CN115979473A - 一种基于仿生力学传感器的播种检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业机械设计领域，尤其涉及一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，包括仿生力学传感器、指夹式玉米精量排种器、直流稳压电源、直流信号隔离变送器、NI采集卡和工业控制机，仿生力学传感器设置在指夹式玉米精量排种器排种口与清种毛刷之间的导种环上，播种时指夹式玉米精量排种器的每个指夹都经过仿生力学传感器，仿生力学传感器受到玉米种子压力产生电阻变化；仿生力学传感器、直流稳压电源、直流信号隔离变送器依次串联形成闭合回路，NI采集卡并联于直流信号隔离变送器，NI采集卡接入到工业控制机，直流信号隔离变送器用于将电流信号转换为电压信号，NI采集卡用于采集电压信号，并将采集到的电压信号发送到工业控制机进行检测。
Description
技术领域
本发明属于农业机械设计领域，尤其涉及一种基于仿生力学传感器的播种检测系统。
背景技术
玉米精量播种技术是农业生产中减耗增产的关键技术之一，精量排种技术要求排种器提供均匀一致的玉米种子流，但复杂的田间作业工况和故障现象会导致重播漏播发生，降低播种质量。重播会导致作物出现死苗、作物生长缓慢等现象；漏播则需要进行补种，浪费人力，也会错过最佳播种时间，影响作物生长及产量，因此提高玉米播种质量对实现玉米增产稳产具有重要意义，排种过程实现高效、精准监测是实现高质量精量播种作业的前提与关键。
目前，针对于排种质量直接检测技术方法研究仍处于探索阶段，较为成熟的播种质量检测系统均采用间接检测技术监测排种质量。间接检测技术主要基于图像处理技术、高速摄影技术及光电式或电容式传感器技术在排种管或排种器内部进行非接触式测量进而监测播种质量。由于玉米种子粒径小、质量轻、易破碎，受田间作业环境的影响，在工作工程中排种管内的玉米种子易产生弹跳，从而碰撞或遮挡传感器的工作过程，因此无法对排种质量形成直观的实时监测。并且在试验过程中，也发现传统传感器表现出的灵敏度较低、可靠性较差等缺点。
随着科学技术的进步，柔性电子传感器由于其具有灵敏度高、响应快、动态范围广等优点，已在诸多领域进行广泛应用，但仍存在可靠性较差的问题。因此如能设计出一种可兼具高灵敏度、强可靠性的仿生力学传感器，将能够实现排种性能的直接监测。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种基于仿生力学传感器的播种检测系统。
本发明的技术方案如下：
一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，包括仿生力学传感器、指夹式玉米精量排种器、直流稳压电源、直流信号隔离变送器、NI采集卡和工业控制机，所述仿生力学传感器设置在指夹式玉米精量排种器的排种口与清种毛刷之间的导种环上，播种时指夹式玉米精量排种器的每个指夹都经过仿生力学传感器，仿生力学传感器受到玉米种子的压力产生电阻变化；所述仿生力学传感器、直流稳压电源、直流信号隔离变送器依次串联形成闭合回路，所述NI采集卡并联于直流信号隔离变送器，NI采集卡接入到工业控制机，所述直流信号隔离变送器用于将电流信号转换为电压信号，所述NI采集卡用于采集电压信号，并将采集到的电压信号发送到工业控制机；所述工业控制机包括排种质量检测系统，所述排种质量检测系统包括信号转换与图像存储模块、图像识别与播种计数模块、实时监控与数据存储模块以及异常报警模块；
所述信号转换与图像存储模块用于将NI采集卡发送过来的电压信号自动生成具有一定时间间隔的电波图像并存储，该时间间隔与指夹式玉米精量排种器设定的单次排种时间一致或成倍数关系，既一张电波图像可以存储单次排种的电压信号或者多次排种的电压信号；
所述图像识别与播种计数模块读取存储的电波图像，根据时间间隔对电波图像进行等分，如一张电波图像存储单次排种的电压信号，则不需要分割电波图像，如一张电波图像存储3次排种电压信号，则将电波图像等分为3份，以此类推；识别电波图像中的上升沿，无上升沿的输出0信号，存在1个上升沿的输出1信号，存在不少于2个上升沿的输出2信号，由此将电波图像转化为数字信号，如3等分的电波图像转化为3个数字信号，每个数字信号代表着相对应指夹的排种情况，其中0信号为漏播播种，1信号为正常播种，2信号为重复播种，统计一次播种作业中各个指夹产生的数字信号以及一次播种作业指夹式玉米精量排种器产生正常播种、重播、漏播的数字信号；
所述实时监控与数据存储模块实时读取并统计数字信号，生成每个指夹的排种信息，排种信息包括该指夹的排种总量、正常播数次数、漏播次数和重复播种次数以及一次播种作业指夹式玉米精量排种器产生正常播种、重播、漏播的次数，并将排种信息以EXCEL表格的形式存储；
所述异常报警模块包括各个指夹的指示灯、指夹式玉米精量排种器的两个指示灯以及传感器异常警报灯，所述异常报警模块读取排种信息，工作时对应排种指夹的指示灯闪烁，正常播种时指夹的指示灯显示绿色，漏播时指夹的指示灯显示红色，重播时指夹的指示灯显示黄色；同时，正常播种时指夹式玉米精量排种器的两个指示灯显示绿色，漏播时指夹式玉米精量排种器的两个指示灯分别显示黄色和绿色，重播时指夹式玉米精量排种器的两个指示灯分别显示绿色和红色；另外，指夹式玉米精量排种器的指夹持续漏播不少于5次时，触发传感器异常警报灯，发出黄灯警报。
作为本发明的优选，所述仿生力学传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：利用刻字机在PET薄膜（聚对苯二甲酸乙二醇酯）上刻制出蜘蛛网状结构，将PET薄膜固定在玻璃片上；
步骤S2：在PET薄膜表面旋涂环氧树脂AB胶，放置于真空烘干箱内干燥固化；
步骤S3：取出玻璃片，剥离下的涂覆环氧树脂AB胶的PET薄膜作为倒模模板；
步骤S4：在倒模模板表面旋涂PDMS预聚物（聚二甲基硅氧烷）及固化剂；
步骤S5：平放于烧杯内，在超声波清洗仪中进行超声除气泡；
步骤S6：取出超声处理后的倒模模板，放置于真空烘干箱内烘干固化；
步骤S7：取出烘干固化处理后的倒模模板，裁剪并放置于溅射镀铜机内，采用涂层镀铜工艺在其表面沉积铜层；
步骤S8：将导电胶带粘贴在沉积铜层后的倒模模板两侧的非敏感区域；
步骤S9：在导电胶带两侧均匀涂抹银浆并将其放在烘干机上进行烘干固化；
步骤S10：取出烘干固化处理后的倒模模板，将硅胶薄片加装在其上下表面；
步骤S11：利用Pi膜（聚酰亚胺薄膜）对加装完硅胶薄片的倒模模板的表面进行封装，即得。
作为本发明的优选，步骤S2中，PET薄膜与环氧树脂AB胶的质量比为3:1，干燥固化的温度为70-90℃，时间为2.5-3.5小时。
作为本发明的优选，步骤S4中，倒模模板与PDMS预聚物的质量比为9:1，步骤S6中，干燥固化的温度为60-70℃，时间为2.5-3.5小时。
作为本发明的优选，步骤S7中，裁剪成长20mm、宽12mm、高2mm，铜层的厚度为100-130nm。
作为本发明的优选，步骤S9中，烘干的温度为85-95℃。
本发明的有益效果如下：
本发明提供的基于仿生力学传感器的播种检测系统，其中仿生力学传感器的蜘蛛网状结构相较于其他结构应力峰值更低且分布更加均匀进而表现出超强的稳定性，镀铜后为进一步增强其导电性，具有超灵敏、高可靠性；其中排种质量检测系统对目标图像快速处理、高精度识别及高效分类，提高了检测准确度的同时，也提高了系统响应时间进而达到对播种质量直观实时的检测。同时，所有排种信息均可实时显示，并进行保存，对于传感器异常、排种质量异常均可进行实时报警。
附图说明
通过参考以下结合附图的说明，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：
图1为本发明的结构框图。
图2为本发明中排种质量检测系统的逻辑框图。
其中的附图标记为：仿生力学传感器1、指夹式玉米精量排种器2、直流稳压电源3、直流信号隔离变送器4、NI采集卡5、工业控制机6、排种质量检测系统61，排种质量检测系统61包括信号转换与图像存储模块611、图像识别与播种计数模块612、实时监控与数据存储模块613、异常报警模块614。
实施方式
为使本领域技术人员能够更好的理解本发明的技术方案及其优点，下面结合附图对本申请进行详细描述，但并不用于限定本发明的保护范围。
在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
参阅图1所示：一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，包括仿生力学传感器1、指夹式玉米精量排种器2、直流稳压电源3、直流信号隔离变送器4、NI采集卡5和工业控制机6，仿生力学传感器1设置在指夹式玉米精量排种器2的排种口与清种毛刷之间的导种环上，指夹式玉米精量排种器2的每个指夹都经过仿生力学传感器1，播种时仿生力学传感器1受到玉米种子的压力产生电阻变化；仿生力学传感器1、直流稳压电源3、直流信号隔离变送器4依次串联形成闭合回路，NI采集卡5并联于直流信号隔离变送器4，NI采集卡5接入到工业控制机6，直流信号隔离变送器4用于将电流信号转换为电压信号，NI采集卡5用于采集电压信号，并将采集到的电压信号发送到工业控制机6；
参阅图2所示：工业控制机6包括排种质量检测系统61，排种质量检测系统61包括信号转换与图像存储模块611、图像识别与播种计数模块612、实时监控与数据存储模块613以及异常报警模块614；信号转换与图像存储模块611用于将NI采集卡5发送过来的电压信号自动生成具有一定时间间隔的电波图像并存储，该时间间隔与指夹式玉米精量排种器2设定的单次排种时间一致或成倍数关系，既一张电波图像可以存储单次排种的电压信号或者多次排种的电压信号；
图像识别与播种计数模块612读取存储的电波图像，根据时间间隔对电波图像进行等分，如一张电波图像存储单次排种的电压信号，则不需要分割电波图像，如一张电波图像存储3次排种电压信号，则将电波图像等分为3份，以此类推；识别电波图像中的上升沿，无上升沿的输出0信号，存在1个上升沿的输出1信号，存在不少于2个上升沿的输出2信号，由此将电波图像转化为数字信号，如3等分的电波图像转化为3个数字信号，每个数字信号代表着相对应指夹的排种情况，其中0信号为漏播播种，1信号为正常播种，2信号为重复播种，统计一次播种作业中各个指夹产生的数字信号以及一次播种作业指夹式玉米精量排种器2产生正常播种，重播，漏播的数字信号；
实时监控与数据存储模块613实时读取并统计数字信号，生成每个指夹的排种信息，排种信息包括该指夹的排种总量、正常播数次数、漏播次数和重复播种次数以及一次播种作业指夹式玉米精量排种器2产生正常播种，重播，漏播的次数，并将排种信息以EXCEL表格的形式存储；
异常报警模块614包括各个指夹的指示灯、指夹式玉米精量排种器2的两个指示灯以及传感器异常警报灯，异常报警模块614读取排种信息，工作时对应排种指夹的指示灯闪烁，正常播种时指夹的指示灯显示绿色，漏播时指夹的指示灯显示红色，重播时指夹的指示灯显示黄色；同时，正常播种时指夹式玉米精量排种器2的两个指示灯显示绿色，漏播时指夹式玉米精量排种器2的两个指示灯分别显示黄色和绿色，重播时指夹式玉米精量排种器2的两个指示灯分别显示绿色和红色；另外，指夹式玉米精量排种器2的指夹持续漏播不少于5次时，触发传感器异常警报灯，发出黄灯警报。
其中，仿生力学传感器1的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：利用刻字机在PET薄膜（聚对苯二甲酸乙二醇酯）上刻制出蜘蛛网状结构，将PET薄膜固定在玻璃片上；
步骤S2：在PET薄膜表面旋涂质量比为3:1的环氧树脂AB胶，放置于70-90℃的真空烘干箱内干燥固化2.5-3.5小时；
步骤S3：取出玻璃片，剥离下的涂覆环氧树脂AB胶的PET薄膜作为倒模模板；
步骤S4：在倒模模板表面旋涂质量比为9:1的PDMS预聚物（聚二甲基硅氧烷）及固化剂；
步骤S5：平放于烧杯内，在超声波清洗仪中进行超声除气泡并使其均匀分布；
步骤S6：取出超声处理后的倒模模板，放置于60-70℃的真空烘干箱内烘干固化2.5-3.5小时；
步骤S7：取出烘干固化处理后的倒模模板，裁剪成长20mm、宽12mm、高2mm大小，并放置于溅射镀铜机内，采用涂层镀铜工艺在其表面沉积厚度为100-130nm的铜层，以增强其导电性；
步骤S8：将导电胶带粘贴在沉积铜层后的倒模模板两侧的非敏感区域，进一步增强其导电性；
步骤S9：在导电胶带两侧均匀涂抹银浆并将其放在85-95℃的烘干机上进行烘干固化；
步骤S10：取出烘干固化处理后的倒模模板，将硅胶薄片加装在其上下表面，有效的降低排种过程中指夹对其表面的破坏；
步骤S11：利用Pi膜（聚酰亚胺薄膜）对加装完硅胶薄片的倒模模板的表面进行封装，即得。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，其特征在于：包括仿生力学传感器、指夹式玉米精量排种器、直流稳压电源、直流信号隔离变送器、NI采集卡和工业控制机，所述仿生力学传感器设置在指夹式玉米精量排种器的排种口与清种毛刷之间的导种环上，播种时指夹式玉米精量排种器的每个指夹都经过仿生力学传感器，仿生力学传感器受到玉米种子的压力产生电阻变化；所述仿生力学传感器、直流稳压电源、直流信号隔离变送器依次串联形成闭合回路，所述NI采集卡并联于直流信号隔离变送器，NI采集卡接入到工业控制机，所述直流信号隔离变送器用于将电流信号转换为电压信号，所述NI采集卡用于采集电压信号，并将采集到的电压信号发送到工业控制机；所述工业控制机包括排种质量检测系统，所述排种质量检测系统包括信号转换与图像存储模块、图像识别与播种计数模块、实时监控与数据存储模块以及异常报警模块；
所述信号转换与图像存储模块用于将NI采集卡发送过来的电压信号自动生成具有一定时间间隔的电波图像并存储，该时间间隔与指夹式玉米精量排种器设定的单次排种时间一致或成倍数关系，既一张电波图像可以存储单次排种的电压信号或者多次排种的电压信号；
所述图像识别与播种计数模块读取存储的电波图像，根据时间间隔对电波图像进行等分，如一张电波图像存储单次排种的电压信号，则不需要分割电波图像，如一张电波图像存储3次排种电压信号，则将电波图像等分为3份，以此类推；识别电波图像中的上升沿，无上升沿的输出0信号，存在1个上升沿的输出1信号，存在不少于2个上升沿的输出2信号，由此将电波图像转化为数字信号，如3等分的电波图像转化为3个数字信号，每个数字信号代表着相对应指夹的排种情况，其中0信号为漏播播种，1信号为正常播种，2信号为重复播种，统计一次播种作业中各个指夹产生的数字信号以及一次播种作业指夹式玉米精量排种器产生正常播种、重播、漏播的数字信号；
所述实时监控与数据存储模块实时读取并统计数字信号，生成每个指夹的排种信息，排种信息包括该指夹的排种总量、正常播数次数、漏播次数和重复播种次数以及一次播种作业指夹式玉米精量排种器产生正常播种、重播、漏播的次数，并将排种信息以EXCEL表格的形式存储；
所述异常报警模块包括各个指夹的指示灯、指夹式玉米精量排种器的两个指示灯以及传感器异常警报灯，所述异常报警模块读取排种信息，工作时对应排种指夹的指示灯闪烁，正常播种时指夹的指示灯显示绿色，漏播时指夹的指示灯显示红色，重播时指夹的指示灯显示黄色；同时，正常播种时指夹式玉米精量排种器的两个指示灯显示绿色，漏播时指夹式玉米精量排种器的两个指示灯分别显示黄色和绿色，重播时指夹式玉米精量排种器的两个指示灯分别显示绿色和红色；另外，指夹式玉米精量排种器的指夹持续漏播不少于5次时，触发传感器异常警报灯，发出黄灯警报。
2.根据权利要求1所述的一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，其特征在于，所述仿生力学传感器的制备方法包括以下步骤：
步骤S1：利用刻字机在PET薄膜上刻制出蜘蛛网状结构，将PET薄膜固定在玻璃片上；
步骤S2：在PET薄膜表面旋涂环氧树脂AB胶，放置于真空烘干箱内干燥固化；
步骤S3：取出玻璃片，剥离下的涂覆环氧树脂AB胶的PET薄膜作为倒模模板；
步骤S4：在倒模模板表面旋涂PDMS预聚物及固化剂；
步骤S5：平放于烧杯内，在超声波清洗仪中进行超声除气泡；
步骤S6：取出超声处理后的倒模模板，放置于真空烘干箱内烘干固化；
步骤S7：取出烘干固化处理后的倒模模板，裁剪并放置于溅射镀铜机内，采用涂层镀铜工艺在其表面沉积铜层；
步骤S8：将导电胶带粘贴在沉积铜层后的倒模模板两侧的非敏感区域；
步骤S9：在导电胶带两侧均匀涂抹银浆并将其放在烘干机上进行烘干固化；
步骤S10：取出烘干固化处理后的倒模模板，将硅胶薄片加装在其上下表面；
步骤S11：利用Pi膜对加装完硅胶薄片的倒模模板的表面进行封装，即得。
3.根据权利要求2所述的一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，其特征在于：步骤S2中，PET薄膜与环氧树脂AB胶的质量比为3:1，干燥固化的温度为70-90℃，时间为2.5-3.5小时。
4.根据权利要求2所述的一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，其特征在于：步骤S4中，倒模模板与PDMS预聚物的质量比为9:1，步骤S6中，干燥固化的温度为60-70℃，时间为2.5-3.5小时。
5.根据权利要求2所述的一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，其特征在于：步骤S7中，裁剪成长20mm、宽12mm、高2mm，铜层的厚度为100-130nm。
6.根据权利要求2所述的一种基于仿生力学传感器的播种检测系统，其特征在于：步骤S9中，烘干的温度为85-95℃。
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