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農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中傳感技術(shù)的應(yīng)用

2023-01-21 09:33何璐兵
南方農(nóng)機(jī) 2023年1期
關(guān)鍵詞:農(nóng)業(yè)機(jī)械農(nóng)機(jī)傳感器

何璐兵 ,張 勃

(許昌電氣職業(yè)學(xué)院,河南 許昌 461000)

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化發(fā)展是今后農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的主流方向。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,傳感器是掌握系統(tǒng)核心的基礎(chǔ)元件,它能快速、準(zhǔn)確地獲取各種數(shù)據(jù),為農(nóng)業(yè)機(jī)械檢測(cè)能力提供有力的保障。實(shí)踐證明,如果農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)沒(méi)有了傳感器,就不可能對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械系統(tǒng)狀況、數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、信息加工等方面進(jìn)行檢測(cè)。傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)機(jī)械的改造離不開(kāi)傳感器,而發(fā)展現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)機(jī)械更是需要海量的傳感器。近年來(lái),許多拖拉機(jī)、收割機(jī)、播種機(jī)等農(nóng)機(jī)設(shè)備均已安裝多種傳感器來(lái)進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè),以獲取精準(zhǔn)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)數(shù)據(jù),提高農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)效率,保障農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化。因此,傳感器在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用越來(lái)越重要。

1 傳感器概述

傳感器是一種可以感知被測(cè)信息的設(shè)備,它根據(jù)特定的規(guī)律,將所感知的信息轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)或其他類型的信息,通常被用在信息傳輸、分析、控制、操作以及處理等方面。傳感器利用物理、化學(xué)、生物等多種效應(yīng),將測(cè)量到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為電子信號(hào),以此讀取各種信息,提高人們的工作效率,繼而推動(dòng)新時(shí)期自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

在眾多應(yīng)用中,農(nóng)業(yè)傳感器包括了生命數(shù)據(jù)傳感器和環(huán)境傳感器。生命數(shù)據(jù)傳感器一般是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù),對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)發(fā)育特征進(jìn)行信息收集,進(jìn)而對(duì)作物的生長(zhǎng)情況進(jìn)行研究。環(huán)境傳感器主要是通過(guò)研究土地、水、自然環(huán)境中植物所必需的生長(zhǎng)因子,以檢測(cè)農(nóng)作物的發(fā)育情況,繼而達(dá)到確保農(nóng)作物正常生長(zhǎng)的目的。當(dāng)前,農(nóng)業(yè)傳感器被廣泛使用,而且類型也很多,包括空氣濕度傳感器、土壤水分傳感器、植物仿生傳感器、太陽(yáng)光照度傳感器等[1]。

當(dāng)前,市面上的農(nóng)業(yè)傳感器質(zhì)量良莠不齊,其質(zhì)量的選取也直接關(guān)系著農(nóng)業(yè)的產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)傳感器耗電量較少,而且材質(zhì)耐腐蝕,性能好,適用于戶外田間耕作。由于受農(nóng)業(yè)發(fā)展的制約,且許多農(nóng)民對(duì)傳感器的了解不夠,因此在實(shí)際使用中,必須選用安裝方法簡(jiǎn)易、易于攜帶、穩(wěn)定性好的傳感器[2]。

2 傳感器技術(shù)的主要特征分析

傳感器技術(shù)具有如下特征:一是能夠快速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行反饋;二是能夠?qū)Σ煌g距的數(shù)值進(jìn)行測(cè)量;三是分辨能力強(qiáng)、可靠性高、精度高;四是具有較好的環(huán)境適應(yīng)性,即使是在惡劣的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中,傳感器也能夠精確地獲取所需的測(cè)量數(shù)據(jù)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,信息的快速傳播和準(zhǔn)確傳播變得越來(lái)越重要[3]。傳感器從出現(xiàn)到現(xiàn)在,其原理和功能已經(jīng)越來(lái)越完善,用途也越來(lái)越廣泛,將傳感器技術(shù)應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,能夠節(jié)約大量的人力和資源,保證耕作的精準(zhǔn)度,從而實(shí)現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化和自動(dòng)化的生產(chǎn)作業(yè)。

3 傳感器在農(nóng)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)中的作用

農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)是國(guó)家科學(xué)技術(shù)發(fā)展的結(jié)果,在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中加裝傳感器是農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的必然趨勢(shì)。傳感器具有快速反應(yīng)和收集數(shù)據(jù)的能力,而裝有傳感器的農(nóng)機(jī)設(shè)備則可以快速地對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析,提高農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的精準(zhǔn)度[4]。此外,傳感器在工作時(shí)不會(huì)被任何環(huán)境因素所影響,可以在不直接接觸物體的條件下,快速地獲得相關(guān)的數(shù)據(jù),并迅速檢測(cè)和識(shí)別,從而真正地做到無(wú)接觸式的農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化控制,確保了數(shù)據(jù)的高精度性和高可靠性。傳感器在農(nóng)用拖拉機(jī)、灌溉機(jī)、播種機(jī)中都有很好的使用效果,可以讓農(nóng)用機(jī)械設(shè)備在惡劣的農(nóng)耕環(huán)境下進(jìn)行高準(zhǔn)確性和高質(zhì)量的生產(chǎn)作業(yè)。

4 傳感技術(shù)在農(nóng)機(jī)自動(dòng)化系統(tǒng)中的具體應(yīng)用

4.1 底盤(pán)控制傳感器

在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,傳感技術(shù)是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化工作的重要技術(shù),其技術(shù)水平對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有很大的作用[5]。在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,若不能通過(guò)傳感器技術(shù)及時(shí)、精確地探測(cè)到受控目標(biāo)的各個(gè)參數(shù),并將其轉(zhuǎn)化為傳輸信號(hào),那么系統(tǒng)則無(wú)法獲取到所需的控制信息,從而影響到整個(gè)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的生產(chǎn)作業(yè)。比如,農(nóng)業(yè)部門(mén)引入了國(guó)外的大馬力牽引拖拉機(jī),利用各種傳感技術(shù)來(lái)提升農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的使用效能。各個(gè)傳感器在不同的應(yīng)用中所起到的作用是不一樣的,但是它們的工作原理卻是相同的。近年來(lái),許多拖拉機(jī)、收割機(jī)等農(nóng)機(jī)都裝有不同的傳感器,以提高機(jī)械設(shè)備的效能。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)化水平日益提升,傳統(tǒng)的機(jī)械系統(tǒng)已無(wú)法處理與農(nóng)機(jī)設(shè)備相關(guān)的問(wèn)題,從而被自動(dòng)化系統(tǒng)所取代。傳感器是農(nóng)機(jī)設(shè)備的核心元件,其工作特性的好壞將直接關(guān)系到農(nóng)機(jī)設(shè)備的工作狀態(tài)。當(dāng)前,農(nóng)業(yè)機(jī)械傳感器有10~20個(gè),它們的應(yīng)用范圍包括底盤(pán)、車(chē)體等[6]。在發(fā)動(dòng)機(jī)底盤(pán)中使用這些傳感器可以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性,降低油耗,減少?gòu)U氣排放等,因?yàn)槠湓趪?yán)酷的條件中工作,如泥漿、塵土等,所以其性能比一般的傳感器要好得多。底盤(pán)控制傳感器的性能指標(biāo)有多種,而最重要的是測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。美國(guó)開(kāi)發(fā)的一種具有自動(dòng)控制功能的農(nóng)用收割機(jī)器,基本原理是由電子控制裝置將底盤(pán)控制傳感器輸出的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一個(gè)上升或下降來(lái)維持割臺(tái)高度的信號(hào),再由電磁閥門(mén)帶動(dòng)油缸進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行,以此開(kāi)展收割作業(yè),提高農(nóng)作物的收割效率。

4.2 壓力傳感器

壓力傳感器廣泛應(yīng)用在交通行業(yè),其功能包括制動(dòng)壓力、壓力監(jiān)測(cè)、機(jī)油壓力監(jiān)測(cè)、輕載液壓控制、機(jī)械結(jié)構(gòu)氣門(mén)等[7]。將壓力傳感技術(shù)推廣到農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域,能有效地克服許多農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)難點(diǎn),促進(jìn)農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的全面推廣。在農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中,壓力傳感器主要應(yīng)用在以下方面:一是利用壓力傳感器對(duì)水壓、氣壓進(jìn)行檢測(cè),測(cè)定液肥的噴射壓力,并利用控制裝置對(duì)噴頭的工作狀況進(jìn)行調(diào)節(jié);二是利用壓力傳感器通過(guò)液壓驅(qū)動(dòng)來(lái)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備進(jìn)行升降和移動(dòng),監(jiān)控平整耕作機(jī)械安全裝置的壓強(qiáng);三是根據(jù)測(cè)定的油壓、液壓等數(shù)據(jù)信息,利用壓力傳感器來(lái)判定農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行狀況,以確保農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備在生產(chǎn)作業(yè)中的安全性。在實(shí)際作業(yè)中,相關(guān)工作人員要選用相應(yīng)的壓力傳感器,如液壓、氣力傳感器等要慎重選用,注意其載荷、防爆等重要要素,以保證農(nóng)用作業(yè)的安全性與可靠性。

4.3 數(shù)字傳感器定位技術(shù)

GPS導(dǎo)航技術(shù)被廣泛地應(yīng)用在農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化領(lǐng)域中,為農(nóng)機(jī)領(lǐng)域帶來(lái)了巨大的效益。其所獲得的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確度和可靠性都很高,為下一步的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)作業(yè)提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。但在實(shí)際作業(yè)中,GPS定位技術(shù)對(duì)精度的要求很高。因此,GPS定位技術(shù)的應(yīng)用也較為復(fù)雜,成本較高,在小范圍的農(nóng)田上,應(yīng)用GPS定位技術(shù)就會(huì)增加人力、物力成本,在無(wú)形之中提高了人工勞動(dòng)強(qiáng)度,這顯然不符合信息化農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)展的需求[8]。而將數(shù)字傳感器定位技術(shù)與GPS定位技術(shù)相結(jié)合,應(yīng)用到農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)中,可以有效地確保GPS的數(shù)字化校正精準(zhǔn)度。在實(shí)際作業(yè)中,利用建模技術(shù)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、精確的數(shù)字化建模,并利用微型處理器對(duì)數(shù)據(jù)的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)校正,從而確保 GPS定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。農(nóng)機(jī)自動(dòng)控制裝置接收來(lái)自機(jī)械傳感器的信號(hào),并將其轉(zhuǎn)化為A/D變換器,再將其輸入CPU,最后進(jìn)行下一步的工作。但 CPU在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí),會(huì)產(chǎn)生一種類似于脈沖形式的噪聲,噪聲會(huì)對(duì)數(shù)據(jù)的判定產(chǎn)生影響,必須將噪聲降到最低,以達(dá)到零點(diǎn)漂移,從而提高GPS定位系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。

4.4 光電傳感器

光電傳感器可以通過(guò)所要檢測(cè)的物理量,將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為光電信息的變化值,之后再利用光電器件把光電信息轉(zhuǎn)變成電學(xué)信號(hào)。光電傳感器一般由以下三大部分組成:光電單元、光源器件和光學(xué)通道[9]。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,播種機(jī)是關(guān)鍵的機(jī)械設(shè)備,在播種過(guò)程中,自動(dòng)化控制系統(tǒng)要對(duì)播種機(jī)的響應(yīng)速度和可靠性進(jìn)行調(diào)控。在進(jìn)行播種時(shí),采用光電傳感器,能夠精確地測(cè)量出播種量。光電傳感器的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,抗電磁干擾能力較好,而且價(jià)格相對(duì)低廉,不會(huì)對(duì)播種機(jī)的機(jī)械性能產(chǎn)生任何影響。目前,光電傳感技術(shù)已發(fā)展成了一項(xiàng)有效的種子籽粒間距檢測(cè)方法,通過(guò)地輪的前進(jìn)速度以及兩個(gè)籽粒的間距來(lái)檢測(cè)種子籽粒的長(zhǎng)度,然后將光電傳感器固定在導(dǎo)管上,進(jìn)行計(jì)數(shù),當(dāng)每一顆種子被光敏探測(cè)器阻擋的時(shí)候,它就會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào),而這個(gè)脈沖信號(hào)就會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù),被系統(tǒng)記錄下來(lái)。準(zhǔn)確地將導(dǎo)種管的種子數(shù)目轉(zhuǎn)換成由微處理器辨識(shí)的信號(hào),是光電傳感器的重要功能之一,光電傳感器的工作狀態(tài)與整個(gè)播種機(jī)的性能和效益有很大的關(guān)系,從而對(duì)產(chǎn)量產(chǎn)生重要的作用。隨著國(guó)內(nèi)農(nóng)用機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的不斷進(jìn)步,部分農(nóng)用噴藥利用液壓機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了對(duì)噴藥桿位置的平衡和固定,并應(yīng)用自動(dòng)化技術(shù),對(duì)機(jī)械設(shè)備的行進(jìn)速度、植保面積、噴藥壓力、噴藥量等進(jìn)行了嚴(yán)密的監(jiān)測(cè)和調(diào)整,使農(nóng)用機(jī)械設(shè)備的工作效率和可靠性得到了極大地提高。

4.5 仿生傳感器

仿生傳感技術(shù)是一種全新的農(nóng)業(yè)機(jī)械探測(cè)技術(shù),利用細(xì)胞、酶等生物活性材料與轉(zhuǎn)換器共同構(gòu)成傳感器。仿生傳感器是近幾年在生物醫(yī)藥、電子學(xué)和工程學(xué)相互融合的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的[10],具有良好的性能和較長(zhǎng)的使用壽命。在眾多仿生傳感器中,生體模擬傳感器是應(yīng)用最為廣泛的一種,而機(jī)器人傳感器是最具代表性的生體模擬傳感器。根據(jù)機(jī)器人傳感器的功能可劃分為位置檢測(cè)傳感器、位移檢測(cè)傳感器、角度位移檢測(cè)傳感器、速度檢測(cè)傳感器以及力覺(jué)檢測(cè)傳感器。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的轉(zhuǎn)型,大批農(nóng)民向城鎮(zhèn)流動(dòng),農(nóng)村人口老齡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重,嚴(yán)重影響了農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人的出現(xiàn),使得農(nóng)民的工作強(qiáng)度大大下降,生產(chǎn)效率和品質(zhì)得到了顯著提升,進(jìn)一步推動(dòng)了農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展。針對(duì)不同的操作目標(biāo)和環(huán)境,農(nóng)業(yè)采摘機(jī)器人采用了多種傳感器來(lái)提升采摘作業(yè)的感知度和智能度。根據(jù)采摘的先后次序,可以分為視覺(jué)式、位置式、力式和障礙式。目前,國(guó)內(nèi)已經(jīng)開(kāi)發(fā)了蘋(píng)果、雪梨、火龍果、桃子等水果的采摘機(jī)器人技術(shù),還有棉花等農(nóng)產(chǎn)品的采摘機(jī)器人技術(shù)也在研發(fā)中,進(jìn)一步推進(jìn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化發(fā)展,保障了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)化和科學(xué)化。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械的不斷發(fā)展,農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)作為一種新的農(nóng)機(jī)戰(zhàn)略系統(tǒng),強(qiáng)調(diào)了自動(dòng)化技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)中的重要運(yùn)用。而傳感器技術(shù)是農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化系統(tǒng)的核心技術(shù),其應(yīng)用覆蓋了農(nóng)作物的播種、生長(zhǎng)、收割以及加工的全過(guò)程,是推動(dòng)農(nóng)業(yè)機(jī)械現(xiàn)代化、信息化和自動(dòng)化發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù),也是提高農(nóng)業(yè)機(jī)械生產(chǎn)效率的有力保障。因此,相關(guān)工作者應(yīng)重視傳感器的應(yīng)用,落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀,根據(jù)當(dāng)前的實(shí)際生產(chǎn)作業(yè)情況來(lái)選擇合適的傳感器,推廣傳感器的應(yīng)用技術(shù),學(xué)習(xí)信息化專業(yè)知識(shí),以提升農(nóng)業(yè)機(jī)械作業(yè)精度,推動(dòng)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)更快、更好發(fā)展,助力鄉(xiāng)村振興。

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