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第 30 卷 第 15 期 农 业 工 程 学 报 Vol.30 No.15 222 2014 年 8 月 Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering Aug. 2014 冲量式谷物流量传感器测产信号处理方法 魏新华 1，张进敏1，但志敏1，刘成良2 （1. 江苏大学现代农业装备与技术教育部重点实验室，镇江 212013； 2. 上海交通大学机械与动力学院，上海 200240） 摘 要：为研究冲量式谷物流量传感器背景振动噪声的提取及剔除方法，以减小背景振动噪声对其测产精度的影 响，设计了一套冲量式谷物流量传感器室内标定台架，通过变频调速器控制驱动电机实现输粮搅龙和刮板升运器 转速的改变以模拟联合收割机的不同田间工况，并对双板差分冲量式谷物流量传感器的测产信号处理方法进行了 研究。通过算术均值滤波初步滤除测量板和参考板输出信号中的随机噪声，通过对参考板滤波输出信号的离散傅 里叶变换（discrete Fourier transform, DFT）提取背景噪声的频谱特性，通过测量板和参考板 DFT 结果的频域差分 实现测量板输出信号中背景噪声的剔除， 对频域差分结果进行离散傅里叶逆变换 （inverse discrete Fourier transform, IDFT）即可得到剔除了背景振动噪声后的传感器输出信号，再对其进行二次算术均值滤波，即得到最终的测产输 出信号。通过室内台架标定，建立了谷物籽粒流量与测产输出信号和升运器速度之间的标定模型，并进行了室内 模拟测产试验。试验结果表明：谷物流量范围为 0.52.3 kg/s 时，在不同的变频调速器输出频率下，最大测产误 差不大于 3.1%，测产精度较高且比较稳定，频域差分处理方法能较好地实现双板差分冲量式谷物流量传感器背景 振动噪声的剔除。该研究可为冲量式谷物流量传感器测产系统的开发提供参考。 关键词：传感器；信号处理；谷物；测产；噪声提取；噪声剔除；频域差分 doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2014.15.029 中图分类号：S237 文献标志码：A 文章编号：1002-6819(2014)-15-0222-07 魏新华，张进敏，但志敏，等. 冲量式谷物流量传感器测产信号处理方法J. 农业工程学报，2014，30(15)： 222228. Wei Xinhua, Zhang Jinmin, Dan Zhimin, et al. Signal processing method of impact-based grain flow sensor for predicted yieldJ. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2014, 30(15): 222228. (in Chinese with English abstract) 0 引 言 精细农业通过获取农田内作物产量和影响作 物生长的环境因素的空间差异性信息，可对农田 内各小区域因地制宜、按需实施定位变量农作， 以提高农业投入的有效利用率，是大田农业的重 要发展方向1。谷物测产是实践精细农业的核心 内容之一2。目前的主要测产装置有射线式、光电 容积式、 称重式和冲量式等3-7。 在各类测产装置中， 冲量式谷物流量传感器因其安装方便、造价低廉、 工作可靠且安全无污染等特点而成为国内外的研 究热点2,8-11； 但其工作性能受联合收割机机体振动 等背景噪声的影响较大，测产精度较难提高12-13。 Reyniers 等14对常规低通滤波器和一种基于机 收稿日期：2013-12-05 修订日期：2014-06-28 基 金 项目 ：国家 高 技术 研究发 展 计划 （863 计 划 ）资 助项 目 （2013AA102307）和江苏高校优势学科建设工程资助项目（苏财教 （2011）8 号） 作者简介：魏新华（1972） ，博士，研究员，博士生导师。主要从事 农业装备智能控制和精确变量高效施药技术研究。镇江 江苏大学现代 农业装备与技术教育部重点实验室，212013。Email：wei_xh 组动力学特性的动力学滤波器对测产精度的提高 效果进行了比较测试。张凤传等15设计了一种积分 抑噪电路以消除测产传感器输出信号中的高频振 动噪声，实际测产的相对误差为 6%。周竣等16-18 设计了一种自适应陷波滤波器以消除测产传感器 工作环境中存在的非稳定低频振动干扰，田间测产 误差为 10%。以上方法在一定程度上提高了冲量式 谷物流量传感器的测产精度，但在田间变化工况下 的滤波效果还有待于进一步提高。 胡均万等19-20设计了一种双板差分冲量式谷 物流量传感器，并通过时域差分从测量板输出信号 中消除参考板感应到的机体振动噪声，田间实际测 量误差不大于 5%；丛秉华等21设计了一种双平行 梁谷物流量传感器，依据升运器转速提取两个平行 梁输出信号中的谷物冲击谐波信号，并以处理后的 参考平行梁信号自适应对消测量平行梁信号中的机 身振动噪声。以上方法能较好地分离出背景噪声信 号，但由于测量信号与参考信号的同步性难以保证， 制约了传感器测产精度和稳定性的进一步提高。 本文拟采用频域信号处理方法，对冲量式谷物 第 15 期 魏新华等：冲量式谷物流量传感器测产信号处理方法 223 流量传感器的背景噪声信号提取及剔除方法进行 探讨，以进一步提高其测产精度和稳定性。 1 试验装置 1.1 冲量式谷物流量传感器 冲量式谷物流量传感器采用双板差分冲量式 谷物流量传感器22，其结构如图 1 所示。测量板与 参考板结构相同且相互平行布置，振动模态基本相 同。参考板专用于感应机体振动，测量板则同时承 受机体振动和谷物冲击，两板信号经各自调理电路 调理后分别输出。 1. 测量板 2.参考板 3.应变电桥 1. Measuring plate 2. Reference plate 3. Strain bridge 图 1 双板差分冲量式谷物流量传感器 Fig.1 Dual-plate differential impact-based grain flow sensor 1.2 室内标定试验台架 冲量式谷物流量传感器室内标定试验台架如 图 2 所示。 1.冲量式谷物流量传感器；2.接粮仓；3.重量传感器；4.三相交流电机； 5.搅龙；6.台架；7.插板；8.入粮仓；9.刮板升运器；10.升运器转速传感器 1.Impact-based grain flow sensor; 2.Grain receiving bin; 3.Weight sensor; 4.Three-phase AC asynchronous motor; 5. Grain conveying auger; 6. Frame; 7. Spile plate; 8. Grain supplying bin; 9. Drag-flight elevator; 10. Revolution speed transducer 图 2 冲量式谷物流量传感器室内标定试验台架 Fig.2 Indoor calibration test bench of impact-based grain flow sensor 在三相交流电机的驱动下，搅龙将从入粮仓中 漏下的谷物籽粒输送到刮板升运器，再由刮板升运 器将其提升并抛撒到接粮仓中，以模仿籽粒在联合 收割机内的输运过程；调节插板开度可改变谷物籽 粒流量，调节电机转速可改变谷物籽粒的升运速 度，并产生不同的背景振动噪声，以模拟联合收割 机的不同田间工况22。 升运器转速传感器采用霍尔式接近开关，通过 链轮齿检测进行计频测量，其脉冲输出信号经信号 调理后，由研华（中国）的产品 PCI-1780U 定时/ 计数器卡进行计频测速；测量板输出信号、参考板 输出信号和 3 路入粮仓质量传感器输出信号经各自 的信号调理电路调理后，由研华 PCI-1710U 多功能 数据采集卡进行采集；通过 RS232 接口，工控机可 控制变频调速器调节三相交流电机的转速。试验应 用程序采用 LabVIEW 开发而成，可进行测量板和参 考板输出信号的同步采集、记录和分析，可采集并记 录入粮仓质量和升运器转速信息的变化， 并可调节变 频调速器的输出频率及各信号的采样频率23-25。 2 测产信号采集及处理 2.1 信号采集 联合收割机常用发动机的额定转速一般为 2200 r/min 左右，考虑到传动机构中的链传动噪声 及机体高频谐振，测量板和参考板输出信号的采样 频率确定为 3 kHz；考虑到田间测产的空间分辨率 要求及联合收割机的作业速度，入粮仓质量信息的 采样频率确定为 40 Hz，经过算术均值滤波，质量 信息的更新频率确定为 4 Hz； 升运器转速的采样频 率相应地确定为 0.25 s。 在不放入谷物的情况下，让试验台空载运行， 调节测量板和参考板信号调理电路，使两者的输出 信号（即背景振动噪声）幅度基本一致。 图 3 电机电源频率 50 Hz 时同步采集到的测量板和参考板 输出信号 Fig.3 Output signals of measuring plate and reference plate acquired synchronously under 50 Hz power frequency 调节变频调速器的输出频率，以模拟联合收割 机的不同作业速度，并产生不同的背景振动噪声； 在入粮仓中放入谷物，调节插板开度，以模拟不同 的作物产量；同步采集并记录测量板和参考板的输 出信号，以及入粮仓质量信息和升运器转速的变 农业工程学报 2014 年 224 化。 试验台空载运行， 变频调速器输出频率为 50 Hz 时，同步采集到的测量板和参考板输出信号如图 3 所示。由图 3 可知，双板差分冲量式谷物流量传感 器的测量板和参考板输出信号中都含有较多的背 景振动噪声和随机噪声。 2.2 信号预处理 为消除测量板和参考板输出信号中的随机噪 声，对其分别进行算术均值滤波，每 10 个采样值 求一次平均并输出 1 个测量值，即每 10 个点进行 一次算数平均，测量板和参考板输出信号的检测频 率也相应地降为 300 Hz。图 3 所示测量板和参考板 输出信号经算术均值滤波后的输出信号如图4所示。 图 4 测量板和参考板输出信号的算术均值滤波效果 Fig.4 Effect of mean filtering for output signals of measuring plate and reference plate 由图 4 可知，经算术均值滤波后，测量板和参 考板输出信号中的随机噪声已大为减少，两信号的 变化趋势基本一致，但并不完全同步。 2.3 背景噪声提取及剔除 对图 4 所示测量板和参考板滤波输出信号进行 时域差分 （即两信号的对应时刻点信号值相减） 11， 结果如图 5 所示。 试验台空载运行时，测量板和参考板输出信号 都是背景噪声，经差分后结果应接近于零。但如图 5 所示，由于测量板和参考板的滤波输出信号不完 全同步，时域差分结果信号的变化幅度仍然较大， 背景振动噪声的剔除效果不够理想。 图 5 测量板和参考板滤波输出信号的时域差分结果 Fig.5 Time-domain differential results between filtered signals of measuring plate and reference plate 对图 4 所示测量板和参考板滤波输出信号分别 进行 300 点离散傅立叶变换 DFT（discrete Fourier transform）；然后对两信号的 DFT 结果进行频域差 分（相同频率点的幅值对应相减）；再对频域差分 结果进行 300 点离散傅立叶反变换 IDFT（inverse discrete Fourier transform），结果如图 6 所示。 对图 5 所示时域差分输出信号进行统计分析， 得信号均值为 0.119 V、信号标准差为 0.082 V；对 图 6 所示频域差分输出信号进行统计分析，得信号 均值为 0.119 V、信号标准差为 0.047 V，通过比较 信号标准差可以获知，频域差分结果信号比时域差 分结果信号波动幅度小，频域差分对背景振动噪声 的剔除效果比时域差分好。 图 6 测量板和参考板滤波输出信号频域差分结果 Fig.6 Frequency-domain differential results between filtered signals of measuring plate and reference plate 由图 6 可见，频域差分结果信号中的噪声已比 较微弱，证明测量板和参考板背景振动噪声具有基 本相同的频谱分量。所以可通过对参考板滤波输出 信号的 DFT，提取背景振动噪声的频谱特性；通过 对测量板和参考板滤波输出信号 DFT 结果的频域 差分实现测量板滤波输出信号中背景振动噪声的 剔除；对频域差分结果进行 IDFT，即可获得剔除 了背景振动噪声后的传感器输出信号。背景噪声提 取及剔除过程如图 7 所示。 图 7 双板差分冲量式谷物流量传感器背景噪声的提取及 剔除过程 Fig.7 Extraction and rejection process of background noise from output signal of dual-plate differential impact-based grain flow sensor 第 15 期 魏新华等：冲量式谷物流量传感器测产信号处理方法 225 试验台空载运行，变频调速器输出频率分别稳 定在 20 和 35 Hz 时， 按图 7 所示流程得到的传感器 输出信号分别如图 8a、b 所示。综合图 6 和图 8 可 知，频域差分处理方法在联合收割机不同工况下对 测产传感器背景振动噪声的剔除效果比较稳定。 a. 20 Hz b. 35 Hz 图 8 试验台空载、不同变频调速器输出频率工况下，频域 差分处理方法对测产传感器背景噪声的剔除效果 Fig.8 Frequency-domain differential processing effects for background noise rejection of grain flow sensor under different power frequency in no-load condition 2.4 二次算术均值滤波 在满足田间测产空间分辨率要求的前提下，为 进一步消减传感器输出信号中的背景噪声，并与入 粮仓质量信息和升运器转速的检测频率相匹配，对 传感器输出信号进行第二次算术均值滤波，每 75 个传感器输出信号值求一次平均并输出 1 个测量 值，并将二次算术均值滤波的输出作为最终的测产 输出信号，其信号频率为 4 Hz。 2.5 传感器零点校准 对图 6 和图 8 所示信号进行二次算术均值滤 波，所得测产输出信号的均值为 0.119 V、信号标 准差为 0.009 V，背景噪声已比较微弱。所以，从 测产输出信号中减去 0.119 V，即可实现传感器的 零点校准。 3 传感器室内台架标定 升运器刮板最大线速度 30 nr v = （1） 式中：v为升运器线速度，m/s；n为升运器转速， r/min；r 为刮板升运器半径，0.0087 m 先后将变频调速器的输出频率分别设定为20、 30、40和50 Hz，调节插板开度分别得到大小不同 的5个等级的籽粒流量；在各个工况下，待试验台 运行平稳后，同步采集并保存测产输出信号、入粮 仓质量变化信号和升运器转速信号；连续采集 3 min，分别计算并保存各信号在3 min之内的平均 值；每个工况下的标定试验重复进行3次，对各信 号的3次所得值再求平均，并作为最终的测产传感 器标定数据，结果如表1所示，标定曲线如图9所 示，对应的标定方程为： 332 222 33.3850.3318.891 0.91946.9820.565 7.814.1070.3120.867 Quvu v v uuv uvuv = + + + （2） 式中：Q 为谷物籽粒流量，kg/s；u为测产输出信 号，V；v 为升运器线速度，m/s。决定系数 R2为 0.987，最大相对拟合误差17.3%。 表 1 测产传感器室内台架标定试验结果 Table 1 Calibration results of the grain flow sensor 序号 Serial number 电动机 工作频率 Power frequency /Hz 升运器线速度 Linear velocity of the elevator / (ms-1) 谷物籽 粒流量 Grain flow rate /(kgs-1) 测产输出信号 Yield signal of the grain flow sensor/V 1 0.3589 0.4755 2 0.6017 0.5130 3 1.0721 0.5628 4 1.2213 0.5940 5 20 0.56 1.6352 0.6153 1 0.2052 0.5220 2 0.8610 0.5958 3 1.2514 0.6351 4 1.6019 0.6741 5 30 0.84 2.0920 0.7650 1 0.3897 0.6090 2 1.2731 0.6996 3 1.5800 0.7270 4 2.0520 0.8043 5 40 1.12 2.2717 0.9270 1 0.2861 0.6660 2 1.1500 0.7407 3 1.7400 0.8180 4 2.0000 0.8630 5 50 1.4 2.2191 0.9753 图 9 测产传感器标定曲线 Fig.9 Calibration curve of grain flow sensor 农业工程学报 2014 年 226 联合收割机刮板升运器的额定转速一般为 500 r/min左右， 且联合收割机在正常工况下都是接 近于满负荷运转，只有在发生堵塞故障时转速才会 大幅度降低；而小麦和水稻的产量一般都集中在 3 00012 000 kg/hm2，特高产和特低产田都很少 见。剔除0.56 m/s的小转速工况和0.5 kg/s以下的 小流量工况时，标定方程（2）的最大相对误差为 2.56%，可满足实际的应用需求。 4 室内模拟测产试验 与传感器室内台架标定试验方法相同，将变频 调速器的输出频率先后设定为37和45 Hz； 改变插 板开度以得到不同谷物籽粒流量；同步采集测产输 出信号、入粮仓质量变化信号和升运器转速信号； 根据所得测产输出信号和升运器转速，按标定方程 （2）计算各工况下的谷物籽粒流量及检测误差，结 果如表2所示。 表 2 室内测产试验结果 Table 2 Results of indoor yield testing 序号 Serial number 电动机 工作频率 Power frequency /Hz 升运器线 速度 Linear velocity of the elevator/ (ms-1) 测产输出 信号 The Yield signal of the grain flow sensor /V 实测谷物 籽粒流量 Actual grain flow rate/ (kgs-1) 计算谷物 籽粒流量 Calculated grain flow rat / (kgs-1) 相对 误差 Relative error/% 1 0.64160.9 0.919 2.13 2 0.7 1.42 1.45 2.22 3 0.759 1.9213 1.89 -1.47 4 37 1.04 0.88932.27 2.32 -2.27 1 0.69070.906 0.934 3.1 2 0.77011.632 1.65 1.2 3 0.82011.931 1.99 2.91 4 45 1.26 0.947 2.29 2.24 -2.03 由表2可知，室内模拟测产试验的最大相对误 差为3.1%， 说明频域差分处理方法能够有效剔除背 景振动噪声对双板差分冲量式谷物流量传感器输 出信号的影响，测产精度较高。 5 结 论 1）双板差分冲量式谷物流量传感器的测量板 和参考板感应到的背景振动噪声信号具有基本相 同的频谱分量。 2）可通过对参考板输出信号的离散傅里叶变 换（DFT），实现背景振动噪声频谱特性的提取； 通过测量板输出信号DFT结果与参考板输出信号 DFT结果的频域差分， 实现测量板输出信号中背景 振动噪声的剔除。 3）频域差分处理方法对双板差分冲量式谷物 流量传感器背景振动噪声的剔除效果较好，在谷物 流量范围为0.92.3 kg/s时，室内模拟测产误差不 超过3.1%， 且在工况变化时能够保持测产精度的稳 定。该方法可为冲量式谷物流量传感器测产系统的 开发奠定理论基础。 参 考 文 献 1 汪懋华“精细农业”发展与工程技术创新J. 农业 工程学报，1999，15(1)：18. 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Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. School of Mechanical Engineering, Shanghai Jiaotong University, Shanghai 200240, China) Abstract: Background vibration noise of combine harvester has a significant influence on measuring accuracy of impact-based grain flow sensor. An indoor calibration test bench of impact-based grain flow sensor was developed to study extraction and rejection methods of the background vibration noise from output signal of impact-based grain flow sensor. The test bench was mainly composed of a grain supplying bin, a grain conveying auger, a drag-flight elevator and a grain receiving bin. The auger and the elevator were driven by a three-phase AC asynchronous motor. Grain flow rate was regulated by a spile plate which was mounted at the bottom of the grain supplying bin. Actual grain flow rate was measured with three weight sensors which were mounted between the grain supplying bin and the frame. Revolution speed of the elevator was measured with a revolution speed transducer. Different field working conditions of combine harvester were simulated by adjusting power frequency of the driving motor with a variable frequency generator. A dual-plate differential impact-based grain flow sensor was used in the study which consisted of a measuring plate, a reference plate and 2 strain bridges. The measuring plate accepted impact of the grain flow, and the reference plate sensed background vibration of combine harvester. The measuring plate and the reference plate had a same structure and were parallel mounted to make them have an approximately same mode of vibration. An industrial control system was used to control the variable frequency