CN202077389U - 谷物联合收割机清选损失检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型为一种谷物联合收割机清选损失检测装置，属于谷物联合收割机损失监测技术领域，主要用于联合收割机收获小麦、水稻、油菜等谷物时清选损失的测量。本实用新型在联合收割机振动清选筛尾部安装压电敏感元件，用来采集监测区域内清选筛尾部排出混合物的冲击信号，通过传感器信号调制电路将清选损失籽粒从其他杂余中识别出来，并以标准方波电压信号输出。二次仪表实时采集信号参数，根据事先建立的监测区域内籽粒量与清选损失籽粒量的关系模型进行运算，得出联合收割机田间正常作业时的清选损失量和清选损失率。本实用新型实现了清选损失的实时监测，提高了测量精度，可以为联合收割机自动控制系统提供清选损失信号。

Description

谷物联合收割机清选损失检测装置

技术领域

本实用新型属于谷物联合收割机损失监测技术领域，具体涉及一种谷物联合收割机清选损失实时监测装置。 

背景技术

目前联合收割机清选装置主要采用的是风筛式结构形式，它主要是由风机和振动清选筛组成。联合收割机滚筒脱出混合物在风机产生的气流和清选筛的振动作用下实现籽粒和杂余的分离，其中籽粒透筛进入粮箱，杂余通过清选筛尾部排出，但是总会有少量的籽粒夹杂在杂余中，并从清选筛尾部排出造成清选损失。清选损失是联合收割机田间作业的主要损失之一，清选损失率则是衡量联合收割机作业性能的主要性能指标。目前，联合收割机清选损失的检测通常还是采用人工方法，即将清选筛尾部的排出物（包括籽粒、茎秆、轻杂余等）收集起来进行人工清选分离，得到损失的籽粒量。这种方法工作量大，工作强度高，耗费时间长，不能实现清选损失的实时监测。联合收割机田间作业时，主要还依赖操作人员的经验，根据田间作物的长势情况，对联合收割机工作参数进行主观调整，很难保证作业性能和质量，可见，清选损失的实时监测已成为联合收割机发展亟待解决的难题，迄今为止，我国尚未见性能稳定的清选损失实时监测的方法与装置的报道。 

发明内容

本实用新型是为了解决联合收割机田间正常作业时清选损失准确实时监测的难题，可以为操作人员提供联合收割机实时清选损失情况，以保证作业质量，提高作业效率，并可以为联合收割机自动控制系统提供清选损失监测信号。为了达到上述目的，本实用新型采用的技术方案是： 

在联合收割机清选筛尾部安装敏感元件，敏感元件监测落在敏感元件区域内的籽粒和杂余信号，将籽粒和杂余信号传输到信号调制电路，信号调制电路区分出籽粒信号，将籽粒信号传输到二次仪表，二次仪表实时采集传感器监测的籽粒信号、籽粒流量以及联合收割机清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度等参数信息，根据监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学模型计算得到联合收割机田间正常作业时的实时清选损失量和清选损失率。

上述方法具体是： 

在联合收割机振动筛尾部安装支架一和支架二，监测传感器的敏感元件固定安装在支架二上，并且在敏感元件与支架二之间加装柔性减震阻尼片，当清选筛尾部排出的籽粒和杂余冲击到敏感元件上时，产生电荷信号，传感器通过信号调制电路将籽粒从杂余中区分出来，并输出标准方波信号给二次仪表，二次仪表以单片机为核心，通过高速计数器计算传感器输出的方波信号个数得到冲击到传感器上的籽粒数量，二次仪表能够实时采集籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度等参数，根据建立的监测区域内籽粒量与清选损失量的数学模型，计算联合收割机田间正常作业时的实时清选损失量和清选损失率，计算结果可以通过二次仪表显示和通讯输出。

所述的敏感元件监测区域内籽粒量与清选损失量的数学模型是在风筛式清选装置试验台上通过台架试验建立，在不同作物喂入量、风机转速、出风口角度、清选筛振动频率、振幅等参数条件下，将清选筛尾部排出的籽粒和杂余下落区间分为矩形网格化小区域，收集各个小区域内的籽粒和杂余，人工清选出各个小区域内包含的籽粒，得到籽粒在清选筛尾部排出的分布规律，建立敏感元件监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学模型，试验台架采用与相应联合收割机清选装置相同结构参数。 

本实用新型的装置包括螺栓一、螺栓二、支架一、敏感元件、柔性减震阻尼片、信号调制电路、二次仪表；支架一通过螺栓一固定在清选筛的尾端，支架二通过螺栓二与支架一固定连接，敏感元件设于支架二上，敏感元件数量为2-4块，敏感元件与支架二之间加装柔性减震阻尼片，螺栓二通过调节支架一与支架二之间的位置调节敏感元件与清选筛的轴向位置和安装角度，敏感元件与信号调制电路、 二次仪表依次连接。 

所述的敏感元件与清选筛之间的轴向位置调节范围100-600mm和安装角度调节范围0-60°，以保证收获水稻、小麦、油菜等不同作物时，敏感元件能够有效监测到清选筛尾部的籽粒信号。 

所述的敏感元件可采用PVDF压电薄膜、压电陶瓷等材料等压电类材料，敏感元件在支架二上的安装数量可以为2-4块，每块的长宽尺寸在100－300mm，每片敏感元件（10）由4-24片矩形PVDF压电薄膜阵列式排布构成，PVDF压电薄膜厚度30-100μm，当敏感元件受到机架振动影响以及清选筛尾部分离出的籽粒和其他杂余的冲击后将产生电荷信号。 

所述的柔性减震阻尼片可以是低密度海绵或橡胶等减震材料，主要用于将清选筛引起的敏感元件刚性冲击变为柔性冲击，以减小振动干扰信号。 

所述的传感器信号调制电路依次由：电荷放大器、鉴频器、绝对值峰值检波放大器、包络线检波器、电压比较器和整波电路等组成。 

电荷放大器：由于敏感元件输出的是电荷信号，不能直接进行测量，需要通过电荷放大器将其转换为电压信号。 

鉴频器：敏感元件的振动和籽粒冲击产生的信号频率不同，通过鉴频器可以减小振动的影响。根据联合收割机工作参数和收获作物的不同，鉴频器的阈值频率可以调节。 

绝对值峰值检波放大器：籽粒冲击到敏感元件上具有随机性，冲击角度、速度以及位置的不同，产生电压信号的峰值可能为正值，也可能为负值，通过绝对值峰值检波放大器可以获取籽粒冲击信号的绝对峰值，以提高监测精度。 

包络线检波器：敏感元件通常为弹性体，受到冲击后会产生谐振，通过包络线检波器可以得到一次冲击振动信号的包络线，消除谐振波信号的干扰。 

电压比较器：由于籽粒的密度和硬度通常大于其他杂余，其冲击到敏感元件上产生的电压信号的峰值也较大，针对不同作物籽粒冲击信号的特点，设定合适的电压比较器阈值，可以将籽粒冲击信号和和其他杂余冲击信号有效区分，提高籽粒计数准确性。 

整波电路：将电压比较器输出信号调整为幅值和宽度一致的方波电压信号，并输出给二次仪表，根据收获作物要求的不同，方波的幅值和宽度可调。 

所述的二次仪表主要实现方波信号计数、联合收割机工作参数采集和检测数学模型运算，能够实时显示清选损失总量和清选损失率计算结果，并能够将计算结果以通讯形式输出。 

实时采集的联合收割机工作参数包括籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度、风机转速、出风口角度等参数，并根据联合收割机的割幅、作物的产量等信息计算联合收割机的谷物喂入速度，为建立清选损失数学模型提供参数。二次仪表通过高速计数器记录传感器输出的方波个数，并根据所建立的数学模型计算清选损失总量和实时清选损失率。计算结果的输出可以是RS232、485或其它总线形式。 

本实用新型取得的效果：本实用新型以传感器技术与计算机技术为基础，以科学的数学模型为指导，实现了清选损失总量和清选损失率的实时监测，改变了传统人工测试清选损失的方法，节约了人力、物力，实现了清选损失监测实时性，提高了测量精度。本实用新型可以为操作人员提供联合收割机工作过程中实时夹带损失的状况，为联合收割机工作参数的调整提供依据，可以为联合收割机工作参数的自动调控系统提供清选损失信号，以提高作业性能和工作效率。 

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。 

图1是敏感元件在清选筛尾部安装位置的结构示意主视图。 

图2是敏感元件在清选筛尾部安装位置的结构示意俯视图。 

图3是传感器信号调制电路原理图。 

图4是二次仪表工作原理图。 

图中：1抖动板 2风机 3吊杆一 4清选筛 5吊杆二 6螺栓一 7螺栓二 8支架一 9螺栓三 10敏感元件 11柔性减震阻尼片 12支架二 13信号调制电路 14二次仪表。 

具体实施方式

结合图1、2。支架一8通过螺栓一6固定安装在清选筛4的尾部出草口下方，支架一8和支架二12通过螺栓二7固定连接，敏感元件10通过螺栓三9固定在支架二12上，敏感元件10与支架二13之间加装柔性减震阻尼片11。 

柔性减震阻尼片11可以选用低密度海绵或橡胶等减震材料，主要用于将清选筛4引起的敏感元件10刚性冲击变为柔性冲击，以减小振动干扰信号。 

改变螺栓二7在支架一8和支架二12上的安装位置，可以调节敏感元件10与清选筛4的轴向位置和安装角度，轴向位置调节范围100-600mm和安装角度调节范围0-60°，安装在支架二12上的敏感元件10数量可以为2-4片，相互之间的径向位置可以自由调节。 

敏感元件10形状为矩形，长度和宽度在100-300mm ；每片敏感元件10由4-24片矩形PVDF压电薄膜阵列式排布构成，PVDF压电薄膜厚度30-100μm。 

结合图4，传感器信号调制电路由电荷放大器、鉴频器、绝对值峰值检波放大器、包络线检波器、电压比较器和整波电路依次串联组成，将籽粒冲击敏感元件产生的电荷信号转换为标准方波电压信号。每片敏感元件10设计独立的信号调制电路。 

结合图5，二次仪表以单片机为核心，通过高速计数器对传感器信号调制电路输出的标准方波电压信号进行计数，得到传感器监测的籽粒数，实时监测籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度等参数，根据联合收割机的割幅、作物的产量等信息计算联合收割机的谷物喂入速度，并考虑风机转速和出风口角度对清选损失检测模型的影响，计算得到清选损失总量和实时清选损失率，并能够显示和通讯输出。 

下面结合实例做进一步的阐述： 

清选筛4通过吊杆一3 和吊杆二5悬挂在机架上作往复式振动，支架一8、支架二12以及敏感元件10随之作同频率振动，风机2安装在清选筛4的前下方，工作过程中，抖动板1将联合收割机滚筒脱出混合物输送到清选筛4上，在风机2产生的气流和清选筛4的振动作用下实现籽粒和杂余的分离，其中籽粒透筛进入粮箱，杂余通过清选筛4尾部排出，少量籽粒夹杂在杂余中从清选筛4尾端排出造成清选损失。

当从清选筛4尾部排出的籽粒和杂余冲击敏感元件10的表面时，敏感元件10产生压电信号，通过电荷放大器将其转换为电压信号，根据籽粒、杂余的冲击信号和联合收割机振动信号频率的不同，设定鉴频器参数，消除振动影响，通过绝对值峰值检波放大器和包络线检波器得到一次籽粒冲击振动信号的包络线，消除谐振波信号的干扰。由于籽粒的密度和硬度通常大于其他杂余，其冲击到敏感元件上产生的电压信号的峰值也较大，通过设定合适的电压比较器阈值，可以将籽粒冲击信号和和其他杂余冲击信号有效区分，最后通过整波电路调整输出信号的幅值和宽度，从而实现籽粒冲击一次，传感器信号调制电路13输出一个标准方波电压。 

通过清选台架试验，在不同作物喂入量、风机转速、出风口角度、清选筛振动频率、振幅等参数条件下，将清选筛4尾部排出的籽粒和杂余下落区间分为矩形网格化小区域，收集各个小区域内的籽粒和杂余，人工清选出各个小区域内包含的籽粒，得到籽粒在清选筛4尾部排出的分布规律，建立敏感元件10监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学模型，并将其输入二次仪表14的单片机中，工作过程中，二次仪表14实时监测籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度等参数，并根据建立的数学模型计算清选损失总量和实时清选损失率，结果可以实时显示，也可以通讯输出。 

联合收割机田间作业时，清选损失实时测量相对误差小于5%。 

Claims (6)

1.一种谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，包括螺栓一（6）、螺栓二（7）、支架一（8）、敏感元件（10）、柔性减震阻尼片（11）、信号调制电路（13）、二次仪表（14）；支架一（8）通过螺栓一（6）固定在清选筛（4）的尾端，支架二（12）通过螺栓二（7）与支架一（8）固定连接，敏感元件（10）设于支架二（12）上，敏感元件（10）数量为2-4块，敏感元件（10）与支架二（12）之间加装柔性减震阻尼片（11），螺栓二（7）通过调节支架一（8）与支架二（12）之间的位置调节敏感元件（10）与清选筛（4）的轴向位置和安装角度，敏感元件（10）与信号调制电路（13）、 二次仪表（14）依次连接。

2.根据权利要求1所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述敏感元件（10）形状为矩形，长度和宽度在100-300mm ；每片敏感元件（10）由4-24片矩形PVDF压电薄膜阵列式排布构成，PVDF压电薄膜厚度30-100μm。

3.根据权利要求1所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述敏感元件（10）形状为矩形，长度和宽度在100-300mm ；每片敏感元件（10）由4-24片矩形压电陶瓷阵列式排布构成。

4.根据权利要求1所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述调节敏感元件（10）的轴向位置调节范围100-600mm和安装角度调节范围0-60°。

5.根据权利要求1所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述信号调制电路（13）依次由电荷放大器、鉴频器、绝对值峰值检波放大器、包络线检波器、电压比较器和整波电路串联组成，敏感元件（10）监测到一次籽粒冲击，信号调制电路（13）输出一个标准方波电压信号。

6.根据权利要求1所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述二次仪表（14）以单片机为核心，通过高速计数器记录信号调制电路（13）输出的标准方波电压信号，并实时监测籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度参数，根据清选损失检测数学模型，实时计算得到清选损失总量和清选损失率，计算结果通过二次仪表（14）显示和通讯输出。

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