CN102630411A

CN102630411A - 一种玉米播种漏播监测系统

Info

Publication number: CN102630411A
Application number: CN2012101442062A
Authority: CN
Inventors: 贾洪雷; 黄东岩; 王增辉; 李士军; 齐江涛; 周婧; 宫鹤; 祁悦
Original assignee: Jilin University
Current assignee: Jilin University
Priority date: 2012-05-11
Filing date: 2012-05-11
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2032-05-11
Also published as: CN102630411B

Abstract

本发明涉及一种玉米播种漏播监测系统，包括安装在每一播种单体上的排种器、安装在每一播种单体上信号处理和发送单元、信号接收和报警单元。排种器包括排种轮、弹簧、护种片、压电传感器和转速传感器；压电传感器通过树脂胶粘在护种片的内侧；所述压电传感器包括压电薄膜和铝电极，铝电极镀覆在压电薄膜的上下表面上，压电薄膜由有机压电薄膜聚合物制成。本发明的系统结构简单，适用性强，并能自动测试播种机的各项性能指标，如出现漏播或输种管堵塞故障时，驾驶员能够根据信号接收和报警单元显示的信号快速准确的确定故障的位置，从而及时停车和排除故障。

Description

一种玉米播种漏播监测系统

技术领域

本发明属于精准农业测量领域，具体涉及一种基于有机压电材料的玉米播种漏播检测系统。

技术背景

随着农业现代化的发展和农业产业结构的调整，玉米精密播种机越来越广泛地应用于农业生产中，排种器是播种机的关键部件，其性能直接决定了播种机的性能。目前，由于播种机在播种作业时，其播种过程全封闭，仅凭裸眼直接观测，播种作业时发生机械传动故障、排种箱排空等现象均会造成漏播现象，尤其是在大规模作业时，由于其速度高、播幅宽，如发生上述现象则会造成大面积的漏播，结果必将造成农业生产的损失。所以，播种机的性能直接关系到农作物的生长和产量。

由此可见，将漏播检测技术应用在播种机上，具有极其重要的生产意义。目前，漏播检测装置开始得到开发与使用，并成为了相关领域的科学研究焦点。从20世纪40年代，国外就开始研究了精密播种机。随着国外不同类型精密播种机的相继引进，我国精密播种机的研制工作不断出现新的高潮。同时，许多新的材料和技术也应用到漏播检测装置中，其中主要有两种传感器件：一是光电传感器检测，另外一种是电容式传感器检测。将光电传感器置于排种管的下部，当播种机正常工作时，种子有规律的下落并通过红外对管，遮断红外光束，光敏二极管将接收到的断续红外光信号转变为电脉冲信号，经过整形放大电路传递给单片机系统；当种箱或排种器不正常播种时，种子不再通过红外对管，红外光二极管发出的红外光全部照在接收管上，光强增大，此时检测系统将对漏播进行提示。如德国DLG农业中心研究出的光电检测系统，又如美国内布拉斯加大学研究出一种快速测量播种机排种间距的光电传感器系统。虽然取代人工，但光电传感器受环境光和粉尘的影响很大。将电容式传感器作为检测元件，其可靠性、稳定性和灵敏度等方面还远达不到实际使用的要求，所以应用此类传感器的漏播检测装置很少得到应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于玉米播种的玉米播种漏播监测系统，该系统结构简单，适用性强，能够在恶劣的环境中进行很好的应用，并能自动测试播种机的各项性能指标，如：排种量，排种速度，播种面积，合格率，重播率，漏播率，粒距合格率等，如出现漏播或输种管堵塞故障时，可通过声光报警系统进行报警，提示驾驶员停车排除故障。

本发明的玉米播种漏播监测系统，包括安装在每一播种单体上的排种器、安装在每一播种单体上信号处理和发送单元、信号接收和报警单元；所述排种器包括排种轮、弹簧、护种片、压电传感器和转速传感器；护种片在弹簧的作用下贴靠在排种轮的轮缘上，排种轮的轮缘上均布有多个窝眼；压电传感器通过树脂胶粘在护种片的内侧并正对窝眼；所述压电传感器包括压电薄膜和铝电极，铝电极镀覆在压电薄膜的上下表面上，导电银胶将两条信号传输线固定在铝电极的上下表面；所述压电薄膜由有机压电薄膜聚合物制成，其宽度为30mm，长度为10mm，厚度为20μm～1mm，压电常数大于10pC/N，断裂伸长大于10％，断裂拉伸强度大于20MPa；所述压电传感器和所述转速传感器的信号经由信号处理和发送单元处理后无线发送给信号接收和报警单元，所述信号接收和报警单元安装在驾驶室内。

所述有机压电薄膜聚合物为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，优选地是，压电薄膜的厚度为100μm，压电常数为21pC/N；或者厚度为150μm，压电常数为30pC/N；或者厚度为500μm，压电常数为62pC/N。

所述信号处理和发送单元包括电荷放大电路、电压放大电路、第一和第二滤波电路、整形电路、单片机、无线发送装置、整形放大电路。

所述转速传感器采用开关型霍尔转速传感器，优先地是，所述开关型霍尔转速传感器的型号为FJ8D-D10NK。

本发明的系统结构简单，适用性强，能够在恶劣的环境中进行很好的应用，并能自动测试播种机的各项性能指标，如：排种量，排种速度，播种面积，合格率，重播率，漏播率，粒距合格率等，如出现漏播或输种管堵塞故障时，可通过声光报警系统进行报警，驾驶员能够根据信号接收和报警单元显示的信号快速准确的确定故障的位置，从而及时停车和排除故障。

具体实施方式

为了能够进一步理解本发明，下面将结合附图对本发明的播种漏播检测装置做更为详尽地说明。

本发明的玉米播种漏播监测系统包括安装在每一播种单体上的排种器、安装在每一播种单体上信号处理和发送单元、信号接收和报警单元。

一般来说，播种机上安装有至少两个播种单体，每一播种单体上具有一排种器。如图1所示，所述排种器包括壳体1、排种轮3、排种轴4、挡种块5、弹簧6，护种片7、压电传感器8和剔种片9。排种轮3安装在壳体1内，由排种轴4带动旋转，排种轮3的轮缘上均布有多个窝眼23，窝眼23的大小和多少可根据种子的种类和株距设定，为了使压电传感器8产生的压电信号(电荷信号)较为明显，优选大粒径的种子，如玉米、大豆等，当然，本发明的玉米播种漏播监测系统并不仅仅局限于这两类种子。挡种块5与排种轮3间隙较小，能够确保只有一粒种子2进入到窝眼中，进入到窝眼23的种子随排种轮3转动，护种片7设置在挡种块5下方，并在弹簧6的作用下贴靠在排种轮3的轮缘上，使进入到窝眼23内的种子2能够随排种轮3转动到排种器下方，种子自由下落，剔种片9能够将粘在窝眼23内的种子剔出，以便保证进入窝眼23的种子顺利进入输种管。压电传感器8通过树脂胶粘在护种片7的内侧并正对窝眼23。

如图2所示，压电传感器8包括压电薄膜81，压电薄膜81由有机压电薄膜聚合物制成，如PVDF(聚偏氟乙烯)，P(VDF-TrFE)(聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物)等，其面积(宽度*长度)为30mm×10mm，厚度为20μm～1mm，压电常数大于10pC/N，断裂伸长大于10％，断裂拉伸强度大于20MPa。在一个实施例中，压电薄膜81的厚度为100μm，压电常数为21pC/N，压电薄膜81上、下表面镀有铝电极82，使用导电银胶83将两条信号传输线84固定在铝电极82的上下表面，这样就可以将压电薄膜81产生的压电信号情况实时传输给信号处理和发送单元进行处理和发送了；在另一实施例中，压电薄膜81的厚度为150μm，压电常数为30pC/N，分别在压电薄膜上、下表面镀铝电极；在另一实施例中，压电薄膜81的厚度为500μm，压电常数为62pC/N。PVDF或P(VDF-TrFE)具有如下特点：(1)具有很好的机械强度，能够经受急剧变化的环境条件，包括大多数溶剂、强酸、氧化剂和强烈的紫外线辐射，也不受温度条件的影响；(2)压电常数比石英高10多倍，压电系数比压电陶瓷(PZT)高20倍左右，因此其灵敏度非常高；(3)柔性、弹性、屈从性是压电陶瓷的许多倍。加工性能好，可制成5μm-1mm厚度不等、形状不同的大面积的薄膜；(4)具有较高的电阻抗，可以与流行的高阻抗电路，如COMS直接匹配应用；(5)频率响应宽，室温下在10^-5-109Hz范围内响应平坦，即从准静态、低频、高频、超声及超高频均能转换机电效应；(6)易于加工、切割和安装，成形为复杂形状或制成大面积传感器；(8)材料成本和加工费用要比普通的压电材料低得多。

种子经过压电传感器8(实质上为压电薄膜81)的长度为10mm，如果此长度过长，由于种子的形状并不规则，产生的压电信号将十分不规则，出现多个波峰，难以检测。作业时，种子顺着挡种块5滑入排种轮3的窝眼23内，随着排种轮3的旋转，装有种子2的窝眼23转动到护种片7的位置时，由于护种片7贴靠在排种轮3的轮缘上，种子会向压电传感器8的上表面施加正向压力，使压电薄膜81发生变形，压电薄膜81内部会产生极化现象，同时在压电薄膜81的两个上下表面出现正负相反的电荷，形成压电信号(也即电荷信号)；当发生机械传动故障排种轮3不可旋转或者排种器的壳体1内种子2排空等现象时，窝眼23内没有种子，此时压电传感器8不会受到种子的挤压，压电薄膜81也就不会产生电荷，电压信号消失。因此，可以通过压电传感器8产生的电荷信号的有无来判定排种器是否出现漏播现象。

信号处理和发送单元安装在每个播种单体上，图3示出了本发明的信号处理和发送单元的构成。信号处理和发送单元包括电荷放大电路、电压放大电路、第一和第二滤波电路、整形电路、单片机和无线发送装置。电荷放大电路首先将压电传感器8产生的电荷信号转化为电压信号，该电压信号经第一滤波电路过滤掉大部分噪声之后，由电压放大电路进行信号放大、第二滤波电路进一步过滤噪声，然后由整形电路将电压信号整形为单片机可识别的方波信号，该方波信号由无线发送装置发送给信号接收和报警单元。为了能够实时检测或自动测试播种机的各项性能指标，在播种机地轮上安装有转速传感器，以获取播种机前进速度，从而得出播种机前进的距离，进而即可获得排种量、排种速度、播种面积、播种合格率、重播率、漏播率、粒距合格率等性能指标。转速传感器的转速信号经由整形放大电路进行放大和整形后同样发送给单片机(选用AT89C52型)，所述转速传感器采用开关型霍尔转速传感器，霍尔转速传感器具有以下优点：一是输出信号电压幅值不受转速的影响，即使在低速状态下也能正常工作；二是抗电磁波干扰能力强；三是安装维修方便，可以适应精密播种机较恶劣的工作条件。另外，霍尔转速传感器结构简单，体积小，反映灵敏，寿命长，可靠性高，耐冲击，耐震。本发明中的开关型霍尔转速传感器的型号为FJ8D-D10NK。

信号接收和报警单元安装在驾驶室内，用于接收由信号处理和发送单元所发送信号的显示和报警，并记录播种机的各项性能指标，如排种量，排种速度，播种面积，合格率，重播率，漏播率，粒距合格率等，当发生漏播等异常情况下时，驾驶员察觉到报警后，能够根据信号接收和报警单元记录和显示的信息及时停机，并排除故障。

总之，本发明实现了对播种机自动化、智能化的控制，并加以广泛应用。本专利申请是通过具体实施例进行说明的，在不脱离本专利申请范围的情况下，还可以对本专利申请进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或具体情况，可以对本专利申请做各种修改和变形，这些修改和变形均不脱离本专利申请的范围。因此，本专利申请不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本专利申请权利要求范围内的全部实施方式。

Claims

1.一种玉米播种漏播监测系统，其包括安装在每一播种单体上的排种器、安装在每一播种单体上信号处理和发送单元、信号接收和报警单元；所述排种器包括排种轮(3)、弹簧(6)、护种片(7)、压电传感器(8)和转速传感器；护种片(7)在弹簧(6)的作用下贴靠在排种轮(3)的轮缘上，排种轮(3)的轮缘上均布有多个窝眼(23)；其特征在于：压电传感器(8)通过树脂胶粘在护种片(7)的内侧并正对窝眼(23)；所述压电传感器(8)包括压电薄膜(81)和铝电极(82)，铝电极(82)镀覆在压电薄膜(81)的上下表面上，导电银胶将两条信号传输线固定在铝电极(82)的上下表面；所述压电薄膜(81)由有机压电薄膜聚合物制成，其宽度为30mm，长度为10mm，厚度为20μm～1mm，压电常数大于10pC/N，断裂伸长大于10％，断裂拉伸强度大于20MPa；

所述压电传感器(8)和所述转速传感器的信号经由信号处理和发送单元处理后无线发送给信号接收和报警单元，所述信号接收和报警单元安装在驾驶室内。

2.如权利要求1所述的玉米播种漏播监测系统，其特征在于：所述有机压电薄膜聚合物为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物。

3.如权利要求2所述的播种漏播监测系统，其特征在于：所述压电薄膜(81)的厚度为100μm，压电常数为21pC/N。

4.如权利要求2所述的玉米播种漏播监测系统，其特征在于：压电薄膜(81)的厚度为150μm，压电常数为30pC/N。

5.如权利要求2所述的玉米播种漏播监测系统，其特征在于：压电薄膜(81)的厚度为500μm，压电常数为62pC/N。

6.如权利要求3-5之一所述的玉米播种漏播监测系统，其特征在于：所述信号处理和发送单元包括电荷放大电路、电压放大电路、第一和第二滤波电路、整形电路、单片机、无线发送装置、整形放大电路。

7.如权利要求6所述的玉米播种漏播监测系统，其特征在于：所述转速传感器采用开关型霍尔转速传感器。

8.如权利要求7所述的玉米播种漏播监测系统，其特征在于：所述开关型霍尔转速传感器的型号为FJ8D-D10NK。