CN102636428A - 一种颗粒肥料摩擦系数自动测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，包括：测试单元，所述测试单元包括用于放置颗粒肥料的测试平台、用于监测所述测试平台上的待测颗粒肥料相对运动的光纤传感器及用于监测所述测试平台倾斜角度的角度传感器；传动单元，与所述测试平台固定连接，用于为其提供转动动力；控制单元，与所述光纤传感器、角度传感器及所述传动单元电连接，接收所述光纤传感器、角度传感器信号及控制传动单元动作。本发明还提供了一种颗粒肥料摩擦系数自动测试方法。本发明能够实现对颗粒肥料摩擦系数的自动测试，克服了人为测量误差大的问题，且测试同时还可实时自动读取结果，其自动化程度高、测试精度高，结构简单，使用方便。

Description

一种颗粒肥料摩擦系数自动测试装置及方法

技术领域

本发明涉及一种摩擦系数自动测量装置，尤其涉及一种针对农业用颗粒肥料的摩擦系数自动测试装置及方法。

背景技术

施肥作为农业增产的重要措施之一，在实际生产中，往往存在高养分土壤的地方和低养分土壤的地方施撒了相同剂量的化肥，甚至在高养分土壤的地方施撒了更多剂量的肥料，如此便会造成肥料在这些地方的过量施撒。过量施撒化肥会造成破坏生态环境，甚至地下水污染，影响人们身体健康，而施肥剂量太少，满足不了植物生长的需要，降低经济效益，农民得不到更多的利润。

随着精准农业的发展和深入，变量施肥日益成熟。通过变量施肥作业，可以大大提高化肥使用效率，降低生产成本，尽可能减小施肥环节对环境产生的影响。在国外精准农业发达国家，变量施肥技术已基本取代传统施肥作业，我国目前对外槽轮式变量施肥机械的研究已经比较成熟，并做了大量的示范推广工作，取得了很好的应用效果。然而现有的施肥机由于机具幅宽小，效率低，不能适应我国大型农场开展大面积变量作业，为了可以在大型农场开展大面积的变量作业，引入了圆盘式撒肥机，由于影响圆盘式撒肥机性能参数较多，试验量大，直接引进国外成熟机具成本大，且维修困难，因此国内目前只能抛弃前期试验，完全靠经验参数进行设计，大大影响着圆盘式变量撒肥机作业性能和质量。

在圆盘式撒肥机设计中，颗粒肥料与撒肥盘间的摩擦系数是影响圆盘式撒肥机施肥均匀性的重要因素之一，对圆盘式施肥机施肥质量起着非常重要的作用，摩擦力不同将直接导致肥料颗粒的受力发生变化，摩擦系数对施肥过程的影响表现在肥料颗粒在圆盘上的运动时间，因为肥料颗粒的摩擦系数的大小能够改变肥料颗粒在圆盘上的停留时间，从而改变施肥量颗粒离开圆盘时的速度和角度位移，决定肥料颗粒最终落地点发生变化。

目前，在对颗粒肥料摩擦系数的测量中，传统的方法是，将要测试的肥料颗粒粘在质量非常轻的小泡沫片或其他轻质载体上，然后放在一端固定，另一端是可以抬起的金属板，其中，金属板的材料和施肥圆盘的一样，慢慢抬起金属板的另一端，在泡沫块刚好滑动时停止，金属板抬起角度的正切值即为该种肥料的摩擦系数，多次测量求平均值。

但在实际测量过程中，由于人为操作，往往在应用中会出现测试结果不稳定，人为操作影响大，测试稳定性与测试精度较低，测试结果往往存在差异大等问题，因此在设计圆盘式施肥机抛撒盘、抛肥部件、肥箱等关键部件的参数时受到很大限制。由此，为进一步解决目前颗粒肥料测试方法存在的测试精度低和可靠性差等问题，迫切需要一种可靠性好、测试精度高的颗粒肥料摩擦系数测试装置。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是提供一种颗粒颗粒肥料摩擦系数自动测试装置及方法，可以消除由于认为操作而存在的测试结果不稳定，测试精度低可靠性差的缺陷。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供一种颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，包括：

测试单元，所述测试单元包括用于放置颗粒肥料的测试平台、用于监测所述测试平台上的待测颗粒肥料相对运动的光纤传感器及用于监测所述测试平台倾斜角度的角度传感器；

传动单元，与所述测试平台固定连接，用于为其提供转动动力；

控制单元，与所述光纤传感器、角度传感器及所述传动单元电连接，接收所述光纤传感器、角度传感器信号及控制传动单元动作。

作为上述技术方案的优选，所述测试平台的截面形状为底脚为直角的U型；所述测试平台内侧底面上设置有待测材料面板。

作为上述技术方案的优选，所述传动单元包括步进电机、传动箱、旋转盘；所述传动箱内设置有蜗轮蜗杆传动机构，所述步进电机的动力输出轴与所述蜗杆轴连，所述旋转盘与所述蜗轮轴连，所述测试平台通过其一个侧板与所述旋转盘固定。

作为上述技术方案的优选，所述光纤传感器发射端及接收端分别设置于所述测试平台两个侧边的相对位置上，并位于同一直线上。

作为上述技术方案的优选，所述角度传感器设置于所述测试平台与所述旋转盘连接端。

作为上述技术方案的优选，所述测试平台与所述旋转盘连接侧板的相对侧板上还设置有水平校准部件，所述步进电机还设置有手动微调部件。所述传动单元设置于L型底座上，所述L型底座的下方设置有多个高低可调的脚座，其用于与步进电机结合，对测试平台的初始状态进行水平调节。

作为上述技术方案的优选，所述旋转盘上设置有用于穿过光纤传感器及角度传感器的输出线导线槽。

作为上述技术方案的优选，所述控制单元包括单片机，所述单片机与所述步进电机、光纤传感器及角度传感器为串口通讯，所述单片机还连接有零点复位部件、电源开关部件及用于实时显示摩擦角和摩擦系数值的显示部件。

作为上述技术方案的优选，所述光纤传感器、角度传感器与所述单片机之间连接有AD采集器。

本发明还提供一种颗粒肥料摩擦系数自动测试方法，

校准测试平台达到水平；

步进电机控制测试平台逐渐倾斜；

用光纤传感器同步测定肥料颗粒在待测试材料面板上相对位置的改变，肥料颗粒位置发生相对改变时测试平台停止倾斜；

用角度传感器测定测试平台的倾斜角度；

计算倾斜角度正切值。

(三)有益效果

上述技术方案所提供的一种颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，包括：测试单元，所述测试单元包括用于放置颗粒肥料的测试平台、用于监测所述测试平台上的待测颗粒肥料相对运动的光纤传感器及用于监测所述测试平台倾斜角度的角度传感器；传动单元，与所述测试平台固定连接，用于为其提供转动动力；控制单元，与所述光纤传感器、角度传感器及所述传动单元电连接，接收所述光纤传感器、角度传感器信号及控制传动单元动作。本发明还提供了一种颗粒肥料摩擦系数自动测试方法。本发明能够根据放置于测试装置的待测颗粒肥料和相对测试材料(不只是撒肥盘用材料)面板，实现对颗粒肥料摩擦系数的自动测试，克服了人为测量误差大的问题，且测试同时还可实时自动读取结果，其自动化程度高、测试精度高，结构简单，使用方便。

附图说明

图1是本发明实施例的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置的结构示意图；

图2是本发明实施例的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置的U型测试平台的结构示意图；

图3是本发明实施例的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置的控制原理框图；

其中，1：测试平台；2：旋转盘；3：传动箱；4：L型底座；5：串口；6：步进电机；7：手动微调部件；8：脚座；9：水平校准部件；10：光纤；11：光纤传感器接收端；12：待测颗粒肥料；13：待测材料面板；14：角度传感器；15：角度传感器输出线；16：光纤；17：光纤传感器发射端。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

结合图1至图3，为本发明实施例的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置的结构示意图；其包括：测试单元，测试单元包括用于放置颗粒肥料的测试平台1、用于监测测试平台1上的待测颗粒肥料12相对运动的光纤传感器及用于监测测试平台1倾斜角度的角度传感器14；传动单元，与测试平台1固定连接，用于为其提供转动动力；控制单元，与光纤传感器、角度传感器14及传动单元电连接，接收光纤传感器、角度传感器14信号及控制传动单元动作。

测试平台1的截面形状为底脚为直角的U型；测试平台1内侧底面上设置有待测材料面板13。选取U型的测试平台1便于对其的固定、相关部件的安放及对肥料颗粒的盛放。针对不同的待测材料，将其制成待测材料面板13，使其固定在所述测试平台1内侧的底面上，可以实现针对不同的肥料颗粒在不同材料上的摩擦力的测量，测试范围广泛，更换便利。

传动单元包括步进电机6、传动箱3、旋转盘2；传动箱3内设置有蜗轮蜗杆传动机构，步进电机6提供连续精确的步进转速，步进电机6的动力输出轴与蜗杆轴连，旋转盘2与蜗轮轴连，测试平台1通过其一个侧板与旋转盘2固定。

具体的传动方式为：通过在传动箱3内设置的蜗轮蜗杆机构把步进电机6的旋转运动传递到旋转盘2，在步进电机6转动时，通过步进电机6旋转运动带动蜗轮蜗杆将运动传递到旋转盘2，以使旋转盘2获得旋转，从而使固定于旋转盘2上的测试平台1缓慢转动。

选取蜗轮蜗杆传动机构基于其具有自锁性。当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能由蜗轮带动蜗杆。如在其重机械中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可起安全保护作用。可以保证测试过程中的准确性，减小测试偏差。

在进行测试时，通过单片机指令发送相应脉冲，经步进驱动器驱动步进电机6实现转动，从而使步进电机6带动固定连接于步进电机6的蜗杆旋转，从而通过蜗杆的旋转传递给与其啮合的蜗轮，使与蜗轮固定连接的旋转盘2旋转，从而实现旋转盘2平稳精确转动，最终使与旋转盘2固定的U型测试平台1旋转倾斜，使与测试平台上放置的待测颗粒肥料12与相对测材料面板13发生相对运动。

在测试平台1两个U型端面上固定连接一对光纤传感器，用以检测待测肥料颗粒12通过。光纤传感器发射端17及光纤传感器接收端11分别设置于测试平台1两个侧边的相对位置上，并位于同一直线上。选用光纤传感器基于其灵敏度较高的特点，可以准确监测待测肥料颗粒12的动作。

角度传感器14设置于U型测试平台1与旋转盘2连接端，实时获得对测试平台1旋转角度信号，从而获得颗粒肥料在该种材料上的摩擦系数角，根据角度传感器14发送的角度信号，控制单元便可根据摩擦角自动运算得到相应的摩擦系数值，从而进行记录及显示等操作。

光纤传感器发射端17、光纤传感器接收端11分别通过光纤10、光纤16与控制单元中内置对应的信号调理模块相连，光纤传感器和角度传感器14信号经信号调理模块调理转换成AD采集器能够采集器的信号，并通过AD采集器进行模数转换，最终发送到单片机进行处理。在光纤传感器发射端17、光纤传感器接收端11之间放有待测颗粒肥料12时，光纤传感器为接通状态。

对于测试平台1的水平校准是在测试时的关键步骤，具体的设置为测试平台1与旋转盘2连接侧板的相对侧板上还设置有水平校准部件9，步进电机6还设置有手动微调部件7。根据水平校准部件9的显示对步进电机6进行手动微调，使其旋转从而调节旋转盘2旋转，实现对测试平台1的角度调节，通过水平校准部件9以确定测试平台1旋转方向处于水平。传动单元设置于L型底座4上，L型底座4的下方设置有多个高低可调的脚座8，其用于与步进电机结合，对测试平台的初始状态进行水平调节。脚座8的个数优选为4个对L型底座4进行水平调整及稳定支撑，分别位于底座的四角上，也可以选择如3个。当开始进行测试前，先通过底脚8调整测试装置的水平，并根据测试平台上固定的水平校准部件9，通过步进电机6上设有的手动微调部件9校准测试平台1处于水平位置，之后开始进行测试。

旋转盘2上设置有用于穿过光纤传感器及角度传感器14的输出线如光纤10、光纤16及角度传感器输出线15用导线槽。旋转盘2中间为空心机构，以便使光纤10、光纤16、角度传感器输出线15穿过，并从底座4侧面设置的槽中引出，从而方便与控制单元相连接。

控制单元包括单片机，单片机与步进电机6、光纤传感器及角度传感器14为串口5通讯，单片机还连接有零点复位部件、电源开关部件及用于实时显示摩擦角和摩擦系数值的显示部件。

光纤传感器、角度传感器14与单片机之间连接有AD采集器。AD采集器用于将光纤传感器、角度传感器14发出的模拟信号转化为数字信号并输入单片机。

具体的测试过程为：测试平台1随着旋转盘2一起转动，使放于测试平台1上的待测肥料颗粒12与测试平台1一起运动，随着测试平台1的缓慢倾斜，待测肥料颗粒12克服摩擦力向下离开，当光纤传感器发射端17、光纤传感器接收端11之间待测肥料颗粒12滑走的瞬间，光纤传感器自动断开，从而通过单片机控制步进电机6关闭，利用蜗轮蜗杆的自锁性，U型测试平台1固定不动，角度传感器14把此时U型测试部件1旋转的角度信号发送给单片机，通过单片机计算U型测试部件1旋转角度的正切值，从而得到该颗粒肥料与相对测试测试材料的摩擦系数，并通过显示屏显示。

颗粒肥料摩擦系数自动测定的核心是为水平校准、肥料颗粒脱离静止位置时刻监测及测试平台倾斜角度测定。为此，本发明提出的测试方法包含了以下主要技术：

(1)校准测试平台达到水平，具体的为：为了保证测试平台的水平，通过步进电机的手动微调部件7和脚座8，通过进行调节，根据水平校准部件9达到校准测试平台1达到水平；

(2)步进电机控制测试平台逐渐倾斜；用光纤传感器同步测定肥料颗粒在待测试材料面板上相对位置的改变，肥料颗粒位置发生相对改变时测试平台停止倾斜，具体为：采用光纤传感器同步测定所测试待测肥料颗粒12在相对应测试材料面板上相对位置的改变，从而控制测试平台停止倾斜。

(3)用角度传感器测定测试平台的倾斜角度；计算倾斜角度正切值，从而得到所需的摩擦系数值。

由以上实施例可以看出，本发明实施例提供的一种颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，包括：测试单元，所述测试单元包括用于放置颗粒肥料的测试平台、用于监测所述测试平台上的待测颗粒肥料相对运动的光纤传感器及用于监测所述测试平台倾斜角度的角度传感器；传动单元，与所述测试平台固定连接，用于为其提供转动动力；控制单元，与所述光纤传感器、角度传感器及所述传动单元电连接，接收所述光纤传感器、角度传感器信号及控制传动单元动作。本发明还提供了一种颗粒肥料摩擦系数自动测试方法。本发明能够根据放置于测试装置的待测颗粒肥料和相对测试材料(不只是撒肥盘用材料)面板，实现对颗粒肥料摩擦系数的自动测试，克服了人为测量误差大的问题，且测试同时还可实时自动读取结果，其自动化程度高、测试精度高，结构简单，使用方便。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，包括：

测试单元，所述测试单元包括用于放置颗粒肥料的测试平台、用于监测所述测试平台上的待测颗粒肥料相对运动的光纤传感器及用于监测所述测试平台倾斜角度的角度传感器；

传动单元，与所述测试平台固定连接，用于为其提供转动动力；

控制单元，与所述光纤传感器、角度传感器及所述传动单元电连接，接收所述光纤传感器、角度传感器信号及控制传动单元动作。

2.如权利要求1所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述测试平台的截面形状为底脚为直角的U型；所述测试平台内侧底面上设置有待测材料面板。

3.如权利要求2所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述传动单元包括步进电机、传动箱、旋转盘；所述传动箱内设置有蜗轮蜗杆传动机构，所述步进电机的动力输出轴与所述蜗杆轴连，所述旋转盘与所述蜗轮轴连，所述测试平台通过其一个侧板与所述旋转盘固定。

4.如权利要求3所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述光纤传感器发射端及接收端分别设置于所述测试平台两个侧边的相对位置上，并位于同一直线上。

5.如权利要求3所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述角度传感器设置于所述测试平台与所述旋转盘连接端。

6.如权利要求3所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述测试平台与所述旋转盘连接侧板的相对侧板上还设置有水平校准部件，所述步进电机还设置有手动微调部件；所述传动单元设置于L型底座上，所述L型底座的下方设置有多个高低可调的脚座。

7.如权利要求3所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述旋转盘上设置有用于穿过光纤传感器及角度传感器的输出线导线槽。

8.如权利要求3所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述控制单元包括单片机，所述单片机与所述步进电机、光纤传感器及角度传感器为串口通讯，所述单片机还连接有零点复位部件、电源开关部件及用于实时显示摩擦角和摩擦系数值的显示部件。

9.如权利要求8所述的颗粒肥料摩擦系数自动测试装置，其特征在于，所述光纤传感器、角度传感器与所述单片机之间连接有AD采集器。

10.一种颗粒肥料摩擦系数自动测试方法，其特征在于，

校准测试平台达到水平；

步进电机控制控制测试平台逐渐倾斜；

用光纤传感器同步测定肥料颗粒在待测试材料面板上相对位置的改变，肥料颗粒位置发生相对改变时测试平台停止倾斜；

用角度传感器测定测试平台的倾斜角度；

计算倾斜角度正切值。

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