CN103125204A - 一种联合收割机的谷物质量测量装置与测量方法 - Google Patents

Abstract

一种联合收割机的谷物质量测量装置及测量方法，涉及传感器技术领域，本发明采用具有力感知的特殊桨叶装置实时测量谷物的重量，根据抛洒谷物的时刻以及相邻桨叶的固定距离计算出抛洒谷物的实时速度，提高了多维谷物质量流量传感器的测量精度；多维谷物质量流量传感器测量的谷物重量信息与具有力感知的特殊桨叶获取的重量信息融合，获取更准确谷物重量信息，据此生成的产量信息为实施精准农业生产提供重要的理论依据。

Description

一种联合收割机的谷物质量测量装置与测量方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种联合收割机的谷物质量测量装置与测量方法。

背景技术

精准农业就是利用有限资源，在对农业现状进行分析的基础上，通过对农业生产微观化处理，改目前的粗放型农业为精细农业，以准确的投入和管理；改定量投入为变量投入和管理，节约能源，改善环境条件，提高农业生产水平和作物产品质量。精准农业中的关键部分就是田间信息采集，而产量信息是田间信息中非常关键的一部分。在谷物测产系统中，产量传感器有着重要的位置，它不仅可以精确测量田间作物的产量，还可以配合速度传感器，宽度传感器、GPS等绘制田间作物产量分布图。只有了解了产量分布的差异，才能进行田间诊断，形成相应的控制决策，为来年的变量施肥、变量喷药以及变量播种提供依据。

目前国际市场应用的谷类作物产量传感器主要有四种类型：即冲量式流量传感器、γ射线式流量传感器、光电式容积流量传感器以及刮板轮式容积流量传感器。通过对四种传感器特点进行研究分析发现冲击式谷物流量传感器无论在性能还是经济方面的优势都比较显著。由于我国的特殊情况，传感器研究起步较晚，谷物产量监测系统尚在研制中，还没有商品化产品。目前，国内使用的产量监测系统主要从国外引进的，为了适应我国的农业生产情况，降低精细农业实施成本，进一步开展适合各种收割机机型的国产产量监测系统成为必然趋势。

经对现有技术文献的检索发现，美国专利号：No.3,640,135和No.4,718,284中流量传感器利用的原理是当颗粒状谷物撞击传感器挡板时，产生的力与谷物流量以及谷物速度的变化量成正比关系，其中谷物撞击产生的力通过传感器测量得出，而谷物速度产生需要一固定高度的装置，这种装置占用很大空间，安装在联合收割机中不切实际。美国专利号：No.4063456中流量传感器能够补偿谷物撞击传感器时产生抖动的影响，并且能实时测量运升器运载谷物的速度，但需要一种额外的附加测量速度装置。中国专利号为CN1702438A，发明专利名称：“谷物质量流量传感器”，通过谷物撞击测量手指，引起弹性元件产生形变实现谷物质量的测量，该传感器由于受到测量手指的大小限制，谷物不能完全冲击到测量手指上，容易致使测量谷物质量不准确，且必须保证谷物垂直打击到测量手指上才能保证较好的测量效果，因此，该专利实际应用效果不是很理想。

发明内容

本发明的目的针对现有技术的不足，提供了一种基于多传感信息的谷物质量流量传感器测量装置及信息获取方法，该装置体积较小，能够方便的安装在收割机上，能够解决现有技术中谷物测量精度不高的问题，能实时在线测量谷物的质量流量，配以湿度传感器，使得谷物的干重和湿重在局部地区一目了然，为精准农业中后续分析田间肥力情况进而为变量播种、施肥和喷药提供理论依据的一种联合收割机的谷物质量测量装置及测量方法。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现，

一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：包括安装于联合收割机上的净梁运升器、固定在净粮运升器外部的多维谷物质量流量传感器及设于净梁运升器内部位于多维谷物流量传感器下方的谷物收集区，所述的净梁运升器通过隔板分成两个隔间单元；

所述的收集区包括装料螺旋、设于装料螺旋左侧及底部的倾斜面，所述的装料螺旋朝向收集谷物的存储容器，装料螺旋将谷物从收集区运输到收割机的谷物存储容器中；

所述的净梁运升器包括传动轴、连接于传动轴上的链轮齿及附在链轮齿上的输送链组成，所述的输送链上规则的分布着具有力感知的特殊桨叶装置，通过轴的顺时钟转动，链轮齿带动输送链运动，从而使得桨叶装置上的谷物得到提升；

所述的桨叶装置通过销钉固定在输送链上，所述的桨叶装置包括桨叶板、弹性体及安装基座，所述的桨叶板通过螺钉和垫片穿过桨叶板中间的安装孔与弹性体连接，所述的弹性体通过螺钉基座连接；

所述的桨叶板及安装基座上均设有矩形槽，矩形槽的设置使得桨叶板与输送链之间可以留有移动的间隙，方便桨叶装置的工作，实现工作性能；

所述的弹性体采用E型膜结构，在弹性体上设有施力柱，施力柱与弹性体为一体结构，所述弹性体侧面上设有安装孔；

所述的安装基座上设有一个安装孔、一个无线电线导线孔及一个电源线导线孔，在无线电线导线孔与电源线导线孔之间设有凹槽，所述的安装基座通过垫片与无线电线及电源模块连接，所述安装基座底部设有切面；在弹性体与安装基座连接安装时，将弹性体上的安装孔与安装基座上的安装孔配合对齐，这样电源线导线与无线电线导线可以通过电源线导线孔与无线电线导线孔穿出，到达切面，通过凹槽将电源线导线与无线电线导线分别引向电源线导线孔与无线电线导线孔中，安装基座上的矩形槽与输送链之间采用过盈配合；

所述的多维谷物质量流量传感器由冲击板、弹性体和固定基座组成，所述的冲击板通过螺钉固定在弹性体上，所述的弹性体通过螺钉与固定基座连接，所述的弹性体采用E型膜结构，弹性体上设有创力柱，所述创力柱与弹性体为一体结构。

所述将桨叶装置中弹性体上应变片的贴片方向与Y轴方向成45°夹角，应变片R1、R2、R3和R4的阻值相等，应变片R1，R2，R3和R4组成惠斯通电桥电路，输送链在隔间单元中输送谷物时，实时测量浆叶板上的谷物重量；

所示的多维谷物质量流量传感器弹性体上应变片的贴片R1、R2、R3和R4构成一组检测电路测量冲击板受到X方向上的冲击力FX，R5、R6、R7和R8构成一组检测电路测量冲击板受到Y方向上的冲击力FY，R9、R10、R11和R12构成一组检测电路测量冲击板受到的Z方向上的冲击力FZ，R9、R10、R11和R12的贴片方向与X轴方向成45°夹角，R1-R12的阻值均相等；

一种联合收割机的谷物质量测量方法，其特征在于：所述的方法是建立谷物流量与多维谷物质量流量传感器测量力的关系，实时获取具有力感知的特殊桨叶承载谷物的重量m，依据相邻两特殊桨叶的固定距离L和两相邻的特殊桨叶抛洒谷物的时间间隔t计算谷物撞击冲击板的实时速度vi，最后计算谷物的瞬时质量mi和总产量M，具体方法如下，

1、建立谷物质量流量与多维谷物质量流量传感器测量力的关系，根据冲量原理有：

F(t)Δt＝Δm(t)Δv

$F\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δm}\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\Δv}=q\left(t\right)\mathrm{\Δv}$

式中

F(t)----谷物在t时刻撞击冲击板时，多维谷物质量传感器在Z轴方向测量的力；

Δm(t)----在t时刻撞击冲击板的谷物质量；

Δt----谷物撞击冲击板的时间；

Δv----谷物撞击冲击板前后速度变化量；

q(t)----在t时刻谷物的质量流量；

当Δt足够小时，q(t)可以看成谷物的瞬时流量，谷物撞击冲击板后速度近似为零，Δv近似为谷物撞击冲击板的速度v_i，再根据多维质量流量传感器测量的Z轴的力信息，可以求得谷物的瞬时流量q(t)，实际应用中，在一定时间谷物产量能够反映土体的生产情况，因此可以计算一定时间内谷物的产量；根据公式

最后计算出谷物的质量m；

2、将多维谷物质量流量传感器测量谷物质量和具有力感知的特殊桨叶测量谷物质量信息融合，

在一定时间内谷物产量可以反应精准农业产量分布的状况，因此可以计算某一特定时间内谷物的产量，该时间应该是周期P的整数倍，在此时间段内谷物质量流量传感器测量谷物的质量为m₁，具有力感知的特殊桨叶测量谷物重量为m₂，实际产量为m＝(m₁+m₂)/2，可以弥补谷物质量流量传感器和具有力感知的特殊桨叶测量谷物所产生的误差。

本发明的有益效果是：本发明的采用了具有力感知的特殊桨叶装置，使用简单可靠、成本低，适合在联合收割机中使用。本发明的测产方法采用具有力感知的特殊桨叶装置实时测量谷物的重量，根据抛洒谷物的时刻以及相邻桨叶的固定距离计算出抛洒谷物的实时速度，提高了多维谷物流量传感器的测量精度；多维谷物流量传感器测量的谷物重量信息与具有力感知的特殊桨叶获取的重量信息融合，获取更准确谷物重量信息，据此生成的产量信息为实施精准农业生产提供重要的理论依据。

附图说明

图1为本发明谷物质量测量装置总体结构示意图；

图2为本发明桨叶装置结构示意图；

图3为本发明桨叶装置中弹性体上应变片的贴片示意图；

图4为本发明多维谷物质量流量传感器弹性体上应变片的贴片示意图；

图5为本发明桨叶空载时数值输出示意图；

图6为本发明桨叶承载和释放谷物示意图；

图7为本发明桨叶速度计算示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。

如图1所示，一种联合收割机的谷物质量测量装置，包括安装于联合收割机上的净梁运升器20、固定在净粮运升器20外部的多维谷物质量流量传感器10及设于净梁运升器20内部位于多维谷物流量传感器10下方的谷物收集区30，净梁运升器20通过隔板24分成两个隔间单元；

收集区包括装料螺旋36、设于装料螺旋36左侧及底部的倾斜面34，装料螺旋36朝向收集谷物的存储容器，装料螺旋36将谷物从收集区30运输到收割机的谷物存储容器中；

净梁运升器20包括传动轴21、连接于传动轴21上的链轮齿22及附在链轮齿22上的输送链23组成，输送链23上规则的分布着具有力感知的特殊桨叶装置25，通过轴21的顺时针转动，链轮齿22带动输送链23运动，从而使得桨叶装置25A上的谷物40得到提升；

如图1、图2所示，桨叶装置25通过销钉固定在输送链23上，桨叶装置25包括桨叶板253、弹性体254及安装基座255，桨叶板253通过螺钉251和垫片252穿过桨叶板253中间的安装孔2531与弹性体254连接，弹性体254通过螺钉257与安装基座255连接；桨叶板253及安装基座255上均设有矩形槽2533，矩形槽2533的设置使得桨叶板253与输送链23之间可以留有移动的间隙，方便桨叶装置25的工作，实现工作性能；弹性体254采用E型膜结构，在弹性体254上设有施力柱2541，施力柱2541与弹性体254为一体结构，弹性体254侧面上设有安装孔2543；安装基座255上设有一个安装孔2555、一个无线电线导线孔2553及一个电源线导线孔2552，在无线电线导线孔2553与电源线导线孔2552之间设有凹槽2554，安装基座255通过垫片258与无线电线259及电源模块260连接，安装基座255底部设有切面2556；在弹性体254与安装基座255连接安装时，将弹性体254上的安装孔2543与安装基座255上的安装孔2555配合对齐，这样电源线导线与无线电线导线可以通过电源线导线孔2552与无线电线导线孔2553穿出，到达切面，通过凹槽2554将电源线导线与无线电线导线分别引向电源线导线孔2553与无线电线导线孔2552中，安装基座255上的矩形槽2553与输送链23之间采用过盈配合；

如图1所示，多维谷物质量流量传感器10由冲击板11、弹性体12和固定基座13组成，冲击板11通过螺钉固定在弹性体12上，弹性体12通过螺钉与固定基座13连接，弹性体12采用E型膜结构，弹性体12上设有创力柱14，创力柱14与弹性体12为一体结构。

如图3所示，将桨叶装置中弹性体上应变片的贴片方向与Y轴方向成45°夹角，应变片R1、R2、R3和R4的阻值相等，应变片R1，R2，R3和R4组成惠斯通电桥电路，输送链在隔间单元中输送谷物时，实时测量浆叶板上的谷物重量；

如图4所示，多维谷物质量流量传感器弹性体上应变片的贴片R1、R2、R3和R4构成一组检测电路测量冲击板受到X方向上的冲击力FX，R5、R6、R7和R8构成一组检测电路测量冲击板受到Y方向上的冲击力FY，R9、R10、R11和R12构成一组检测电路测量冲击板受到的Z方向上的冲击力FZ，R9、R10、R11和R12的贴片方向与X轴方向成45°夹角，R1-R12的阻值均相等；

一种联合收割机的谷物质量测量方法，

如图1所示，谷物撞击冲击板11后，弹性体12发生弹性形变，应变片的阻值发生变化，获取力的输出数值Fx，Fy，Fz，其中Fx，Fy为沿冲击板11切面的输出值，Fz为垂直于冲击板11切面的输出值，Fx，Fy数值可以反映谷物沿冲击板11切面收到撞击的程度，用来修净梁运升器的速度，Fz通过动量原理推出与谷物的流量成线性关系，相关系数为谷物的抛洒速度v。

如图5所示，具有力感知的特殊桨叶在空载时理论上输出为桨叶板253、螺钉251和垫片252的重量，为一固定值90，但由于净粮运升器20的振动，为一实时变化的数值91，在数据采集处理模块中采用平均算法，减少具有力感知的特殊桨叶装置25在没有运载谷物40时数据的输出变化。

如图6所示，具有力感知的特殊桨叶在T1时刻开始承载谷物，输出数值为承载谷物的重量93，在T2时刻抛洒谷物到冲击板11，特殊桨叶输出数值回到原始数值92，T3时刻特殊桨叶又开始周期性的承载谷物。周期P是具有力感知的特殊桨叶运行一周的时间，包括承载谷物重量时间P1和空载时间P2组成，时间P由净粮运升器的速度决定。

如图7所示，具有力感知的特殊桨叶装置25B在T1时刻承载重物，输出数值为承载谷物的重量95，在T2时刻抛洒谷物，恢复到原始数值94；具有力感知的特殊桨叶装置25A在T2时刻承载重物，输出数值为承载谷物的重量97，在T2时刻抛洒谷物，恢复到原始数值96；具有特殊力感知的特殊桨叶装置25A与25B之间的固定距离L，获取具有力感知的特殊桨叶开始运载谷物的瞬时速度：

$v_{\mathrm{intial}}=\frac{L}{T5-T1}$

抛洒谷物时的瞬时速度：

$v_{\mathrm{end}}=\frac{L}{T6-T2}$

联合收割机谷物测产方法是建立谷物质量流量与多维谷物质量流量传感器测量力的关系，实时获取具有力感知的特殊桨叶承载谷物的重量m，依据相邻两特殊桨叶的固定距离L和两相邻的特殊桨叶抛洒谷物的时间间隔t计算谷物撞击冲击板的实时速度vi，最后计算谷物的瞬时质量mi和总产量M，具体如下：

1、建立谷物流量与多维质量流量传感器测量力的关系，根据冲量原理有：

F(t)Δt＝Δm(t)Δv

$F\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δm}\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\Δv}=q\left(t\right)\mathrm{\Δv}$

式中

F(t)----谷物在t时刻撞击冲击板时，多维质量流量传感器在Z轴方向测量的力；

Δm(t)----在t时刻撞击冲击板的谷物质量；

Δt----谷物撞击冲击板的时间；

Δv----谷物撞击冲击板前后速度变化量；

q(t)----在t时刻谷物的质量流量；

当Δt足够小时，q(t)可以看成谷物的瞬时流量，谷物撞击冲击板后速度近似为零，Δv近似为谷物撞击冲击板的速度v_i，再根据多维质量流量传感器测量的Z轴的力信息，可以求得谷物的瞬时流量q(t)。实际应用中，在一定时间谷物产量能够反映土体的生产情况，因此可以计算一定时间内谷物的产量。根据公式

最后计算出谷物的质量m。

2、如图5所示，桨叶承载谷物前，具有力感知的特殊桨叶理论上输出为一固定值90，但由于力传感器本身精度问题以及净粮运升器20的振动，为一实时变化的数值91，对数据进行处理，减少在没有运载谷物时数据的输出变化。

如图6所示，具有力感知的特殊桨叶在T1时刻开始承载谷物，输出数值为承载谷物的重量93，在T2时刻抛洒谷物到冲击板11，特殊桨叶输出数值回到原始数值92，T3时刻特殊桨叶又开始周期性的承载谷物。周期P是具有力感知的特殊桨叶运行一周的时间，包括承载谷物重量时间P1和空载时间P2组成，时间P由净粮运升器的速度决定。

谷物在运送过程中，净粮运升器20运动不是恒速运动，具有一变加速度a_i，由对称的具有力感知的特殊桨叶装置如图1所示25A和25F，加速度大小相同，方向相反。对两特殊桨叶装置测量值求和可以消除净粮运升器变速运动的影响，实时获取到谷物真实的质量。

3、获取谷物撞击冲击板的实时速度v_i；

如图7所示，具有力感知的特殊桨叶25B在T1时刻承载重物，输出数值为承载谷物的重量95，在T2时刻抛洒谷物，恢复到原始数值94；具有力感知的特殊桨叶25A在T2时刻承载重物，输出数值为承载谷物的重量97，在T2时刻抛洒谷物，恢复到原始数值96；具有特殊力感知的特殊桨叶25A和25B的固定距离L，获取具有力感知的特殊桨叶开始运载谷物的瞬时速度：

$v_{\mathrm{intial}}=\frac{L}{T5-T1}$

抛洒谷物时的瞬时速度：

${v_i=v}_{\mathrm{end}}=\frac{L}{T6-T2}$

4、多维质量流量传感器输出数值Fx，Fy修正净粮运升器的速度；

谷物撞击冲击板后，获取多维质量流量传感器10输出数值Fx，Fy，Fz。Fx，Fy为多维流量传感器10沿冲击板11切面的输出值。其大小可以反映谷物沿冲击板11切面撞击多维流量传感器10的程度，作为提高或者降低谷物运升器速度的一个参量。

5、谷物质量流量传感器测量谷物质量和具有力感知的特殊桨叶测量谷物质量信息融合；

实际应用中，在一定时间内谷物产量可以反应精准农业产量分布的状况，因此可以计算某一特定时间内谷物的产量，该时间应该是周期P的整数倍，如在此时间段内谷物质量流量传感器测量谷物的质量为m₁，具有力感知的特殊桨叶测量谷物重量为m₂，实际产量为m＝(m₁+m₂)/2，可以弥补谷物质量流量传感器和具有力感知的特殊桨叶测量谷物所产生的误差。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：包括安装于联合收割机上的净梁运升器、固定在净粮运升器外部的多维谷物质量流量传感器及设于净梁运升器内部位于多维谷物质量流量传感器下方的谷物收集区，所述的净梁运升器通过隔板分成两个隔间单元。

2.根据权利要求1所示的一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：所述的收集区包括装料螺旋、设于装料螺旋左侧及底部的倾斜面，所述的装料螺旋朝向收集谷物的存储容器。

3.根据权利要求1所示的一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：所述的净梁运升器包括传动轴、连接于传动轴上的链轮齿及附在链轮齿上的输送链组成，所述的输送链上规则的分布着桨叶装置。

4.根据权利要求3所示的一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：所述的桨叶装置通过销钉固定在输送链上，所述的桨叶装置包括桨叶板、弹性体及安装基座，所述的桨叶板通过螺钉和垫片穿过桨叶板中间的安装孔与弹性体连接，所述的弹性体通过螺钉基座连接；所述的桨叶板及安装基座上均设有矩形槽；

所述的弹性体采用E型膜结构，在弹性体上设有施力柱，施力柱与弹性体为一体结构，所述弹性体侧面上设有安装孔；

所述的安装基座上设有一个安装孔、一个无线电线导线孔及一个电源线导线孔，在无线电线导线孔与电源线导线孔之间设有凹槽，所述的安装基座通过垫片与无线电线及电源模块连接，所述安装基座底部设有切面；所示的安装基座上的矩形槽与输送链之间采用过盈配合。

5.根据权利要求1所示的一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：所述的多维谷物流量传感器由冲击板、弹性体和固定基座组成，所述的冲击板通过螺钉固定在弹性体上，所述的弹性体通过螺钉与固定基座连接，所述的弹性体采用E型膜结构，弹性体上设有创力柱，所述创力柱与弹性体为一体结构。

6.根据权利要求3所示的一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：所述将桨叶装置中弹性体上应变片的贴片方向与Y轴方向成45°夹角，应变片R1、R2、R3和R4的阻值相等，应变片R1，R2，R3和R4组成惠斯通电桥电路。

7.根据权利要求1所示的一种联合收割机的谷物质量测量装置，其特征在于：所示的多维谷物质量流量传感器弹性体上应变片的贴片R1、R2、R3和R4构成一组检测电路测量冲击板受到X方向上的冲击力FX，R5、R6、R7和R8构成一组检测电路测量冲击板受到Y方向上的冲击力FY，R9、R10、R11和R12构成一组检测电路测量冲击板受到的Z方向上的冲击力FZ，R9、R10、R11和R12的贴片方向与X轴方向成45°夹角，R1-R12的阻值均相等。

8.一种联合收割机的谷物质量测量方法，其特征在于：所述的方法是建立谷物流量与多维谷物质量流量传感器测量力的关系，实时获取具有力感知的桨叶承载谷物的重量m，依据相邻两特殊桨叶的固定距离L和两相邻的特殊桨叶抛洒谷物的时间间隔t计算谷物撞击冲击板的实时速度vi，最后计算谷物的瞬时质量mi和总产量M，具体方法如下，

a、建立谷物质量流量与多维谷物质量流量传感器测量力的关系，根据冲量原理有：

F(t)Δt＝Δm(t)Δv

$F\left(t\right)=\frac{\mathrm{\Δm}\left(t\right)}{\mathrm{\Δt}}\mathrm{\Δv}=q\left(t\right)\mathrm{\Δv}$

式中

F(t)----谷物在t时刻撞击冲击板时，多维谷物质量流量传感器在Z轴方向测量的力；

Δm(t)----在t时刻撞击冲击板的谷物质量；

Δt----谷物撞击冲击板的时间；

Δv----谷物撞击冲击板前后速度变化量；

q(t)----在t时刻谷物的质量流量；

当Δt足够小时，q(t)可以看成谷物的瞬时流量，谷物撞击冲击板后速度近似为零，Δv近似为谷物撞击冲击板的速度v_i，再根据多维质量流量传感器测量的Z轴的力信息，可以求得谷物的瞬时流量q(t)，实际应用中，在一定时间谷物产量能够反映土体的生产情况，因此可以计算一定时间内谷物的产量；根据公式最后计算出谷物的质量m；

b、将多维谷物质量流量传感器测量谷物质量和具有力感知的特殊桨叶测量谷物质量信息融合，

在一定时间内谷物产量可以反应精准农业产量分布的状况，因此可以计算某一特定时间内谷物的产量，该时间应该是周期P的整数倍，在此时间段内谷物质量流量传感器测量谷物的质量为m₁，具有力感知的特殊桨叶测量谷物重量为m₂，实际产量为m＝(m₁+m₂)/2。

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