CN101743804B - 联合收割机谷粒清选损失检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种联合收割机谷粒清选损失检测方法及装置，将阵列式压电晶体传感器安装于清选筛出口处，将阵列式压电晶体传感器输出的信号送入电荷放大器和增益可调电路中处理，转换成具有一定幅值的电压信号；运用高通滤波电路、灵敏度调节电路分别从频域和时域中分离出振动噪声与谷粒信号特征；将分离出的振动噪声与谷粒信号通过脉冲整形电路整形为单片微型处理器可以执行的标准脉冲信号；本发明利用多薄板压电探测阵列全宽分布的方法检测谷粒清选损失，从多区域多角度摄取信息，不仅增强谷粒冲击信号，提高谷草识别精度，而且提高了系统的测试可靠性，检测装置整体动态性能好，抗干扰能力强，测量精度高，能实现清选损失田间在线测量。

Description

联合收割机谷粒清选损失检测方法及装置

技术领域

本发明涉及农业机械中的联合收割机，特别涉及联合收割机的性能测试，用于对谷物清选损失进行智能检测。

背景技术

在联合收获机的性能测试中，谷粒清选损失率是一项重要指标，它直接影响着收割机的生产效率和作业质量。谷物收获作业中，当茎秆含水率较低时，脱粒过程中产生的大量碎茎秆会造成清选负荷加大，清选质量下降，清选损失率高达4％左右，极大地降低了作业质量。长期以来，该指标的检测一直采用人工计数和人工计算损失率，其缺陷是：工作效率低，误差大，不能实时指导机组收获作业。

由于清选筛抛出物中谷粒相对于茎秆和草非常少，用传感器检测到的谷粒损失信号非常微弱，几乎淹没在联合收割机和清选筛强振动噪声中，加之茎秆和草信号的干扰，使得谷粒信号的识别与提取变得极其困难。此外，当谷草混合物从清选筛排出后，连续撞击到安装于筛子后部的传感器敏感元件上，传统的结构是在平面板上固接单个压电基片，这种结构获得的谷粒信息不完整且不精确，还受到自身性能及噪声的影响，采集到的数据带有较大的不确定性。

目前，基于单片机的清选损失自动监测系统在实际使用时，整机功能、量化指标和可靠性均不高。阵列式压电晶体谷物清选损失传感器仅为理论研究，未有具体的实施方案，且无法解决阵列结构灵敏度一致性问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种实时性好、准确率高且可靠性强的联合收割机谷粒清选损失检测装置。

本发明的另一目的是提供一种快速、精确的联合收割机谷粒清选损失的检测方法。

本发明检测装置采用的技术方案是：阵列式压电晶体传感器的输出连接电荷放大器，电荷放大器的输出依次串接增益可调电路、高通滤波电路、灵敏度调节电路、脉冲整形电路、单片微型处理器和通信接口电路；灵敏度调节电路的输出旁接灵敏度电压显示数码管，单片微型处理器连接键盘、报警电路和主显示数码管；电源电路分别连接电荷放大器、单片微型处理器、键盘、主显示数码管、灵敏度电压显示数码管和各所述电路。

所述阵列式压电晶体传感器的传感器平板式敏感元件与水平位置成40°～60°且其两端可调式固定连接于联合收割机的清选筛后部的固定支架上，压电探测阵列敷贴于传感器平板式敏感元件的背面且被密封；在传感器平板式敏感元件正面粘贴有一层弹性薄膜；屏蔽传输导线一端连接压电晶体探测阵列，另一端连接所述电荷放大器。

本发明检测方法采用的技术方案是：将阵列式压电晶体传感器安装于清选筛出口处，全宽分布，从多区域多角度获取清选筛抛出物冲击信号；将阵列式压电晶体传感器输出的信号送入电荷放大器和增益可调电路中处理，转换成具有一定幅值的电压信号；运用高通滤波电路、灵敏度调节电路分别从频域和时域中分离出振动噪声与谷粒信号特征；将分离出的振动噪声与谷粒信号通过脉冲整形电路整形为单片微型处理器可以执行的标准脉冲信号；键盘切换为“在线监测”模式时，单片微处理器间隔采集谷粒清选损失信号且对采集到的谷粒信号进行计数和处理，并将结果实时显示在主显示数码管上；键盘切换为“查询数据”模式时，单片微型处理器调出当前工作时段内损失谷粒的总个数，用于评价此次收获作业质量状况。

本发明的有益效果是：

1、利用多薄板压电探测阵列全宽分布的方法检测谷粒清选损失，从多区域多角度摄取信息，不仅增强谷粒冲击信号，提高谷草识别精度，而且提高了测试可靠性。

2、该谷粒清选损失检测装置整体动态性能好，抗干扰能力强，测量精度高，能实现清选损失田间在线测量。

附图说明

图1为本发明装置结构连接示意图。

图2为图1中的阵列式压电晶体传感器1的结构图。

图中，1.阵列式压电晶体传感器；2.电荷放大器；3.增益可调电路；4.高通滤波电路；5.灵敏度调节电路；6.脉冲整形电路；7.单片微型处理器；8.键盘；9.报警电路；10.主显示数码管；11.通信接口电路；12.灵敏度电压显示数码管；13.电源电路；14.压电晶体探测阵列；15.传感器平板式敏感元件；16.固定支架；17.屏蔽电缆线。

具体实施方式

如图1所示的检测装置，阵列式压电晶体传感器1的输出连接电荷放大器2，电荷放大器2的输出依次串接增益可调电路3、高通滤波电路4、灵敏度调节电路5、脉冲整形电路6、单片微型处理器7和通信接口电路11。其中，灵敏度调节电路5的输出旁接灵敏度电压显示数码管12，单片微型处理器7的输出还连接报警电路9和主显示数码管10。键盘8的输出连接单片微型处理器7。电源电路13分别连接上述的各个电路并为各个电路提供电源，电源电路13还分别连接电荷放大器2、单片微型处理器7、键盘8、主显示数码管10和灵敏度电压显示数码管12并为其提供电源。电源电路13采用联合收割机上蓄电池输出的DC12V作为其电压输入，采用稳压电路得到系统稳定的电源电压等级DC±12V、DC5V。

参照图2，阵列式压电晶体传感器1的结构包括压电晶体探测阵列14、传感器平板式敏感元件15、固定支架16和屏蔽电缆线17。传感器平板式敏感元件15设置成与水平位置成40°～60°角且固定在位于联合收割机的清选筛后部的固定支架16上，以宽度方向分布进行检测。压电探测阵列14敷贴于传感器平板式敏感元件15的背面且被密封。在传感器平板式敏感元件15正面粘贴一层弹性薄膜，当谷粒撞击传感器平板式敏感元件15表面时，弹性薄膜可降低谷物在传感器平板式敏感元件15内部产生的弯曲波。

压电晶体探测阵列14是由若干个压电陶瓷晶体间隔排列而成。传感器平板式敏感元件15按左、中、右位置全宽度方向分布在一起。固定支架采用四角加固方式固定在传感器平板式敏感元件15的两端，固定支架16在传感器平板式敏感元件15的上下、前后位置均为可调结构。为了使压电陶瓷晶体与传感器平板式敏感元件15平面充分接触，屏蔽传输导线17采用单面引线方式与压电晶体探测阵列14连接，屏蔽传输导线17一端连接压电晶体探测阵列14，另一端连接电荷放大器2。

单片微型处理器7选用的是80C52单片机，通过数据口采集三路谷粒清选损失信号。键盘8包括“复位”、“开始”、“存储”三个键组成，其中“复位”键用来初始化程序并且进行系统自检；“开始”键用来启动清选损失监测程序的执行，实时采样清选损失谷粒信号，每隔1秒钟计算一次损失谷粒重量，并刷新显示；“存储”键用来查询当前工作时段内谷粒损失总个数。通信接口电路11采用MAX232电平转换芯片构成串行RS232通信方式。谷粒清选损失监测系统软件利用C语言开发。

在联合收割机田间收获过程中，将阵列式压电晶体传感器1安装于清选筛出口处，全宽分布，从多区域多角度获取清选筛抛出物冲击信号，经过电荷放大器2、增益可调电路3、高通滤波电路4、灵敏度调节电路5以及脉冲整形电路6处理，将清选损失谷粒信号从碎草、秸秆、颖壳等冲击信号和机组强振动信号的干扰中提取出来。对于收获不同作物，可以改变灵敏度调节电路5参考电压调节旋钮，从而调整三个通道灵敏度电压，并在灵敏度电压显示数码管12上显示。单片微型处理器7提供了两种工作模式：“在线监测”与“查询数据”，由键盘8选择切换。在“在线监测”模式下，单片微处理器7通过数据口采集谷粒清选损失信号，监控程序对采集到的谷粒信号进行计数、处理，并将结果实时显示在主显示数码管10上，完成清选损失在线监测，如果谷粒损失量超出设定的极限值，报警电路9发出命令，指示机手采取相应措施。作为监测系统的智能终端，通过通信接口电路11与上位机之间实时的数据传输，接受上位机的远程管理。在“查询数据”方式下，单片微型处理器7调出当前工作时段内损失谷粒的总个数，用于评价此次收获作业质量状况。

联合收割机谷粒清选损失检测方法具体包括以下步骤：

1、采用三块传感器平板式敏感元件15按左、中、右位置全宽分布在清选筛出粮口处。传感器平板式敏感元件15具有最佳分辨谷草冲击力的结构参数，而且能测量出谷粒撞击最高频率。多薄板结构可以提高传感器平板式敏感元件15对谷粒冲击信号分辨率；全宽分布形式可以最大限度地获取清选损失谷粒信号。传感器平板式敏感元件15与水平面成40°～60°角安装，避免抛出物冲击到传感器平板式敏感元件15表面发生二次碰撞现象，同时也防止颖壳、短茎秆等物撞击传感器平板式敏感元件15后堆积在其表面后降低传感器平板式敏感元件15的灵敏度。

设计传感器平板式敏感元件15时，先利用弹性薄板理论建立谷粒损失敏感元件动力学模型，再采用该动力学模型，依据谷粒下落规律，算出能测量出谷粒撞击最高频率的传感器平板式敏感元件15的参数，得出的参数是：长300mm，宽200mm，厚度1.5mm。

2、将压电晶体探测阵列14设置在传感器平板式敏感元件15背面，当谷草混合物随机撞击到传感器平板式敏感元件15表面不同位置时，压电晶体探测阵列14从多区域多角度摄取信息。由于压电晶体探测阵列14结构的特殊性，不仅可以增强谷粒冲击信号，提高谷草识别精度，而且保证传感器平板式敏感元件15整个范围内对谷草混合物的冲击具有相近的灵敏度。

压电晶体探测阵列14结构的具体设计方法如下：

1)利用谷粒信号传感模型，联立压电晶体电学方程，推导出谷粒损失信号测量模型

$U_o=-\frac{1}{C}{d}_{31}{C}_{11}{S}_1{S}_p\mathrm{\α}$

其中：U_o为压电晶体的开路电压，C为前置电荷放大器的反馈电容，d₃₁为压电常数，C₁₁为压电晶体弹性常数，S₁为压电晶体形变大小，S_p为压电晶体的极板面积，a为损耗系数；

清选损失谷粒以一定速度冲击传感器平板式敏感元件15时，谷粒信号的幅值大小与压电晶体受到冲击后的形变大小成正比，因此选择敏感元件形变较大的位置进行传感，就可以获得比较大的感应电荷量，达到增强谷粒信号，提高检测可靠性的目的。

2)采用有限单元法与试验分析法相结合对谷草撞击传感器平板式敏感元件15动力学模型进行分析，确定其低阶固有频率以及对应的振型分布。

3)根据步骤2)中的振型分布，选择传感器平板式敏感元件15动态形变明显的位置布局压电晶体，构建探测阵列结构雏形，达到增强谷粒信号，提高谷草分辨率目的。

4)利用ANSYS软件建立谷粒冲击传感器平板式敏感元件15有限元仿真模型，依据传感器平板式敏感元件15变形云图及形变位移数值解，校正步骤1)中的阵列结构雏形，优化阵列结构，保证探测阵列在增强谷粒冲击信号的前提下，使得传感器平板式敏感元件15在整个范围内灵敏度分布趋于均匀。

3、将阵列式压电晶体传感器1输出的信号送入电荷放大器2、增益可调电路3中处理，转换成具有一定幅值的电压信号；运用高通滤波电路4、灵敏度调节电路4分别从频域和时域中分离机组振动噪声与谷粒信号特征。高通滤波电路4根据谷粒信号过度带宽度及阻带衰减量确定满足滤波性能最低阶数为八阶，过度带增长速率较快、较大程度地从机组强噪声背景中提取出清选损失谷粒信号，以压控电压源拓扑结构为基本单元，采用级联方式。

4、将步骤3中分离出振动噪声和清选损失谷粒信号通过脉冲整形电路6使之整形为单片微型处理器7可以执行的标准脉冲信号。为了保持谷粒信号特征，脉冲整形电路6的脉冲脉宽的选择十分重要，如果选得过宽，延迟时间长，会导致谷粒信号的漏计；如果选得过窄，延迟时间短，会导致谷粒信号重复计数。采集清选过程中80组谷粒损失信号，运用数理统计方法分析谷粒信号衰减时间规律，以此确定脉冲宽度为5ms～6ms。

5、在“在线监测”模式下，单片微处理器7每隔一定的时间采集谷粒清选损失信号，监控程序对采集到的谷粒信号进行计数、处理，并将结果实时显示在主显示数码管10上，每隔1s刷新一次，完成清选损失在线监测，并可与上位机之间实时传输数据，接受上位机的远程管理。如果谷粒损失量超出设定的极限值，通过报警电路9发出报警命令，指示机手采取相应措施。在“查询数据”方式下，单片微型处理器7调出当前工作时段内损失谷粒的总个数，用于评价此次收获作业质量状况。

Claims (2)

1.一种联合收割机谷粒清选损失检测装置，阵列式压电晶体传感器(1)的输出连接电荷放大器(2)，电荷放大器(2)的输出依次串接增益可调电路(3)、高通滤波电路(4)、灵敏度调节电路(5)、脉冲整形电路(6)、单片微型处理器(7)和通信接口电路(11)；灵敏度调节电路(5)的输出旁接灵敏度电压显示数码管(12)，单片微型处理器(7)连接键盘(8)、报警电路(9)和主显示数码管(10)；电源电路(13)分别连接电荷放大器(2)、单片微型处理器(7)、键盘(8)、主显示数码管(10)、灵敏度电压显示数码管(12)和各所述电路；所述阵列式压电晶体传感器(1)的传感器平板式敏感元件(15)与水平位置成40°～60°且其两端可调式固定连接于联合收割机的清选筛后部的固定支架(16)上，其特征为：压电晶体探测阵列(14)敷贴于传感器平板式敏感元件(15)的背面且被密封；在传感器平板式敏感元件(15)正面粘贴有一层弹性薄膜；屏蔽传输导线(17)一端连接压电晶体探测阵列(14)，另一端连接所述电荷放大器(2)；压电晶体探测阵列(14)具有多个圆盘状的压电陶瓷晶体，且所述压电陶瓷晶体间隔排列；所述阵列式压电晶体传感器(1)具有三块按左、中、右位置全宽方向分布的传感器平板式敏感元件(15)，传感器平板式敏感元件(15)长为300mm，宽为200mm，厚度为1.5mm。

2.一种联合收割机谷粒清选损失检测方法，其特征为采用如下步骤：

1)将阵列式压电晶体传感器(1)安装于清选筛出口处，全宽分布，从多区域多角度获取清选筛抛出物冲击信号；

2)将阵列式压电晶体传感器(1)输出的信号送入电荷放大器(2)和增益可调电路(3)中处理，转换成具有一定幅值的电压信号；运用高通滤波电路(4)、灵敏度调节电路(5)分别从频域和时域中分离出振动噪声与谷粒信号特征，高通滤波电路(4)最低阶数为八阶，以压控电压源拓扑结构为基本单元，采用级联方式；

3)将分离出的振动噪声与谷粒信号通过脉冲整形电路(6)整形为单片微型处理器(7)可以执行的标准脉冲信号；

4)键盘(8)切换为“在线监测”模式时，单片微处理器(7)间隔采集谷粒清选损失信号且对采集到的谷粒损失信号进行计数和处理，并将结果实时显示在主显示数码管(10)上；键盘(8)切换为“查询数据”模式时，单片微型处理器(7)调出当前工作时段内损失谷粒的总个数，用于评价此次收获作业质量状况。

Images