劉陽春 李明輝 王吉中 馮 林 汪鳳珠 何曉寧

(1.青島農(nóng)業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院, 青島 266109;2.中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司, 北京 100083)

0 引言

我國(guó)現(xiàn)有的玉米籽粒直收機(jī)的谷物損失較為嚴(yán)重,智能化程度較低,玉米籽粒直收機(jī)谷物損失中的夾帶損失和清選損失占有較大比重[1],玉米籽粒直收機(jī)在作業(yè)過程中,工作人員僅能憑借工作經(jīng)驗(yàn)來調(diào)整作業(yè)速度,通過降低作業(yè)速度減少谷物損失,但是降低作業(yè)速度就會(huì)影響作業(yè)效率,同時(shí),達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)喂入量也會(huì)增加谷物損失[2-4],因此設(shè)計(jì)一款谷物損失檢測(cè)系統(tǒng)十分必要。通過檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)獲取谷物的損失速率,輔助駕駛員更直觀地權(quán)衡谷物損失與作業(yè)速度,減少收獲損失,提高作業(yè)質(zhì)量。

國(guó)外主流檢測(cè)方式是采用一塊長(zhǎng)方形薄金屬板作為監(jiān)測(cè)板,在監(jiān)測(cè)板中心處粘貼一片壓電晶體,通過損失籽粒下落撞擊監(jiān)測(cè)板引起的機(jī)械振動(dòng),由壓電晶體將機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),再對(duì)電信號(hào)進(jìn)行處理,通過計(jì)算得到損失量[5-8]。

近年來,我國(guó)的聯(lián)合收獲機(jī)也開始逐漸智能化,相關(guān)谷物損失檢測(cè)傳感器和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究也逐漸增多[9-20]。國(guó)內(nèi)檢測(cè)原理主要是利用壓電效應(yīng),也有利用圖像識(shí)別技術(shù)。張?zhí)竦萚21]將圖像識(shí)別應(yīng)用到谷物損失監(jiān)測(cè)中,采用高速攝像機(jī)捕捉谷物籽粒等物料,可以有效地區(qū)分籽粒和莖稈。但是這種方式無法捕捉被遮擋的籽粒,且成本高,圖像處理速度較慢,攝像頭容易被遮擋,很難產(chǎn)品化。周利明等[22]設(shè)計(jì)了壓電薄膜陣列式傳感器,可以得到單位空間上的籽粒損失分布。王卓等[23]以壓電薄膜作為敏感材料,以STM32F4為核心芯片,采用支持向量機(jī)多分類算法提取玉米籽粒沖擊信號(hào),設(shè)計(jì)了一種玉米收獲機(jī)籽粒清選損失監(jiān)測(cè)裝置,實(shí)現(xiàn)了玉米籽粒損失的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),相對(duì)誤差為12.98%。劉新怡等[24]針對(duì)目前聯(lián)合收獲機(jī)谷物清選損失實(shí)時(shí)測(cè)量精度不高的問題,設(shè)計(jì)了一種基于 STM32F407的谷物清選損失監(jiān)測(cè)裝置,裝置能夠?qū)崟r(shí)采集聯(lián)合收獲機(jī)清選損失信號(hào),同時(shí)通過 CAN 總線同步接收聯(lián)合收獲機(jī)的相關(guān)作業(yè)參數(shù),由清選損失計(jì)算模型綜合上述參數(shù)得到實(shí)時(shí)清選損失率,標(biāo)定誤差小于4.53%。

綜上可知,檢測(cè)系統(tǒng)的檢測(cè)原理主要以壓電效應(yīng)為主[25],本文結(jié)合玉米收獲脫粒的獨(dú)有特性,選擇STM32F103作為數(shù)據(jù)采集器內(nèi)核,STM32F407作為數(shù)據(jù)顯示終端內(nèi)核,采用PZT-5柔性壓電陶瓷作為敏感材料,設(shè)計(jì)一款玉米籽粒直收機(jī)夾帶損失檢測(cè)系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)收獲機(jī)的玉米籽粒清選損失和玉米芯夾帶損失,通過信號(hào)處理電路和自適應(yīng)限時(shí)濾波算法相互配合,解決谷物撞擊監(jiān)測(cè)板時(shí)產(chǎn)生的余振干擾問題,得到收獲機(jī)實(shí)時(shí)的籽粒損失速率,用于輔助工作人員決策,以期提高玉米籽粒直收機(jī)的作業(yè)效率和質(zhì)量。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體組成

該玉米籽粒直收機(jī)夾帶損失檢測(cè)系統(tǒng)包括2組損失檢測(cè)傳感器、信號(hào)處理電路、數(shù)據(jù)顯示終端、數(shù)據(jù)采集器、CAN總線、外部按鍵、顯示屏、SD存儲(chǔ)卡、預(yù)警燈和電源模塊,檢測(cè)系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 損失檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

損失檢測(cè)系統(tǒng)主要是利用壓電材料的正壓電效應(yīng)。將柔性壓電陶瓷粘在監(jiān)測(cè)板背部,組成一個(gè)傳感器,物料撞擊監(jiān)測(cè)板產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,使壓電陶瓷內(nèi)部正負(fù)電荷重心相對(duì)位移而發(fā)生極化進(jìn)而產(chǎn)生電荷。通過信號(hào)處理電路把電荷轉(zhuǎn)變成相對(duì)應(yīng)的電壓,經(jīng)濾波、放大后通過數(shù)據(jù)采集器的ADC采集模塊進(jìn)行采集,若采集值符合特征值,內(nèi)部計(jì)數(shù)器就進(jìn)行疊加,兩個(gè)傳感器分別采集清選損失信號(hào)和夾帶損失信號(hào),其中不同的玉米穗因?yàn)閵A帶籽粒數(shù)不同因此產(chǎn)生的信號(hào)值也不同,對(duì)應(yīng)的特征值和累加數(shù)也不同。采集到的數(shù)據(jù)還可以通過外部按鍵控制,存入SD卡進(jìn)行保存。數(shù)據(jù)采集器將籽粒損失數(shù)和玉米穗特征值通過CAN總線發(fā)送給數(shù)據(jù)顯示終端,數(shù)據(jù)顯示終端內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總,通過自適應(yīng)限時(shí)濾波算法求出實(shí)時(shí)籽粒損失速率,并顯示在數(shù)據(jù)顯示終端的LCD屏上,如果損失速率過大,數(shù)據(jù)顯示終端的燈光報(bào)警器將報(bào)警提醒。

1.2 機(jī)械裝置設(shè)計(jì)

檢測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖如圖2所示,清選損失傳感器和夾帶損失傳感器分別安裝在聯(lián)合收獲機(jī)尾部的清選口和排雜口下方。數(shù)據(jù)顯示終端安裝在收獲機(jī)駕駛室內(nèi)。

圖2 檢測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖

安裝架零部件通過16個(gè)硬質(zhì)橡膠螺栓相互連接,可以有效減緩聯(lián)合收獲機(jī)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生的影響。壓電材料采用PZT-5柔性壓電陶瓷,長(zhǎng)度60 mm,寬度30 mm,厚度0.8 mm,振動(dòng)頻率0～28 kHz。傳感器安裝架的寬度和高度均可調(diào)節(jié),具備一定的通用性。數(shù)據(jù)采集器、信號(hào)處理電路以及變壓器裝在電路封裝盒內(nèi),可有效隔絕塵土和雨水。

不同的監(jiān)測(cè)板材料對(duì)信號(hào)的檢測(cè)影響很大,因?yàn)椴煌牧系囊浑A固有頻率和振幅變化是不同的,因此選擇硬質(zhì)PVC、亞克力板、304不銹鋼3種材料,然后運(yùn)用SolidWorks中的simulation進(jìn)行一階固有頻率和振幅的有限元仿真分析。通過分析發(fā)現(xiàn)一階固有頻率越大且變形比例越小,檢測(cè)速度就越快[26]。仿真結(jié)果如圖3所示,為了保證傳感器靈敏度,根據(jù)仿真結(jié)果,本文傳感器監(jiān)測(cè)板材料選擇304不銹鋼。

圖3 監(jiān)測(cè)板模態(tài)分析

監(jiān)測(cè)板厚度會(huì)影響材料的振動(dòng)頻率以及振幅,因此對(duì)不同厚度的不銹鋼板也進(jìn)行了對(duì)比仿真分析,結(jié)合壓電陶瓷性能以及實(shí)際波形測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如圖3所示,隨著材料厚度增加,監(jiān)測(cè)板一階固有頻率會(huì)提升,傳感器靈敏度會(huì)更高,但是谷物信號(hào)和干擾信號(hào)也會(huì)變得更難區(qū)分,會(huì)導(dǎo)致精度變低,最終根據(jù)實(shí)際測(cè)試情況選擇厚度0.5 mm的不銹鋼板,幾何尺寸為1 320 mm×200 mm,壓電陶瓷通過uv光固化膠粘在監(jiān)測(cè)板背部。

1.3 電路設(shè)計(jì)

電源供電采用收獲機(jī)上自帶的24 V蓄電池,通過DC-DC降壓模塊將輸出電壓穩(wěn)定至12 V,數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)顯示終端電路設(shè)計(jì)有MP2359芯片,可以接受6～24 V寬電壓輸入。從單片機(jī)上引出5 V引腳,用于信號(hào)處理電路的供電。

1.3.1放大電路

信號(hào)放大電路如圖4所示,該電路采用LM2904運(yùn)放器,將壓電陶瓷產(chǎn)生的微弱電荷信號(hào)轉(zhuǎn)換成相對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)并進(jìn)行放大,放大倍數(shù)可以通過可調(diào)電阻器進(jìn)行調(diào)節(jié),可以將特征信號(hào)調(diào)整至0～3.3 V,以便進(jìn)行ADC特征值采集。

圖4 信號(hào)放大電路

1.3.2濾波器電路

濾波器電路采用Butterworth低通濾波,該濾波器的特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線最大限度平坦,沒有波紋,而在阻頻帶逐漸下降為零,不影響檢測(cè)系統(tǒng)的整體準(zhǔn)確性。n階巴特沃斯低通濾波器的傳遞函數(shù)H(jω)滿足

(1)

于是n階巴特沃斯低通濾波器幅度和頻率的關(guān)系為

(2)

式中G——濾波器放大率

H——傳遞函數(shù)

n——濾波器級(jí)數(shù)

G0——通帶內(nèi)濾波器放大率

Hn——n階濾波器傳遞函數(shù)

ω——信號(hào)角頻率,rad/s

ωc——截止頻率,Hz

(3)

通過Multisim 12.0對(duì)濾波器電路進(jìn)行仿真分析,分別對(duì)濾波器施加1、5、10 kHz的三角波信號(hào),幅值為400 mV,占空比50%,仿真結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出該濾波電路對(duì)于高頻信號(hào)具有很好的抑制作用。

圖5 濾波電路仿真結(jié)果

最終信號(hào)處理電路實(shí)物圖如圖6所示。

圖6 信號(hào)處理電路板

1.4 單片機(jī)控制程序設(shè)計(jì)

損失檢測(cè)程序分為數(shù)據(jù)采集程序和數(shù)據(jù)顯示程序,數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)顯示終端主控芯片為STM32,編程語言為C語言,開發(fā)環(huán)境是Keil uVision5。數(shù)據(jù)采集器和數(shù)據(jù)顯示終端通過CAN總線傳輸數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)顯示終端采用F407ZGT6作為主控芯片,數(shù)據(jù)采集器采用F103ZET6作為主控芯片,數(shù)據(jù)采集器程序流程圖如圖7所示。

圖7 數(shù)據(jù)采集器程序流程圖

數(shù)據(jù)顯示終端將獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次轉(zhuǎn)換,實(shí)時(shí)計(jì)算清選損失的玉米籽粒數(shù)、夾帶損失的玉米籽粒數(shù),總損失籽粒數(shù)、實(shí)時(shí)損失速率以及累計(jì)損失速率,并將結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在LCD屏幕上。

2 傳感器標(biāo)定

通過臺(tái)架試驗(yàn)來獲得清選損失和夾帶損失的信號(hào)特征值,臺(tái)架試驗(yàn)系統(tǒng)由傳送帶、風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)管組成,如圖8所示。風(fēng)機(jī)和導(dǎo)風(fēng)管用于模擬清選風(fēng)機(jī),電機(jī)采用變頻器控制的三相異步交流電機(jī),最大轉(zhuǎn)速為2 800 r/min,出風(fēng)口方向可調(diào),風(fēng)速可調(diào)。風(fēng)速設(shè)置為10 m/s,出風(fēng)口對(duì)準(zhǔn)損失檢測(cè)傳感器,監(jiān)測(cè)板與水平方向夾角45°,撞擊高度為62 cm,傳送帶速度為5 cm/s。試驗(yàn)玉米品種為紀(jì)元128。

圖8 試驗(yàn)臺(tái)架

2.1 損失谷物閾值范圍確定

為確定清選損失物的閾值范圍,進(jìn)行了玉米籽粒信號(hào)采集試驗(yàn)。分別選擇大、中、小3種玉米籽粒各6粒,以及玉米籽粒直收機(jī)收獲時(shí),清選口處常見的雜余玉米芯大、中、小3組各6個(gè)作為試驗(yàn)對(duì)象。試驗(yàn)對(duì)象如圖9所示。

圖9 玉米籽粒試驗(yàn)樣品

采集試驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架上完成,ADC信號(hào)特征值范圍為0～3 300 mV,因此信號(hào)處理電路的可調(diào)電阻需要進(jìn)行合理設(shè)置,過大會(huì)超量程,過小會(huì)導(dǎo)致采樣不精確。原則上保證小籽粒撞擊信號(hào)能夠檢測(cè)到,同時(shí)大籽粒撞擊信號(hào)不超量程,最終將可調(diào)電阻器阻值設(shè)置為5.6 kΩ,放大倍數(shù)為6.6倍,6組試驗(yàn)對(duì)象放在傳送帶上,試驗(yàn)對(duì)象從傳送帶跌落撞擊監(jiān)測(cè)板,產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)處理電路,由數(shù)據(jù)采集器的ADC采集模塊實(shí)時(shí)采集信號(hào)值,采集值直接發(fā)送至計(jì)算機(jī)端。

對(duì)采集的特征值進(jìn)行分析,試驗(yàn)結(jié)果如圖10所示,分析結(jié)果如表1所示,確定了玉米籽粒的特征值范圍,原則上舍棄干癟的小籽粒以便盡可能地排除雜余干擾,最終選擇玉米籽粒的特征閾值為650～1 450 mV,對(duì)應(yīng)的籽粒損失檢測(cè)傳感器安裝在清選口的下方,只要在限定時(shí)間內(nèi),ADC特征值在650～1 450 mV之間,數(shù)據(jù)顯示終端籽粒損失計(jì)數(shù)器便進(jìn)行累加。

表1 玉米籽粒及雜余信號(hào)ADC采集值

圖10 試驗(yàn)樣品ADC特征值變化曲線

通過2019年10月的田間試驗(yàn)觀察以及數(shù)據(jù)分析可知,玉米芯的夾帶損失占比較大,是清選損失的十幾倍到幾十倍不等,且損失情況復(fù)雜,數(shù)量各異,單個(gè)玉米芯可能夾帶0～20粒玉米籽粒,因此針對(duì)玉米穗信號(hào)特征的采集,分為不同質(zhì)量的玉米穗塊共計(jì)13組,試驗(yàn)對(duì)象如圖11所示。試驗(yàn)對(duì)象2021年10月采集自中國(guó)農(nóng)業(yè)機(jī)械化科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司山東分院科研實(shí)驗(yàn)基地的田間收獲現(xiàn)場(chǎng)。

圖11 玉米穗試驗(yàn)樣品

同樣在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn),關(guān)閉風(fēng)機(jī),僅通過傳送帶傳送。由于質(zhì)量大,信號(hào)值較強(qiáng),為避免超過采集端口量程,將可調(diào)電阻器阻值設(shè)置為1 kΩ,放大倍數(shù)為2倍,通過數(shù)據(jù)采集器采集不同玉米穗的ADC特征值,單次采集結(jié)果如圖12所示,連續(xù)10次采集的平均特征值結(jié)果如表2所示。

表2 玉米穗信號(hào)采集試驗(yàn)結(jié)果

圖12 玉米穗ADC特征值變化曲線

對(duì)于玉米穗特征值的處理分析,設(shè)ADC采集值與玉米芯夾帶籽粒數(shù)存在線性關(guān)系,通過最小二乘法求解線性方程。公式為

y=b1x+b0

(5)

式中y——玉米芯夾帶籽粒數(shù),粒

x——ADC采集值,mV

b0——斜率b1——截距

整理得

(6)

將試驗(yàn)5～13的數(shù)據(jù)代入式(6)得b1≈9.636 772×10-3,b0≈-2.97。即

y=9.636 772×10-3x-2.97

(7)

因此根據(jù)式(7),令y=20,得x≈2 383.578 mV,則玉米穗ADC特征值閾值為1 100～2 800 mV。

實(shí)時(shí)損失速率為每秒損失的清選籽粒損失和夾帶籽粒損失數(shù)量之和,計(jì)算公式為

(8)

其中

n2=y=9.636 772×10-3x-2.97

(9)

式中N——實(shí)時(shí)損失速率,g/s

n1——清選損失籽粒數(shù),粒

n2——夾帶損失籽粒數(shù),粒

c——平均單個(gè)玉米籽粒質(zhì)量,g

t——單位時(shí)間,s

單片機(jī)內(nèi)部程序通過式(9),代入玉米穗的ADC特征值求解出玉米芯上夾帶的籽粒數(shù)。

2.2 不同含水率的玉米穗標(biāo)定

由于含水率會(huì)對(duì)玉米穗的撞擊信號(hào)產(chǎn)生很大影響,因此針對(duì)不同含水率的玉米穗需要重新標(biāo)定。先對(duì)干燥的玉米穗等試驗(yàn)對(duì)象測(cè)含水率并進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn),選擇合適的信號(hào)放大倍數(shù),連續(xù)試驗(yàn)3次使標(biāo)定誤差不超過10%,記錄對(duì)應(yīng)的可調(diào)電阻器阻值,然后對(duì)干燥的試驗(yàn)對(duì)象用水進(jìn)行12 h的浸泡,然后晾曬、輕微干燥,最終得到合適的多組高含水率試驗(yàn)樣本。

對(duì)不同含水率的玉米穗分別進(jìn)行標(biāo)定,對(duì)應(yīng)可調(diào)電阻器的阻值如表3所示。將數(shù)據(jù)代入式(6)得

表3 谷物含水率與可調(diào)電阻器阻值對(duì)應(yīng)關(guān)系

m=-0.09z+2.73

(10)

式中m——可調(diào)電阻器阻值,kΩ

z——玉米穗含水率,%

3 自適應(yīng)限時(shí)濾波算法設(shè)計(jì)

為了消除玉米籽粒直收機(jī)籽粒損失撞擊監(jiān)測(cè)板產(chǎn)生的余振干擾,采用自適應(yīng)限時(shí)濾波算法進(jìn)行算法濾波,即單片機(jī)監(jiān)測(cè)到籽粒損失有效值后的一定時(shí)間段內(nèi),只允許一個(gè)有效值存在。對(duì)于數(shù)據(jù)采集器,在限定時(shí)間內(nèi)玉米籽粒損失值只累加一次;對(duì)于數(shù)據(jù)顯示終端,在限定時(shí)間內(nèi),對(duì)所有有效值遍歷取最大值為有效值。

為了得出限時(shí)步長(zhǎng),首先分析谷物損失信號(hào)值采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù),如圖10、12,得出在有效閾值范圍之內(nèi),玉米籽粒的最大數(shù)據(jù)跨度為391個(gè)數(shù)據(jù)位,玉米穗最大數(shù)據(jù)跨度為321個(gè)數(shù)據(jù)位,然后通過軟件Keil uVision5對(duì)單片機(jī)進(jìn)行程序仿真,計(jì)算出單個(gè)數(shù)據(jù)位的發(fā)送周期,仿真結(jié)果如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)采集器仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果,選擇最大值4.337 0 ms為單個(gè)數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間,結(jié)合數(shù)據(jù)跨度,最終數(shù)據(jù)采集器籽粒最大限時(shí)步長(zhǎng)設(shè)置為1 214.3 ms,數(shù)據(jù)顯示終端玉米穗最大限時(shí)步長(zhǎng)設(shè)置為1 444.3 ms。限時(shí)濾波程序流程圖如圖13所示。

圖13 限時(shí)濾波程序流程圖

而對(duì)于喂入量大、排雜快的玉米籽粒直收機(jī),數(shù)據(jù)顯示終端內(nèi)部程序可以自動(dòng)調(diào)節(jié)限時(shí)步長(zhǎng),進(jìn)一步縮短單次檢測(cè)時(shí)間以適應(yīng)不同工作環(huán)境。選擇ADC特征值2 000～2 500 mV為調(diào)節(jié)閾值,通過實(shí)時(shí)時(shí)鐘(Real time clock,RTC)累計(jì)6次以上連續(xù)記錄位于調(diào)節(jié)閾值內(nèi)峰值的實(shí)時(shí)時(shí)間,并計(jì)算出峰值之間的間隔時(shí)間,若間隔時(shí)間的最大時(shí)長(zhǎng)與最大限時(shí)步長(zhǎng)時(shí)間相差超過100 ms,則重加載限時(shí)步長(zhǎng)的定時(shí)器,重加載值為間隔時(shí)間平均值。

4 損失檢測(cè)系統(tǒng)臺(tái)架試驗(yàn)

4.1 系統(tǒng)標(biāo)定臺(tái)架試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對(duì)整套損失檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。對(duì)清選損失和夾帶損失依次進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)樣本和試驗(yàn)參數(shù)與之前標(biāo)定試驗(yàn)相同,將有效樣本與雜余混合放置,隨機(jī)放置在傳送帶上,全程開啟風(fēng)機(jī),以便盡可能地還原田間收獲狀況。

對(duì)于低含水率和高含水率的玉米穗,由于質(zhì)量差距較大,所以將其對(duì)應(yīng)的信號(hào)處理電路的可調(diào)電阻器阻值分別設(shè)置為1.56 kΩ和0.65 kΩ。

試驗(yàn)結(jié)果如表5、6所示。其中,玉米籽粒清選損失檢測(cè)結(jié)果最大誤差為8.7%,平均誤差約為4.27%;玉米籽粒夾帶損失檢測(cè)結(jié)果最大誤差為9.88%,平均誤差約為5.35%。

表5 玉米籽粒清選損失試驗(yàn)結(jié)果

4.2 玉米雙縱軸流脫粒試驗(yàn)臺(tái)試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)本損失檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)際檢測(cè)效果,在全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的玉米雙縱軸流脫粒試驗(yàn)臺(tái)上安裝本套損失檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)。該試驗(yàn)臺(tái)由4YZ-5型自走式玉米籽粒收獲機(jī)改裝,標(biāo)準(zhǔn)喂入量為8～12 kg/s,風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速為300～500 r/min,采用大功率三相異步交流電機(jī)作為動(dòng)力輸出,通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速,可高度還原田間作業(yè)過程,整個(gè)試驗(yàn)臺(tái)如圖14所示。

圖14 玉米雙縱軸流脫粒試驗(yàn)臺(tái)

籽粒損失檢測(cè)傳感器和玉米穗損失傳感器分別安裝在清選口和排雜口下方,與水平方向呈45°夾角,撞擊高度均為60 cm,安裝位置如圖15所示。由于排雜口處排出物情況復(fù)雜,所以只檢測(cè)單個(gè)玉米穗的夾帶籽粒情況,對(duì)于多個(gè)玉米穗同時(shí)碰撞的情況、不成熟的玉米籽粒和未敲擊到監(jiān)測(cè)板上的玉米穗不納入夾帶損失統(tǒng)計(jì)。因?yàn)楸緳z測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)面較大,且旨在實(shí)時(shí)反映收獲機(jī)的損失速率變化,以便提醒駕駛?cè)藛T調(diào)整作業(yè)速度,準(zhǔn)確的損失值沒有必要記錄,故不再加入修正系數(shù)調(diào)整損失總數(shù)。

圖15 傳感器安裝圖

試驗(yàn)臺(tái)后部裝有高速攝像頭,用于記錄單個(gè)試驗(yàn)對(duì)象的敲擊情況。地上鋪設(shè)塑料布,與收獲機(jī)車身等寬,所有的雜余和損失都落在塑料布上便于收集。凹板間隙設(shè)置為20 mm,玉米籽粒平均含水率為22.6%,根據(jù)式(10)計(jì)算可調(diào)電阻器阻值,將可調(diào)電阻器阻值設(shè)置為0.7 kΩ。試驗(yàn)結(jié)果如表7所示。其中,玉米籽粒清選損失檢測(cè)結(jié)果最大誤差為9.52%,平均誤差為6.02%,玉米籽粒夾帶損失檢測(cè)結(jié)果最大誤差為9.96%,平均誤差約為6.52%。

表7 檢測(cè)系統(tǒng)綜合試驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)采用柔性壓電陶瓷PZT-5和厚0.5 mm的304不銹鋼做成的監(jiān)測(cè)板,可以有效地監(jiān)測(cè)籽粒沖擊信號(hào),對(duì)于不同質(zhì)量的玉米穗也可以有效區(qū)分;通過信號(hào)處理電路,在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)損失檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定,能夠達(dá)到良好的識(shí)別效果;通過自主設(shè)計(jì)的自適應(yīng)限時(shí)濾波算法處理信號(hào)值,可以有效抑制谷物撞擊引起的余振干擾。

(2)在收獲機(jī)試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行裝機(jī)測(cè)試,玉米籽粒清選損失檢測(cè)結(jié)果最大誤差為9.52%,平均誤差約為6.02%;玉米籽粒夾帶損失檢測(cè)結(jié)果最大誤差為9.96%,平均誤差約為6.52%,數(shù)據(jù)結(jié)果表明所使用的方法能夠很好地識(shí)別損失谷物的信號(hào),可以實(shí)時(shí)反饋收獲機(jī)的損失速率,協(xié)助作業(yè)人員調(diào)整收獲速度,減少不必要的谷物損失。