CN112881340A - 一种折射式薄面激光种子流通用传感装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，当经所述导种管通过的种子在所述薄面激光发射模组所生成的平行薄面激光区域穿过时，所述平行薄面激光被遮挡，所述薄面激光会聚模组接收所述平行薄面激光，并感应所述平行薄面激光的光强变化，产生电压瞬态响应，所述信号采集电路系统用于根据所述电压瞬态响应，生成种子流序列对应的脉冲序列信号；所述种子流序列对应的脉冲序列信号用于监测不同粒径种子的播种。本发明构建了一种通用的种子流传感检测模式，使不同粒径的种子在排种过程中均可实现单粒检测。

Description

一种折射式薄面激光种子流通用传感装置

技术领域

本发明涉及农业机械智能装备领域，特别是涉及一种折射式薄面激光种子流通用传感装置。

背景技术

播种作业是农业生产过程中非常重要的环节，必须根据农业技术要求做到适时、适量、满足农艺环境条件，使作物获得良好的生长发育基础。机械化精量播种能降低劳动强度、提高作业效率，是农机发展的重要环节。播种作业过程中的质量监测是精量播种智能化发展的必然趋势，实现播种作业过程质量监测必须依靠种子流传感装置作为支撑。

目前现有用于播种监测的传感装置多用于某一特定类型的种子检测，如专门针对小粒径种子(如胡萝卜、辣椒、番茄、油菜等)的传感装置或专门针对大中粒径种子的传感装置(如棉花、玉米、大豆等)。难以针对不同粒径的种子构建一种通用的检测模式。其原因在于小粒径种子检测装置具有高灵敏度与时间分辨率的要求，为此会在检测装置传感结构上形成限制，大中粒径种子在适用于小粒径种子的传感装置中的通过性难以得到保证，易造成堵塞；而大中粒径种子的传感装置往往由于传感器灵敏度与感应的时间分辨率不足难以实现小粒径种子的精准检测。因此，目前现有用于播种监测的传感装置无法同时对多种类型的种子进行检测，通用性差。

发明内容

本发明的目的是提供一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，以解决现有用于播种监测的传感装置通用性差的问题。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，包括：导种管、薄面激光发射模组、薄面激光会聚模组以及信号采集电路系统；

所述导种管包括由上到下同轴设置的上导种管以及下导种管；所述上导种管与所述下导种管之间设有通光间隙；所述通光间隙用于通过所述薄面激光发射模组发射出的平行薄面激光；

所述薄面激光发射模组设于所述通光间隙的一侧，所述薄面激光会聚模组设于所述通光间隙的另一侧，所述薄面激光会聚模组与所述薄面激光发射模组相对设置，所述薄面激光发射模组用于接收所述平行薄面激光，并感应所述平行薄面激光的光强变化，产生电压瞬态响应；

所述信号采集电路系统与所述薄面激光会聚模组相连接；当经所述导种管通过的种子在所述薄面激光发射模组所生成的平行薄面激光区域穿过时，所述平行薄面激光被遮挡，所述薄面激光会聚模组接收所述平行薄面激光，并感应所述平行薄面激光的光强变化，产生电压瞬态响应，所述信号采集电路系统用于根据所述电压瞬态响应，生成种子流序列对应的脉冲序列信号；所述种子流序列对应的脉冲序列信号用于监测不同粒径种子的播种。

可选的，所述上导种管的下管口内径沿导种管的轴向方向上的投影位于所述平行薄面激光区域内；排种过程中种子穿过所述平行薄面激光，产生遮挡，使得平行薄面激光的光强发生变化。

可选的，所述薄面激光发射模组具体包括：第一凸透镜以及薄面激光发射器；

所述薄面激光发射器的轴线与所述第一凸透镜的轴线相重合，且所述薄面激光发射器置于所述第一凸透镜的焦点；所述薄面激光发射器用于发射平行薄面激光。

可选的，所述薄面激光会聚模组具体包括：第二凸透镜以及光电接收器；

所述第二凸透镜的轴线正交于所述光电接收器的中心，所述光电接收器置于所述第二凸透镜的焦点，使通过所述第二凸透镜的光全部集中到光电接收器的感应面；且所述第一凸透镜以及所述第二凸透镜的轴线相重合；

所述光电接收器与所述信号采集电路系统相连接，所述信号采集电路系统用于捕捉、采集所述感应面的光强的瞬态变化所导致的所述光电接收器引脚两端电压产生电压瞬态响应。

可选的，所述平行薄面激光区域内的有效感应区域最窄处由所述第一凸透镜的直径以及所述第二凸透镜的直径共同决定。

可选的，通过所述第一凸透镜以及所述第二凸透镜的2次折射，所述薄面激光发射器到所述光电接收器的光路为“发散-平行-会聚”光路。

可选的，所述信号采集电路系统具体包括：依次串联的信号增益电路、滤波电路、单向整流电路、电压比较电路以及电平匹配电路；

所述信号增益电路用于对所述光电接收器引脚两端电压瞬态响应进行线性放大，采用双级放大的模式将毫伏级的信号放大至放大器产生截止，形成类似方波的波形；

所述滤波电路用于对所述类似方波的波形的干扰信号成分进行带通滤波，将种子穿过产生信号的频率范围设为通频带，滤除外部和传感器装置自身造成的高频成分干扰信号和低频成分干扰信号；

所述单向整流电路用于利用二极管的单向导电特性对滤波后的信号进行整流，对滤波后的信号的负电压部分进行斩波；

所述电压比较器用于将所述单向整流电路输出的信号转变为具有设定脉冲宽度的方波，所述方波的时间宽度跟随种子穿过所述平行薄面激光区域的时间；

所述电平匹配电路用于对所述比较电路输出的信号方波的上升沿与下降沿的转化过程进行平滑，形成与种子流序列对应的脉冲序列信号。

可选的，所述信号增益电路包括AD620仪表放大器，所述AD620 仪表放大器的增益为70倍，采用双级放大的模式将毫伏级的信号放大至放大器产生截止；所述电压比较器包括LM393；所述电平匹配电路包括光电耦合器TLP-521，通过调整光电耦合器的阴极限流电阻与发射极限流电阻之间的比例关系，对所述比较电路输出的信号方波的上升沿与下降沿的转化过程进行平滑，形成与种子流序列对应的脉冲序列信号。

根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供了一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，基于光电检测的非接触感应原理对播种过程进行监测，不受种子粒径影响，提高了播种监测的传感装置的通用性，同时，能够提高播种监测系统的利用率，降低了播种作业过程质量监测的成本，为播种作业智能化推广提供支持。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的折射式薄面激光种子流通用传感装置的整体系统结构图；

图2为本发明所提供的折射式薄面激光种子流通用传感装置的感应模式投影示意图；

图3为本发明所提供的折射式薄面激光种子流通用传感装置的感应模式结构立体示意图；

图4为本发明所提供的本发明提供的信号采集电路系统的电路流程框图。

符号说明：1-上导管，2-第一凸透镜，3-薄面激光发射器，4-发散薄面激光，5-平行薄面激光，6-会聚薄面激光，7-下导管，8-光电接收器，9-第二凸透镜，10-上导管下端面，11-信号采集电路系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，提高播种监测的传感装置的通用性，同时，能够提高播种监测系统的利用率，降低播种作业过程质量监测的成本。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，与播种机排种器的投种口相连接，所述折射式薄面激光种子流通用传感装置包括：导种管、薄面激光发射模组、薄面激光会聚模组以及信号采集电路系统11；所述导种管包括由上到下同轴设置的上导种管以及下导种管；所述上导种管与所述下导种管之间设有通光间隙；所述通光间隙用于通过所述薄面激光发射模组发射出的平行薄面激光5；所述薄面激光发射模组设于所述通光间隙的一侧，所述薄面激光会聚模组设于所述通光间隙的另一侧，所述薄面激光会聚模组与所述薄面激光发射模组相对设置，所述薄面激光发射模组用于接收所述平行薄面激光5，并感应所述平行薄面激光5的光强变化，产生电压瞬态响应；所述信号采集电路系统11与所述薄面激光会聚模组相连接；当经所述导种管通过的种子在所述薄面激光发射模组所生成的平行薄面激光5区域穿过时，所述平行薄面激光5被遮挡，所述薄面激光会聚模组接收所述平行薄面激光5，并感应所述平行薄面激光5的光强变化，产生电压瞬态响应，所述信号采集电路系统11用于根据所述电压瞬态响应，生成种子流序列对应的脉冲序列信号；所述种子流序列对应的脉冲序列信号用于监测不同粒径种子的播种。

所述导种管包含同轴设置的上导种管和下导种管，所述下导种管的上端面与上导种管的下端面之间存在通光间隙，用于通过所述薄面激光发射模组生成的平行薄面激光5。所述上导种管的下管口内径沿导种管的轴向方向上的投影位于所述薄面激光发射模组所生成的平行薄面激光5区域内，使得排种过程中种子会穿越所述平行薄面激光 5，产生部分遮挡，使得平行薄面激光5的总光强发生变化。

所述薄面激光发射模组包括第一凸透镜2以及薄面激光发射器3，所述薄面激光发射器3的轴线与所述第一凸透镜2的轴线相重合，且所述薄面激光发射器3置于所述第一凸透镜2的焦点，用于平行薄面激光5的生成。

所述薄面激光会聚模组由第二凸透镜9与光电接收器8构成。所述第二凸透镜9的轴线正交于所述光电接收器8的中心，所述光电接收器8置于所述第二凸透镜9的焦点附近，使通过第二凸透镜9的光全部集中到光电接收器8的感应面，且所述第一凸透镜2、第二凸透镜9的轴线相重合，用于薄面激光会聚模组接收所述薄面激光发射模组所生成的平行光。

所述薄面激光会聚模组的光电接收器8与所述信号采集电路系统11相连接，用于捕捉、采集光电接收器8感应面光强的瞬态变化导致的光电接收器8引脚两端电压随之产生瞬态响应。

所述薄面激光发射模组产生平行薄面激光5，所述薄面激光会聚模组接收平行薄面激光5，经所述导种管通过的种子在平行光区段的穿越致使光层部分遮挡，实现信号的感应。有效感应区域最窄处由第一凸透镜2和第二凸透镜9的直径决定，与光电接收器8的尺寸无关，通过透镜的2次折射，基于“发散——平行——会聚”的光路模式，产生能有效感应种子信号的平行光区段，使有效的感应区域的面积不再受光电接受器感应面尺寸的限制。

所述信号采集电路系统11包括信号增益电路、滤波电路、单向整流电路、电压比较电路与电平匹配电路，各电路环节依次串联，各电路环节还具有相对应的供电系统保证其正常工作。

所述信号增益电路基于AD620仪表放大器构成，对所述光电接收器8引脚两端电压瞬态响应进行线性放大，所述AD620增益取约为70倍，采用双级放大的模式将毫伏级的信号放大至放大器产生截止，形成类似方波的波形，用于所述信号采集电路系统11后续环节对信号的处理。

所述滤波电路为带通滤波器，对所述类似方波的波形的干扰信号成分进行带通滤波，将种子穿越产生信号的频率范围设为通频带，滤除外部和传感器自身造成的高频成分和低频成分干扰信号。

所述单向整流电路利用二极管的单向导电特性对滤波后信号进行整流，对信号的负电压部分进行斩波，为电压比较对信号进行预处理。

所述电压比较器基于LM393构成，将所述单向整流电路输出的信号转变为具有一定脉冲宽度的方波，其时间宽度跟随种子穿越所述平行薄面激光5光层的时间，该一定脉冲宽度的方波由种子信号的响应特性本身决定，不由电路特性决定。

所述电平匹配电路基于光电耦合器TLP-521构成，通过调整光电耦合器阴极与发射极限流电阻大小与比例关系，对所述比较电路输出信号方波的上升沿与下降沿转化过程进行平滑，最终形成与种子流序列相对应的脉冲序列信号。

本发明提出一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，相较于现有的传感装置具有良好的兼用性，通过更改凸透镜的直径与焦距的选型，即可适用于各种粒径、不同形状种子的田间播种的监测；本发明不仅具有非接触式检测的优点，还通过光学折射模型计算设计了模组间的相对位置关系，可通过评估各环节装配误差对有效检测范围造成的影响，避免检测的盲区，本发明能实现单粒种子对应输出单个方波，即实现了种子流序列对应脉冲序列，实现了种子流的数字化。为提高播种监测的系统的利用率，降低播种作业过程质量检测的成本，为播种作业智能化推广提供支持。本发明的具体优点如下：

(1)种子流传感装置成本低，安装方便，适用性强，可实现不同粒径种子(如油菜、辣椒、西洋参、棉花、玉米、大豆等)的田间精量播种监测。

(2)基于透镜折射的原理，将点光源变为发散的薄面激光，将发散的薄面激光会聚为平行光，在平行光区段实现感应后，再将平行光会聚于光电接收器8的感应面，该模式的设计突破了传感器感应面尺寸的限制，为排种检测的通用模式构建提供了基础。

(3)信号采集电路系统11的工作流程使得种子检测具有毫秒级时间分辨率，具体依赖于种子穿越平行薄面激光5光层所需要的时间。只要多粒种子在空间的垂直方向上的不连续即可准确地实现单粒检测。

本发明以具体的实施例阐述本发明的折射式薄面激光种子流通用传感装置。

具体实施例一：

所述折射式薄面激光种子流通用传感装置，与播种机排种器的投种口相连接，所述传感装置包括：导种管、薄面激光发射模组、薄面激光会聚模组、信号采集电路系统11以及封装壳体。

如图1所示，为本发明实时实例提供折射式薄面激光种子流通用传感装置的整体系统结构图。所述薄面激光会聚模组用于感应所述播种机投种口下落的种子流所穿越感应面所获得的电压变化的瞬态响应；所述信号采集电路系统11用于将所述电压变化的瞬态响应转换成与排种种子流相对应的排种脉冲序列信号。

如图2、图3所示，所述薄面激光发射模组的薄面激光发射器3 选用发射角＞80°，薄面激光光层厚度为1mm的一字激光发射器；所述第一凸透镜2选用但不限于直径Φ＝30mm，焦距f＝25mm的平凸透镜，二者处于同一条轴线上，其距离为所述凸透镜的焦距，即25mm。

优选地，所述上导种管下管口内径取26mm，所述第一凸透镜2 与第二凸透镜9的距离取30mm。

优选地，所述薄面激光会聚模组的光电接收器8选用硅光电池 2DU10；所述第二凸透镜9选用但不限于直径Φ＝30mm，焦距f＝25mm 的平凸透镜。二者处于同一条轴线上，其距离为所述凸透镜的焦距，取20mm。

如图4所示，本发明还包括：信号采集电路系统11。所述信号采集电路系统11包括信号增益电路、带通滤波电路、单向整流电路、电压比较电路、电平匹配电路，最终生成了种子信号的脉冲序列。所述信号增益电路基于AD620仪表放大器构成，对所述光电接收器8 引脚两端电压瞬态响应进行线性放大，所述AD620增益取约70倍，采用双级放大的模式将毫伏级的信号放大至放大器产生截止；所述滤波电路为带通滤波器，将种子穿越产生信号的频率范围设为通频带，通频带优选为150～1500Hz，用于滤除外部和传感器自身造成的高频成分和低频成分干扰信号；所述单向整流电路利用二极管对信号的负电压部分进行斩波；所述电压比较器基于LM393构成，将所述单向整流电路输出的信号转变为具有一定脉冲宽度的方波；所述电平匹配电路基于光电耦合器TLP-521构成，对所述比较电路输出信号方波的上升沿与下降沿转化过程进行平滑，最终形成与种子流序列相对应的脉冲序列信号。最终实现种子流感应的功能。

具体实施例二：

本发明选用2BFQ-6型油菜精量联合直播机(专利号： 201010153384.2，专利公开号：CN101836526A)，选用东方红-LX954 拖拉机为2BFQ-6型油菜精量联合直播机提供动力，直播机上所用排种器是一种正负气压组合式油菜籽精量排种器(专利号：200620172781.3，专利公开号：CN201001269)，本实施例在田间进行试验。

本实施例中油菜精量排种器选用40型孔的排种盘，直播机的播种行数为6。

试验前，将折射式薄面激光种子流通用传感装置安装在精量排种器投种口下方，油菜精量排种器投种口的种子流经导管竖直下落，从传感装置出种口流出。通过种子遮挡部分光路使光电接收器8感应面光强的瞬态变化导致的光电接收器8引脚两端电压随之产生瞬态响应，经由信号采集电路系统11的处理获得与排种种子流序列相对应的排种种子流脉冲序列信号。

传感装置外接嵌入式系统，接收种子流传感装置所生成的排种排种脉冲序列信号，分析处理获得排种频率、排种总量、漏播指数、重播指数以及合格指数等播种状态参数，并显示在的显示屏上。

本实施例田间试验结果表明：本发明的折射式薄面激光种子流通用传感装置能够实时准确地捕捉、采集光电接收器8感应面光强的瞬态变化导致的光电接收器8引脚两端电压随之产生瞬态响应，油菜排种的检测准确率均可达到97％以上。

此外，本发明提供的装置还具有较强的适应性，可以适用于诸如胡萝卜、小麦、西洋参、棉花、大豆等不同粒径、不同形状种子的播种监测，有效提高播种机的播种质量与效率，实现播种机的机械化和智能化发展。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，包括：导种管、薄面激光发射模组、薄面激光会聚模组以及信号采集电路系统；

所述导种管包括由上到下同轴设置的上导种管以及下导种管；所述上导种管与所述下导种管之间设有通光间隙；所述通光间隙用于通过所述薄面激光发射模组发射出的平行薄面激光；

所述薄面激光发射模组设于所述通光间隙的一侧，所述薄面激光会聚模组设于所述通光间隙的另一侧，所述薄面激光会聚模组与所述薄面激光发射模组相对设置，所述薄面激光发射模组用于接收所述平行薄面激光，并感应所述平行薄面激光的光强变化，产生电压瞬态响应；

所述信号采集电路系统与所述薄面激光会聚模组相连接；当经所述导种管通过的种子在所述薄面激光发射模组所生成的平行薄面激光区域穿过时，所述平行薄面激光被遮挡，所述薄面激光会聚模组接收所述平行薄面激光，并感应所述平行薄面激光的光强变化，，产生电压瞬态响应，所述信号采集电路系统用于根据所述电压瞬态响应，生成种子流序列对应的脉冲序列信号；所述种子流序列对应的脉冲序列信号用于监测不同粒径种子的播种。

2.根据权利要求1所述的折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，所述上导种管的下管口内径沿导种管的轴向方向上的投影位于所述平行薄面激光区域内；排种过程中种子穿过所述平行薄面激光，产生遮挡，使得平行薄面激光的光强发生变化。

3.根据权利要求1所述的折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，所述薄面激光发射模组具体包括：第一凸透镜以及薄面激光发射器；

所述薄面激光发射器的轴线与所述第一凸透镜的轴线相重合，且所述薄面激光发射器置于所述第一凸透镜的焦点；所述薄面激光发射器用于发射平行薄面激光。

4.根据权利要求3所述的折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，所述薄面激光会聚模组具体包括：第二凸透镜以及光电接收器；

所述第二凸透镜的轴线正交于所述光电接收器的中心，所述光电接收器置于所述第二凸透镜的焦点，使通过所述第二凸透镜的光全部集中到光电接收器的感应面；且所述第一凸透镜以及所述第二凸透镜的轴线相重合；

所述光电接收器与所述信号采集电路系统相连接，所述信号采集电路系统用于捕捉、采集所述感应面的光强的瞬态变化所导致的所述光电接收器引脚两端电压产生电压瞬态响应。

5.根据权利要求4所述的折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，所述平行薄面激光区域内的有效感应区域最窄处由所述第一凸透镜的直径以及所述第二凸透镜的直径共同决定。

6.根据权利要求5所述的折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，通过所述第一凸透镜以及所述第二凸透镜的2次折射，所述薄面激光发射器到所述光电接收器的光路为“发散-平行-会聚”光路。

7.根据权利要求1-6任一项所述的折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，所述信号采集电路系统具体包括：依次串联的信号增益电路、滤波电路、单向整流电路、电压比较电路以及电平匹配电路；

所述信号增益电路用于对所述光电接收器引脚两端电压瞬态响应进行线性放大，采用双级放大的模式将毫伏级的信号放大至放大器产生截止，形成类似方波的波形；

所述滤波电路用于对所述类似方波的波形的干扰信号成分进行带通滤波，将种子穿过产生信号的频率范围设为通频带，滤除外部和传感器装置自身造成的高频成分干扰信号和低频成分干扰信号；

所述单向整流电路用于利用二极管的单向导电特性对滤波后的信号进行整流，对滤波后的信号的负电压部分进行斩波；

所述电压比较器用于将所述单向整流电路输出的信号转变为具有设定脉冲宽度的方波，所述方波的时间宽度跟随种子穿过所述平行薄面激光区域的时间；

所述电平匹配电路用于对所述比较电路输出的信号方波的上升沿与下降沿的转化过程进行平滑，形成与种子流序列对应的脉冲序列信号。

8.根据权利要求7所述的折射式薄面激光种子流通用传感装置，其特征在于，所述信号增益电路包括AD620仪表放大器，所述AD620仪表放大器的增益为70倍，采用双级放大的模式将毫伏级的信号放大至放大器产生截止；所述电压比较器包括LM393；所述电平匹配电路包括光电耦合器TLP-521，通过调整光电耦合器的阴极限流电阻与发射极限流电阻之间的比例关系，对所述比较电路输出的信号方波的上升沿与下降沿的转化过程进行平滑，形成与种子流序列对应的脉冲序列信号。

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