CN102498803B - 排种器振动种盘内种子的运动状态监测方法与装置 - Google Patents
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Abstract
本发明为一种排种器振动种盘内种子的运动状态监测方法与装置，主要用于水稻等形状不规则、中小颗粒谷物的精密播种育苗时，振动种盘内种子运动状态的监测。本发明在排种器振动种盘内表面多点布置敏感元件，用于监测种盘内不同区域种子的冲击信号，通过信号调制电路获取测量区域内种子的层厚和离散程度等特征信号，二次仪表实时采集特征信号参数，进行多信息融合处理，根据建立的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，得到振动种盘内的种子数量、分布均匀性和离散程度。本发明实现了排种器振动种盘内种子运动状态的实时监测，能够提供添加种子信号和种盘振动参数的控制信号。
Description
技术领域
本发明属于播种机构振动种盘内种子的运动状态监测技术领域，具体涉及一种精密排种器振动种盘内种子的运动状态监测方法。
背景技术
播种是农业生产过程中的一个重要技术环节，排种器则是实现机械化精密播种的核心部件，气吸式排种器的作业性能和效率较高，是一种较为先进的播种方式，得到了广泛的发展。目前，采用往复振动的种盘激励薄层种子，让种子之间相互离散以减小吸种阻力，是提高播种精度的主要技术手段，然而，排种器工作过程中，振动种盘内种子的数量、振动状态和分布规律都是动态变化参数，随着播种次数的增加，种盘内的种子数量会逐渐减少，机器振动及路面平整度等因素很容易导致振动种盘内种子分布的不均匀，出现有些区域种层较厚而不能有效离散，有些区域种层过薄，甚至没有种子，研究结果表明，种子的数量变化和分布的不均匀直接造成漏吸率的增大，严重影响了吸排种精度，已经成为精密播种技术发展的瓶颈，因此，如何实时监测种子数量和运动状态，采用多信息融合反馈控制种盘振动参数，自动往种盘内添加种子，始终保持理想的种子数量和运动分布状态，有着重要的理论研究意义和实用价值，目前未见有公开研究报道。
发明内容
本发明是为了解决气吸式排种器作业过程中，振动种盘内种子的运动状态监测技术难题，可以实时获得振动种盘内的种子数量、分布均匀性和离散程度等信号，可以根据种盘内种子数量的变化，输出添加种子信号和种盘振动参数的控制信号，保持种盘内种子处于理想的数量和运动状态，提高排种器的作业质量和效率。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是：
在排种器种盘内表面安装多个监测敏感元件，用于监测落在监测敏感元件区域内的种子冲击信号，在种盘的背面安装补偿敏感元件，用于监测种盘的振动信号，起到振动补偿作用，将监测到的种子冲击信号和种盘振动信号传输给信号调制电路，信号调制电路分别得出各个监测区域内种子的层厚和离散程度，并传输给二次仪表，二次仪表实时采集信号调制电路的输出信号，并根据事先建立的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，得到种盘内种子的数量、分布均匀性和离散程度，并根据理想的种子层厚和离散程度的关系判断，输出向种盘内充添种子信号和种盘的振动参数的控制信号。
上述方法具体是：
种盘的四角通过四根支撑弹簧与播种机台架连接，种盘在激振部件的作用下产生往复振动，在种盘内表面不同位置安装多个监测敏感元件，在种盘的背面安装补偿敏感元件，监测敏感元件在种盘的振动作用以及种盘内种子的冲击作用下，产生电荷信号，补偿敏感元件在种盘的振动作用下，也会产生电荷信号，将此两路电荷信号输给信号调制电路，得到该监测区域内种子的层厚和离散程度，每个监测敏感元件设计独立的信号调制电路，从而得到种盘内不同位置区域内种子的层厚和离散程度，信号调制电路将监测结果以多路电压或电流模拟信号输送给二次仪表，二次仪表以单片机为核心，二次仪表通过多通道A/D采集信号调制电路输出信号，并且能够实时采集种盘的振动频率和振幅等参数，然后根据事先建立的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，得到种盘内种子的数量、分布均匀性和离散程度，根据理想的种子层厚和离散程度的关系判断，输出向种盘（1）内充添种子信号和种盘的振动参数的控制信号。
所述的种子数量监测模型在排种器性能试验台上通过台架试验建立，在不同振动频率、振幅参数和种子层厚的条件下，人工测量种盘内种子数量以及监测敏感元件区域内包含的种子数量，利用高速摄像技术分析种子的振动速度和离散程度，并根据信号调制电路的测量输出结果，建立种子数量监测模型和种子离散状态监测模型，所述的理想的种子层厚和离散程度的关系是通过排种器吸种性能试验确定，并以此关系为依据，判断输出向种盘内充添种子信号和种盘的振动参数的控制信号，试验台架采用与相应排种器振动种盘装置相同结构参数。
本发明的装置包括种盘、监测敏感元件、补偿敏感元件、激振部件、支撑弹簧、排种器机架、信号调制电路、二次仪表。
所述的监测敏感元件可采用PVDF压电薄膜、压电陶瓷等压电类材料，监测敏感元件在种盘内的安装数量可以为4－9片，每片的长宽尺寸在20－50 mm，厚度30－100 μm，监测敏感元件的安装位置均匀分布在种盘的内表面，监测敏感元件与种盘之间通过柔性硅胶粘贴，也可以通过柔性减震阻尼片连接，监测敏感元件在种盘的振动和种盘内种子的冲击作用下产生电荷信号。
所述的补偿敏感元件安装在种盘的背面，补偿敏感元件的物理特性和安装方式应与监测敏感元件一致，补偿敏感元件在种盘的振动作用下产生电荷信号。
所述的信号调制电路主要由两部分功能：
一是用于监测种子层厚，依次由：电荷放大、均值滤波、差动补偿等组成；监测敏感元件和补偿敏感元件输出的是动态电荷信号，电荷信号不能直接进行测量，需要通过电荷放大器将其转换为动态电压信号，然后通过均值滤波获得稳态电压信号，由于监测敏感元件输出信号是由种盘的振动和种盘内的种子冲击作用所引起，而补偿敏感元件输出信号则是主要是由种盘的振动引起，将两者输出信号进行差动，可以减小种盘振动干扰，从而获得稳定的种子冲击信号，确定种子的层厚。二是用于检测种子的离散状态，依次由：电荷放大、鉴频滤波、峰值检波、差动补偿等组成，将电荷放大输出的动态电压信号输入鉴频滤波器，根据种子的振动特性设定滤波器的截至频率，然后进行峰值检波，可以获得监测敏感元件和补偿敏感元件受到动态冲击力的强弱，将两者输出信号进行差动，减小种盘振动干扰，从而获得种子的动态冲击信号，确定种子的离散程度，测量结果均通过模拟信号输出。
所述的二次仪表通过多通道A/D采集信号调制电路输出的模拟信号，并能够实时采集种盘的振动频率和振幅等参数，然后根据事先建立的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，能够实时显示种盘内种子数量、分布均匀性和离散程度，二次仪表（7）输出的充填种子信号为脉冲信号，输出的种盘振动参数控制信号可以根据激振部件（4）的要求，设计为开关选择信号或模拟信号。
本发明取得的效果：本发明以传感器技术与计算机技术为基础，以科学的数学模型为指导，通过在排种器种盘内表面安装多个监测敏感元件，监测落在监测敏感元件区域内的种子冲击信号，并在种盘的背面安装补偿敏感元件，减小振动干扰，提高测量精度和稳定性，利用高速摄像技术分析种子的振动速度、离散程度与敏感元件的测量结果的关系，建立种子数量监测模型和种子离散状态监测模型，将多个检测敏感元件的监测结果进行多信息融合反馈，实现了气吸式排种器振动种盘内的种子数量、分布均匀性和离散程度的实时监测，通过排种器吸种性能试验确定理想的种子层厚和离散程度的关系，并以此关系为依据，根据种盘内种子数量的变化提供添加种子信号，根据种子的实时振动离散运动状态优化种盘振动参数，始终保持振动种盘内种子处于理想的数量和运动分布状态，提高排种器的作业质量和效率。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是敏感元件在振动种盘的安装结构示意主视图。
图2是敏感元件在振动种盘的安装结构示意俯视图。
图3是监测系统结构原理图。
图4是信号调制电路原理图。
图5是二次仪表工作原理图。
图中：1种盘， 2监测敏感元件， 3补偿敏感元件， 4激振部件， 5支撑弹簧， 6排种器机架， 7信号调制电路， 8二次仪表。
具体实施方式
结合图1、2，种盘1的四角通过四根支撑弹簧5与播种机台架6连接，种盘1在激振部件4的作用下产生往复振动，在种盘1内表面不同位置安装多个监测敏感元件2，在种盘1的背面安装补偿敏感元件3。
监测敏感元件2可采用PVDF压电薄膜、压电陶瓷等材料等压电类材料，监测敏感元件2在种盘内1的安装数量可以为4－9片，每片的长宽尺寸在20－50mm，厚度30－100 μm，监测敏感元件2的安装位置均匀分布在种盘1的内表面，监测敏感元件2与种盘1之间通过柔性硅胶粘贴，也可以通过柔性减震阻尼片连接。
补偿敏感元件3安装在种盘1的背面，补偿敏感元件3的物理特性和安装方式与监测敏感元件2一致。
监测敏感元件2的输出信号是由种盘1的振动作用以及种盘1内的种子冲击作用所引起，补偿敏感元件3输出信号主要是由种盘1的振动作用引起。
结合图3、4，监测敏感元件2和补偿敏感元件3的输出信号传送给信号调制电路7，两路信号通过电荷放大、均值滤波后进行差动补偿，获得稳定的种子冲击信号，确定种子的层厚。两路信号通过电荷放大、鉴频滤波、峰值检波后进行差动补偿，获得种子的动态冲击信号，确定种子的离散程度，每个监测敏感元件2和补偿敏感元件3单元设计独立的信号调制电路，测量结果均通过模拟信号输出。
结合图5，二次仪表8以单片机为核心，通过多通道A/D采集信号调制电路7输出的模拟信号，实时监测种盘1的振动频率和振幅等参数，根据种子物理特性、种盘结构尺寸以及事先建立的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，能够显示种盘1内种子数量、分布均匀性和离散程度，最后根据理想的种子层厚和离散程度的关系判断，输出向种盘1内充添种子信号和种盘1的振动参数的控制信号。
下面结合实例做进一步的阐述：
种盘1的四角通过四根支撑弹簧5与播种机台架6连接，在激振部件4的作用下产生往复振动，种盘内的种子产生向上的抛掷运动而相互离散，以减小阻力，在种盘1内表面不同位置安装多个监测敏感元件2，在种盘1的背面安装补偿敏感元件3。
在种盘1的振动作用下，补偿敏感元件3输出电荷信号，在种盘1的振动和种盘1内种子的冲击作用下，监测敏感元件3输出电荷信号，两路信号通过电荷放大、均值滤波后进行差动补偿，减小振动干扰，获得稳定的种子冲击信号，确定种子的厚度，同时将两路信号通过电荷放大、鉴频滤波、峰值检波后进行差动补偿，减小振动干扰，获得种子的动态冲击信号，确定种子的离散程度，测量结果均通过模拟信号输出。
通过排种器性能台架试验，在不同振动频率、振幅参数和种子层厚的条件下，人工测量种盘1内种子数量以及监测敏感元件2区域内包含的种子数量，利用高速摄像技术分析种子的振动速度和离散程度，并根据信号调制电路6的测量结果，建立种子数量监测模型和种子离散状态监测模型，最后通过排种器吸种性能试验确定理想的种子层厚和振动参数的关系，并将其输入二次仪表8中，工作过程中，二次仪表8通过多通道A/D实时采集信号调制电路7输出的模拟信号，实时监测种盘1的振动频率和振幅等参数，根据种子物理特性、种盘结构尺寸以及所建立的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，显示种盘1内种子数量、分布均匀性和离散程度，最终根据理想的种子层厚和离散程度的关系判断，输出向种盘（1）内充添种子信号和种盘（1）的振动参数的控制信号。
Claims (8)
1.一种排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测方法，其特征在于，在排种器种盘（1）内表面安装监测敏感元件（2），在种盘（1）的背面安装补偿敏感元件（3），将监测敏感元件（2）和补偿敏感元件（3）的输出信号传给信号调制电路（7），信号调制电路（7）得到监测区域内种子层厚和离散程度信号，并将此信号传输给二次仪表（8），二次仪表（8）实时采集信号调制电路（7）输出信号以及种盘（1）的振动参数，根据种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，得到振动种盘（1）内的种子数量、分布均匀性和离散程度，最终根据理想的种子层厚和离散程度的关系判断，输出向种盘（1）内充添种子信号和种盘（1）的振动参数的控制信号。
2.根据权利要求1所述的排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测方法，其特征在于，所述的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型是在排种器性能试验台上通过台架试验建立，在不同振动频率、振幅和种子层厚的条件下，人工测量种盘（1）内种子数量以及监测敏感元件（2）区域内的种子数量，利用高速摄像技术分析种子的振动速度和离散程度，并根据信号调制电路（7）的测量结果，建立种子数量监测模型和种子离散状态监测模型，所述理想的种子层厚和离散程度的关系是通过排种器吸种性能试验确定，并以此关系为依据，判断输出向种盘（1）内充添种子信号和种盘（1）的振动参数的控制信号，试验台架采用与相应排种器振动种盘装置相同结构参数。
3.实现权利要求1所述的排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测方法的装置，其特征在于，包括监测敏感元件（2）、补偿敏感元件（3）、信号调制电路（7）和二次仪表（8）；在排种器种盘（1）内表面安装监测敏感元件（2），在种盘（1）的背面安装补偿敏感元件（3），将监测敏感元件（2）和补偿敏感元件（3）的输出信号传给信号调制电路（7）；所述信号调制电路（7）由两部分组成，一是由电荷放大、均值滤波、差动补偿组成，用于监测稳定的种子冲击信号，确定种子的层厚，二是由电荷放大、鉴频滤波、峰值检波、差动补偿等组成用于监测种子的动态冲击信号，确定种子的离散程度，测量结果均通过模拟信号输出，并将此信号传输给二次仪表（8）。
4.根据权利要求3所述的排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测装置，其特征在于，所述监测敏感元件（2）的安装位置均匀分布在种盘（1）的内表面，监测敏感元件（2）与种盘（1）之间通过柔性硅胶粘贴，或者通过柔性减震阻尼片连接，监测敏感元件（2）在种盘（1）的振动和种子冲击作用下产生电荷信号。
5.根据权利要求3所述的排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测装置，其特征在于，所述监测敏感元件（2）采用等压电类材料，每片的长宽尺寸在20－50 mm，厚度30－100 μm，在种盘（1）的内表面的安装数量为4-9片。
6.根据权利要求5所述的排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测装置，其特征在于，所述监测敏感元件（2）采用PVDF压电薄膜、压电陶瓷。
7.根据权利要求3所述的排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测装置，其特征在于，所述的补偿敏感元件（3）安装在种盘（1）的背面，补偿敏感元件（3）与种盘（1）之间通过柔性硅胶粘贴，或者通过柔性减震阻尼片连接，补偿敏感元件（3）在种盘（1）的振动和种子冲击作用下产生电荷信号。
8.根据权利要求3所述的排种器振动种盘内种子的运动分布状态监测装置，其特征在于，所述的二次仪表（8）以单片机为核心，通过多通道A/D采集信号调制电路（7）输出的模拟信号，实时监测种盘（1）的振动频率和振幅参数，根据种子物理特性、种盘结构尺寸以及事先建立的种子数量监测模型和种子离散状态监测模型进行运算，能够显示种盘（1）内种子数量、分布均匀性和离散程度，并根据理想的种子层厚和离散程度的关系判断，输出向种盘（1）内充添种子信号和种盘（1）的振动参数的控制信号。
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