（农业电气化与自动化专业论文）联合收割机谷物含水率在线测量技术研究.pdf

摘要 为了开发国产谷物联合收割机的测产系统，推动“精细农业”在国内的发展，中国农业大学“精 细农业研究中心”于2 0 0 1 年承担了“联合收割机谷物流量监测与分布图记录系统开发”的课题。 旨在收害- u d , 麦时，实时测量谷物产量、小区位置和面积等，便于进行农作管理的科学决策。该测 产课题即包含了谷物含水量的在线测量技术与装置开发研究，以用于修正产量数据。 本文综述了国内外测量谷物含水率的多种方法，通过综合分析比较，选择采用电容法进行谷 物含水率在线测量技术的研究，并设计了一套实现在线测量的机械装置和控制系统。在消化吸收 引进的谷物含水率传感器的基础上，根据课题组设计的监视器的信号输入要求，设计了传感器信 号后处理电路。探讨和分析了电容传感器的原理及影响测量结果的因素，采取三种不同方法进行 了电容传感器电路设计的比较研究，选定以c a v 4 2 4 为核心芯片开发了谷物含水率传感器。 通过模拟试验和田间试验检验，该技术成果融合国外引进的传感器可测量谷物含水率的范围 是8 3 4 ，误差在1 个百分点以内。应用自主开发的传感器测量范围为1 0 2 5 ，误差在2 个百分点以内。历时2 8 秒左右取样通道完成一次谷物更新。进行了连续4 天( 6 月11 日6 月1 4 日) 的田间试验，整套系统都能正常工作。试验表明，自主研发的联合收割机自动测产系统谷物含 水率在线测量装置是成功的，具有较好的推广前景。 关键词：谷物含水率在线测量，电容传感器，c a v 4 2 4 a b s t r a c t i no r d e rt o d e v e l o p a y i e l d m e a s u r e m e n ts y s t e mo rc o m b i n eh a r v e s t e ra n dp r o m o t et h e d e v e l o p m e n to fp r e c i s i o na g r i c u l t u r e ，、r e s e a r c hc e n t e rf o rp r e c i s i o na g d c u l t u r eo fc h i n aa g d c u l t u r a l u n i v e r s i t y h a sb e e nw o r k i n go nt h er e s e a r c ho f t h ed e v e l o p m e n to fg r a i n y i e l dm o n i t o r i n ga n d m a p p i n gs y s t e mo uc o m b i n eh a r v e s t e r s i n c e2 0 0 1 t h ea i mi st om e a s u r i n gg r a i ny i e l d ，l o c a t i o no f f i e l d s ，a r e ae t c d y n a m i c a l l y d u r i n gh a r v e s t i n g t h e n s c i e n t i f i c d e c i s i o n m a k i n g o n f a r m i n g m a n a g e m e n tc a nb em a d e t h et a s kc o m p r i s e sg r a i nm o i s t u r er e a lt i m em e a s u r e m e n tf o rc o r r e c t i n g y i e l dd a t a t h et h e s i sr e v i e w e dm a n ym e t h o d st om e a s u r eg r a i nm o i s t u r e t h r o u g hs y n t h e t i c a lc o m p a r ea n d a n a l y s i s ，t h ea u t h o rd e c i d e dt or e a l i z eg r a i nm o i s t u r er e a lt i t u em e a s u r e m e n tb ym e a n so fc a p a c i t a n c e m e t h o d as u i to fm a c h i n e r ye q u i p m e n t sa n dc o n t r o ls y s t e mt or e a l i z ec o n t i n u o u sm e a s u r e m e n th a s b e e nd e v e l o p e d a c c o r d i n gt h er e s u l t so fs i g n a lt e s to fi m p o r t e ds e n s o ra n dt h er e q u i r e m e n to fm o n i t o r d e s i g n e db yt a s kt e a m ，t h es e n s o rs i g n a lp r o c e s sc i r c u i tw a sd e s i g n e d t h em e a s u r i n gt h e o r yo f c a p a c i t o rs e n s o ra n dt h ef a c t o r st h a ta f f e c t i n gm e a s u r i n gr e s u l th a v eb e e ne x p l o r e da n da n a l y z e d t h e c i r c u i th a sb e e nd e s i g n e di nt h r e em e t h o d s a f t e rc o m p a r i n ga n da n a l y s i s ，t h em e t h o do fu s i n gc a v 4 2 4 a sak e yc o m p o n e n tt od e s i g nt h es e n s o rh a sb e e nc h o s e n t h r o u g hl o t so fs i m u l a t i v et e s t sa n df i e l dt e s t s ，t h ec o n c l u s i o nc a nb em a d et h a tt h et e c h n i q u eo f i m p o r t e ds e n s o rc a nl n e f l s a r eg r a i nm o i s t u r ei nt h er a n g eo f8 - - - 3 4 w i t ha ne l t o ro fo - ip e r c e n t a g e t h es e n s o rd e s i g n e db ya u t h o rc a nm e a s u r eg r a i nm o i s t u r ei nt h er a n g eo f1 0 , r - 2 5 w i t ha ne r r o ro f 0 2p e r c e n t a g e f i n i s h i n go n et i m eo fg r a i nr e n e w i n gi ns a m p l i n gc h a n n e ln e e d sa b o u t2 8s e c o n d s c o n s e c u t i v ee x p e r i m e n t sh a sb e e nd o n ef o r4d a y s ( j u n e1l t h j u n e1 4 t h ) a n da l lt h es y s t e mr a nw e l l g e n e r a l l ys p e a k i n g , m e a s u r i n gg r a i nm o i s t u r er e a lt i m ec a r lb er e a l i z e da n dt h et e c h n i q u eh a sg o o d e x t e n d i n gp r o s p e c t k e yw o r d s ：g r a i nm o i s t u r er e a lt i m em e a s u r e m e n t ，c a p a c i t o rs e n s o r , c a v 4 2 4 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中国农业大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说弱并表示了谢意。 研究生签名 m _ f 1 ：加略聿g 月加日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以采用影印、缩印或扫描等复 制手段保存、汇编学位论文。同意中国农业大学可以用不同方式在不同媒体上发表、 传播学位论文的全部或部分内容。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名：方渤研时间：旃钿油 导师签名： 缘铎 时间：劾妙年月w 日 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 2 0 世纪9 0 年代以来，随着全球定位系统( g p s ) 、地理信息系统( g i s ) 、遥感技术( r s ) 、农业 应用电子技术和作物栽培有关模拟模型以及生产管理决策支持系统( d d s ) 技术研究的发展，“精细 农业”己成为主要发达国家面向2 1 世纪，为合理利用农业资源，提高农作物产量，降低生产成 本，改善生态环境的最富有吸引力的前沿性研究领域之一l l j 。精细农业被喻为是“信息时代作物 生产管理技术思想的革命”。“精细农业的实质是基于信息和知识来精细管理复杂的农业系统。它 首先要求尽可能应用先进的信息采集手段来快速、实时、较低成本地获取农田小区的作物产量、 品质等差异信息，以及影响作物生产的各种客观数据，从大量的数据中提取有助于农作管理科学 决策的信息，最后通过各种变量农作机械或人工调控管理等措施来达到预期的技术经济指标“l 。 “精细农作”技术思想的核心，是获取农田小区作物产量和影响作物生长的环境因素( 如土壤结构、 地形、植物营养、含水量、病虫草害等) 实际存在的空间和时间差异性信息，分析影n l 自d , 区产量差 异的原因，采取技术上可行、经济上有效的调控措施，区别对待，按需实施定位调控，即“处方 农作”。精细农业的技术思想示意图如图1 1 ： 图1 - 1 精细农业技术思想示意图 获取农作物小区产量信息，建立小区产量空间分布图，是实施“精细农作”的起点，它是作 物生长在众多环境因素和农田生产管理措施综合影响下的结果，是实现作物生产过程中科学调控 投入和制定管理决策措施的基础 3 1 。联合收割机( c o m b i n e ) 是现代农业的产物，在传统联合收割机 的基础上配备了一些传感器和测量装置，是实践精细农业的重要工具之一。国外先进的联合收割 机安装有测量产量和收割面积的系统，配备了用于采集、计算并统计产量数据的各种传感器。主 要的传感器有产量传感器、行驶速度和割幅传感器、净粮升运器轴转速传感器、割台高度传感器、 以及谷物含水率传感器。为了区别小区的位置，收割机还配备有全球定位系统( g p s ) 。这些传感 器测量的数据，经过专用计算机的处理，可以打印成彩色的小区产量分布图，为实施精细农作处 方和变量投入打下基础【4 l 。其中，产量数据是最基本也是最重要的数据，因而就涉及到测产系统 的开发研究问题。测量产量时，还得考虑谷物的谷物含水率问题，只有将收割到的谷物重量折算 中国农业大学硕士学位论文第一章绪论 成一个固定谷物含水率的谷物重量时，才有可比性，因而就涉及到了谷物含水率测量的问题。联 合收割机收获到的谷物的含水率是实时变化的，要计算单位面积的产量，就涉及到谷物含水率的 在线测量问题。 为了开发国产谷物联合收割机测产系统，推动“精细农业”在国内的发展，中国农业大学“精 细农业研究中心”自2 0 0 1 起，承担了国家“十五”重大攻关项目“联合收割机谷物流量监 测与分布图记录系统开发”课题。该测产课题旨在收割玉米、小麦等农地作物时，动态地测量出 谷物产量、水分、温度、所属土地的位置、面积( g p s 全球卫星定位技术) 等，并通过液晶显示， 在驾驶室里的工作人员可以实时监测到这些信号的变化，并可以保存和传送有关信息。该测产系 统的基本组成部分如图1 - 2 所示”】： 图1 - 2 测产系统组成部分框图 由图1 2 可以看出，系统包括了谷物含水率传感器，要求实现谷物含水率的在线测量，以便 将被测谷物重量，根据谷物含水率折算成为市场标准谷物含水率( 如1 5 ) 时的重量，在产量图上 有标准的分布状况。同时，采集了谷物含水率的数据。了解谷物的湿度状况，也是谷物存储和加 工的重要指标。因此，本文就承担了该测产课题中“谷物含水率在线测量技术研究”的任务。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 谷物含水率的测量方法 从谷物含水率的测量来看，最早的粮食水分测量是1 9 0 7 年由美国的b r o w n & d u b e l 提 出1 ，涉及到了将谷物浸在一定的加热液体( 如油) 中，水分从中蒸发出来的技术。传统的谷物含 水率测量是靠烘干称重法，即将一定的谷物含水率的谷物完全烘干后称量质量的损失，进而计算 出谷物含水率，这样测量起来很费时间，测量代价也比较高，而且只能取样检测，反应整体时难 免有失真状况。 至今，国内外对粮食水分测试的研究有了很快的发展，研制出了许多先进的粮食水分淫量设 备。测量谷物含水率的方法主要有：电阻法、卡尔菲休法、平衡相对湿度法、电容法、声学方法、 核磁共振法、红外测水法、微波方法、中子法等。譬如，电阻法的原理是粮食谷物含水率高低不 同时，其电导率也不相同。根据粮食谷物含水率和它的电导率之间一定的函数关系，测出放入传 感器中粮食的电阻值，从而得到粮食的含水量。这种测水仪线路简单，操作方便，但取样量小， 一般为单粒测量，代表性差，精度低。因此未被广泛采用。卡尔菲休法是指二氧化硫和吡啶存在 下，用无水甲醇提磨得很细的谷物中的水分，水分参与碘和弧硫酸的定量反应 j 。仪器通常由 k f ( k a r lf i s c h e r ) 实际滴定装置、稳压电源、微机等组成。此方法有严格的计量关系，理论上结果 2 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 较为准确，但试剂成本较高，可测样品量少，安装麻烦，且不能解决自动取样问题，不能用于在 线测量。微波方法的测量原理是”】：水在一定波长范围内能强烈吸收微波，透过物料的微波，其 功率的减弱( 或相位移) 与物料的水分是成正比关系的。根据此原理可建立微波衰减传感器，传感 器主要由微波功率发生器、微波传输波导谐振腔样品吸收池、监测器和微波功率计等部件构成。 由微波源发出的微波经非金属波导传输至谐振腔，被测物料连续流经该腔体，微波即因被物料中 水分强烈吸收而衰减( 或产生相位移) ，其衰减程度与水分浓度成正比，可由检测器或微波功率计 检测显示出来。微波衰减传感器在测量中主要受到两方面的干扰：一是被测物料的堆密度：二是 环境和物料的温度。低温度水分用微波透射技术测量，高浓度水分用反射技术测量。该技术比较 可靠，安全且防尘。缺点是测量时若谐振腔端口阻抗匹配不良，易引起驻波干扰。杭州自动化研 究所、成都电子科技大学等单位有这方面的测量仪。声学方法，谷粒在碰撞时，从碰撞表面会发 出声响，产生声信号，声信号与振动有关，而谷物的弹性和振动特性是随谷物含水率的变化而变 化的。因此，谷物含水率不同，谷物碰撞产生的声信号也就不同。根据这种原理，设计声学水分 测试仪。结果表明，在谷物含水率为1 0 1 8 范围内，声音强度与谷物含水率有较好的线性关 系p j 。电容法【1 ，电容传感器的电容c 与介质的介电常数、两极板的相对面积s 、砥极板间的距 离d 有关，四者之间有一定的函数关系，即c = f ( e ，s ，d ) 这样，只要固定其中两个参数，而让 另一个参数随被测物理量的改变而改变，便演变出三种电容传感器： ( 1 ) 变面积式电容传感器c = f ( s ) ( 2 ) 变间隙式电容传感器c = f ( d ) ( 3 ) 变介电常数式电容传感器c = ，1 ( 占) 在谷物含水率的测量中，可设计第( 3 ) 种电容传感器。因为完全干燥的粮食介电常数一般为2 3 ，水的介电常数可高达8 1 5 ，一定量的谷物的电容的大小主要取决于谷物含水率的高低。电容 式水分传感器以粮食作为介质，利用水的介电常数高于其他物料的特性而测定谷物含水率。传感 器电极一般有平板型和圆筒型等形式。近年来，也有采用微波和近红外传感器进行谷物含水率测 量的报道。 上述各种水分测试方法中，多数成本较高、结构复杂，或操作复杂，或不适于在线测试，有 些还处于研究试验阶段【l l 】。相比起来，电容式水分传感器的优点是简单、价廉、可靠、坚固，使 用得当可有很好的重复性和检测性”。而且，电容法测定水分的响应时间很短，适于在线测试， 谷物含水率速测仪和收割机上的谷物含水率传感器。目前多采用电容法进行研制。例如法国生产 的田间谷物及种子水分速测仪，通过改变标定因数可测量多达1 0 多种谷物和作物种子的谷物含 水率，采用的原理就是电容法。美国“c a s e 2 3 6 6 ”联合收割机上的在线谷物含水率传感器， 也是利用电容法的原理设计的。因此，综合考虑，本研究也决定采用电容法来研究和开发谷物含 水率传感器。 1 2 2 联合收割机谷物含水率在线测量研究现状 电容式谷物含水率传感器在我国的应用较广，但大都为取样测试，在线测试则很少，没有较 成熟的产品【”】，这与我国联合收割机测产系统的研究相比欧美相对滞后有关。欧美的测产系统研 究起步比较早，发展已经比较成熟。c a s e 公司开发的谷物联合收割机已经投入到了实际的农作 中国农业大学硕士学位论文 第一章绪论 当中若干年。c a s e 公司的联合收割机的谷物含水率在线测量装置也具有良好的工作性能，测量 谷物含水率一般可达到3 4 甚至更高，测量误差一般可控制在1 以内，2 0 秒左右即可完成一次 取样谷物的实时更新。但成品价格高昂，引进一台c a s e 的联合收割机包括测产系统装置，需1 8 万美元左右，在我国除了示范研究，还不适宜于应用推。谷物含水率在线测量装置价格也相对 高昂，单买一个谷物含水率传感器还不包括二次仪表以及取样传送装置都需要6 0 0 马克( 德国货 币) ，折合人民币约6 0 0 0 元左右。 我国在联合收割机谷物含水率在线测量的研究方面则起步较晚，一般还停留在技术研究阶段 ”“。目前，我国主要有两个课题组进行联合收割机测产系统的研究，一是本文作者所在的中国农 业大学精细农业研究中心进行的“联合收割机谷物流量监测与分布图记录系统开发”，谷物含水 率在线测量装置立足于自主开发：另一是中国科学院与上海交通大学合作进行的“谷物联合收割 机职能测产系统”的开发，其谷物含水率在线测量装置包括机械装置，控制系统以及谷物含水率 传感器都是从国外引进。 自主开发一套电容式的水分传感器加信号处理装置，设计一套谷物取样及回送装置，从而实 现谷物含水率的在线测量。可以预测，成本会远远低于从国# 1 - ；1 进的价格，同时也是测产系统自 主产权的需要。因此，进行谷物含水率在线测量技术研究，具有一定的现实意义。 1 3 本课题的主要研究目标和研究内容 研究目标： 能实现联合收割机上谷物含水率的在线测量并在监视器液晶屏上显示。谷物首次充满取样通 道时间3 0 秒左右，3 0 秒左右更新一次取样谷物。将国# 1 - 日1 进的传感器安装于系统，谷物含水率 的测量范围为8 3 4 ，误差控制在1 个百分点的范围内，温度测量范围为1 5 c 4 5 。c ，误差 也在1 以内；应用自主开发的传感器谷物含水率的测量范围为1 0 2 5 ，误差控制在2 个百 分点的范围内，温度测量范围为1 5 c 4 5 ，误差也在1 以内。 研究内容： 1 、设计联合收割机上谷物取样通道、排料机构、回送装置和控制系统，开发出成品，实现 谷物动态更新，满足在线测量的要求。 2 、针对引进的谷物含水率传感器进行研究，完成传感器的信号处理电路部分，以便和产量 监视器输入信号的要求配套。 3 、进行谷物含水率测量原理和测量方法的探讨，并根据谷物含水率在线测量的特点确定以 电容法开发传感器。对影响测量结果的介质损耗、物料温度、物料压实度等因素进行研究分析， 探索测量中振荡频率的控制和温度补偿等。 4 、实施三种方案进行谷物含水率传感器的电路设计：基于集成芯片c a v 4 2 4 为核心器件进 行电路设计，基于锁相环技术进行电路设计以及基于一般的l c 振荡电路进行电路设计。并根据 原理分析和试验情况对三种方案作出分析比较，并做出选择。 5 、进行静态试验、试验台上的模拟试验以及田间试验研究。 4 中国农业大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量机械装置和控制系统的研究设计 第二章谷物含水率在线测量机械装置和控制系统的研究设计 该研究的机械装置和控制系统主要是指实现谷物的动态测量所必备的外部设备，包括谷物取 样通道、料位传感器、螺旋输送器、导流板、驱动电视以及相应的控制电路等。谷物含水率传感 器能否实时检测到所收割谷物的谷物含水率，与这些外部设备有很重要的关系。 联合收割机收割谷物时，谷物通过滚筒切草脱粒后，经净粮升运器送往粮仓。为了满足谷物 的实时取样，在联合收割机的净粮升运器上，开一取样口，设计并安装一取样通道，谷物在升运 至粮仓的过程中，一部分将通过取样口灌入取样通道，取样通道上又安装谷物含水率传感器，当 谷物充满了传感器，便可进行数据测量。在传感器的上方安装料位传感器，随着谷物继续从进料 口灌入，料位上升到料位传感器的测定范围时，将触发料位传感器工作，导通驱动电机的连接电 路，驱动电机开始运转，进而带动螺旋输送器工作，通过出料口将取样通道里的谷物往净粮升运 器中回送。这又引起料位下降，下降到一定程度后，料位传感器信号停止，驱动电机停转，又会 有新的谷物充满谷物通道。这个过程周而复始，促使谷物不断更新，从而使安装的水分传感器能 实时检测到谷物含水率。 机械装置和控制系统设计框图如图2 1 所示，实物图如图2 - 2 所示。 匝巫匿卜匝圈 上l 1l 圆圈一匝圃 谷物取样是实现实时测量的第一步。针对不同的机型，取样通道可有不同的安装位置。早期 的c a s e 联合收割机安装在粮仓内螺旋输送器底下。它在螺旋输送器下方开口使一部分谷物自动 落入安装水分传感器的取样通道，并通过重力使谷物再落入粮仓。其优点是谷物的更新速率高， 并可免装取样通道排料电机。本研究针对的是国产“佳联1 0 6 5 ”型收割机，该收割机粮仓内 也装有螺旋输送器，但它为水平安装于粮仓底部，取样通道无法采用c u e 收割机的安装方式。 只能把旁路取样通道安装在净粮升运器侧面约1 4 1 3 处。此处便于安装和调试。检查和清理通 道中谷物时，可站立观测和操作，免除操作者爬上爬下收割机粮仓的不便。 国产1 0 6 5 型收割机净粮升运器宽度为2 5 0 m m ，其倾斜角度为7 0 。，通道内谷物的更新排 出可有两种方法，一为采用螺旋输送器强制排出，另一为采用转动的槽轮( 如播种器的排种轮) 将 中国农业大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量机械装置和控制系统的研究设计 谷物排出。螺旋输送器式拆卸方便，便于清理内部谷物和电容极板。排种轮式结构简单，耗用功 率小，是一种新的排出方案。我们采用前一种方式，为使螺旋输送器出口不偏出升运器边界，应 使出口正好落在升运器下降刮板处，螺旋输送器的轴不宜过长，定为2 0 0 m m ，其轴线与水平线的 夹角定为1 0 。这样可保证出口位置落在升运器下刮板范围内，又可避免使排出功率过大。谷物 取样通道的设计尺寸图如附录l 中附图1 1 所示，进料通道轴线与输送器轴线形成6 0 。的夹角，取 样通道的制作材料为1 1 2 m m 的钢板。 2 2 取样通道螺旋输送器的研究设计 为了把已测量过谷物含水率的谷物排出料口，回送到净粮升运器，需要9 b ) j l l 动力，需要设计 螺旋输送器。螺旋输送器的组成为：硬塑方形底座、金属螺旋、拨杆。 其工作方式为：金属螺旋焊接在直径1 6 m m 的钢管上，钢管的一头插在底座上( 可转动) ，另 一头焊有直径5 r a m 长度为2 6 r a m ( 其中1 0 m m 露在外面) 的拨杆，电机运转时，通过拨杆的传动带 动搅龙运转，从而螺旋式地将谷物推出出料口。搅龙的设计要计算好叶轮尺寸。 搅龙叶轮尺寸的计算： c = ( 廊) 2 + r 2 c ：= ) 2 + r 2 r = ，+ f d d ) 2 a o ：2 x r - c i 3 6 0 。 2 积 b c ， r = 一 c 1 一c ， b = d d 其中：c 为大圆周长；c ，为小圆周长；r 为大圆半径：，为小圆半径；口为开口角度；d 为叶片外径；d 螺旋输送器的轴径；t 为标准螺距。 根据取样通道断面的尺寸( 8 6 8 6 m m ) ，选定螺旋输送器的轴径为16 r a m ，叶片外径为7 0 m m ， 螺距按机床具有的标准螺距，取f = 4 8m m 。 将d = 7 0 m m ，d = 1 6 m m ，r = 4 8 m m 带入公式进行计算得到： c ，= 2 2 4 0 m m ；c ，= 6 9 5m m ；r = 1 2 4m m lr = 3 9 4m l f t i 口= 3 2 ”。 叶轮图外型和尺寸如图2 - 3 。 图2 - 3 螺旋搅龙的叶轮设计尺寸图 - 6 - 螺旋输送器外形及尺寸如图2 - 4 所示。 图2 - 4 螺旋输送器的的外形及尺寸圈 2 3 确定取样通道进料口和出料口尺寸的试验研究 谷物取样通道的进料口和出料口尺寸是有一定要求的，如果进料口过大，谷物大把流入，很 容易时时触发料位传感器动作，启动电机转动，则总是处于排料状态，不能真实地测量谷物含水 率：如果进料口过小，取样谷物就太少，测量值又不能实时跟踪实际收割到的谷物含水率。出料 口如果过过大，会让排出出料口速度过快，导致谷物料位下降过快，传感器也不能真实地测量谷 物含水率：因此要通过大量的试验和分析来确定好进料口和出料口的尺寸。 出料口尺寸最先定为6 8 2 5 m m 经试验发现，出口过窄，谷物不易排出，因螺旋片的挤压使 谷物形成硬块，迫使驱动电机堵转。发生保护熔丝熔断的后果。试验中，曾把熔丝由3 a ( 电机额 定电流) 增加到6 a ( 接近2 倍额定电流) ，仍照样熔断。试验分析后得知，是由于出口断面过窄所 致，后将出口断面增大到6 8 5 6 m m ，才能将谷物顺利排出，采用6 a 保护熔丝也可不熔断，因 此出口宽度应接近一个螺距的宽度较合适，以避免发生将谷物挤压成块的现象。 进料口宽度原定为高5 6m m 宽1 0m m ，根据排出口宽度过窄的经验，在安装取样通道前己预 先加宽到2 5m m ，宽度要宽于“c a s e2 3 6 6 ”的进料口。但从麦收试验中发现，该宽度还认为过窄， 使通道中更新的谷物过少，究其原因，是由于：( 1 ) “佳联一1 0 6 5 ”比“c a s e2 3 6 6 ”联合收割 机喂入量低。( 2 ) “佳联1 0 6 5 ”的净粮升运器外壳中间有一道凸边，约1 2 r a m ，因此使取样 通道与升运器间增加约2 0 r a m 的过度通道，这使升运器中的谷物难于进入取样通道，导致取料通 道中谷物的更新速率降低。 为提高进料速度，多次将进料口加大，在试验台进行试验，归纳结果如表2 - 1 所示 表2 - 1 进料口尺寸与进料速度对应关系 由试验数据可见，在一定宽度条件下，加大进料口高度可使进料速度提高较快。根据升运器 中国农业大学硕士学位论文 第二章谷物水分在线测量机械装置和控制系统的研究设计 尺寸和工作要求，进料口尺寸最终定为7 0 5 0 ( m m x r a m ) ，可在3 3 秒内把取样通道充满。取样通 道谷物排空时间为4 0 4 3 秒。驱动电机空载电流；o 7 6 o 7 8 a ；带载电流：1 8 5 2 0 9 a 。继电器 线圈j 2 延时断电时间为3 4 秒。 2 4 驱动电机的选择及其控制电路的研究设计 “佳联1 0 6 5 ”型收割机的电源为2 1 2 v 酸性蓄电池，而测产系统采取1 2 v 的电源，包括谷 物含水率传感器，也是采用1 2 v 的电源，为统一供电电源，本研究也采用1 2 v 的低速永磁电机。 该类电机多用于汽车挡风玻璃的刮水器。由于用在小面包车( 松花江等) 的功率( 3 0 瓦) 、价格( 6 5 元 每台) 、其底座也适于在取样通道上安装，我们选用该型电机。经测试，其空载转速为4 0r m i n ( 低 速) 和6 0 r m i n ( 高速) 两挡，最初为限制起动电流，曾在电枢电路中串接5 q ，2 5 w 的可变电阻。串 入5q 电阻后其空载转速可降到2 4 r m i n ，其最大起动电流只有2 4 a ，稍小于其额定电流2 5 a ， 可不间断运行并重复起动而不会使电机过热烧毁。但在后来的加载试验发现，加电枢电阻在减少 起动电流的同时，也降低了起动转矩而产生堵转现象，因此串联电阻降低转速的方法是不可取的。 加大取样通道出口宽度后，螺旋输送器不产生谷物挤压现象。电机的起动转矩足以正常起动 和丁作。但为保险起见，可以采用3 5 w 的电机，其价格相同，安装底座与3 0 w 电机的基本相同。 经测试。其空载转动( 带螺旋输送器) 电流为o 7 6 a 0 7 8 a ，带载( 通道内装满谷物) 工作时最大电流 为1 8 5 a 2 0 9 a 。选用的电机如图2 - 5 所示。 为便于调试，试验期间电机的控制电路如图2 - 6 所示。其中c = 4 7 0 0 妒，r = o 3 0 0 q ，j 1 ，j 2 的线圈电阻r - - 4 0 0 f ! ，j 2 延时断开时间t = 4 5 s 。料位传感器图中安置了点动按钮，以便在需要 时，人为将取样通道中的谷物全部排净。 图2 5 所选用的电机围 2 5 谷物料位的控制和试验研究 艺卢 g n d 图2 - 6 带延时的螺旋输送器电机控制电路 谷物取样通道内，当料位升至上料位时，应自动起动电机带动螺旋输送器将谷物排出一部分， 等到料位下降到下料位时，由料位传感器发出信号使电机停转，再输入新的谷物。这样使水分传 感器中的谷物保持一定的充实度，又可不断地更新。这就需要用到电容式接近开关即料位传感器， 中国农业大学硕士学位论文 第二章谷物水分在线测量机械装置和控制系统的研究设计 料位传感器能不接触的测到所有物体，由于各种检测体的导电率、介电常数和体积不同，会引起 检测距离的不同。这种接近开关的检测距离都是可调的，在检测时我们可以自己调整和谷物的远 近。调接方法如下：开关后部的精密电位器顺时针旋转时，检测距离变大，逆时针旋转时则变小， 在标准的动作距离范围内可任意调整，直至合适使用时停下来。这里选用c r 3 0 2 5 d p z 型电容式 料位传感器，其工作电压为直流1 0 3 0 v ，动作时可输出2 0 0m a 的电流带动继电器的线圈。料 位的高度控制范围为1 5 m m 。 在试验台试验时，发生过变频调速器对电源产生污染，使料位传感器发生误动作的情况。在 起动变频调速电机时，发现料位传感器发生误动作。在谷物料位未达到传感器感应头时，传感器 便动作( 可由传感器底座后的信号灯和继电器的吸合响声判断) 。为判断干扰信号来源，曾做以下 试验进行分析：( 1 ) 人为向取样通道投放麦粒。先将传感器灵敏度调到最低。用手在传感器前散放 麦粒，以模拟麦粒进入取样通道的状态，发现传感器不发生误动作。由此证明不是由于取样通道 进入麦粒引起的误动作。( 2 ) 变频调速器产生电磁污染。只要开动变频调速电机，料位传感器立 即产生误动作。说明变频调速器产生的高次谐波污染了单相电源，不能用1 2 v 的单相开关电源作 为传感器的电源。( 3 ) 用1 2 v 蓄电池做为料位传感器的工作电源。为消除误动作，试用“1 2 v 一 7 5 a h r ”的蓄电池做为料位传感器的工作电源，并将传感器底座金属部分与蓄电池负极可靠的连 接，传感器便可以不受变频调速器高次谐波的影响而正常工作。试验时，料位传感器安装在试验 台上受到机架振动的影响，它能正常工作。说明误动作不是由振动引起。如果将传感器底座和蓄 电池负极接地线断开，传感器立即受到干扰而产生误动作。实际上，料位传感器在收割机上也是 用1 2 v 蓄电池作为电源，机械传动源为内燃机，所以在麦收试验时，并未曾发生料位传感器误动 作的现象。 料位传感器安装于谷物含水率传感器的上方3 0 m m 处，料位超过传感器上端1 5 r a m 处时，将 触发料位传感器动作，启动电机运转，进而带动螺旋输送器排料。 2 6 辅助装置的研究设计 该机械装置与控制系统的正常运转还需添加一些辅助装置。如包括传感器外壳、导流板等。 ( 1 1 传感器外壳。设计尺寸见附录1 附图1 2 。 材料：1 5 2 m m 钢板 作用：保护和固定谷物含水率传感器，把传感器固定在谷物通道上。 ( 2 ) 导流板。 材料：白铁皮 作用：为传感器构成一个电容器测量环境，形成负极板。 安装位置：两片导流板一片装在谷物通道内的侧壁上，另一片装在底面上，注意其中与传 感器相对的那片导流板要与传感器的金属片距离在1 c m 1 5 c m 之间，距离太近或太远都会使测 量值的准确度。 ( 3 ) 电气元件安装壳。设计尺寸附录1 附图1 - 3 。 材料：1 1 2 m m 钢板 作用：安装和保护电路板 9 中国农业大学硕士学位论文第二章谷物水分在线测量机械装置和控制系统的研究设计 辅助装置还包括硬金属制作的方形电机底座、搅龙导杆和电机轴锁母兼拨头，其作用如下： 方形电机底座：装在谷物通道的下端与减速电机的相连。用来固定电机，金属板的四周各有 2 个螺丝孔，中间的大圆孔可使电机轴通过，周围的3 个小孔通过螺丝使之与电机固定一起。 搅龙导杆：通过锁母与电机轴直接相连，其作用是辅助电机带动搅龙旋转。 电机轴锁母兼拨头：用来连接电机轴和导杆并拨动搅龙使之旋转。 各部分尺寸设计可见附录1 附图l _ 4 所示。 2 7 系统控制和保护装置的研究设计 在试验的过程中，笔者发现适当地调整电机的转速，可以使使谷物导出的速度更合理，这对 测量的准确度是很重要的。因此，可接入滑动电阻来调整减速电机的转速。工作中，当电机堵转 或负载过大时容易引起过大地电流，容易损坏传感器，破坏整个的电路。因此有必要接入保险管， 避免类似事件的发生。电路还需要接入继电器进行电机的断开和闭合控制。根据需要，本试验选 用的保险管额定电流为8 a ，继电器只使用了常开触点。系统控制和保护装置外部电路图见图2 ，7 。 v c c _ 。 2 8 本章小结 图2 7 系统控制和保护装置外部电路图 g n d 本章进行了实现谷物含水率在线测量的机械装置和控制系统的研究和设计。通过比较研究， 确定了联合收割机“佳联1 0 6 5 ”上安装谷物取样通道的位置，确定了使用螺旋输送器来强制排出 谷物的方案，并选定了合适的驱动电机来带动螺旋输送器运转，从而实现了取样谷物的不断更新。 确定了使用料位传感器来控制谷物料位的方案，从而保证谷物一定水平的充实度。通过大量的试 验研究，确定了进料口和出料口的尺寸大小。设计了相应的控制电路和保护电路，保证了系统的 正常运转。在自主搭建的实验台上进行了大量的试验。结果表明，开始1 二作时，谷物通过进料口 可在2 8 秒左右把取样通道充满；强制排料，取样通道谷物排空时间为4 0 4 3 秒。正常工作时， 传感器容器充满谷物后，继续3 0 秒左右，料位达到上料位，系统开始排料，历时5 秒左右，料 位不再下降，逐渐上升，再历时2 3 秒左右，传感器容器又被完全充满。周而复始，从而实现了 谷物含水率在线测量中谷物的实时更新。 1 0 第三章对引进谷物含水率传感器的消化吸收 3 1 国外引进的谷物含水率传感器系统结构 本课题开始研究时所采用是从德国引进的容积式电容法谷物含水率传感器，结构如图3 - l ( a ) 所示，负极板为长方柱形金属外壳，正极板为置于长方柱内中心的刀片式铁片。 ( a ) 外形结构( b ) 静态试验 图3 - 1 谷物含水量传巷器 传感器带有9 米长屏蔽电缆，电缆内共有5 芯信号线，经过信号检测，可以确定5 芯各自代 表的信号线，见表3 - 1 。 表3 - 1 传感器信号线对应表 传感器有v + 、v - 两个电压输出，v + 是个基本不变的量，随着谷物含水率的增加，只减小微 弱的量。在电源电压为9 v 时，一般为5 v 左右。v _ 则随着谷物含水率的增加而减小。v + 、v - 二 者之差得到差分电压，通过试验，我们知道它和小麦的谷物含水率成基本的线性关系。谷物含水 率越高，差分电压越大。典型的差分电压值在0 5 v 之间。温度补偿信号线t 芯则输出一电流信 号，这是用来进行温度补偿的。该传感器标定好后，可达到1 的测量精度。 3 2 电压差分信号的检测 配置不同水分的谷物含水率的小麦( 在一定容器中加入一定量的水，搅拌均匀，再封闭四个小 时以上，用标准的谷物含水率速测仪来取样测试，该谷物含水率速测仪经过标定，可达到o5 的精度) ，用不同含水率的冬小麦装入谷物含水率传感器容器中做静态试验( 图3 - 1 ( b ) ) ，就可得出 差分电压和小麦谷物含水率关系。表3 - 2 即为试验数据记录( 试验时间：2 0 0 2 0 3 1 4 下午3 ：0 0 5 ： 0 0 ，试验温度：2 1 4 2 1 6 ，电源电压：9 o l v ) ，图3 2 即为小麦含水率和输出电压关系图。 - 1 1 中国农业大学硕士学位论文第三章对引进谷物含水率传感器的消化吸收 表3 - 2 谷物含水率变化与传感器输出信号关系表 谷物含水率实 v +v _ 电压差华氏温度谷物含水率温度补偿后 误差 测值( v )【v )( v )( 下)计算值的计算值 j 0 9 0 5 1 13 8 li37 1 2 41 36 8 6 1 1 1 6 8 6 1 0 7 9 1 22 0 51 13 7 71 3 47 14 21 3 9 5 8 5 8 1 1 9 5 8 5 8 02 4 1 50 0 51 134 216 9 7 1 61 6 4 1 2 5 3 1 4 4 1 2 5 3 05 9 1 55 0 50 931 91 97 1 4 21 78 9 9 3 15 8 9 9 3 0 4 0 2 01 0 5 0 82 9 3 2 1 57 17 81 96 4 0 5 5 1 76 4 0 5 5 2 4 6 2 3 7 0 5 0 6 22 8 2 7 87 2 3 22 4 0 4 6 8 6 2 20 4 6 8 6 16 5 2 6 0 0 50 518 432 1 7 2 8 6 2 70 4 5 7 7 2 50 4 5 7 7 0 9 5 图3 - 2 谷物含水率变化与谷物含水率传喀器输出电压差关系圈 将谷物含水率和输出差分电压作直线回归，可得相关系数为o 9 7 4 l 。可以看出，谷物含水率 和输出差分电压有着相当好的线性关系。 再以1 2 v 的电压给谷物含水率传感器供电，进行试验，试验数据见表3 3 ( 试验时间： 2 0 0 3 0 4 1 4 上午8 ：3 0 1 0 ：0 0 ，试验温度：2 5 2 2 9 6 c ) ，小麦含水率和输出电压关系图见图3 - 3 。 表3 - 3 谷物含水率变化与传魅器输出差分电压关系表 1 2 一 中国农业大学硬士学位论文第三章对引进谷物含水率传感嚣的消化吸收 图3 - 3小麦谷物含水率变化与水分传感器输出电压差关系图 将谷物含水率和输出差分电压作直线回归，可得相关系数为o 9 9 3 4 。可以看出，谷物含水率 和输出差分电压有着相当好的线性关系。 通过上面的两组试验数据和图表，可以断定差分电压是测量谷物含水率的主要信号。 3 1 3 检测温度补偿信号以及温度补偿 在谷物含水率测量中，测试结果受温度影响较大，所以对温度进行测试，进行温度补偿。对 物料温度的补偿可在测得物料温度值后利用事先测得的温度系数用软件进行自动温度补偿。通过 对该传感器的温度芯信号测量，发现温度芯根据温度高低输出一个较小的电流值( u a 级) 。通过 用小玻璃瓶装上一定温度的水，等到玻璃壁充分受热后，也就是说，玻璃壁和水的温度基本相同， 将小玻璃瓶紧贴于传感器的感温头附近一段时间，直到可以认为感温头和玻璃瓶温度基本一样时 再测量玻璃瓶中水的温度，就以该水温当作此时感温头的温度，通过测量来得出温度和输出电流 之间的关系。 表3 4 为一组温度信号测量试验( 试验时间：2 0 0 3 0 3 0 2 下午2 ：0 0 5 ：4 0 ，试验方法：通 过给温度输出信号端连一个1 0 k 的精密电阻测量电压而间接得到电流值) 。 表3 1 4 传感器温度信号检测温度值与输出电流关系表 温度( )电压( v )电流( 肛4 ) 8 328 l2 8 1 拼 瑚 糯 琊 l 詈