CN102812825A

CN102812825A - 谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法及其装置

Info

Publication number: CN102812825A
Application number: CN2012101696482A
Authority: CN
Inventors: 毛罕平; 刘伟; 韩绿化; 张晓东
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Jiangsu University
Priority date: 2012-05-28
Filing date: 2012-05-28
Publication date: 2012-12-12
Anticipated expiration: 2032-05-28
Also published as: CN102812825B

Abstract

谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法及其装置：将对称式压电晶体传感器安装于清选筛出口处；清选物经清选筛出口流出；传感器获取清选物的冲击信号并送入带通带通电荷放大电路，转换成具有一定幅值的电压信号；通过信号补偿电路进行信号调整，消除强干扰信号，增强谷粒信号的识别；运用带通滤波电路、灵敏度调节电路分别分离出振动噪声与谷粒信号；经脉冲整形电路整形为处理器可以执行的标准脉冲信号；在线监测模式：处理器实时采集谷粒清选损失信号且对信号进行计数和处理；查询数据模式：处理器调出时段内损失谷粒的总量，用于评价作业质量状况。本发明可消弱干扰信号，增强谷粒冲击信号，提高谷草识别精度，而且提高测试可靠性。

Description

谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法及其装置

技术领域

本发明涉及谷物联合收割机性能测试技术，特别涉及一种谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法，以及该方法所使用的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置。

背景技术

随着农业装备的迅速发展，联合收割机的应用规模、收获性能及自动化程度己成为现代农业的重要衡量指标。性能好、自动化程度高的联合收割机，应是能够实时监测谷物损失量，自动调节作业状态，从而保证在不超过允许损失量的前提下发挥最大的收获效率。目前，我国大部分联合收割机作业时，依靠机手个人经验，通过调整行走速度改变喂入量来调节机组作业负荷。这种作业方式对机手驾驶水平要求高，劳动强度大，难以降低故障率，作业速度和作业效率低。有时机手为追求作业效率，茎秆含水率较低时，脱粒过程中产生的大量碎茎秆，造成清选负荷加大，清选质量下降，清选损失率很高，极大地降低了作业质量。长期以来，该指标的监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。

收割机清选筛排出物中谷粒相对于茎秆和草非常少，收割机在田间工作时条件复杂，加上机器振动及其它强干扰信号的影响，使得谷粒信号的识别与提取变得极其困难，用传感器监测到的谷粒损失信号非常微弱，给研究带来了很大困难。目前国内研究尚未见到监测性能好的方法和装置；国外研究的传感器对国产收割机振动和噪声的强干扰的适应性差，监测数据可靠性不高。

发明内容

本发明的目的是针对目前技术的不足，提供一种联合收割机谷物清选损失监测方法，以及这种方法所使用的装置，该方法和装置能够解决联合收割机谷粒清选损失准确、实时在线监测的难题。这是一种实时性好、准确率高且可靠性强的联合收割机谷粒清选损失监测方法和装置。

本发明采用的技术方案是：一种谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法，其特征在于，步骤如下：

⑴.将对称式压电晶体传感器安装于联合收割机的清选筛出口处，均宽分布；

⑵. 联合收割机收割作业时，清选排出物经清选筛排出口流出；

⑶. 所述的对称式压电晶体传感器从多区域多角度获取清选筛抛出物的冲击信号；

⑷. 将对称式压电晶体传感器输出的信号送入可调带通带通电荷放大电路，转换成具有一定幅值的电压信号；

⑸. 对步骤⑷的“具有一定幅值的电压信号”，通过信号补偿电路进行信号调整；通过该调整步骤可以消弱干扰信号，增强谷粒信号，提高谷物损失信号的识别能力；

⑹.运用带通滤波电路、灵敏度调节电路分别从步骤⑸调整后信号的频域和时域中，分离出振动噪声与谷粒信号特征；

⑺.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；

⑻.键盘切换为“在线监测”模式时，单片微处理器实时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量，用于评价此次收获作业质量状况。

本发明上述方法具有以下优化方案：

1、增加有以下步骤：检测不同作物时，改变可调滤波电路(4)的截止频率点和灵敏度调节电路(5)幅值比较电压值进行参数调整。该步骤可以置于第⑴步骤之后或者其他时间。

2、步骤3)中的单片微型处理器可以执行的标准脉冲宽度为5—10ms。

3、步骤4)中，单片微处理器单独工作的同时，也可通过通信串口与上位机之间实时传输数据，若谷粒损失量超出设定的极限值，通过报警电路发出报警命令；

4、上位机对联合收割机发出调整指令，自动调节联合收割机的作业状态。

完成本申请第2个发明任务的技术方案是，上述谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法所使用的装置：谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置，联合收割机上设有清选筛出口，其特征在于，在该清选筛出口处，设有对称式压电晶体传感器，该对称式压电晶体传感器的输出端连接可调带通电荷放大电路，带通电荷放大电路的输出端依次串接信号补偿电路、可调带通滤波电路、灵敏度调节电路、脉冲整形电路、单片微型处理器;单片微型处理器连接键盘、报警电路和显示数码管;电源电路分别连接带通电荷放大电路、单片微型处理器、键盘、主显示数码管以及各所述电路。

上述谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置有以下优化方案：

1、所述对称式压电晶体传感器的传感器平板式弹性元件与水平位置成20^o—70^o。传感器台架两端固定在连接于联合收割机的清选筛后部的可调式固定支架上，单个压电晶体(14)敷贴于传感器平板式弹性元件(15)的背面中心处，上下各一块弹性元件对称安装在特制金属方盒表面;屏蔽传输导线(17)一端连接压电晶体 (14)，另一端连接所述带通电荷放大电路(2)。

2、对称式传感器(1)的输出连接带通电荷放大电路(2)，带通电荷放大电路(2)的输出依次串接信号补偿电路(3)、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(8)和通信接口电路(12)；单片微型处理器(8)连接控制输入键盘(7)、显示数码管(9)和报警电路(10)；电源电路(11)分别连接带通电荷放大电路(2)、单片微型处理器(7)、键盘(7)、显示数码管(9)和各所述电路。

3、所述对称式压电晶体传感器(1)的传感器平板式上下弹性元件(13)对称的固定在制作好的金属方盒(15)的上下表面，金属方盒(15)保证整体对称性且高度尽量小；在弹性元件(13)和金属方盒(15)接触处附加减振垫片；采用力矩扳手加固弹性元件(13)，使得八个螺栓螺母的力度一样；弹性元件(13)的周边不能与金属方盒(15)接触，中间带有防护层(14)，以防止杂物碎屑进入盒内，对结构一致性造成影响。

4、对称传感器结构具有单个晶体压电晶体(16)对称的敷贴于上下弹性元件 (13)的背面中心处;具有三个对称式传感器方盒(15)均匀分布在清选筛排出口处的三个监测区域。

5、所述传感器平板式弹性元件(13) 长150mm，宽150mm，厚1.0mm；金属方盒(15)长150mm，宽150mm，厚38mm。

6、信号补偿电路(3)两个放大器A1、A2和一个运放器A3组成：A1连接传感器的上层压电晶体，A2连接传感器的下层压电晶体，A3连接A1、A2的输出端，A3输出的是经过补偿之后的激励信号。

7、选用带通放大器(4)针对谷粒激励响应的频段进行选择性放大；利用信号补偿电路(3)可以很好的消除收割机振动引起的强干扰信号，助于谷粒信号的识别提取；通过滤波电路(4)，准确的选择滤波器截止频率点，保证测试数据的准确性。

8、键盘(7)包括“复位”、“运行”、“存储”三个键，完成对仪器的程序操作；通信串口(12)可与上位机连接进行数据的传输和控制。

本发明的有益效果是:

1.利用对称式传感器结构和信号补偿的方法监测谷粒清选损失，可以消弱干扰信号，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.采用带通放大器，能够选择任意频段的信号进行定向放大，可以针对谷粒激励响应的频段进行选择性放大。

3.采用带通滤波电路，能够准确选择滤波器截止频率点，选择谷粒信号频段的波通过同时屏蔽其他干扰信号频段的波，将干扰信号的频率分量衰减到极低水平，可以保证测试数据的准确性。

4.该谷物清选损失监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为本发明装置系统结构连接示意图。

图2-1、图2-2分别为图1中的对称式压电晶体传感器1的结构主视图与侧视图。

图3为图1中的信号补偿电路图。

图4为图1中的带通滤波电路图。

图5为本发明装置的安装示意图。

图中，1.对称压电晶体传感器;2.带通电荷放大电路；3.信号补偿电路；4.带通滤波电路；5.灵敏度调节电路；6.脉冲整形电路；7. 输入键盘；8. 单片微型处理器；9. 显示数码管；10. 报警电路；11.电源；12.通信接口； 13传感器平板式弹性元件；14.防护层；15.金属盒；16.压电晶体；17.固定支架；18.屏蔽线；19.安装孔。

具体实施方式：

实施例1，如图1所示的监测装置，对称式压电晶体传感器1的输出连接带通电荷放大电路2，带通电荷放大电路2的输出依次连接信号补偿电路3、带通滤波电路4、灵敏度调节电路5、脉冲整形电路6、单片微型处理器8和通信接口电路12。其中，单片微型处理器8的输出还连接显示数码管9和报警电路10。键盘7的输出连接单片微型处理器8。电源电路11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采用联合收割机上蓄电池输出的DC24V作为其电压输入，再通过各支路的变压系统为各部分提供所需要的电压和电流。

参照图1，对称式压电晶体传感器1的结构包括对称压电晶体13、传感器平板式弹性元件14、金属方盒15、屏蔽电缆线18。

参照图2-1、图2-2，将压电晶体16固定在平板式弹性元件13的内表面中心位置，平板式弹性元件13的结构为长L=150mm，宽W=150mm，厚H1.0mm；上下各一块弹性元件对称安装在特制金属方盒15表面;

金属方盒15需要保证整体对称性、稳定性且高度尽量小，其尺寸为长L=150mm，宽W=150mm，厚H=38mm；金属盒的内部为中空，在弹性元件13和金属方盒15连接处附加减振垫片；采用力矩扳手将弹性元件13 通过四角加固的方式固定在金属盒的两表面，使得八个螺栓螺母的力度一样；弹性元件13的周边不能与金属方盒15接触，中间带有防护层14，以防止杂物碎屑进入盒内，对结构一致性造成影响。

参照图5，将三个对称式传感器方盒15均匀分布在清选筛排出口处的三个监测区域，利用螺栓穿过安装空19，将传感器方盒成悬空状态安装在台架上。台架通过扩充槽的上下左右移动以及自身的旋转，可实现三维空间任意位置的调整。压电晶体的屏蔽线18通过金属盒的侧面空中传出，统一在一侧固定，一端连接对称式压电晶体14，另一端连接带通电荷放大电路2。

信号调理系统主要由带通电荷放大电路、信号补偿电路、带通滤波电路、灵敏度调节电路、脉冲整形电路构成，将谷粒损失信号转换成可以计数的标准信号。

参照图3，信号补偿电路3两个放大器A1、A2和一个加法器A3组成。放大器A1完成对上层弹性元件激励响应信号1的运放；放大器A2完成对下层弹性元件激励响应信号2的运放。A3为加法器，主要完成对信号1和信号2的加减补偿合成运算。对于干扰信号，U1中的信号与U2中的信号当相位和幅值一致时，可以通过信号运算合成抵消。在实际中，两敏感元件的激励响应特性不可能完全一致，通过放大器和加法器上的微调旋钮进行相位和幅值调整，补偿消除干扰信号。

通过对收割机机组、谷粒损失等信号的幅频特性分析，可知干扰信号和谷粒损失信号的频谱范围有一定的区别，采用带通式电荷放大电路可以针对谷粒激励响应的频段进行选择性放大忽略干扰信号；带通式滤波电路能够准确选择滤波电路截止频率点，将谷粒损失信号和干扰信号进一步有效的分离。

灵敏度调节电路的作用是从输出信号的电压值上对信号进一步处理，干扰信号、谷粒损失信号的幅值特性也存在差异，通过对灵敏度幅值电压的调整，准确地完成对谷粒损失信号的提取。

单片微型处理器8选用的是STC89C52RC单片机，通过数据口采集三路谷粒清选损失信号，完成对谷粒损失量的运算和结果显示。设有警报装置，当清选的损失量超标时启动警报。通信接口电路12采用RS232通信串口方式，可实现单片微型处理器与上位机的数据传输。

在联合收割机田间收获过程中，将对称式压电晶体传感器1通过螺栓固定在位于联合收割机的清选筛后部的固定支架17上，均宽分布进行监测；传感器平板式弹性元件15设置成与水平位置成20^o—70^o，根据不同联合收割机的具体情况选择传感器平面朝向。清选筛抛出物冲击上层弹性元件产生激励信号，信号经过带通电荷放大电路、信号补偿电路、带通滤波电路、灵敏度调节电路以及脉冲整形电路处理，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。对于不同的联合收割机、不同的作业工况或收获不同作物时，可以改变电荷放大电路、带通滤波电路、灵敏度调节电路的参数，从而调整监测仪表的匹配参数。单片微处理器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数码管9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10发出命令，指示机手采取相应措施。通过通信接口电路12与上位机之间实时的数据传输，可以通过上位机控制和改变单片微型处理器8的工作模式和数据模式；

传感器1采用奥氏体不锈钢钢板作为传感器的弹性元件，压电晶体作为传感器的转换元件，压电晶体16敷贴于传感器平板式弹性元件13的背面的中心处，上下各一块弹性元件对称安装在特制金属方盒15表面，且通过防护层14密封。弹性元件13 长L=150mm，宽W=150mm，厚1.0mm；金属方盒15长L=150mm，宽W=150mm，厚H=38mm。三个传感器结构均布在清选筛排出口处的三个监测区域。

当联合收割机在田间收获作业时，上下两层弹性元件同时振动，籽粒和茎秆从清选筛的排出口排出冲击监测传感器上表面时，下层弹性元件没有谷粒激励信号，监测传感器的上下两表面都会输出电信号，电压信号经过带通电荷放大电路放大、信号补偿电路的信号补偿之后，干扰信号会减弱，增强了谷物损失信号的识别能力；由于籽粒和茎秆对监测传感器表面的冲击力不同，所反映出的撞击信号频率和振幅也不相同，因此在程序中合理设置滤波电路的截止频率和灵敏度调节电路的幅值比较电压，就能从纷乱的信号中提取出籽粒的撞击信号，再经过信号整形电路，得到标准脉冲信号，送入单片微型处理器进行数据处理并显示损失量。

通过大量清选台架试验和收割机实际工作试验，在不同作物的喂入量、收割机的前进速度、风机转速、出风口角度等参数条件下，收集清选筛排出口尾部排出的籽粒和杂余，并分析排出物的分布规律。人工清选出排出物区域内包含的籽粒，利用统计学建立的数学模型计算清选损失总量和清选损失率，实时显示监测结果，并可把数据传输到上位机，实现更多功能和工作模式的操作。

联合收割机田间作业时，清选损失实时测量相对误差小于3%。

Claims

1. 一种谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法，其特征在于，步骤如下：

⑵. 联合收割机收割作业时，清选物经清选筛排出口流出；

⑷. 将对称式压电晶体传感器输出的信号送入可调式带通电荷放大电路，转换成具有一定幅值的电压信号；

⑹.运用抗混带通滤波电路、灵敏度调节电路分别从步骤⑸调整后信号的频域和时域中，分离出振动噪声与谷粒信号特征；

2. 根据权利要求1所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法，其特征在于，增加有以下步骤：检测不同作物时，改变可调滤波电路的截止频率点和灵敏度调节电路幅值比较电压值进行参数调整。

3. 根据权利要求1所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法，其特征在于，步骤3)中的单片微型处理器执行的标准脉冲宽度为5—10ms。

4. 根据权利要求1或2或3所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法，其特征在于，步骤4)中，单片微处理器单独工作的同时，也可通过通信串口与上位机之间实时传输数据，若谷粒损失量超出设定的极限值，通过报警电路发出报警命令；同时，上位机对联合收割机发出调整指令，自动调节联合收割机的作业状态。

5. 一种权利要求1所述谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测方法所使用的装置：谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置，联合收割机上设有清选筛出口，其特征在于，在该清选筛出口处，设有对称式压电晶体传感器，该对称式压电晶体传感器的输出端连接可调带通电荷放大电路，带通电荷放大电路的输出端依次串接信号补偿电路、抗混带通滤波电路、灵敏度调节电路、脉冲整形电路、单片微型处理器;单片微型处理器连接键盘、报警电路和显示数码管;电源电路分别连接带通电荷放大电路、单片微型处理器、键盘、主显示数码管以及各所述电路。

6. 根据权利要求5所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置，其特征在于，所述对称式压电晶体传感器的传感器平板式弹性元件与水平位置成20^o—70^o；所述对称式压电晶体传感器的台架两端固定在连接于联合收割机的清选筛后部的可调式固定支架上，单个压电晶体敷贴于传感器平板式弹性元件的背面中心处，上下各一块弹性元件对称安装在特制金属方盒表面;屏蔽传输导线一端连接压电晶体，另一端连接所述带通电荷放大电路。

7. 根据权利要求5所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置，其特征在于，所述对称式压电晶体传感器(1)的传感器平板式上下弹性元件(13)对称的固定在制作好的金属方盒(15)的上下表面，金属方盒(15)保证整体对称性且高度尽量小；在弹性元件(13)和金属方盒(15)接触处附加减振垫片；所述弹性元件(13)的周边与金属方盒中间带有防护层(14)。

8. 根据权利要求5所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置，其特征在于，所述对称传感器结构具有单个晶体压电晶体(16)对称的敷贴于上下弹性元件 (13)的背面中心处；具有三个对称式传感器方盒(15)均匀分布在清选筛排出口处的三个监测区域。

9. 根据权利要求5所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置，其特征在于，所述信号补偿电路(3)由两个放大器A1、A2和一个运放器A3组成：A1连接传感器的上层压电晶体，A2连接传感器的下层压电晶体，A3连接A1、A2的输出端，A3输出的是经过补偿之后的激励信号。

10. 根据权利要求5-9之一所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置，其特征在于，所述的谷物联合收割机的清选损失的实时在线监测装置设有控制键盘(7)，该控制键盘(7)包括“复位”、“运行”、“存储”三个键，完成对仪器的程序操作；通信串口(12)可与上位机连接进行数据的传输和控制。