CN105115651B - 一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置及方法，其包括打结器，打结器位于草捆一侧，位于打结器与草捆之间安装有张力传感器，张力传感器将采集到的捆绳张力信息经同步电路板传输至PC机；一号高速摄影机设置在打结器的观察口附近，二号高速摄影机设置在打结器后端，靠近传动箱一侧；一号高速摄影机与二号高速摄影机位于打结器周边呈90度分布，将采集到的图像信息传输至PC机；位于打结器齿盘的最高点设置有小磁铁；靠近传动箱一侧在打结器后端，通过磁座安装有接近开关，小磁铁与接近开关之间的距离小于预先设定的感应距离，接近开关经同步电路板连接PC机。本发明同步性好，操作简便，信号响应速度快，能广泛在打捆机领域中应用。

Description

一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种农业机械领域中在线检测装置及方法，特别是关于一种同步检测D型打结器动作及捆绳张力变化的装置及方法。

背景技术

随着秸秆收集、捆扎技术要求的变化，方捆打捆机得到了广泛应用。打结器是方捆打捆机上的关键部件，打捆机将拣拾于地面上的零散秸秆压制成长方形捆，打结器则将秸秆捆捆扎打结，以便于装卸、运输、储存等。打结器是一套结构、运动极其复杂的机构，它在几秒甚至不足1s的短时间内完成送绳、夹绳、绕绳、抓绳、割绳、回位、脱扣等动作，这些动作由送绳弧针、夹绳盘、打结嘴、拢绳器等来实现完成，此套机构具有较高的准确性、协调性、可靠性，保证了打结稳定性。

现阶段市面上主要应用的有C、D型两种打结器，其中D型打结器因故障率低、成结动作快、结构紧凑而受到广泛的使用。由于国外一些大型农机企业已经具备独立生产D型打结器的基础和能力，因此，近几年国外对于D型打结器的研究多为应用方面的研究。如Verhulst设计了可调式脱绳槽，使得钩嘴与脱绳槽之间隙能很容易且精确被调节，有利于脱扣，并允许割刀和割刀臂采用刚性材料，从而加强了打结可靠性。Gene Ast在已有打结器基础上对打结器进行了优化，增加了捆绳调节装置，降低了打捆过程中捆绳的实时张力，避免捆绳发生崩断现象。我国由于引入打捆机时间较短，且加工制造水平不高，我国对于打结器的研究还处于逆向仿真和空间位置参数解析阶段。但是由于捆绳、被压缩物料难以仿真分析，现阶段打结器各机构运动的研究多基于无物料及无捆绳状态下的模型仿真研究，有关打结过程中打结器动作及捆绳张力变化的研究未见报道，然而精确定量分析打结过程中打结器动作及捆绳张力变化有助于深层次分析成结理论，对D型打结器结构的优化具有重要的作用。现阶段针对打结器运动学的研究借助高速摄影进行分析已有相关文章进行报道，针对打结器捆绳力学变化研究相关文献也已有了阐述，但是单独分析某一类数据无法对另一数据进行界定分析，其结果存在一定的局限性，因此需要提出一种技术手段将所得数据进行同步分析，进而分析某一时刻捆绳的运动状态及张力值，其结果对于深入分析打结器的成结原理具有基础作用。现阶段，将二者同步进行分析研究的相关技术手段的专利及文章未见报道。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置及方法，其可以具有同步性好，操作简便，可操作性高等特点，并且信号响应速度快，可以满足高频数据采集的要求。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：它包括打结器、张力传感器、捆绳、同步电路板、PC机、一号高速摄影机、二号高速摄影机、高速摄影机可调式底座、小磁铁、磁座和接近开关；所述打结器位于草捆一侧，位于所述打结器与所述草捆之间安装有所述张力传感器，所述张力传感器将采集到的所述捆绳张力信息经所述同步电路板传输至所述PC机；所述一号高速摄影机设置在所述打结器的观察口附近，通过三脚架固定，经所述打结器的观察口采集打结器以及附着在打结器上的所述捆绳动作变化；所述二号高速摄影机设置在所述打结器后端，靠近传动箱一侧，且所述二号高速摄影机安装在所述高速摄影机可调式底座上，该高速摄影机可调式底座安装在所述打结器靠近打捆机喂料机构一侧；所述一号高速摄影机与所述二号高速摄影机位于所述打结器周边呈90度分布，将采集到的图像信息传输至所述PC机；位于所述打结器齿盘的最高点设置有所述小磁铁；靠近传动箱一侧在所述打结器后端，通过所述磁座安装有所述接近开关，所述小磁铁与所述接近开关之间的距离小于预先设定的感应距离，所述接近开关经所述同步电路板连接所述PC机。

所述高速摄影机可调式底座上开设有U形槽。

所述小磁铁与所述接近开关之间预先设定的感应距离优选为2mm。

所述同步电路板由锂电池供电，所述同步电路板用于实现同步两台高速摄影机采集所述打结器的运动轨迹图像与所述张力传感器采集所述捆绳张力数据；所述同步电路板输入端与所述锂电池、接近开关、张力传感器的信号输出端连接，所述同步电路板的输出端与所述PC机连接；所述同步电路板内设置有电源管理模块、模拟开关控制模块及LED驱动控制模块，所述电源管理模块用于给所述模拟开关控制模块和LED驱动控制模块供电，所述模拟开关控制模块和LED驱动控制模块用于同时控制光信号与电信号的通、断。

所述模拟开关控制模块包括接近开关传感器、模拟开关芯片和第一运算放大器，所述模拟开关芯片开关的接通条件为高电平；所述接近开关传感器用于采集所述接近开关与所述小磁铁之间的距离信息，所述接近开关传感器状态输出端分别连接所述模拟开关芯片的输入引脚IN3和LED驱动控制模块；所述模拟开关芯片的引脚D3连接所述张力传感器信号输出端，所述模拟开关芯片的引脚S3连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述第一运算放大器的输出端构成电压跟随器，由所述第一运算放大器的输出端将张力信号传输至所述PC机。

所述LED驱动控制模块包括第二运算放大器、三极管和LED灯；所述第二运算放大器的反相输入端连接所述接近开关传感器状态输出端和模拟开关芯片的输入引脚IN3，同相输入端连接电源，输出端连接所述三极管基极；所述三极管发射极分别连接至其基极和第二运算放大器同相输入端；所述三极管集电极连接所述LED灯负极，所述LED灯正极连接电源。

一种基于上述装置的同步检测打结器动作及捆绳张力变化的方法，其包括以下步骤：1)设置一号高速摄影、二号高速摄影机的帧数均与张力传感器的采集频率一致，使同步电路板中LED驱动控制模块的第二运算放大器反相输入端电压为低电平，则第二运算放大器同相输入端电压大于反相输入端电压，第二运算放大器输出端的输出电压为高电平，则三极管基极电压小于集电极电压，基极电压大于发射极电压，三极管导通，LED驱动控制模块中的LED灯点亮并保持；2)模拟开关控制模块中的模拟开关芯片开关的接通条件为高电平，当接近开关与小磁铁之间的距离小于预先设定的感应距离，模拟开关控制模块中输入引脚IN3处电压为低电平，因此模拟开关芯片中的开关断开，张力传感器测量的数据无法传输到PC机上，则张力记录数据恒为0；3)当打结器开始动作，齿盘开始转动，接近开关与小磁铁之间的距离大于预先设定的感应距离时，LED驱动控制模块的第二运算放大器反相输入端电压为高电平，则第二运算放大器反相输入端电压大于同相输入端电压，第二运算放大器输出端的输出电压为低电平，三极管截止，LED驱动控制模块中的LED灯熄灭并保持；4)模拟开关芯片开关的接通条件为高电平，当接近开关与小磁铁之间的距离大于预先设定的感应距离，模拟开关控制模块中输入引脚IN3处电压为高电平，模拟开关芯片的开关闭合，张力传感器测量的数据传输到PC机上，正常进行张力分析并记录数据；5)当打结器完成一个动作周期，齿盘转完一周，小磁铁与接近开关之间的距离再次小于预先设定的感应距离，此时LED驱动控制模块的第二运算放大器反相输入端电压再次为低电平，则第二运算放大器同相输入端电压大于反相输入端电压，第二运算放大器输出端的输出电压为高电平，则三极管基极电压小于集电极电压，基极电压大于发射极电压，三极管导通，LED驱动控制模块中的LED灯再次点亮并保持；6)与步骤5)同步，因模拟开关控制模块中输入引脚IN3处电压再次变为低电平，模拟开关芯片开关中的开关再次断开，张力传感器测量的数据无法传输到PC机上，张力记录数据再次恒为0；7)将各步骤中获取到的张力示数为0首尾数据点之间的张力数据与两台高速摄影机捕捉到的同步电路板上LED灯亮的首尾图像之间的照片进行一一对应，以此实现打结器动作及捆绳张力变化的同步。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供一种可以将高速摄影机及张力传感器同步分析的装置。该同步装置具有同步性好，操作简便，可操作性高等特点，并且信号响应速度快，可以满足高频数据采集的要求。2、本发明的同步检测装置包含高速摄影机、张力传感器、同步电路板、PC机、接近开关、小磁铁等；小磁铁放置在齿盘最高点，初始状态下与接近开关距离小于设定的感应距离，LED灯点亮并保持，PC机显示张力数据恒为0；当齿盘开始动作，接近开关与小磁铁的距离大于设定的感应距离，LED灯熄灭并保持，PC机正常记录张力数据；打结器齿盘转完一周，小磁铁与接近开关距离再次小于设定的感应距离，LED灯再次亮并保持，PC机再次显示数据恒为0；将张力示数为0首尾数据点之间的张力数据与高速摄影捕捉到的电路板LED灯亮的首尾图像之间的照片进行一一对应，以此实现同步，可以满足高频数据同步采集。本发明可以广泛在打捆机领域中应用。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的同步电路板结构示意图；

图3是本发明的同步检测流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明提供一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其包括打结器1、张力传感器2、捆绳3、同步电路板4、PC机5、一号高速摄影机6、二号高速摄影机7、高速摄影机可调式底座8、小磁铁9、磁座10和接近开关11。

打结器1位于草捆12一侧，位于打结器1与草捆12之间安装有张力传感器2，张力传感器2将采集到的捆绳3张力信息经同步电路板4传输至PC机5。一号高速摄影机6设置在打结器1的观察口附近，通过三脚架固定，经打结器1的观察口采集打结器1以及附着在打结器1上的捆绳3动作变化。二号高速摄影机7设置在打结器1后端，靠近传动箱一侧，且二号高速摄影机7安装在高速摄影机可调式底座8上，高速摄影机可调式底座8安装在打结器1靠近打捆机喂料机构一侧，高速摄影机可调式底座8的安装中心线与打结器1在驱动轴上的安装中心线重合，该高速摄影机可调式底座8上开设有U形槽，以可实现二号高速摄影机7的前后移动，从而实现高速摄影机拍摄视角范围大小的调节。一号高速摄影机6与二号高速摄影机7位于打结器1周边呈90度分布，将采集到的图像信息传输至PC机5，这样使得两台高速摄影机可以将打结器1关键机构及捆绳3的运动轨迹完整捕捉下来，确保无死角。位于打结器1齿盘的最高点设置有小磁铁9；靠近传动箱一侧在打结器1后端，通过磁座10安装有接近开关11，小磁铁9与接近开关11之间的距离小于预先设定的感应距离，接近开关11经同步电路板4连接PC机5。PC机5根据接收到的信号控制二号高速摄影机7的启动与停止。其中，小磁铁9与接近开关11之间预先设定的感应距离优选为2mm。

上述实施例中，如图1、图2所示，同步电路板4由锂电池13供电，同步电路板4用于实现同步两台高速摄影机采集打结器1的运动轨迹图像与张力传感器2采集捆绳3张力数据，同步电路板4输入端与锂电池13、接近开关11、张力传感器2的信号输出端连接，同步电路板4的输出端与PC机5连接。同步电路板4内设置有电源管理模块、模拟开关控制模块41及LED驱动控制模块42，电源管理模块用于给模拟开关控制模块41和LED驱动控制模块42供电，模拟开关控制模块41和LED驱动控制模块42用于同时控制光信号与电信号的通、断。

其中，模拟开关控制模块41包括接近开关传感器U1、模拟开关芯片U2和第一运算放大器UA，其中模拟开关芯片U2开关的接通条件为高电平。接近开关传感器U1用于采集接近开关11与小磁铁9之间的距离信息，接近开关传感器U1状态输出端SPST_SWITCHE_CTL分别连接模拟开关芯片U2的输入引脚IN3和LED驱动控制模块42。模拟开关芯片U2的引脚D3连接张力传感器2信号输出端SENSOR_OUTPUT，模拟开关芯片U2的引脚S3连接第一运算放大器UA的同相输入端，第一运算放大器UA的反相输入端连接第一运算放大器UA的输出端构成电压跟随器，由第一运算放大器UA的输出端将张力信号传输至PC机5。

LED驱动控制模块42包括第二运算放大器UB、三极管Q1和LED灯；第二运算放大器UA的反相输入端连接接近开关传感器U1状态输出端和模拟开关芯片U2的输入引脚IN3，同相输入端连接+12V电源，输出端连接三极管Q1基极。三极管Q1发射极分别连接至三极管Q1基极和第二运算放大器UB同相输入端；三极管Q1集电极连接LED灯负极，LED灯正极连接+12V电源。

上述实施例中，接近开关传感器U1状态输出端SPST_SWITCHE_CTL处电压与接近开关11和小磁铁9之间的距离有关，当接近开关11与小磁铁9之间的距离小于2mm时，状态输出端SPST_SWITCHE_CTL输出低电平，第二运算放大器UB输出高电平，三极管Q1导通，LED灯点亮并保持，此时由于模拟开关芯片U2的输入引脚IN3为低电平，引脚S3和引脚D3不导通，由第一运算放大器UA构成的信号跟随器输出0V至PC机5，PC机5显示数据为“0,0,0…”；当接近开关11与小磁铁9之间的距离大于2mm时，状态输出端SPST_SWITCHE_CTL输出高电平，第二运算放大器UB输出低电平，三极管Q1断开，LED灯熄灭，此时由于模拟开关芯片U2的输入引脚IN3为高电平，引脚S3和引脚D3导通，通过由第一运算放大器UA构成的信号跟随器输出电压信号至PC机5，PC机5显示非“0”数据。

如图3所示，基于上述同步装置，本发明还提供一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的方法，其步骤如下：

1)设置一号高速摄影1、二号高速摄影机7的帧数均与张力传感器2的采集频率一致，此时使同步电路板4中LED驱动控制模块42的第二运算放大器UB反相输入端电压为低电平，则LED驱动控制模块42中的第二运算放大器UB同相输入端电压大于反相输入端电压，第二运算放大器UB输出端的输出电压为高电平，则三极管Q1基极电压小于集电极电压，基极电压大于发射极电压，即U_c>U_b>U_e，三极管Q1导通，LED驱动控制模块42中的LED灯点亮并保持。

2)模拟开关控制模块41中的模拟开关芯片U2开关的接通条件为高电平，当接近开关11与小磁铁9之间的距离小于预先设定的感应距离，模拟开关控制模块41中输入引脚IN3处电压为低电平，因此模拟开关芯片U2中的开关断开，张力传感器2测量的数据无法传输到PC机5上，则张力记录数据恒为0。

3)当打结器1开始动作，齿盘开始转动，接近开关11与小磁铁9之间的距离大于预先设定的感应距离时，同步电路板4中LED驱动控制模块42的第二运算放大器UB反相输入端电压为高电平，则第二运算放大器UB反相输入端电压大于同相输入端电压，第二运算放大器UB输出端的输出电压为低电平，则U_b<U_e，三极管Q1截止，LED驱动控制模块42中的LED灯熄灭并保持。

4)模拟开关芯片U2开关的接通条件为高电平，当接近开关11与小磁铁9之间的距离大于预先设定的感应距离，模拟开关控制模块41中输入引脚IN3处电压为高电平，模拟开关芯片U2的开关闭合，张力传感器2测量的数据传输到PC机5上，正常进行张力分析并记录数据。

5)当打结器1完成一个动作周期，齿盘转完一周，小磁铁9与接近开关11之间的距离再次小于预先设定的感应距离，此时同步电路板4中LED驱动控制模块42的第二运算放大器UB反相输入端电压再次为低电平，则LED驱动控制模块42中的第二运算放大器UB同相输入端电压大于反相输入端电压，第二运算放大器UB输出端的输出电压为高电平，则三极管Q1基极电压小于集电极电压，基极电压大于发射极电压，即U_c>U_b>U_e，三极管Q1导通，LED驱动控制模块42中的LED灯再次点亮并保持。

6)与步骤5)同步，因模拟开关控制模块41中输入引脚IN3处电压再次变为低电平，模拟开关芯片U2开关中的开关再次断开，张力传感器2测量的数据无法传输到PC机5上，张力记录数据再次恒为0。

7)将上述步骤中获取到的张力示数为0首尾数据点之间的张力数据与两台高速摄影机捕捉到的同步电路板4上LED灯亮的首尾图像之间的照片进行一一对应，以此实现打结器动作及捆绳张力变化的同步。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：它包括打结器、张力传感器、捆绳、同步电路板、PC机、一号高速摄影机、二号高速摄影机、高速摄影机可调式底座、小磁铁、磁座和接近开关；

所述打结器位于草捆一侧，位于所述打结器与所述草捆之间安装有所述张力传感器，所述张力传感器将采集到的所述捆绳张力信息经所述同步电路板传输至所述PC机；所述一号高速摄影机设置在所述打结器的观察口附近，通过三脚架固定，经所述打结器的观察口采集打结器以及附着在打结器上的所述捆绳动作变化；所述二号高速摄影机设置在所述打结器后端，靠近传动箱一侧，且所述二号高速摄影机安装在所述高速摄影机可调式底座上，该高速摄影机可调式底座安装在所述打结器靠近打捆机喂料机构一侧；所述一号高速摄影机与所述二号高速摄影机位于所述打结器周边呈90度分布，将采集到的图像信息传输至所述PC机；位于所述打结器齿盘的最高点设置有所述小磁铁；靠近传动箱一侧在所述打结器后端，通过所述磁座安装有所述接近开关，所述小磁铁与所述接近开关之间的距离小于预先设定的感应距离，所述接近开关经所述同步电路板连接所述PC机。

2.如权利要求1所述的一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：所述高速摄影机可调式底座上开设有U形槽。

3.如权利要求1所述的一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：所述小磁铁与所述接近开关之间预先设定的感应距离优选为2mm。

4.如权利要求2所述的一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：所述小磁铁与所述接近开关之间预先设定的感应距离优选为2mm。

5.如权利要求1～4任一项所述的一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：所述同步电路板由锂电池供电，所述同步电路板用于实现同步两台高速摄影机采集所述打结器的运动轨迹图像与所述张力传感器采集所述捆绳张力数据；所述同步电路板输入端与所述锂电池、接近开关、张力传感器的信号输出端连接，所述同步电路板的输出端与所述PC机连接；所述同步电路板内设置有电源管理模块、模拟开关控制模块及LED驱动控制模块，所述电源管理模块用于给所述模拟开关控制模块和LED驱动控制模块供电，所述模拟开关控制模块和LED驱动控制模块用于同时控制光信号与电信号的通、断。

6.如权利要求5所述的一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：所述模拟开关控制模块包括接近开关传感器、模拟开关芯片和第一运算放大器，所述模拟开关芯片开关的接通条件为高电平；所述接近开关传感器用于采集所述接近开关与所述小磁铁之间的距离信息，所述接近开关传感器状态输出端分别连接所述模拟开关芯片的输入引脚IN3和LED驱动控制模块；所述模拟开关芯片的引脚D3连接所述张力传感器信号输出端，所述模拟开关芯片的引脚S3连接所述第一运算放大器的同相输入端，所述第一运算放大器的反相输入端连接所述第一运算放大器的输出端构成电压跟随器，由所述第一运算放大器的输出端将张力信号传输至所述PC机。

7.如权利要求5所述的一种同步检测打结器动作及捆绳张力变化的装置，其特征在于：所述LED驱动控制模块包括第二运算放大器、三极管和LED灯；所述第二运算放大器的反相输入端连接所述接近开关传感器状态输出端和模拟开关芯片的输入引脚IN3，同相输入端连接电源，输出端连接所述三极管基极；所述三极管发射极分别连接至其基极和第二运算放大器同相输入端；所述三极管集电极连接所述LED灯负极，所述LED灯正极连接电源。

8.一种基于如权利要求1～7任一项所述装置的同步检测打结器动作及捆绳张力变化的方法，其包括以下步骤：

1)设置一号高速摄影、二号高速摄影机的帧数均与张力传感器的采集频率一致，使同步电路板中LED驱动控制模块的第二运算放大器反相输入端电压为低电平，则第二运算放大器同相输入端电压大于反相输入端电压，第二运算放大器输出端的输出电压为高电平，则三极管基极电压小于集电极电压，基极电压大于发射极电压，三极管导通，LED驱动控制模块中的LED灯点亮并保持；

2)模拟开关控制模块中的模拟开关芯片开关的接通条件为高电平，当接近开关与小磁铁之间的距离小于预先设定的感应距离，模拟开关控制模块中输入引脚IN3处电压为低电平，因此模拟开关芯片中的开关断开，张力传感器测量的数据无法传输到PC机上，则张力记录数据恒为0；

3)当打结器开始动作，齿盘开始转动，接近开关与小磁铁之间的距离大于预先设定的感应距离时，LED驱动控制模块的第二运算放大器反相输入端电压为高电平，则第二运算放大器反相输入端电压大于同相输入端电压，第二运算放大器输出端的输出电压为低电平，三极管截止，LED驱动控制模块中的LED灯熄灭并保持；

4)模拟开关芯片开关的接通条件为高电平，当接近开关与小磁铁之间的距离大于预先设定的感应距离，模拟开关控制模块中输入引脚IN3处电压为高电平，模拟开关芯片的开关闭合，张力传感器测量的数据传输到PC机上，正常进行张力分析并记录数据；

5)当打结器完成一个动作周期，齿盘转完一周，小磁铁与接近开关之间的距离再次小于预先设定的感应距离，此时LED驱动控制模块的第二运算放大器反相输入端电压再次为低电平，则第二运算放大器同相输入端电压大于反相输入端电压，第二运算放大器输出端的输出电压为高电平，则三极管基极电压小于集电极电压，基极电压大于发射极电压，三极管导通，LED驱动控制模块中的LED灯再次点亮并保持；

6)与步骤5)同步，因模拟开关控制模块中输入引脚IN3处电压再次变为低电平，模拟开关芯片开关中的开关再次断开，张力传感器测量的数据无法传输到PC机上，张力记录数据再次恒为0；

7)将各步骤中获取到的张力示数为0首尾数据点之间的张力数据与两台高速摄影机捕捉到的同步电路板上LED灯亮的首尾图像之间的照片进行一一对应，以此实现打结器动作及捆绳张力变化的同步。