CN108347880A - 种子计数传感器和用于检测种子输送管道的堵塞的方法 - Google Patents

Abstract

用于气动播种机的种子计数传感器(200)包括：壳体(204)内的检测室(210)，所述检测室允许种子经过传感器，并具有沿种子(102)的流动方向延伸的中心轴(211)；多个光源(240)，所述多个光源以彼此相距预设距离地布置在壳体(204)的内部、检测室(210)的外部，所述光源处于基本上垂直于传感器的中心轴延伸的平面(P)中；多个光检测器(250)，所述多个光检测器以彼此相距预设距离地布置在壳体(204)的内部、检测室(210)的外部，所述光检测器处于与光源相同的平面(P)内，其中光检测器的数量等于光源的数量；和信号处理单元(502)，所述信号处理单元用于控制光源(240)的操作和用于处理光检测器(250)产生的电子信号。

Description

种子计数传感器和用于检测种子输送管道的堵塞的方法

本发明涉及一种种子传感器和用于检测种子输送管道的堵塞的方法。

播种机的正常操作由种子控制系统监控。种子控制系统的关键元件包括种子传感器，通过种子传感器可监控种子的分配。本发明主要涉及用于气动谷物播种机(其中种子通过空气输送至土壤)的种子传感器，其中，种子传感器向播种机的操作者提供与播种过程的准确度和播种过程的故障相关的实时信息。

现有技术中，在播种过程中使用多种方案检测种子。最常见的方案是使用所谓的种子检测传感器(种子传感器)。种子传感器放置在种子的流动路径中，因此种子经过种子传感器到达土壤。在种子控制期间，种子传感器具有判定播种机是否正在播种的功能，及确定播种机在指定的时间段内分配了多少种子的功能。种子传感器还具有判定种子输送管道是否堵塞的功能。可应用多种技术方案来提供上述功能。最常见的方案基于光学原理，但也存在利用无线电波(雷达)、微波操作的种子传感器或在声学基础上操作的种子传感器。

大部分光学种子传感器使用光栅原理操作。在这种方案中，光源(发射器)和光检测器(接收器)彼此相对布置。通常，光源为发光二极管(light emitting diode，LED)，而光检测器各自通常为光电晶体管或光电二极管。光栅型种子传感器的操作的关键点在于，在发射器(例如，LED)和接收器之间通过的对象(例如，本例中的种子)在接收器侧产生阴影，接着，该阴影在接收器的信号处理电路中产生信号。

光栅型种子传感器根据光源的控制方式基本上分为两种类型。第一种类型包括这种种子传感器：在该种子传感器内，光源连续操作且随着时间推移具有恒定的光强度。关于该操作(即光源的控制、以及信号处理)，这种方案是更简单的一种，因此这种方案也更常见。另一类包括那些光栅型种子传感器，在该光栅型种子传感器中光源的光强度由周期性信号控制，例如光强度由恒定频率的矩形脉冲调制。在这种情况下，通过检查接收器侧检测到的信号的失真来进行种子的检测。光源的数量和光检测器的数量根据具体的应用位置、种子感应区的形状和尺寸来选择。对于小种子(例如圆白菜、油菜)，经过种子传感器的种子的尺寸甚至可小至1mm，而对于大种子，尺寸甚至可达到20mm(例如蚕豆)。由于当前使用的播种机以两种不同的方式分配种子，因此种子经过种子传感器的流动速率主要取决于播种机的类型。在一种类型的播种机中，种子机械地下降(这些播种机是所谓的种子播种机(seed planter))，其中种子由于重力到达土壤。在这种情况下，种子的流动速率视为是低的。在另一种类型的播种机中，通过空气分配种子(这些播种机是所谓的气动播种机)，在该播种机中，由于强烈的空气流，种子的流动速率相对较高。某些类型的种子以大剂量分配，由此经过种子传感器的种子的数量甚至可达到300种子/秒，例如，在小麦粒播种时。这种情况称为大剂量分配。

鉴于以上特征，根据使用的位置，光学种子传感器可以分为两个主要组，一组包括用于种子播种的种子传感器，另一组包括用于气动播种的种子传感器。

根据现有技术，用于种子播种的种子传感器通常是最先进的设备，因为它们以高精确度检测小尺寸和大尺寸的种子，并提供关于播种过程的准确的信息。在种子播种期间，种子播种机单个地分配种子，因此种子传感器必须检测和计数相继经过种子传感器的种子。用于种子播种的种子传感器适合于实时地控制种子的分配量和分配的种子的空间分布。例如在专利号为8843281的美国专利中公开了这样的种子传感器。在这个方案中，沿着传感器的侧面，光源等间距地布置在检测室的任一侧，且光检测器等间距地布置在检测室的与光源相对的另一侧，其中，调节光源与光检测器之间的距离使得在种子传感器中不会产生死空间。由于接收器侧有大量的光检测器，因此传感器甚至可确定种子的尺寸。在这个方案中使用的不对称的布置有利于消除死空间，但是这对种子传感器的物理尺寸具有不利的影响。此外，通常使用的LED光源不能在它们照射角度的整个范围内提供均匀的光，因此可能在种子传感器的整个检测室内没有均匀的光。在种子传感器内，均匀的光，即光强度的均匀性对于在各种光强度下正确地检测各种尺寸的种子是必须的。

因此种子传感器的精确度取决于该传感器的灵敏度，为了达到最高可能的精确度，建议调整该灵敏度以便适合种子的类型。该目的已由文献WO 2014/035949中描述的种子传感器获得，在该文献中，多个光源(LED)在检测室内提供均匀的光强度。然而，由于从壁上反射的光束，布置在种子传感器的中间和边缘的光源(LED)的强度不均匀，因此沿着边缘布置的那些光源和位于传感器的中间的那些光源使用不同的光强度值。由于这个方案，因此在种子传感器中可产生均匀的光，这允许在种子传感器内任何点处正确地检测经过种子传感器的种子。在这个方案中，光源的光强度是恒定的。种子传感器的灵敏度可通过调节接收器(光伏式传感器)的输出放大来设置。在这种电路中，灵敏度可调节至几个级别。通过布置在接收器侧的光学单元辅助传感器的检测过程，其中通过菲涅耳透镜将发射器(LED)的光束定向为平行的，因此减少了光束之间的干扰并且可更容易地彼此区分同时平行到达的种子，这允许更精确的种子检测。

气动谷物播种机的播种方式基本上与通过种子播种机(其中对种子进行单个播种)进行的种子的均匀分配不同。气动谷物播种机不会单个地、一个接一个地分配种子。其原因之一是，在侵入性较小的植物栽培(例如小麦)的情况下，保持植物之间精确的距离不是很重要，而对于通过种子播种机播种的侵入性植物栽培(例如玉米)而言精确的距离是必须的。这就是气动谷物播种机中的种子以较高的速度和非均匀地移动过种子传感器的原因，因此种子通常彼此相邻、一个遮盖另一个的平行移动通过检测室。

由于上面描述的气动谷物播种的特征，因此这些气动谷物播种机中使用的种子传感器仅可以检测该播种机的种子输送管道的“播种”还是“不播种”状态，而不能计数经过种子传感器的种子的数量。检测“播种”还是“不播种”状态的最常见的方法是，在检测到经过种子输送管道的种子的数量减少到低于最低预期频率值(例如，以每秒种子的数量测量)的情况下，那么种子传感器指示“不播种”状态。除了“不播种”状态之外，已知的种子传感器还能够判定种子输送管道的堵塞，这是由于根据经验，当种子输送管道中每秒钟的种子的预期数量至少减少到其一半值时，很高可能性是由种子输送管道的堵塞造成的。然而，这些种子传感器仅能够在校准程序之后检测种子的预期数量，在校准程序中对由可检测到的种子所产生的信号的数量进行计数，然后确定种子的预期数量。已知的气动谷物播种机的种子传感器的不精确度取决于由该播种机分配的种子的数量，而分配的种子的数量取决于该播种机的速度。以高强度分配时，当种子以相对高的速度经过传感器且种子具有不均匀的空间和时间分布时，已知的种子传感器不能确定种子的准确数量，即这些种子传感器检测到比种子的实际数量少的种子通过，因此在许多情况中，种子输送管道的堵塞的检测可能是错误的。另一个问题是气动播种机的分配也可能逐行变化，在以可变的输出速率播种的情况下，分配的种子的数量也可逐区域变化，因此也应该调整种子的分配速率的最大值以便可检测到堵塞。

本发明的一个目的是消除上述问题并提供一种用于气动播种机的种子传感器，该种子传感器允许更精确的计数经过种子传感器的种子且更可靠地检测种子输送管道的堵塞。

本发明的另一个目的是提供一种方法，通过该方法，可以以比之前更高的可靠性检测种子输送管道的堵塞。

通过提供一种用于气动播种机的种子传感器实现上述目的，所述的传感器包括：

壳体内的检测室，所述检测室允许种子经过传感器，并具有沿种子的流动方向延伸的中心轴；

多个光源，所述多个光源彼此相距预设距离地布置在所述壳体的内部、所述检测室的外部，所述的光源处于基本上垂直于传感器的中心轴而延伸的平面中；

多个光检测器，所述多个光检测器彼此相距预设距离地布置在所述壳体的内部、所述检测室的外部，所述光检测器处于与光源相同的平面内，其中光检测器的数量等于光源的数量；和

信号处理单元，用于控制光源的操作和用于处理光检测器产生的电子信号；

其中，传感器还包括光学掩膜，所述光学掩模分别布置在光源和光检测器的前面并由非透明材料制成，光学掩膜具有通向检测室的多个平行通道，其中，通道的数量至少等于光源或光检测器的数量，其中，通道具有比光源和光检测器的光学透镜(241、251)更小的直径，及其中，光源的光学透镜和光检测器的光学透镜紧密贴合至通道的外端，

其中，光源通过非透明隔离物彼此分隔开；

其中，通道的最小长度被设计为使得基本上由光检测器接收的全部入射光都由布置在所述光检测器正对面的光源发射；和

其中，所述光源和所述光检测器布置在所述平面内以便所述光检测器能够扫描检测室的基本全部横截面。

优选地，光源为LED及光检测器(250)为光电检测器。LED和光电检测器可在红外范围内操作。

优选地，光学掩膜由橡胶或塑料制成。

种子计数传感器还可包括控制电路，该控制电路用于根据所述光检测器检测到的光强度来调节光源的光强度。

还可以通过提供一种检测具有中央处理器的播种机的种子输送管道的堵塞的方法实现上述目的，所述方法包括以下步骤：

提供具有多个根据本发明的种子计数传感器的播种机；

所述方法还包括以下步骤：

在播种期间，通过种子计数传感器连续测量电子的种子信号长度，所述种子信号长度被定义为电子脉冲，所述电子脉冲的宽度与时间段成正比，在该时间段中移动的种子阻碍种子计数传感器的光检测器的入射光；和

以预设的时间间隔执行以下步骤：

a)在每个种子计数传感器内，通过种子计数传感器的信号处理单元确定给定周期的平均种子信号长度；

b)将所述平均种子信号长度从种子计数传感器的信号处理单元转发到播种机的中央处理器；

c)在中央处理器处，确定给定周期内所有种子计数传感器的平均信号长度的中值，从而产生关于给定周期内所有种子计数传感器的共同的参考信号长度；

d)通过将参考信号长度乘以值大于1的灵敏度因子，获得大于参考信号长度的上限信号长度；及

对于每个种子计数传感器，在播种机的中央处理器处执行以下步骤：

判定种子计数传感器是否处于堵塞状态(1004a)，和

如果种子计数器处于堵塞状态，则

如果平均信号长度大于预先存储的上限信号长度，那么维持堵塞状态，且预先存储的上限值将用作给定周期内的上限信号长度；

否则，将种子计数传感器的状态改变至非堵塞状态(1006)，且存储当前确定的上限信号长度及其对应的参考信号长度(1007)；

如果种子计数器处于非堵塞状态，则

如果平均信号长度大于当前获得的上限信号长度，则将种子传感器的状态改变至堵塞状态(1005)；

否则，持续种子传感器的非堵塞状态，且存储当前确定的上限信号长度及其对应的参考信号长度(1007)。

现将参考附图更详细地描述本发明，在附图中

图1为气动谷物播种机和拖动该气动谷物播种机的牵引车的示意性侧视图；

图2以部分侧视图和部分纵向剖视图示出了气动谷物播种机中种子的路径；

图3以俯视图和侧视图示出了气动谷物播种机的分配头；

图4示出了气动谷物播种机的分配头的更多细节；

图5为根据本发明的种子传感器的立体分解图；

图6为根据本发明的、处于完全组装状态的种子传感器的立体图；

图7a为根据本发明的种子传感器的内部设计的侧视剖面图；

图7b为根据本发明的种子传感器的内部布置的前视图；

图7c以俯视剖面图示出了根据本发明的种子传感器的内部布置；

图8a为根据本发明的种子传感器的光学单元的侧视图；

图8b为根据本发明的种子传感器的光学单元的俯视图；

图8c以俯视图示出了根据本发明的种子传感器的、沿图8a的平面A:A的光学单元；

图8d为根据本发明的种子传感器的光学单元的立体分解图；

图9以侧面剖视图示出了根据本发明的种子传感器的光学单元中使用的光学掩膜的设计、及光的色散；

图10以俯视图和侧视图分别示出了使用及不使用根据本发明的种子传感器的光学掩膜时的光色散；

图11以透视图示出了使用及不使用根据本发明的种子传感器的光学掩膜时的光色散；

图12以俯视图和侧视图示出了使用及不使用根据本发明的种子传感器的光学掩膜时，由种子投射的阴影；

图13为根据本发明的种子传感器中使用的接收器的电路图；

图14为根据本发明的种子传感器的光学接收器的功能框图；

图15示出了表示由根据本发明的种子传感器产生的示例性信号及其采样的时间示意图；

图16至图19示出了表示在不同检测情况下，由根据本发明的种子传感器产生的示例性信号及其取样的时间示意图；

图20为示出了初始化根据本发明的方法的主要步骤的流程图；

图21为示出了根据本发明的方法中检测种子输送管道的堵塞的主要步骤的流程图；

图22为示出了根据本发明的方法中检查种子输送管道的堵塞的示意图；

图23为根据本发明的种子传感器中使用的灵敏度调节系统的示意性概念框图；

图24示出了根据本发明的种子传感器中使用的灵敏度调节系统的实施例的连接布置；和

图25为示出了根据本发明的种子传感器中使用的灵敏度调节系统的操作的主要步骤的流程图。

图1至4中，以不同的视图示意性地示出了气动播种机100及其部件。气动播种机100由适当的牵引工具牵引，该牵引工具例如为牵引车111。牵引车111上安装有气动播种机100的播种控制和监控单元130，其中所述单元130连接至GPS定位装置131，GPS定位装置131对于空间控制分配期望数量种子是必须的。通常，气动播种机100没有自己的电力供应和液压驱动，因此那些单元通过电气和液压线路109连接至牵引车111。气动播种机100具有至少一个种子容器101。通过供给系统将种子102从所述容器101输送到连接至通风器104的空气管道105，其中种子从所述空气管道105穿过至少一个中心管道121输送到至少一个分配头120。负责输送种子102的均匀空气流由通风器104提供。在气动播种机100的种子输送管道中，种子的均匀分配由分配头120提供，该分配头的输出端122连接至种子输送管道123。这些种子输送管道123将种子102输送至种子输送管道末端处的犁刀106。邻近犁刀106布置有多个犁沟盘107，这些犁沟盘用于在已经由土地配备盘110配备的土壤中形成种子犁沟。犁刀106用于将种子102放入土壤的种子犁沟中。通常，分配系统103由播种控制和监控单元130电力控制，播种控制和监控单元130与速度成比例地或者根据GPS定位装置131控制待分配种子的数量。

种子计数传感器200插入种子输送管道123中、邻近分配头120。通过使用适合于种子计数的种子传感器200，在播种期间可以以行(row)为基础计数分配的种子102的数量。将种子传感器200容纳在气动播种机100中是常见的做法，这是因为传感器在那些地方受到最小程度的物理损伤。在气动播种机100的种子输送管道123中，当发生高剂量分配时，种子102彼此相邻移动，在大部分情况下彼此接触。

图5至图8以不同的视图、以种子传感器的优选实施例示出了根据本发明的种子传感器及其各部件。种子传感器200包括允许种子穿过的检测室210，所述检测室210具有基本上沿与种子的流动方向相同的方向延伸的中心轴211。在壳体204的内部但在检测室210的外部，在基本上垂直于检测室210中心轴211延伸的平面P中布置有多个光源240。这些光源240以彼此相距预设距离、等距离地布置。同样在壳体204的内部但在检测室210的外部、光源240的对面，在与光源240相同的平面P内布置有多个光检测器250。这些光检测器也是以彼此相距预设距离、等距离地布置。光检测器250的数量等于光源240的数量。种子传感器200还包括信号处理单元502(图7b)，该信号处理单元用于控制光源240的操作并用于处理光检测器250的信号。光源240和光检测器250布置在该共同的平面P中以便它们能够扫描所述检测室210的基本全部横截面，所述横截面基本上垂直于种子的流动方向。

根据本发明的种子计数传感器200的新特征在于，通过光学掩膜230减小光源240的光束263的入射角和光检测器的扫描角，从而减少了光检测器250之间的干扰，该干扰对于彼此平行且相邻移动的种子102的检测具有不利的影响。光学掩膜230为分别布置在光源240和光检测器250前面且包含平行通道231的非透明单元。通道231的通向检测室的直径分别小于光源240的布置在通道231前面的光学透镜241的直径和光检测器250的布置在通道231前面的光学透镜251的直径。光学透镜241和251嵌入在光学掩膜230中并紧密地贴合至通道231的外端。形成于光学掩膜230中的通道231的数量对于光源240和光检测器250是相同的，其限制在于，光学掩膜230的内部，通道231由隔离物隔开，该隔离物由对光源241的光不透明的材料制成。隔离物优选地由黑色材料制成。所述通道231的最小长度被设计为使得基本上由光检测器250接收的全部数量的入射光均由布置在与其正对的光源240发射。

在根据本发明的种子传感器20中，相邻的光源240和相邻的光检测器250以彼此相距预定距离布置，使得检测室210相对于种子检测基本上没有盲区。

如图7a所示，种子传感器200的、包括接收器电路501、照明控制电路301、电源304和信号处理单元502的必要电子模块全部布置在塑料壳体204中，在户外使用时，该塑料壳体保护电子部件不受水、灰尘以及阳光的影响。壳体204中存在用于光学部件的保持元件205，所述保持元件205是限定检测区域的塑料件。该保持元件205保持检测所需的光学部件，这些光学部件包括光源240、光检测器250和光学掩膜230，该保持元件还保持用于保护上述部件的窗口220，所述窗口220优选地由透明材料制成。为了将种子传感器附接至相关联的种子输送管道123，保持元件205上形成有凸轮，该凸轮与形成在管道适配器202上的可释放凹痕206接合，管道适配器202可在种子传感器200的上游端和下游端插入到种子传感器200中。由于管道适配器202，种子传感器变脏时可容易地被清洗，而管道适配器202的可替换性也允许将种子传感器连接至不同尺寸的种子输送管道123。管道适配器202和保持元件205之间的气密性连接由密封环203提供，该密封环203防止压缩空气从种子传感器200的内部逆行。种子传感器200优选地设置有用于故障指示的状态指示LED 207，根据该状态指示LED 207，使用者可以在现场检查种子传感器的正常操作。例如，状态指示LED 207可告警种子传感器200的灰尘故障。

图9至图11以不同的视图示出了当使用光学掩膜230时和当不使用光学掩膜时根据本发明的种子传感器中的光的色散。为了简单起见，图10和图11中仅示出了一个光源240和三个光检测器250。这些附图清楚地示出了光束260，该光束从光源240的光学透镜241通过光学掩膜230出射并由布置为与光源240正对的光检测器250a及其相邻的光检测器250b、250c检测(图10)。图10还示出了在使用光学掩膜230的情况下，光检测器255a至255c的检测区域265比不使用光学掩膜时产生的检测区域264窄。由于较窄的265，基本上减少了相邻光检测器250a-250c之间的干扰且实际上消除了该干扰。

在操作期间，光学掩膜230允许减少壳体204内彼此相对布置的光源240和光检测器250之间的干扰，这是因为由于通道231的有限空间，该通道231不允许由光源240的光学透镜241出射的光束263的一部分穿过光学掩膜230，而光束263的进入通道231的部分从通道231的内壁反射，在反射之后这些光束的强度下降，因此与布置在特定光源240的正对面的光检测器相邻的光检测器接收到可忽略的光量。这意味着仅光束260(即最初发射的光束263的、由光学掩膜230变窄的部分)到达光检测器250。此外，由于通道230也为光检测器250提供了较窄的视线角(所谓的“隧道视觉”)，因此光学掩膜230还减少了光检测器250的视线角。

图12所示的实施例清楚地说明了根据本发明的种子传感器的操作，其中示出了靠近多个光源240中的一个光源移动的种子和靠近多个光检测器254中的一个光检测器移动的种子280。在光源240前移动的种子270的阴影272基本上仅投射至光检测器252，而在光检测器254前移动的种子280的阴影282基本上仅投射至光检测器254。光检测器253的视野内几乎不产生阴影。阴影的数量为2，种子的数量为2，因此种子的数量可从阴影的数量准确地确定。

与之不同，如果在没有使用光学掩膜233时检查相同的情况，那么根据经验，在光源240前移动的种子270的阴影271投射至种子270正对面的光检测器255以及相邻的光检测器256，并部分地投射至另外的光检测器257。然而，在检测器257前移动的种子280的阴影281仅投射至光检测器257，这意味着共同的阴影投射至三个光检测器255-257。在这种情况下，阴影的数量为1，种子的数量为2，因此从单个宽的阴影不能准确地确定种子的数量。

如图12所示，如果没有使用光学掩膜230，那么在一个种子280以小的距离跟随另一个种子270的情况下，则第一个行进的种子270的阴影将会在三个光检测器255-257的每一个中产生信号，下一个种子280在进入光检测器255-257前的评估区域264时不会产生另外的信号，因此两个种子270、280的阴影将不会分开，这意味着不能从阴影的数量明确地确定种子的数量。然而，通过在根据本发明的种子传感器200中使用光学掩膜230，如果一个种子280和另一个种子270之间具有小距离而到达时，第一个到达的种子270在其离开有限的规定区域265之后，不会在光检测器250上产生阴影，因此随后到达的下一个种子280将在光检测器250中产生新的信号，因此两个种子的阴影将会彼此分开，从而由阴影的数量可准确地确定通过种子传感器200的种子的数量。根据本发明，对于接收器电路501，由一个接一个平行移动且它们之间间隔小间距的种子产生的这些信号可以以更确定的方式彼此分开。

图13中示出了根据本发明的种子传感器中使用的接收器电路的优选实施例的示例性电路连接图，且图14中示出了根据本发明的种子传感器的光学接收器的功能框图。接收器电路501通过多条输入通道连接至信号处理单元502，其中，用于确定种子数量的信号处理逻辑算法通过在信号处理单元503(例如微控制器)中运行的软件来应用。

在操作期间，接收器电路501用于将光检测器251所检测到的光信号500转换为模拟电信号，所述光信号对应于作为种子的阴影(例如图12中所示的种子270和280的阴影)的结果的光强度变化，然后放大电信号并将其并转化为数字信号503。光流到电信号的转换由光电晶体管PT1执行，该光电晶体管输出与入射光的强度成比例的电流强度。光电晶体管PT1的电流强度通常在μA范围内。与光电晶体管PT1串联连接的电阻器R6将模拟电流信号转换为模拟电压信号，并进一步将该信号放大至mV范围。时间图500描述了当种子通过种子传感器时，电阻器R6上测量的电压U1的变化。从该图中可以看出，由于种子的遮蔽效应，由工作点处的光电流获得的工作点处的电压水平暂时下降。通过电容器C2，模拟信号U1通过交流耦合连接至数字电路的输入。这种方案的意义在于触发电平与工作点处的电压U1无关。通过控制晶体管T1的基极电压，即使几mV的电压降也可引起接收器电路501的数字输出端处的触发。因此可以实现基本上灵敏的种子检测，这甚至允许检测高速移动的非常小的种子。在如图8b中所示的根据本发明的种子传感器的实施例中，种子传感器200包括六对光源和光检测器，其中六个光检测器(如光电晶体管)中的每个的信号具有其专用的接收器电路501。因此，种子传感器200的整个检测区域被划分为6个基本分开的检测区域。对于信号处理单元502，光检测器250(如光电晶体管)中的每个通过其自己的接收器电路501，在由SIGn(n＝1、2、3…)表示的数字输入通道503上提供数字信号。形成接收器电路501的输出端的数字输入通道连接至信号处理单元502(例如，微控制器)的边缘控制中断输入504，其中所述输入504在信号处理单元502的各自电路中，对于前缘和后缘这两者都产生中断。这种方案的优点是不需要对输入进行连续轮询，而是可立即检测到任何一个输入的逻辑状态的变化，且输入的状态或者其状态的变化可保存到数据存储设备中。

现在将描述根据本发明的检测种子输送管道的堵塞的方法。根据本发明的方法可应用于同时使用这些种子传感器、且种子传感器包括多个光源和多个光检测器的那些种子系统中，这些光检测器以这种方式布置在光源的对面：每个光检测器基本上仅检测布置在其正对面的一个光源的光。在这些传感器中检测室没有死区。此外，专用的种子传感器与每个种子输送管道相关联。如上所详细描述的，根据本发明的种子传感器允许精确确定种子的数量，这是本发明的方法的正确操作的关键点。

现在将参考图15说明根据本发明的信号处理方法的概念，在图15中描述了彼此相继移动通过种子传感器200的种子产生的示例性数字信号610的时间图。在定义为初始状态的时间点t₀，任何数字输入端503上都没有信号。从图15可看出，信号603(即前缘或者后缘)的每个变化在信号处理单元502处产生中断，随后进行取样操作。还可在取样时间602识别数字输入通道503的实际状态(0或1)。处理到达信号处理单元502的输入的数字信号SIG1-SIG6的第一步骤是将信号流时间划分为更短的部分，即块601。对于一个块601，这些信号变化603优选地以逻辑关系彼此相关联。这种关联的明显方案是，块601的开始和结束由所有数字输入通道503的非激活状态600(图15中的逻辑0)限定。图15中所示的信号流可以分为两个块601，第一个块601包括时间段[t₁，t₄]内的所有信号变化603，而第二个块601包括时间段[t₅，t₁₀]内的信号变化603。这两个块601由时间段[t₄，t₅]所限定的非激活时间间隔600来分隔。如此处使用的数字信号，数字输入通道503的信号的信息内容一方面由信号变化603(前缘或后缘)之后的新状态来提供，另一方面由信号变化603的时间来提供。因此，信号处理单元502所存储的数据包括数字输入通道503的逻辑状态和信号变化603的相对时间戳，该逻辑状态由比特组成的二进制数表示。由于对于每个块601执行信号处理，因此存储前缘和后缘(即信号变化603)相对于给定块601开始的时间点，以便更容易地计算及节省内存。在根据本发明的信号处理中，当种子一个接一个移动通过种子传感器时，即当种子中的一个在另一个种子到达光束260前已经通过该光束260时(见图12)，这些种子产生的信号变化及时被分离，且在这种情况下可容易地识别不同的种子。

如上所述，数字输入通道503上出现的信号形状可能重叠。由于即使存在掩膜，通过光源240的光学掩膜230出射的光束260也不完全彼此平行，因此在大多数情况下可以忽略的数字输入通道503之间的轻微干扰是不可避免的，即给定的光源240不仅照射与其正对的光检测器250，而且在一定程度上还照射与其相邻的光检测器。注意的是，即使属于多个光检测器250输出端(与数字输入通道503相关联)的检测空间体积是完全不相交的(即完全没有干扰)，即使对于特定形状的种子(特定尺寸的种子)，仅从出现在各自数字输入通道503上的信号变化603的数量也不能确定同时移动通过传感器的种子的数量。根据本发明的逻辑信号处理的目的是，以块为基础检查通道的信号波，其中为了确定在同一时间停留在给定光束的照射区域内的种子的数量，以下基本情况可被区分：

a)第一种情况是基于信号波，块601进一步分为两个或更多个区域(空间分离)。分开的区域(或片段)代表不同的种子。如果需要，这些区域可独立于其他区域而被进一步检测。图16示出了一个块601如何被划分为两个区域的示例，其中由于第三个通道611的非激活状态600，因此可执行两个区域621的空间分离。

b)第二种情况基于，种子可视为具有良好近似的凸体。在实际情况下，当随着时间检查数字输入通道503的信号(根据数字输入通道503的物理信号)时，可以识别信号的显著减少以及显著上升。如图18的示例所示，在从与通道615相邻的通道611开始的通道中以及从通道616开始的通道中，相对于通道615的信号长度，可以在区域623中观察到信号长度的增加。由于种子的凸体不能在所有情况下均严格满足，因此针对信号长度的减小程度及随后的增加程度指定阈值。

c)第三种情况中，相对于不同种子产生的信号长度，种子到达光束260时之间存在可观的时间差。因此，实际上，属于不同种子的通道信号的重叠和不同信号之间的偏移可基于正讨论的信号的重叠率，更容易检查。图17中清楚地示出了这种情况，其中，例如将阈值设置为50％，对于低于这个阈值的重叠率，根据两个独自的通道之间的区域622中检测到的重叠613，块601内的信号可视为由不同的种子产生。

d)第四种情况中，通道601上每个块中的信号变化也带有有用的信息。图19示出了该第四种情况的示例，其中两个种子一个接一个地实际接触地移动，这反映在通道624的连续信号中。与之不同，在通道617和618上信号下降了一段时间，然后再次出现。通过信号变化的次数可推断出，至少两个种子在块601内产生了信号。

根据本发明的方法的目的是在短时间内指示图1中示出的气动播种机100的任何种子输送管道123的堵塞。堵塞通常发生在种子输送管道的末端处犁刀106中，这是因为在那个位置，土壤碎片或其他杂物可能进入犁刀，然后可能限制(部分堵塞)或甚至全部关闭(全部堵塞)空气和种子102的路径。在种子输送管道123部分或全部堵塞的情况下，可以观察到空气速度显著降低以及种子数量的普遍轻微减少，因此不同于传统的方法，根据本发明的方法检测空气的流动速率的降低而不是种子的预期数量的减少，并基于此信息判定堵塞。判定堵塞的方法基于，由种子传感器200中的通风器104提供的均匀的空气流中，种子的速度可视为是恒定的，所述速度由信号处理单元502确定。种子的信号长度被定义为电脉冲的宽度，该电脉冲的宽度与移动的种子阻碍光检测器的入射光的时间段成正比。信号处理单元502根据光检测器的输出信号计算种子移动通过种子传感器的时间段。然后，种子传感器200的输出被转发至播种机的中央处理器140并由其处理。电子处理单元140通过通信电缆201连接至种子传感器200，种子传感器200优选串联连接。中央处理器140优选地沿着中心管道121布置在分配头120的下面，这是由于出于实际原因，种子传感器200的通信电缆201可在该位置高安全性地被引导。根据本发明的方法中，为了识别空气流速的下降(在堵塞情况中是常见的现象)，必须检查信号处理单元502所测量的信号长度的减少。重要的是要注意，操作的关键点在于，分析的信号长度通常是从由单个地通过种子传感器200的非重叠种子产生的信号获得的，因为这种取样对堵塞判定的灵敏度具有重要的影响。因此可以根据一个种子的平均信号长度(称为种子信号长度)的变化确定堵塞的事实，这是因为种子信号长度以相对于空气流速的较高程度的减少成反比的方式变化。种子信号长度的相当显著的变化允许确切识别堵塞，该识别对气动播种机100分配的种子的变化数量不敏感。由于发生堵塞之后，种子信号长度立即开始上升，因此这种方法具有进一步的优点：在非常短的时间内(即使几秒内)可确认障碍物的形成和消除。由于播种机已经自适应了基于种子信号长度的变化的堵塞识别，因此其能够连续地将自身适应于高度可变的分配速率或者甚至由GPS定位装置131控制的区域相关的可变分配速率。因此，在播种过程开始时，设置一次堵塞识别的灵敏度就足够了。安装在每个分配头上的至少一个电子控制单元140从种子传感器收集数据，从而允许计算并分析属于给定分配头120的全部数据。

自适应堵塞检测基于，自适应参考信号长度与每个种子传感器200相关联，如果任何种子输送管道都没有堵塞，所述自适应参考信号长度总是接近于实际的平均信号长度，否则(即在检测堵塞时)参考信号长度的值保持不变。为了调节自适应堵塞检测的灵敏度，使用大于1的乘数因子。例如，如果仅在严重偏离参考信号长度时指示堵塞，则应当相应地增加灵敏度因子的值。重要的是在播种开始时，即当种子开始流动时，应当适当地设置初始参考信号长度值，否则堵塞的检测将无法按所需的可靠性而工作。

图20中示出了确定初始参考信号长度的步骤。在启动播种过程之后，在步骤1001中，为属于相同分配头的每个种子传感器确定平均初始信号长度，然后在步骤1002中，为每个种子传感器确定存储的平均初始信号长度的中值。然后使用该中值作为每个种子传感器的总体参考信号长度。在步骤1003中，通过将总体参考信号长度乘以具有大于1的值的灵敏度因子，获得属于相同分配头的种子传感器的平均信号长度的上限。对于属于相同分配头的每个种子传感器，执行步骤1001-步骤1003。

当初始参考信号长度对于每个种子传感器都可用时，以预定的时间间隔△T重复地执行图21中示出的步骤，该预定的时间间隔限定随后的测量周期。在这个过程中，在轮询每个种子传感器的步骤(即检索它们的平均信号长度；步骤1001)、确定共同的参考信号长度的步骤(步骤1002)以及获得信号长度上限的步骤(步骤1003)之后，针对每个种子传感器各自执行进一步的步骤。

在步骤1004a中，检查与给定种子传感器相关联的种子输送管道是否处于堵塞状态，如果处于堵塞状态，则在步骤1004b中判定特定种子传感器的平均信号长度是否超过存储的上限。如果种子传感器的平均信号长度超过了存储的为分配头确定的上限，则在步骤1005中将仍然指示堵塞(即保持种子传感器的堵塞状态)，否则在步骤1006中指示不再存在堵塞，及步骤1007中存储当前确定的参考信号长度和对应的上限值。

如果在步骤1004a中确定属于种子传感器的种子输送管道没有堵塞，则在步骤1004c中判定给定种子传感器的平均信号长度是否超过了当前计算的上限值。如果种子传感器的平均信号长度超过了当前计算的为分配头确定的上限，则在步骤1005中，将指示堵塞(且种子传感器的状态改变为堵塞状态)，否则在步骤1006中，指示仍然没有堵塞(且保持种子传感器的非堵塞状态)，及在步骤1007中，存储当前计算的参考信号长度及其对应的上限值。

由于在步骤1007中存储了当前计算的参考信号长度(即通过重写先前周期中确定的参考信号长度)，因此参考信号长度的值自适应地近似于每个种子传感器在每个测量周期中测量的平均信号长度。然而，在检测到堵塞的情况下，实际上确定的共同的参考信号长度及其对应的上限值没有存储，因此在下个测量周期中，先前存储的上限值将会用于种子传感器的平均信号长度与上限值的比较。因此保证了属于给定种子传感器的种子输送管道的堵塞的情况下，给定种子传感器的显著增加的信号长度不会使属于分配头的所有种子传感器的共同(中值)参考信号长度失真。

以下参考图22描述了根据本发明的方法的使用。该附图中所示的示例性示意图示出了在某些测量周期，与给定种子传感器相关联的不同信号长度。在示意图中，水平轴表示时间(t)，及垂直轴表示信号长度1009。通过曲线1011描述参考信号长度，通过曲线1010描述上限信号长度，以及通过曲线1012描述特定的种子传感器的(测量的)平均长度。

示意图中可以看出在时刻T1形成堵塞，这是因为表示平均信号长度的曲线1012与曲线1010交叉，这意味着平均信号长度超过由实际参考信号长度与灵敏度因子相乘限定的上限值。堵塞保持，直至曲线1012返回低于表示由参考信号长度与灵敏度因子相乘限定的上限信号长度的曲线1010时的时刻T2。图22还清楚地示出了当没有堵塞时(即在时刻T1之前和时刻T2之后)，参考信号长度(即曲线1011的点)自适应地近似于给定传感器的平均信号长度(即曲线1012的点)，而在T1到T2之间的堵塞周期内，参考信号长度(由曲线1011表示)和各自的上限信号长度(由曲线1010表示)都保持不变。

为了使根据本发明的种子传感器在使用期间连续且正确地操作，连续地补偿种子传感器的逐渐衰减的光学性质是必要的，逐渐衰减的光学性质是由堆积在用来保护种子传感器的光源和光检测器的窗口上的灰尘和造粒剂造成的。为此，一种可行的方案是根据给定的情况，自动调节种子传感器的灵敏度，且在过多的灰尘故障的情况下提供警告信号来指示清洁的必要性。如图23和图24所示，根据本发明的种子传感器中，低通滤波器702连接至信号处理单元502的PWM输出端701，该低通滤波器的输出端连接到用于控制光源240的驱动电路704。检测光源240的光线的光检测器250(光电晶体管)的输出电流通过反馈706反馈回连接至分压器705的信号处理单元502模拟-数字转换器(ADC)的输入端。

上述电路在使用期间用于增加光源240的光强度，以便补偿降低的灵敏度。这种类型的自适应光强度调节可主要应用于光学型的连续发光种子传感器，从而适合补偿任何由种子传感器的灰尘故障导致的灵敏度的降低。这种调节的目的是为了保持光检测器(例如本情况中的光电晶体管)的亮度，即通过光学接收器检测的处于期望水平的光强度。当光电晶体管的输出电流是入射光强度的函数时，控制变量(以及反馈信号706本身)是要保持在稳定工作点的光电晶体管的电流。通过信号处理单元502中运行的计算机程序，执行种子传感器的灵敏度的补偿。如图24所示，通过信号处理单元502产生的命令信号是具有恒定频率的脉冲宽度调制(PWM)信号701，该信号允许通过调整占空因数来在宽范围内以小步幅来修改光强度。接下来，通过低通滤波器702从PWM信号产生DC控制信号709，其中DC控制信号的值与PWM信号701的占空因数成比例。该控制信号通过恒定增益的放大器级703转换为对应于下一级的信号范围，在本情况中该下一级直接驱动光源(LED)。为了简单起见，图24中所示的电路仅包括一个LED和一个光电晶体管。通过信号处理单元502产生的PWM信号701通过两级无源RC滤波器(即低通滤波器702)过滤，该低通滤波器的截止频率比PWM信号701的基频低，因此在低通滤波器702的输出端使用的模拟DC控制信号709被连接至非反向放大器级703的输入端U₁、R₃、R₄，除了放大之外，该非反向放大器级还驱动驱动电路704的输入。驱动电路704的输入电压和晶体管的基极电阻R₅+R₆限定了晶体管的集电极的电流以及与其串联连接的光源D1的电流。用于光强度调节的信号处理单元502通过A/D转换器(ADC)测量与光电晶体管串联连接的电阻器R₁₀上的电压，其中测量的电压与光电晶体管的电流成比例，因此，也与入射光的强度成比例。

图25中示出了通过信号处理单元502执行的灵敏度补偿的主要步骤。灵敏度补偿优选在播种机在地面末端的翻转过程中进行。因此由布置在种子传感器中的窗口的灰尘故障引起的灵敏度的降低可以在两次运行之间的播种期间基本上得到补偿。因此，如果对于给定的时间段，控制单元没有检测到种子，则控制单元在步骤1100中开始调整周期。如果是这种情况，则在步骤1101中，信号处理单元502测量光电晶体管的工作点电流，然后在步骤1102中，信号处理单元检查电流值是否在预期的范围内。如果是，则无需修改光强度且调整周期结束。然而，如果在步骤1103中确定光电晶体管的电流超出预期的范围，则在步骤1104和步骤1105中分别朝正方向或负方向修改光强度。在调整光强度之后，在步骤1106中，光强度的调整与光电晶体管的工作点电流的下次测量之间存在预设的保持期。该保持期允许下次测量提供稳定的电流强度值。此外，在步骤1107中，信号处理单元502在每个周期中监控现阶段传感器中种子的流动是否已经开始，且当重新播种时立即暂停光强度的调整。由于基于软件的光强度的调整，因此种子传感器能够判定种子传感器是否具有灰尘故障。这由以下方式确定：如果即使在最大光强度处，光电晶体管也不能检测到合适的弱电流，那么这意味着不能再调整，这意味着很高可能性存在过多的灰尘故障。这种情况优选地通过切换LED灯状态来指示。

Claims (6)

1.一种种子计数传感器，用于气动播种机，所述种子传感器包括：

位于壳体(204)内的检测室(210)，所述检测室允许种子经过所述传感器，并具有沿所述种子(102)的流动方向延伸的中心轴(211)；

多个光源(240)，所述多个光源彼此相距预设距离地布置在所述壳体(204)的内部、所述检测室(210)的外部，所述光源处于平面(P)中，所述平面基本上垂直于所述传感器的中心轴而延伸；

多个光检测器(250)，所述多个光检测器彼此相距预设距离地布置在所述壳体(204)的内部、所述检测室(210)的外部，所述光检测器处于与所述光源相同的平面(P)内，其中所述光检测器的数量等于所述光源的数量；和

信号处理单元(502)，用于控制所述光源(240)的操作和用于处理所述光检测器(250)产生的电子信号；

其中，所述种子传感器还包括光学掩膜(230)，所述光学掩膜分别布置在所述光源(240)和所述光检测器(250)的前面，并由非透明材料制成，所述光学掩膜具有通向所述检测室(210)的多个平行通道(231)，其中，所述通道的数量至少等于所述光源或所述光检测器的数量，其中，所述通道具有比所述光源和所述光检测器的光学透镜(241、251)更小的直径，及其中，所述光源的光学透镜和所述光检测器的光学透镜紧密地贴合至所述通道的外端，

其中，所述光源(240)通过非透明隔离物彼此分隔开；

其中，所述通道(231)的最小长度被设计为使得基本上由所述光检测器(250)接收的全部入射光都由布置在所述光检测器正对面的所述光源(240)发射；和

其中，所述光源和所述光检测器布置在所述平面(P)内以便所述光检测器能够扫描所述检测室(210)的基本全部横截面。

2.根据权利要求1所述的种子计数传感器，其中，所述光源(240)为LED及所述光检测器(250)为光电检测器。

3.根据权利要求2所述的种子计数传感器，其中，所述LED和所述光电检测器在红外范围内操作。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的种子计数传感器，其中，所述光学掩膜(230)由橡胶或塑料制成。

5.根据权利要求1-4任一项所述的种子计数传感器，其中，所述种子计数传感器还包括控制电路，所述控制电路用于根据所述光检测器(250)检测到的光强度，调节所述光源(240)的光强度。

6.一种检测播种机的种子输送管道的堵塞的方法，所述播种机具有中央处理器，所述方法包括以下步骤：

提供具有多个根据权利要求1-5中任一项所述的种子计数传感器的播种机；

所述方法还包括以下步骤：

在播种期间，通过所述种子计数传感器连续测量电子的种子信号长度，所述种子信号长度被定义为电子脉冲，所述电子脉冲的宽度与时间段成比例，在所述时间段中移动的种子阻挡种子计数传感器的光检测器的入射光；

和

以预设的时间间隔执行以下步骤：

a)在每个种子计数传感器内，通过所述种子计数传感器的信号处理单元确定(1001)给定周期的平均种子信号长度；

b)将所述平均种子信号长度从所述种子计数传感器的信号处理单元转发到所述播种机的中央处理器；

c)在所述中央处理器处，确定(1002)所述给定周期内所有所述种子计数传感器的平均信号长度的中值，从而产生关于所述给定周期的、所有种子计数传感器的共同的参考信号长度；

d)通过将所述参考信号长度乘以值大于1的灵敏度因子，获得(1003)大于所述参考信号长度的上限信号长度；及

对于每个种子计数传感器，在所述播种机的中央处理器处执行以下步骤：

判定所述种子计数传感器是否处于堵塞状态(1004a)，和

如果所述种子计数器处于堵塞状态，则

如果所述平均信号长度大于预先存储的上限信号长度(1004b)，那么维持所述堵塞状态，且预先存储的上限值将用作给定周期内的上限信号长度(1005)；

否则，将所述种子计数传感器的状态改变至非堵塞状态(1006)，且存储当前确定的上限信号长度及其对应的参考信号长度(1007)；

如果种子计数器处于非堵塞状态，则

如果所述平均信号长度大于当前获得的上限信号长度(1004c)，则将所述种子传感器的状态改变至堵塞状态(1005)；

否则，维持所述种子传感器的非堵塞状态(1006)，且存储当前确定的上限信号长度及其对应的参考信号长度(1007)。