CN108489657A - 拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，包括横梁、两根纵梁、三分力传感器，横梁和两根纵梁连接组成∏型框架，横梁的中部和两根纵梁的底部均设有三分力传感器，三分力传感器的前后侧分别设有联接件，前侧联接件用于连接拖拉机，后侧联接件用于连接农机具；三分力传感器能够测量X、Y、Z三个直角坐标轴方向的受力大小，三个三分力传感器排列构成测量阵列；第一角度传感器和第二角度传感器分别用于测量传感装置和拖拉机的俯仰角、横滚角、方位角，以将测量结果从传感装置坐标系转换到拖拉机坐标系。本发明可以同时测试三个悬挂点处三个方向上的分力，从而实现农机具牵引力、提升力、横向力及力矩的测试。

Description

拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及农业机械技术领域，具体涉及一种拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置。

背景技术

现有的牵引力常用方法有车拉车法(或拖带法)，即由后置拖拉机悬挂农机具，由前置拖拉机牵引后置机组，标准拉力传感器位于两台拖拉机之间，缺陷在于测试结果包含后置拖拉机自身行驶滚动阻力，只能得到近似结果，滚动阻力需另外单独测试。且只能测试牵引力。

测力销法，将联接拖拉机和机具的三个悬挂销替换为力传感器，力传感器大都为单向载荷传感器，只能根据传感器的安装方位测试已知方向上的载荷。缺点是随着三点悬挂机构的升降(作业深度调整)，无法分辨所受载荷方向，可以测试牵引力和提升力。

五杆测力法(杆件替换法)，将悬挂装置上下拉杆、提升杆替换为力传感器，测量过程中需测定杆件的角度和瞬态位置，用解析法计算出牵引力的数值。只适用于高度调节方式(机具处于浮动状态)，即简化为理想的二力杆受力状态，实际情况并不能保证。

八角环传感器测力框架，由上下两层子框架组成，使用二个延伸八角环作为测力传感元件，要求框架平面与地面垂直，实际使用中只能近似垂直，无法严格保证，可以测试牵引阻力、垂直力及弯矩。

发明内容

发明目的：本发明目的在于针对现有技术的不足，提供一种拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置及其工作方法，可以同时测试三个悬挂点处三个方向上的分力，从而实现农机具牵引力、提升力、横向力及力矩的测试。

技术方案：本发明所述拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，连接在拖拉机和农机具之间；包括横梁、两根纵梁、三分力传感器、第一角度传感器和第二角度传感器，横梁和两根纵梁连接组成∏型框架，横梁的中部和两根纵梁的底部均设有三分力传感器，三分力传感器的前后侧分别设有联接件，前侧联接件用于连接拖拉机，后侧联接件用于连接农机具；所述三分力传感器能够测量X、Y、Z三个直角坐标轴方向的受力大小，三个三分力传感器排列构成测量阵列；所述第一角度传感器用于测量传感装置的俯仰角、横滚角、方位角，所述第二角度传感器用于测量拖拉机的俯仰角、横滚角、方位角，利用传感装置与拖拉机之间的角度差实现三分力传感器测量结果从传感装置坐标系至拖拉机坐标系的转换。

进一步完善上述技术方案，所述第一角度传感器安装在所述横梁上或纵梁上或集成在任一个三分力传感器上，所述第二角度传感器安装在拖拉机上。

优选的，将第一角度传感器安装在横梁中部基准平面，将第二角度传感器安装在拖拉机基准平面，用来测量农机具相对于拖拉机的俯仰角、横滚角、方位角。

进一步地，所述横梁两端设有横向调节槽，纵梁顶部设有竖向调节槽，两根纵梁的竖向调节槽部位分别通过连接件与横梁的横向调节槽部位固定，通过改变连接件与竖向调节槽、横向调节槽的固定点调整纵梁与横梁的相对位置。纵梁可以在横梁上上下左右调整位置，以适应拖拉机及机具不同尺寸的悬挂装置。

进一步地，所述横梁、纵梁采用钢材质。

进一步地，所述三分力传感器采用三组应变电桥，X、Y、Z三个直角坐标轴方向分别对应水平方向的横向力、垂直方向的提升力或农机具的自重力、水平方向的牵引力。

进一步地，所述三分力传感器采用桥式垂直测力传感器。

进一步地，所述三分力传感器外壳为方形不锈钢结构。

进一步地，所述前侧联接件为U型夹，用于连接拖拉机的上悬挂点和下悬挂点，所述后侧联接件为沿三分力传感器表面设置的接头，用于连接农机具的三点悬挂装置。

采用上述拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)将三点悬挂空间动力载荷传感装置的前侧联接件与拖拉机的上悬挂点、下悬挂点连接，将三点悬挂空间动力载荷传感装置的后侧联接件与农机具的三点悬挂装置连接，拖拉机内设有数据采集处理系统，数据采集处理系统连接有蓄电池供电，三分力传感器、角度传感器均与数据采集处理系统相连并由其供电；

(2)在平整地面调节农机具处于水平状态，数据采集处理系统接通电源进行自检，设置传感器参数、采样参数；

(3)将农机具提离地面，进行空转试运行，确保农机具运作灵活无异响，各传感器数据采集正常后，执行步骤(4)；

(4)拖拉机牵引农机具至田间进行作业，三分力传感器采集水平方向的横向力、垂直方向的提升力或农机具的自重力、水平方向的牵引力，第一角度传感器、第二角度传感器用于分别测量传感装置和拖拉机的俯仰角、横滚角、方位角，三分力传感器、第一角度传感器、第二角度传感器采集的数据传输至数据采集处理系统并存储，数据采集处理系统将传感装置坐标系变换到拖拉机坐标系；

(5)将便携式计算机与数据采集处理系统通过有线或无线的方式连接，进行数据传输和后续分析处理。

进一步地，所述步骤(4)中传感装置坐标系到拖拉机坐标系的变换进行如下处理：所述第二角度传感器测得拖拉机的三个角度T_x、T_y、T_z，第一角度传感器测得传感装置的三个角度S_x、S_y、S_z，可以得到传感装置相对拖拉机的角度ε_x、ε_y、ε_z：

ε_x＝S_x-T_x

ε_y＝S_y-T_y

ε_z＝S_z-T_z

于是得到旋转矩阵R₁(ε_x)、R₂(ε_y)、R₃(ε_z)：

令R₀＝R₁(ε_x)R₂(ε_y)R₃(ε_z)；

在传感装置坐标系中同一原点，在三个坐标平面上，分别绕Z轴、Y轴、X轴做三次旋转，完成传感装置坐标系到拖拉机坐标系的变换，

设某个三分力传感器测得的三分力为F_x1、F_y1、F_z1，经旋转变换后为F′_x1、F′_y1、F′_z1，则

有益效果：与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明提供的传感装置串接在拖拉机悬挂点和农机具三点悬挂机构之间，不改变两者原有悬挂装置，能够适用于现有机构；在传感装置横梁中部基准平面和拖拉机基准平面各安装有一个角度传感器，用来测试农机具相对拖拉机的俯仰角、横滚角和方位角，以将测试结果从传感器坐标系转换到拖拉机坐标系；在拖拉机和农机具三个连接点处采用三个三分力传感器构成测量阵列，可以同时测试三个悬挂点处三个方向上的分力，只需给出目标坐标点，通过传感器阵列可以解算得到三个方向上的力矩，从而实现农机具牵引力、提升力、横向力及力矩的测试。

附图说明

图1为本发明的立体图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的侧视图；

图4为本发明的俯视图；

图5为三分力传感器的单体结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：如图1至图5所示的基拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，包括横梁1、两根纵梁2、3个三分力传感器3、第一角度传感器6、第二角度传感器，横梁1和两根纵梁2连接组成∏型框架，横梁1、纵梁2采用钢材质，横梁1两端设有横向调节槽11，纵梁2顶部设有竖向调节槽21，两根纵梁2分别通过设于竖向调节槽21处的螺栓与横梁的横向调节槽11处固定，通过改变螺栓与、纵向调节槽21、横向调节/11的固定点调整纵梁2与横梁1的相对位置。

一个三分力传感器3用螺栓固定在横梁1中部，另两个三分力传感器3分别用螺栓固定在两个纵梁2下部，三分力传感器3的前后侧分别设有联接件，前侧联接件4用于连接拖拉机，后侧联接件5用于连接农机具。每个三分力测力传感器采用三组应变电桥，分别用于测量水平方向的牵引力(Z向)、垂直方向的提升力或农具的自重力(Y向)和水平方向的分力(X向)。该测力传感器采用单体桥式垂直结构，耦合性能与线性度等性能好。外部为方形不锈钢，防护等级IP63。在横梁1中部基准平面安装第一角度传感器6，在拖拉机基准平面安装有第二角度传感器，用来测试机具相对拖拉机的俯仰角、横滚角和方位角，以将测试结果从传感器坐标系转换到拖拉机坐标系。三个三分力传感器3构成测量阵列，只需给出目标坐标点，通过传感器测量阵列可以解算得到三个方向上的力矩。

前侧联接件4为U型夹，用于连接拖拉机的上悬挂点和下悬挂点，后侧联接件5为沿三分力传感器3表面设置的接头，用于连接农机具的三点悬挂装置。

采用上述拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置的测量方法，包括如下步骤：

(1)将三点悬挂空间动力载荷传感装置的前侧联接件4与拖拉机的上悬挂点、下悬挂点连接，将三点悬挂空间动力载荷传感装置的后侧联接件5与农机具的三点悬挂装置连接，拖拉机内设有数据采集处理系统，数据采集处理系统连接有蓄电池供电，三分力传感器3、角度传感器6均与数据采集处理系统相连并由其供电；

(2)在平整地面调节农机具处于水平状态，数据采集处理系统接通电源进行自检，设置各传感器参数、采样参数；

(3)将农机具提离地面，进行空转试运行，确保农机具运作灵活无异响，各传感器数据采集正常后，执行步骤(4)；

(4)拖拉机牵引农机具至田间进行作业，三分力传感器3采集水平方向的横向力、垂直方向的提升力或农机具的自重力、水平方向的牵引力，第一角度传感器6采集农机具相对于拖拉机的俯仰角、横滚角和方位角，采集的数据传输至数据采集处理系统并存储；

(5)将便携式计算机与数据采集处理系统通过有线或无线的方式连接，进行数据传输。

传感装置坐标系到拖拉机坐标系的变换进行如下处理：所述第二角度传感器测得拖拉机的三个角度T_x、T_y、T_z，第一角度传感器测得传感装置的三个角度S_x、S_y、S_z，可以得到传感装置相对拖拉机的角度ε_x、ε_y、ε_z：

ε_x＝S_x-T_x

ε_y＝S_y-T_y

ε_z＝S_z-T_z

于是得到旋转矩阵R₁(ε_x)、R₂(ε_y)、R₃(ε_z)：

令R₀＝R₁(ε_x)R₂(ε_y)R₃(ε_z)；

在传感装置坐标系中同一原点，在三个坐标平面上，分别绕Z轴、Y轴、X轴做三次旋转，完成传感装置坐标系到拖拉机坐标系的变换，

设某个三分力传感器测得的三分力为F_x1、F_y1、F_z1，经旋转变换后为F′_x1、F′_y1、F′_z1，则

传感器采用内部零点补偿方式，补偿温度范围在-20～60℃，使用温度范围在-20～80℃，零点温度漂移小于0.05％/F.S/10℃；灵敏度采用桥路补偿的方式，补偿温度范围在-20～60℃，使用温度范围在-20～80℃，零点温度漂移小于0.05％/F.S/10℃。

传感装置串接在拖拉机悬挂装置和农机具悬挂架之间，不改变两者原有悬挂装置。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (10)

1.拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，连接在拖拉机和农机具之间；其特征在于：包括横梁、两根纵梁、三分力传感器、第一角度传感器和第二角度传感器，横梁和两根纵梁连接组成∏型框架，横梁的中部和两根纵梁的底部均设有三分力传感器，三分力传感器的前后侧分别设有联接件，前侧联接件用于连接拖拉机，后侧联接件用于连接农机具；所述三分力传感器能够测量X、Y、Z三个直角坐标轴方向的受力大小，三个三分力传感器排列构成测量阵列；所述第一角度传感器用于测量传感装置的俯仰角、横滚角、方位角，所述第二角度传感器用于测量拖拉机的俯仰角、横滚角、方位角，利用传感装置与拖拉机之间的角度差实现三分力传感器测量结果从传感装置坐标系至拖拉机坐标系的转换。

2.根据权利要求1所述的拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，其特征在于：所述第一角度传感器安装在所述横梁上或纵梁上或集成在任一个三分力传感器上，所述第二角度传感器安装在拖拉机上。

3.根据权利要求1所述的拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，其特征在于：所述横梁两端设有横向调节槽，纵梁顶部设有竖向调节槽，两根纵梁的竖向调节槽部位分别通过连接件与横梁的横向调节槽部位固定，通过改变连接件与竖向调节槽、横向调节槽的固定点调整纵梁与横梁的相对位置。

4.根据权利要求1所述的拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，其特征在于：所述横梁、纵梁采用钢材质。

5.根据权利要求1所述的拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，其特征在于：所述三分力传感器采用三组应变电桥，X、Y、Z三个直角坐标轴方向分别对应水平方向的横向力、垂直方向的提升力或农机具的自重力、水平方向的牵引力。

6.根据权利要求1所述的拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，其特征在于：所述三分力传感器采用桥式垂直测力传感器。

7.根据权利要求1所述的拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，其特征在于：所述三分力传感器外壳为方形不锈钢结构。

8.根据权利要求1所述的拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置，其特征在于：所述前侧联接件为U型夹，用于连接拖拉机的上悬挂点和下悬挂点，所述后侧联接件为沿三分力传感器表面设置的接头，用于连接农机具的三点悬挂装置。

9.根据权利要求1所述拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将三点悬挂空间动力载荷传感装置的前侧联接件与拖拉机的上悬挂点、下悬挂点连接，将三点悬挂空间动力载荷传感装置的后侧联接件与农机具的三点悬挂装置连接，拖拉机内设有数据采集处理系统，数据采集处理系统连接有蓄电池供电，三分力传感器、角度传感器均与数据采集处理系统相连并由其供电；

(2)在平整地面调节农机具处于水平状态，数据采集处理系统接通电源进行自检，设置各传感器参数、采样参数；

(3)将农机具提离地面，进行空转试运行，确保农机具运作灵活无异响，各传感器数据采集正常后，执行步骤(4)；

(4)拖拉机牵引农机具至田间进行作业，三分力传感器采集水平方向的横向力、垂直方向的提升力或农机具的自重力、水平方向的牵引力，第一角度传感器、第二角度传感器用于分别测量传感装置和拖拉机的俯仰角、横滚角、方位角，三分力传感器、第一角度传感器、第二角度传感器采集的数据传输至数据采集处理系统并存储，数据采集处理系统将传感装置坐标系变换到拖拉机坐标系；

(5)将便携式计算机与数据采集处理系统通过有线或无线的方式连接，进行数据传输。

10.根据权利要求9所述拖拉机三点悬挂空间动态载荷传感装置的测量方法，其特征在于：所述步骤(4)中传感装置坐标系到拖拉机坐标系的变换进行如下处理：所述第二角度传感器测得拖拉机的三个角度T_x、T_y、T_z，第一角度传感器测得传感装置的三个角度S_x、S_y、S_z，可以得到传感装置相对拖拉机的角度ε_x、ε_y、ε_z：

ε_x＝S_x-T_x

ε_y＝S_y-T_y

ε_z＝S_z-T_z

于是得到旋转矩阵R₁(ε_x)、R₂(ε_y)、R₃(ε_z)：

令R₀＝R₁(ε_x)R₂(ε_y)R₃(ε_z)；

在传感装置坐标系中同一原点，在三个坐标平面上，分别绕Z轴、Y轴、X轴做三次旋转，完成传感装置坐标系到拖拉机坐标系的变换，

设某个三分力传感器测得的三分力为F_x1、F_y1、F_z1，经旋转变换后为F′_x1、F′_y1、F′_z1，则