趙 博 樊學(xué)謙 周利明 李 陽 車 宇 牛 康

(中國農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院， 北京 100083)

0 引言

氣流輸送式播種機(jī)具有適應(yīng)性強(qiáng)、效率高、節(jié)省作業(yè)成本等優(yōu)點(diǎn)，目前在國外已廣泛使用[1-3]，國內(nèi)在氣流分配器等一些關(guān)鍵零部件上的研究已經(jīng)取得了很大進(jìn)展[4-6]。氣流輸送式播種機(jī)的作業(yè)幅寬大、作業(yè)速度快，氣流分配器的某一行一旦發(fā)生故障，將影響其他多行排種均勻性[1]，并且會造成嚴(yán)重漏播，影響作物產(chǎn)量。因此，實(shí)時準(zhǔn)確地獲取氣流輸送式播種機(jī)各行排種量信息、掌握排種作業(yè)均勻性、及時發(fā)現(xiàn)作業(yè)故障對于提高播種作業(yè)質(zhì)量具有重要意義。

目前，氣流輸送式播種機(jī)采用的流量傳感器主要有光電式、聲電式、壓電式。如Digitroll公司的BlackEye為一款紅外對射式光電計數(shù)傳感器，計數(shù)準(zhǔn)確率接近100%(油菜籽、大麥準(zhǔn)確率為99%，小麥、豌豆準(zhǔn)確率為98%)[7-10]；Intelligent Agricultural Solutions公司[8]研制出基于聲電傳感器的流量監(jiān)測系統(tǒng)，通過檢測聲音脈沖計算流量；Vansco Electronic公司[11]采用延伸到種管內(nèi)的壓電傳感器檢測種子撞擊，通過產(chǎn)生的高頻振蕩來監(jiān)測堵漏；John Deere公司[12]將壓電薄膜粘貼在內(nèi)凹的管壁斜面上，設(shè)計了一款堵漏檢測傳感器；HOBERGE等[13]將撞擊面設(shè)計成傳感器陣列，采用壓電陶瓷檢測種子撞擊信號。其中，光電傳感器具有靈敏度高、信號易處理、成本低、檢測精度高等優(yōu)點(diǎn)，但是對灰塵、肥料殘渣等敏感，需要加強(qiáng)防護(hù)和定期維護(hù)[14]；聲電傳感器對粉塵干擾不敏感，結(jié)合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以檢測種子破損[15]，但易受噪聲干擾，需要加強(qiáng)隔音抗噪能力[16]；壓電式傳感器結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、信噪比高，能應(yīng)用在灰塵、振動等惡劣環(huán)境下，而目前的壓電傳感器多用于氣流輸送排種管路堵塞的檢測，關(guān)于高速流量檢測的研究應(yīng)用較少。

本文設(shè)計一種基于壓電陶瓷的弧形陣列式流量傳感器，進(jìn)行傳感器的臺架性能試驗(yàn)，以期實(shí)現(xiàn)氣流輸送播種作業(yè)過程中的流量檢測與堵塞報警。

1 傳感器總體設(shè)計

氣流輸送式流量傳感器由傳感器頭外殼、感知單元、信號處理單元和信號采集傳輸單元組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。感知單元由敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、阻尼元件T通過強(qiáng)力膠粘結(jié)在一起，該傳感器采用陣列式結(jié)構(gòu)，包含6個感知單元。信號采集傳輸單元以PIC18F25K80單片機(jī)為核心，采集6路脈沖信號，并通過CAN總線傳輸種子粒數(shù)信息。工作原理如下：種子通過檢測區(qū)時，撞擊感知單元產(chǎn)生衰減振蕩信號，經(jīng)信號調(diào)理電路處理后輸出脈沖信號，采集單元計數(shù)脈沖信號并通過CAN總線發(fā)送種子粒數(shù)信息。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)與實(shí)物圖Fig.1 Sensor structure and physical picture1.傳感器頭外殼 2.感知單元 3.信號處理電路板 4.隔振材料

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 通道截面參數(shù)

針對某公司生產(chǎn)的氣流分配器，其出種口外徑為33 mm，內(nèi)徑為25 mm，因此確定傳感器的入口內(nèi)徑和出口內(nèi)徑分別為33 cm和25 cm。根據(jù)一元等熵氣流的連續(xù)方程[17]

(1)

式中ρ——?dú)饬髅芏龋琸g/m3

u——?dú)饬魉俣?，m/s

A——截面面積，m2

可知，氣體在流動過程中，若截面積變化，將引起氣流速度和密度的變化。當(dāng)截面積變大時，速度變小，種子沖擊力減小；當(dāng)截面積變小時，雖然速度增大，但是單位體積內(nèi)種子數(shù)量必然增多，會使種子之間碰撞增多，能耗增加，部分種子沖擊力減小。因此本文采用種子通道進(jìn)行等截面積設(shè)計的方法，同時為了便于感知單元的安裝布置，將傳感器通道的中間部分設(shè)計成正方形，其邊長約為22 cm。

2.2 檢測區(qū)域參數(shù)

為了減少氣流方向突變帶來的能量損耗，并且保證有足夠的面積來承受種子的撞擊，將傳感器中間段設(shè)計為方管圓弧，所對應(yīng)的圓心角設(shè)計成60°。敏感板與豎直方向應(yīng)該有一個夾角，夾角太大會造成撞擊力不足，太小則種子可能會被彈回形成二次撞擊，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計θ=30°，如圖2所示。

圖2 種子軌跡示意圖Fig.2 Schematic of seed track1.撞擊后運(yùn)動軌跡 2.撞擊前運(yùn)動軌跡

感知區(qū)域的大小應(yīng)當(dāng)保證所有種子能夠撞擊，且盡量避免二次撞擊的發(fā)生。種子在檢測區(qū)域內(nèi)速度為v1，受到的作用力主要是氣流驅(qū)動力Fg及阻力Fc，由于重力遠(yuǎn)小于氣流驅(qū)動力，所以可以忽略重力G，種子進(jìn)入檢測區(qū)域時有很高的水平初速度(v0≈13 m/s)[6]。種子撞擊感知單元前，其運(yùn)動軌跡主要由輸送氣流的速度決定，在很短的運(yùn)動時間內(nèi)，不會造成種子軌跡的較大偏移；種子撞擊感知單元后，速度方向迅速改變，在氣流推力下移動方向逐漸與氣流方向一致，為了種子撞擊后在豎直方向有較大的偏移來避免二次碰撞，角度α區(qū)域內(nèi)不用于檢測，分析過程如圖2所示。選擇α=20°制作樣機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。

3 感知單元碰撞特性分析

播種作業(yè)時，每行的排種頻率可表示為

(2)

式中v——播種機(jī)行進(jìn)速度，km/h

Q——小麥播種量，kg/hm2

W——小麥種子千粒質(zhì)量，g

H——播種機(jī)行距，cm

根據(jù)播種機(jī)作業(yè)參數(shù)[18-21]，選擇v=20 km/h，Q=400 kg/hm2，W=25 g，H=20 cm，可得最高撞擊頻率約為2 kHz，由于實(shí)際中會出現(xiàn)多粒種子幾乎同時撞擊，因此應(yīng)設(shè)計高于2 kHz的頻率以保證更高的檢測精度，即要求輸出信號寬度小于0.5 ms。

由于檢測頻率較高，因此感知單元采取敏感元件、轉(zhuǎn)換元件、阻尼元件的組合結(jié)構(gòu)。其中，敏感元件用于響應(yīng)沖擊，其固有頻率越高，瞬態(tài)響應(yīng)分量衰減越迅速，并且隨著厚度h增加，一階固有頻率增加而相對變形率下降，隨著寬度b增加，一階固有頻率和相對變形率均下降[22]；轉(zhuǎn)換元件選擇壓電陶瓷，快速將振動信號轉(zhuǎn)換為電信號，根據(jù)壓電效應(yīng)方程可知，形變量越大，壓電材料產(chǎn)生的電荷量越多；選擇阻尼元件是為了加速信號衰減以提高檢測頻率。

通過上述碰撞特性分析可知，理想的敏感元件需相對變形率和一階固有頻率均較大。已有研究結(jié)果表明[23]，T6鋁板和304不銹鋼在種子撞擊下能獲得較大的碰撞接觸力從而使壓電單元產(chǎn)生較大的響應(yīng)信號。本文傳感器針對小麥種子設(shè)計，小麥籽粒長度約5 mm，因此設(shè)計b=5 mm，而h通過試驗(yàn)選擇。

4 信號調(diào)理電路與采集系統(tǒng)設(shè)計

4.1 信號調(diào)理電路

信號調(diào)理電路由帶通濾波電路、放大電路、包絡(luò)檢波電路和施密特比較電路組成。

試驗(yàn)時發(fā)現(xiàn)撞擊產(chǎn)生的信號幅值足夠高，因此感知單元直接連接帶通濾波器濾除雜波干擾。本文采用RC帶通濾波器，實(shí)際上是低通濾波器和高通濾波器的串聯(lián)，其傳遞函數(shù)為

(3)

式中τ1——低通濾波時間常數(shù)，s

τ2——高通濾波時間常數(shù)，s

根據(jù)種子撞擊感知單元輸出信號頻率，選擇通頻帶為10～23 kHz。

濾波后的信號強(qiáng)度會衰減，需要進(jìn)行放大處理。本文放大電路基于TL082C進(jìn)行設(shè)計，應(yīng)當(dāng)設(shè)計適宜的削頂失真，避免小撞擊力的沖擊不被檢測到，但放大倍數(shù)過大將導(dǎo)致檢測頻率降低。沖擊響應(yīng)信號是一個振蕩衰減的多峰信號，通過二極管包絡(luò)檢波電路可以將信號轉(zhuǎn)換為單峰信號。比較電路能將模擬信號變成脈沖輸出，采用反向施密特觸發(fā)器電路，利用其磁滯特性消除信號抖動引起的比較器抖動[24]，選擇磁滯寬度為2 V，反向躍變電壓1 V。

設(shè)計電路時，首先通過電路仿真初步確定元器件參數(shù)，然后通過后續(xù)臺架試驗(yàn)確定最終的元器件參數(shù)。仿真使用的信號發(fā)生電路為采用脈沖仿真源的RLC電路。仿真源參數(shù)為R=1 kΩ，C=1.15 nF，L=79.97 mH。在Altium Designer軟件中建模，設(shè)置脈寬為2×10-5s，賦值為5 V，然后進(jìn)行Mixed Sim中的Transient Analysis仿真，結(jié)果如圖3所示。

仿真源模擬感知單元輸出原始信號，濾波后信號有所衰減，仿真選取合適的放大倍數(shù)，使濾波后信號達(dá)到放大器最大輸出電壓。為了能夠加速電壓衰減使信號寬度變小，選擇放電時間略小、檢波后信號表現(xiàn)為小幅波動的包絡(luò)信號。發(fā)生種子撞擊后，輸出信號由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，脈沖寬度約為0.3 ms，小于0.5 ms。因此，信號調(diào)理電路參數(shù)滿足設(shè)計需要。

4.2 信號采集系統(tǒng)

圖3 信號仿真曲線Fig.3 Curves of signal simulation

圖4 程序流程圖Fig.4 Program flow chart

信號采集系統(tǒng)基于PIC18F25K80單片機(jī)，采用CCP模塊和外部中斷實(shí)現(xiàn)6路脈沖信號采集，并通過CAN模塊和TJA1050實(shí)現(xiàn)通信[25]。 信號采集軟件程序流程圖如圖4所示。程序運(yùn)行后，首先進(jìn)行相關(guān)初始化工作，CAN初始化完成后向外發(fā)送當(dāng)前配置的ID和波特率，然后循環(huán)等待請求發(fā)送計數(shù)結(jié)果。計數(shù)在中斷服務(wù)程序中完成，當(dāng)發(fā)生中斷時，檢查中斷源，若為CCP或者INT1中斷，則更新計數(shù)值；若為CAN中斷且ID匹配，則判斷幀類型，當(dāng)為數(shù)據(jù)幀時初始化CAN模塊，重新配置ID和波特率，當(dāng)為遠(yuǎn)程幀時，數(shù)據(jù)發(fā)送請求標(biāo)志置1。

通信幀類型采用標(biāo)準(zhǔn)幀，波特率設(shè)置為250 kb/s；計數(shù)結(jié)果使用6個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀格式發(fā)送，分別對應(yīng)6路傳感器單元；接收到的遠(yuǎn)程幀格式不包含有效數(shù)據(jù)，接收到的數(shù)據(jù)幀前5個字節(jié)有效，依次為緩沖器標(biāo)識符的高、低字節(jié)，設(shè)置波特率控制寄存器的3個字節(jié)。

5 試驗(yàn)與結(jié)果分析

5.1 傳感器單元試驗(yàn)

結(jié)合前述分析，選取T6鋁和304不銹鋼兩種材料、相同長寬、不同厚度的敏感元件，軟橡膠和硬橡膠兩種阻尼元件，通過組合得到9組感知元件，固定于鋼板上，如圖5所示。T6鋁密度為2 700 kg/m3，泊松比為0.33，彈性模量為68 GPa；304不銹鋼的密度為7 850 kg/m3，泊松比為0.30，彈性模量為210 GPa；試驗(yàn)所用橡膠一種為半透明白色硅橡膠，硬度約50 HA，另一種為發(fā)泡工藝海綿硅膠，硬度約30 HA，厚度均為2 mm；結(jié)構(gòu)相同時，硬度大的橡膠材料彈性模量也較大。

圖5 感知單元Fig.5 Sensing unit

在相同的撞擊條件下進(jìn)行試驗(yàn)，利用示波器測量各感知單元響應(yīng)曲線的幅值、頻率以及衰減至0.5 V以下所需的時間，結(jié)果如表1所示。

表1 不同感知單元測試結(jié)果Tab.1 Test results of different sensing units

根據(jù)表1可知：無阻尼元件時，輸出微弱；相同條件下，T6鋁板的響應(yīng)曲線幅值高于304不銹鋼；采用硬橡膠作為阻尼元件時，感知單元的響應(yīng)頻率高、衰減時間短，幅值較低；隨著鋁板的厚度增加，響應(yīng)曲線的幅值變小，頻率增高，衰減時間變短。

高響應(yīng)幅值有更好的靈敏度，低衰減時間有助于提高檢測頻率，高頻響應(yīng)利于壓電陶瓷的信號處理電路設(shè)計；因此，本文選擇1.4 mm厚T6鋁板為敏感元件，硬橡膠為阻尼元件的感知單元進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)；該單元能夠基本滿足頻率要求，且輸出幅值較高，有助于提高靈敏度。事實(shí)上，在一定的厚度范圍內(nèi)(如1.4～1.7 mm)選擇，并且搭配合適的電路參數(shù)均能夠?qū)崿F(xiàn)檢測目的。

各個感知單元的輸出信號有相似的曲線形狀，其中，感知單元7的響應(yīng)曲線如圖6所示。

圖6 感知單元響應(yīng)曲線Fig.6 Response curve of sensing unit

壓電陶瓷傳感器是典型的二階欠阻尼振蕩系統(tǒng)，傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為

(4)

式中ωn——無阻尼振蕩頻率，rad/s

ζ——阻尼比

其脈沖響應(yīng)的輸出是穩(wěn)態(tài)分量為0的阻尼振蕩曲線，振蕩頻率稱為阻尼振蕩頻率ωd。通過分析可得無阻尼振蕩頻率、阻尼比、幅值等一系列信息。

5.2 臺架試驗(yàn)

臺架試驗(yàn)系統(tǒng)主要由排種器、垂直氣流分配器、傳感器、風(fēng)機(jī)、試驗(yàn)控制臺等組成，使用便攜式計算機(jī)接收傳感器數(shù)據(jù)，如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.7 Test system1.垂直氣流分配器 2.排種器 3.風(fēng)機(jī) 4.傳感器頭 5.信號采集單元

傳感器通過CAN-USB轉(zhuǎn)換模塊與計算機(jī)相連，通過監(jiān)測軟件定時發(fā)送數(shù)據(jù)請求命令，發(fā)送間隔為1 s，信號采集單元接收到指令后發(fā)送種子計數(shù)統(tǒng)計結(jié)果(脈沖信號個數(shù))。設(shè)定不同的輸送壓力，在排種量約為130粒/s的條件下試驗(yàn)，結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出，測量結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差不大于1.73%。根據(jù)表2數(shù)據(jù)繪制散點(diǎn)圖(圖8)，可以看出，當(dāng)氣壓范圍在139～200 Pa時，誤差與氣壓近似滿足線性關(guān)系。用直線進(jìn)行擬合，線性度R2=0.953 3。可得校準(zhǔn)模型

(5)

N——種子數(shù)測量值，粒

p——?dú)鈮?，Pa

由表2可知，校準(zhǔn)誤差在5%以內(nèi)，校準(zhǔn)后測量誤差的標(biāo)準(zhǔn)差為1.96%，說明傳感器的電路參數(shù)選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計基本合理。

表2 不同氣壓試驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Test results at different pressures

根據(jù)氣流分配器生產(chǎn)企業(yè)推薦，在工作氣壓166 Pa的條件下，使用校準(zhǔn)后的數(shù)據(jù)觀察不同排種量下的檢測誤差，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示。

表3 不同排種量試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Test results at different metering quantities

在排種量低于170粒/s時，校準(zhǔn)后測量誤差在5%以內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)差為1.10%；該播種量能夠滿足常規(guī)播種機(jī)的作業(yè)要求；在該氣壓下，排種量204粒/s時，部分輸種管內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)少量種子滯留現(xiàn)象，因此在更高排種量時，應(yīng)提高輸送氣壓。

在工作氣壓166 Pa的條件下，設(shè)置不同排種量并設(shè)定流量報警閾值，進(jìn)行管路堵塞報警試驗(yàn)，通過人為堵塞輸種管末端制造故障，結(jié)果如表4所示。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，報警準(zhǔn)確率達(dá)100%。

表4 堵塞報警試驗(yàn)結(jié)果Tab.4 Blockage alarm test results

6 結(jié)論

(1)設(shè)計了一款基于壓電陶瓷的弧形階梯陣列式流量傳感器，并試制了樣機(jī)；考慮到弧形結(jié)構(gòu)可以避免輸送氣流方向突變，對傳感器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計；設(shè)計了信號調(diào)理電路和計數(shù)采集電路，并通過CAN發(fā)送流量信息。

(2)分析了不同感知單元的振動特性，大彈性模量的阻尼材料和厚的敏感元件能夠輸出高頻的響應(yīng)信號，但是響應(yīng)幅值會有所降低，針對小麥播種，選擇了1.4 mm的T6鋁作為敏感元件，試驗(yàn)時能夠較好地檢測種子的撞擊。

(3)在不同氣壓和不同排種量下的試驗(yàn)表明，氣壓對測量精度的影響很大，氣壓在139～200 Pa時，檢測誤差與氣壓近似滿足線性關(guān)系，據(jù)此提出了傳感器的校準(zhǔn)模型；在一定范圍內(nèi)，排種量對流量檢測精度沒有明顯的影響，當(dāng)排種量小于170粒/s時，校準(zhǔn)后傳感器的檢測誤差在5%以內(nèi)。在整個排種量范圍內(nèi)進(jìn)行堵塞報警試驗(yàn)，準(zhǔn)確率達(dá)100%。