终端设置的药、水混合比η，将V1和V2计算公式代入药、水混合比η的计算公式：
[0019]
[0020] 求得时间Δt内撞针推出药液的次数s，则控制器在单位时间内控制供电源对压电陶瓷致动器供、断电的次数均为s/Δt，即压电陶瓷致动器通电频率为s/Δt。
[0021] 优选地，所述壳体的前侧可拆卸连接有前盖，后侧可拆卸连接有后盖。
[0022] 优选地，所述的壳体上开设有若干个安装孔。
[0023] 优选地，所述的预紧组件包括螺钉、螺母和预紧保护套头；所述螺母与壳体的内壁面固定连接；所述的螺钉由壳体外穿入壳体内，与螺母连接，并穿入预紧保护套头开设的压力作用孔内；所述的预紧保护套头压紧压电陶瓷致动器。
[0024] 优选地，所述的壳体上开设有一个导线口；连接压电陶瓷致动器的导线穿过导线口。
[0025] 优选地，所述的撞针与阀道的接触处通过密封圈密封，密封圈由卡在阀道开设的环形槽内的卡簧轴向限位。
[0026] 优选地，所述的混合出液口处设置有混合缓冲器。
[0027] 更优选地，所述的混合缓冲器与喷嘴连接。
[0028] 优选地，所述的控制器与操作终端连接。
[0029] 本发明具有的有益效果是：
[0030] 1、本发明通过压电陶瓷致动器与杠杆配合，利用压电陶瓷致动器良好的压电效应以及其弹性实现对撞针往复运动的精确控制，使得药、水配比混合时具有更高的精确度；撞针式出药设计使得单次推药量更小，在配置小流量、高配比的药剂时更具优势；弹簧始终处于压缩状态确保未工作时药剂不会流出；且杠杆与压电陶瓷致动器均可拆卸，可根据具体配比要求更换杠杆，从而改变杠杆带动撞针产生的位移，能够适配不同黏度的药液；进一步，本发明通过混合缓冲器将药液和清水进行更充分的混合。
[0031] 2、在高药、水混合比情况下，水的流量比较大，可以用低成本流量计准确测量，而药剂量通过压电陶瓷致动器、杠杆与撞针配合准确保证，避免使用高成本流量计，但仍能实现准确的高药、水混合比，因为压电陶瓷致动器可以达到800hz以上的工作频率，在这个极短时间内通过的药剂量十分微小，通过高频减少了脉动效应，药剂小流量在线混药时药剂混合效果好，基本做到了线性供药。
[0032] 3、本发明采用模块化设计，能够直接与水箱、药箱和喷嘴等连接使用，具有广泛的适用性；本发明可通过现有药剂喷雾机械车提供电力，具有结构简单、可靠，成本低的优点。
附图说明
[0033] 图1为本发明的工作流程图；
[0034] 图2为本发明构造的在线混药装置结构立体图；
[0035] 图3为本发明构造的在线混药装置结构剖视图；
[0036] 图4为本发明构造的在线混药装置主视图；
[0037] 图5为图4的左视图；
[0038] 图6为图4的俯视图；
[0039] 图7为本发明构造的在线混药装置机构原理简图；
[0040] 图8为本发明构造的在线混药装置与进水管、进药管和混合出药管的连接关系示意图。
具体实施方式
[0041] 以下结合附图对本发明作进一步说明。
[0042] 如图1所示，本发明一种基于压电驱动的精确配比小流量在线混药方法，具体如下：
[0043] 如图2、图3、图4和图8所示，构造在线混药装置，具体如下：壳体开设有进水口4、混合出液口11、进药口13和阀道；进水口4和阀道靠近混合出液口11的一端均与混合出液口11连通；进药口13与阀道侧部连通；将压电陶瓷制动器与壳体内的滑道构成滑动副，将撞针8与壳体的阀道构成滑动副；将压电陶瓷制动器的一端与壳体内的杠杆2的一端铰接，将杠杆2的另一端与撞针8铰接，并通过弹簧3将杠杆2与壳体内壁面连接；然后，通过预紧组件对压电陶瓷制动器进行预紧；压电陶瓷制动器通过导线与供电源连接，供电源受控制器控制；接着，通过进水管将水箱的出水口与壳体上的进水口4连接，通过进药管将药箱的出药口与壳体上的进药口13连接(药箱高于进药口13，图中未画出水箱和药箱)；水箱的出水口处安装有泵、电磁阀(由控制器控制)和流量计，优选地，泵的输出口处还通过溢流阀连接水箱入水口；
[0044] 作业开始前，操作员通过操作终端设置喷药作业的药、水混合比η，控制器接收到终端信号并设置压电陶瓷致动器的通电频率；开启泵和电磁阀后，作业开始，清水由水箱经进水口4进入壳体中，并流向混合出液口11，药液由药箱经进药口13流至阀道处，在压电陶瓷致动器未通电的情况下，撞针8抵在阀道的最深处并将进药口13封堵；控制器控制供电源向压电陶瓷致动器供电时，由于压电陶瓷致动器一端由预紧组件预紧，通电后产生形变使得压电陶瓷致动器的另一端压住杠杆2的一端，从而使杠杆2的另一端带动撞针8缩回并压缩弹簧3，撞针8不再封堵进药口13，使药液从进药口13进入阀道内；然后，控制器控制供电源停止向压电陶瓷致动器供电，压电陶瓷致动器回复至初始状态，带动杠杆2的一端复位，同时弹簧3带动杠杆2的另一端及撞针8复位，使撞针8将阀道内的药液推出至混合出液口11内并再次封堵进药口13(在线混药装置的机构原理简图如图7所示)；药液与进入混合出液口11内的清水混合输出；控制器控制供电源以设置的通电频率对压电陶瓷致动器供断电，便实现按设置的药、水混合比连续在线混药。
[0045] 作为一个优选实施例，控制器根据药、水混合比η设置压电陶瓷致动器通电频率的计算过程，具体如下：
[0046] 时间Δt内流入混合出液口11的药液体积V1计算公式如下：
[0047] V1＝dv·s
[0048] 其中，时间Δt为水箱出水口的流量计相邻两次测量的时间间隔，dv为撞针8单次推出的药液体积(dv为定值，可以预先测量得到)，s为时间Δt内撞针8推出药液的次数；
[0049] 时间Δt内流入混合出液口11的清水体积V2计算如下：
[0050] V2＝Q·Δt
[0051] 其中，Q为流量计在时间Δt内检测到的水流流量均值；
[0052] 根据操作终端设置的药、水混合比η，将V1和V2计算公式代入药、水混合比η的计算公式：
[0053]
[0054] 求得时间Δt内撞针8推出药液的次数s，则控制器在单位时间内控制供电源对压电陶瓷致动器供、断电的次数均为s/Δt，即压电陶瓷致动器通电频率为s/Δt。
[0055] 作为一个优选实施例，如图5所示，壳体的前侧可拆卸连接有前盖14，后侧可拆卸连接有后盖15，便于壳体内压电陶瓷致动器的拆卸与安装。
[0056] 作为一个优选实施例，壳体上开设有若干个安装孔12；本发明通过安装孔12安装在外部设施上(如可移动的药剂喷雾机械车上)。
[0057] 作为一个优选实施例，预紧组件包括螺钉7、螺母6和预紧保护套头5；螺母6与壳体的内壁面固定连接；螺钉7由壳体外穿入壳体内，与螺母6连接，并穿入预紧保护套头5开设的压力作用孔内；预紧保护套头5压紧压电陶瓷致动器。
[0058] 作为一个优选实施例，如图3和图6所示，壳体上开设有一个导线口1；连接压电陶瓷致动器的导线穿过导线口1。
[0059] 作为一个优选实施例，撞针8与阀道的接触处通过密封圈10密封，密封圈10由卡在阀道开设的环形槽内的卡簧9轴向限位。
[0060] 作为一个优选实施例，混合出液口11处设置有混合缓冲器(混合出液口11通过混合出药管连接混合缓冲器，混合缓冲器优选文丘里管等混合效果良好的被动式混合结构，且长度不宜过长，以减少喷射延时)；混合缓冲器能使清水与药液更加充分的混合。
[0061] 作为一个更优选实施例，混合缓冲器与喷嘴(通过输液管)连接，清水与药液混合液最终从喷嘴喷出。
[0062] 作为一个优选实施例，控制器与操作终端连接；操作员可以通过操作终端对本发明的出药量进行设置和调整，并对控制器发送指令。
