丁力 徐宇飛 屈哲 豆宇飛 王萬(wàn)章 李赫

摘要：針對(duì)小麥損失監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的問(wèn)題，對(duì)收獲機(jī)清選排雜口不同物料運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，揭示小麥與秸稈撞擊敏感板的作用規(guī)律，從清選拋出物沖擊敏感板的力學(xué)特性出發(fā)，設(shè)計(jì)一種小麥?zhǔn)斋@機(jī)清選損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置。通過(guò)離散元分析軟件EDEM分析小麥籽粒、50 mm秸稈、100 mm秸稈撞擊敏感板產(chǎn)生的作用力，分析接觸力變化曲線，證明可通過(guò)判斷物料撞擊敏感板產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行損失監(jiān)測(cè)。為增強(qiáng)信號(hào)采集準(zhǔn)確率，采用兩片壓電傳感器串聯(lián)的方式，增大損失信號(hào)。設(shè)計(jì)損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，使監(jiān)測(cè)裝置模擬收獲機(jī)清選排雜過(guò)程且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)，有效提高監(jiān)測(cè)效率。最后，通過(guò)不同高度物料運(yùn)動(dòng)損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)，得出300 mm高度下傳感器識(shí)別較為精準(zhǔn)，對(duì)小麥籽粒的識(shí)別率達(dá)到98.4%，整體監(jiān)測(cè)誤差小于5%，損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的和要求。

關(guān)鍵詞：離散元方法；壓電傳感器；小麥；損失監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：S225.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：2095-5553 （2023） 03-0013-09

Abstract：? Aiming at the problems of complex structure and high cost of the wheat loss monitoring sensor， the motion characteristics of different materials in the harvester cleaning and discharging port were studied， and the law of the impact of wheat and straw on the sensitive plate was revealed. Based on the mechanical properties， an experimental device for monitoring the cleaning loss of wheat harvester was designed. The discrete element analysis software EDEM was used to analyze the force generated by the impact of wheat grains， 50 mm straw and 100 mm straw on the sensitive plate， and the change curve of the contact force was analyzed. In order to enhance the accuracy of signal acquisition， two piezoelectric sensors were connected in series， which increased the signal of loss. The mechanical structure and control system of the loss monitoring test bench were designed， so that the monitoring device simulated the cleaning and removal process of the harvester and could monitor the signal in real time， which effectively improved the monitoring efficiency. Finally， through the monitoring test of material movement loss at different heights， it was concluded that the sensor recognition was more accurate at a height of 300 mm， the recognition rate of wheat grains reached 98.4%， and the overall monitoring error was less than 5%. The loss monitoring test device can meet the design purpose and requirements.

Keywords：? discrete element method; piezoelectric sensor; wheat; loss monitoring

0引言

聯(lián)合收獲機(jī)因其便捷、高效，被廣泛用于小麥的機(jī)械化收獲過(guò)程中。但由于部分小麥為小面積種植，地塊分散，收獲作業(yè)存在路徑折返等現(xiàn)象。特別是一些機(jī)手操作不規(guī)范，邊轉(zhuǎn)彎邊收割，或者通過(guò)減小油門(mén)的辦法來(lái)減速，降低了發(fā)動(dòng)機(jī)和收獲機(jī)脫分裝置轉(zhuǎn)速，小麥穗頭未脫?；蛭疵搩艟捅慌懦?，造成小麥機(jī)械收獲籽粒損失率增大。有研究表明小麥?zhǔn)斋@損失量達(dá)到4%以上，高于國(guó)標(biāo)2%水平。目前損失測(cè)量主要是人工測(cè)量計(jì)數(shù)，無(wú)法實(shí)時(shí)獲取，無(wú)法實(shí)時(shí)反饋給機(jī)手進(jìn)行作業(yè)參數(shù)的調(diào)節(jié)，造成了糧食的損失［1］。

針對(duì)收獲機(jī)收獲損失監(jiān)測(cè)的問(wèn)題，眾多學(xué)者做了大量研究。國(guó)外對(duì)損失監(jiān)測(cè)傳感器研究比較早而且相對(duì)深入一些，Bernhardt等通過(guò)劃分區(qū)域和傳感器堆加的方式進(jìn)行損失監(jiān)測(cè)，把20個(gè)傳感器分布在29個(gè)監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)。為獲取谷物損失狀況，把20個(gè)傳感器的信息進(jìn)行整合并繪出特征曲線。這種裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且信息量非常巨大。Craessaerts等［2］在谷物收獲機(jī)上方運(yùn)動(dòng)篩的尾部固定傳感器的方法進(jìn)行損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)。因?yàn)閾p失監(jiān)測(cè)傳感器不同位置受到的沖擊力及產(chǎn)生的壓力數(shù)值不同，由此可以繪出谷物損失大概的非線性模型。

目前，國(guó)內(nèi)對(duì)損失傳感器還處于試驗(yàn)研究階段，李耀明等［3］研制出PVDF列陣式夾帶損失傳感器、YT-5L型壓電陶瓷夾帶損失傳感器、YT-5型整板式清選損失傳感器，設(shè)計(jì)了標(biāo)定試驗(yàn)臺(tái)并進(jìn)行了水稻、小麥?zhǔn)覂?nèi)標(biāo)定試驗(yàn)，室內(nèi)標(biāo)定試驗(yàn)與田間試驗(yàn)表明水稻、小麥夾帶和清選損失監(jiān)測(cè)精度在97%左右，監(jiān)測(cè)精度較高，也驗(yàn)證了所建監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型的正確性。唐飛龍［4］設(shè)計(jì)了一種信號(hào)處理電路，通過(guò)對(duì)比谷物碰撞檢測(cè)板的信號(hào)與噪聲信號(hào)的區(qū)別，對(duì)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究，并設(shè)計(jì)電路，通過(guò)在聯(lián)合收割機(jī)上安裝帶有設(shè)計(jì)電路的監(jiān)測(cè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)研究。徐立章等［5］對(duì)一體多塊式油菜清選損失監(jiān)測(cè)傳感器裝置進(jìn)行改進(jìn)，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定與臺(tái)架試驗(yàn)，建立了清選損失率與主要工作參數(shù)之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)了油菜清選損失自適應(yīng)控制系統(tǒng)，解決了清選損失自適應(yīng)控制系統(tǒng)中的滯后問(wèn)題。

上述研究能夠監(jiān)測(cè)小麥?zhǔn)斋@機(jī)損失信息，但主要通過(guò)大量試驗(yàn)的方法，過(guò)程復(fù)雜；且傳感器一般采用PVDF多塊結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，沒(méi)有一個(gè)很好的試驗(yàn)裝置去模擬清選運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

針對(duì)目前小麥?zhǔn)斋@機(jī)清選損失監(jiān)測(cè)的研究主要靠大量試驗(yàn)，以及監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的問(wèn)題。通過(guò)EDEM仿真模擬小麥及秸稈與敏感板撞擊過(guò)程，分析由撞擊力產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)區(qū)分出小麥的可行性?；趬弘娞沾傻膲弘娦?yīng)的原理，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)采集陶瓷壓電傳感器的信號(hào)數(shù)值，并且把采集到的模擬信號(hào)輸送到控制器中，通過(guò)程序增加軟件判斷環(huán)節(jié)，通過(guò)觸摸屏作為人機(jī)交互系統(tǒng)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)種子下落從而模擬小麥從收割機(jī)清選口落下，提高損失監(jiān)測(cè)裝置的可靠性與可操作性。

1碰撞敏感板力學(xué)特性分析與仿真

1.1碰撞敏感板力學(xué)特性分析

小麥和秸稈撞擊敏感板的過(guò)程可簡(jiǎn)化為如圖1所示的動(dòng)力學(xué)模型，其動(dòng)力學(xué)方程可表示為式（1）。

分析式（4）和式（5）可知：由于小麥顆粒和秸稈的恢復(fù)系數(shù)、質(zhì)量及彈性模量等特征的不同，其接觸鋼板時(shí)產(chǎn)生的接觸時(shí)間及最大變形量也存在很大區(qū)別。

最大接觸變形量αmax隨著最大接觸力Fnmax的增大而增大，而接觸信號(hào)電壓隨著最大接觸變形量αmax的增大而增大，所以接觸力越大，接觸信號(hào)電壓越大。根據(jù)式（5）可知，碰撞接觸時(shí)間也隨著最大接觸變形量αmax的增大而增大，接觸力升高持續(xù)時(shí)間tr的4倍是接觸信號(hào)的一個(gè)脈沖周期。小麥和秸稈接觸損失檢測(cè)監(jiān)測(cè)傳感器敏感板產(chǎn)生信號(hào)的最大接觸力Fnmax與接觸力上升時(shí)間tr會(huì)使信號(hào)電壓的最大值與頻率的不同。

根據(jù)上述分析，辨識(shí)出小麥籽粒的重要步驟是準(zhǔn)確得到小麥和秸稈與敏感板碰撞過(guò)程中的最大接觸力Fnmax與接觸力上升時(shí)間tr。利用離散元軟件EDEM2020數(shù)值模擬小麥顆粒和秸稈與損失檢測(cè)監(jiān)測(cè)傳感器金屬板的撞擊力學(xué)特性，為后續(xù)正確辨識(shí)小麥和秸稈的閾值相關(guān)參數(shù)提供有效參考［6］。

1.2仿真模型

小麥顆粒為不規(guī)則球形顆粒，整體為橢球狀。通過(guò)多個(gè)球面填充方法得到的仿真模型［7］。由于不同莖稈尺寸差異較大，選取50 mm和100 mm的小麥莖稈作為試驗(yàn)對(duì)象。秸稈模型通過(guò)球形單元均勻疊加而成，具備與真實(shí)小麥和秸稈相同的質(zhì)量體積。在離散元軟件EDEM中導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)室建立好的小麥顆粒、50 mm 秸稈和100 mm秸稈模型。

通過(guò)查閱文獻(xiàn)［8］得到離散元模擬中麥粒、秸稈以及鋼板的仿真參數(shù)，本試驗(yàn)中各模擬參數(shù)如表1所示。秸稈模型如圖2所示。

1.3接觸模型

離散元的重要基礎(chǔ)是接觸模型，被用到最多的接觸模型有：運(yùn)動(dòng)表面接觸模型，HertzMindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型及HertzMindlin黏結(jié)接觸模型等。因?yàn)樾←滎w粒的形狀為不規(guī)則形狀且小麥的外表皮面光滑，所以最合適的接觸模型為HertzMindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型。HertzMindlin無(wú)滑動(dòng)接觸模型可被用來(lái)做小麥與敏感板之間及秸稈與敏感板之間的接觸模型。查閱文獻(xiàn)可知，離散元模擬中麥粒與敏感板以及秸稈與敏感板的仿真參數(shù)如表2所示［9］。

1.4EDEM仿真結(jié)果與分析

在EDEM軟件中做出厚度0.5 mm，長(zhǎng)300 mm，寬200 mm敏感板模型。因?yàn)楣任镒矒裘舾邪宓乃俣炔粸榱?，在軟件中設(shè)置谷物距離敏感板為300 mm。

仿真模擬結(jié)束后，利用后處理模塊（Analyst）可看到物料運(yùn)動(dòng)及碰撞的全部數(shù)據(jù)和圖像［10］，試驗(yàn)?zāi)M過(guò)程如圖3所示。

利用EDEM的輸出數(shù)據(jù)模塊得到了小麥及秸稈和敏感板作用時(shí)間及對(duì)應(yīng)作用力，之后通過(guò)Excel處理數(shù)據(jù)并繪制接觸力曲線圖，如圖4所示。

根據(jù)導(dǎo)出的Excel數(shù)據(jù)，小麥與敏感板接觸力升高持續(xù)時(shí)間tr為0.000 031 s；接觸力的最大值為1.44 N；根據(jù)計(jì)算可以獲得小麥接觸敏感板觸發(fā)的振動(dòng)信號(hào)頻率為7.8 kHz［11］。100 mm秸稈與敏感板在0255 952 s時(shí)與敏感板發(fā)生碰撞，且接觸力升高持續(xù)時(shí)間tr為0.000 244 s，接觸力的峰值為2.64 N。根據(jù)計(jì)算可以得出100 mm秸稈與敏感板接觸觸發(fā)的振動(dòng)頻率1.0 kHz。50 mm秸稈與敏感板在0.233 059 s時(shí)發(fā)生碰撞，接觸力升高持續(xù)時(shí)間tr為0.000 275 s，沖擊力的峰值為1.23 N。根據(jù)計(jì)算可以得出50 mm秸稈與敏感板接觸觸發(fā)的振動(dòng)頻率小于1 kHz。通過(guò)分析上述數(shù)據(jù)，可以得到小麥顆粒碰撞敏感板的最大接觸力位于100 mm秸稈和50 mm秸稈之間；但撞擊敏感板觸發(fā)的振動(dòng)信號(hào)頻率要遠(yuǎn)高于100 mm秸稈和50 mm的秸稈產(chǎn)生信號(hào)頻率。

2傳感器選型與設(shè)計(jì)

2.1壓電陶瓷傳感器

壓電陶瓷式傳感器通用性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。主要使用方法是把傳感器固定在監(jiān)測(cè)板一側(cè)，工作過(guò)程為當(dāng)谷物接觸到裝有壓電陶瓷的檢測(cè)板時(shí)，由于接觸力的作用檢測(cè)板會(huì)發(fā)生彈性形變并伴隨振動(dòng)。監(jiān)測(cè)板下方的壓電陶瓷根據(jù)壓電效應(yīng)把機(jī)械信號(hào)變成谷物的電脈沖信號(hào)。然后由控制器判斷損失電壓信號(hào)，最后由LCD顯示器顯示出來(lái)。因?yàn)槠涑杀据^低結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，常用于靈敏度比較高、易老化、工作溫差變化大的工作環(huán)境［12］。

本損失檢測(cè)裝置壓電傳感器選用環(huán)形壓電陶瓷傳感器。該傳感器重量比較輕，諧振頻率接近100 kHz。選用的壓電陶瓷傳感器最大直徑為28 mm，中間小孔直徑為8 mm，傳感器厚度為1 mm。其關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

2.2壓電陶瓷的壓電效應(yīng)

由于壓電陶瓷內(nèi)部的電疇界限可能會(huì)隨著外部沖擊而使得壓電陶瓷產(chǎn)品內(nèi)部的電子成分產(chǎn)生改變。而剩余極化強(qiáng)度也會(huì)隨著電疇的移動(dòng)而產(chǎn)生變化，因上述的變動(dòng)導(dǎo)致在垂直于極化方向的平面上也將出現(xiàn)電荷的增加或減少。這種因受沖擊力而產(chǎn)生的把機(jī)械能變?yōu)殡娔艿奈锢憩F(xiàn)象也被稱為壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)。鐵磁物質(zhì)的磁化過(guò)程與壓電陶瓷的極化過(guò)程相類似，如式（8）所示。

垂直方向一般為壓電陶瓷的極化方向也就是Z軸方向。當(dāng)沿垂直方向受到均勻分布的力F作用時(shí)，正負(fù)電荷將在它的兩個(gè)極化面上分別顯現(xiàn)，如圖5所示。

分析壓電陶瓷的壓電效應(yīng)可知，壓電陶瓷片上受到的力F與壓電陶瓷上產(chǎn)生的逆變電荷關(guān)系如式（9）所示。

當(dāng)有物體撞擊到壓電陶瓷傳感器時(shí)，其等同一個(gè)電荷源。傳感器的上下兩個(gè)級(jí)面生成大量電荷，兩極面的電荷極性相反且電荷量大小相等。當(dāng)大量電荷生成在壓電陶瓷的上下兩個(gè)級(jí)面，此時(shí)壓電陶瓷的作用相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器。其等效電容量如式（10）所示。

從壓電陶瓷的功能上分析，其也是一個(gè)電荷發(fā)生器。利用壓電陶瓷輸出電壓時(shí)，其可被等效成與電容串聯(lián)的電壓源，其等效電路如圖6所示。

2.3傳感器串聯(lián)分析

兩個(gè)壓電陶瓷傳感器的串聯(lián)與兩個(gè)電容的串聯(lián)相同，即把一個(gè)壓電陶瓷傳感器的正極與另一壓電陶瓷傳感器的負(fù)極通過(guò)導(dǎo)線相連接。當(dāng)壓電陶瓷傳感器受到外力時(shí)，上極板會(huì)生成正電荷，下極板會(huì)生成負(fù)電荷。因?yàn)椋瑑蓚€(gè)壓電陶瓷傳感器之間產(chǎn)生的正負(fù)電荷可以互相消掉。分析可知，一片傳感器時(shí)上、下極板的電荷量與兩傳感器并聯(lián)時(shí)相同，而一片傳感器輸出電壓為兩片的一半，單片的電容量為兩片的兩倍。

通過(guò)上述分析可知，當(dāng)被檢測(cè)的電路具有比較高的輸入阻抗時(shí)，且把電壓作為輸出信號(hào)時(shí)，可以把兩個(gè)壓電陶瓷傳感器串聯(lián)，串聯(lián)之后傳感器的電容減小一半，輸出的電壓增大一倍［1314］。本損失檢測(cè)裝置通過(guò)判斷變化的電壓信號(hào)經(jīng)信號(hào)處理電路輸入Arduino微控制器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。綜上所述，可以采用兩壓電陶瓷傳感器串聯(lián)的形式，來(lái)增加輸出電壓信號(hào)，并將其附在一塊敏感板上面。

3機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置控制系統(tǒng)總體框圖如圖7所示。Arduino單片機(jī)是損失檢測(cè)系統(tǒng)的核心部件，主要完成種子和秸稈的計(jì)數(shù)、與ATF觸摸屏的串口通信、落籽個(gè)數(shù)與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)匹配的計(jì)算、LCD1602的顯示操作和步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)等。

該系統(tǒng)利用ATF觸摸屏來(lái)控制落籽機(jī)構(gòu)電機(jī)，從而控制落種機(jī)構(gòu)的排種軸，排種軸帶動(dòng)種子落在敏感板上，通過(guò)敏感板上的壓力信號(hào)來(lái)判斷是麥粒還是秸稈。

因此，可在敏感板的背面粘貼陶瓷壓力傳感器來(lái)檢測(cè)壓力的大小。因?yàn)锳rduino單片機(jī)既可以接收數(shù)字量信號(hào)也可以接收傳感器輸出的模擬信號(hào)，所以壓電陶瓷傳感器采集到的模擬量可以直接傳輸給Arduino單片機(jī)。然后單片機(jī)將該值與設(shè)定的閾值范圍進(jìn)行判斷，單片機(jī)將產(chǎn)生信號(hào)控制LCD1602數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)顯示功能。如圖8所示為控制系統(tǒng)的流程圖。

3.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

損失檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)架主體是由40 mm×40 mm鋁型材搭建，鋁型材之間主要靠角碼固定，如圖9所示。主要由底座、支架、敏感板、落籽機(jī)構(gòu)、高度調(diào)節(jié)支架等組成。敏感板支架通過(guò)螺釘與支架連接，通過(guò)調(diào)節(jié)螺釘可以使敏感板在0°～90°的范圍進(jìn)行角度調(diào)節(jié)。為了使種子撞擊后順利彈開(kāi)，避免再次撞擊，敏感板安裝傾斜角約為45°。落籽機(jī)構(gòu)整體為3D打印材料，通過(guò)連接裝置與鋁型材固定，如圖10所示。

3.2控制系統(tǒng)組成

選用Arduino作為損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)控制器，該單片機(jī)共有14個(gè)數(shù)字引腳，6個(gè)模擬引腳。選用LCD1602作為試驗(yàn)裝置的顯示器，其可以用來(lái)顯示簡(jiǎn)單的數(shù)字、符號(hào)和字母。落籽機(jī)構(gòu)排種軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)上選用的是混合式步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)型號(hào)為42BYGH34，額定電流為1.5 A、步距角為1.8°（二相）出軸長(zhǎng)度為22 mm、軸徑為5 mm（D字型），便于安裝。采用TB6600步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器與單片機(jī)通信，并控制步進(jìn)電機(jī)。本損失監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)采用共陽(yáng)極連接方式。考慮安全因素等因素，驅(qū)動(dòng)器支持脫機(jī)保持功能，允許用戶在開(kāi)機(jī)狀態(tài)下完成調(diào)試等工作。為了精確控制種子下落個(gè)數(shù)，本損失檢測(cè)系統(tǒng)使用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇8細(xì)分，使步進(jìn)電機(jī)接收1 600個(gè)脈沖轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，因此同樣頻率的脈沖信號(hào)可以使得步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速更低。試驗(yàn)器材原理圖如圖11所示。

3.3人機(jī)界面軟件設(shè)計(jì)

選用ATF043觸摸屏4.3寸（對(duì)角線）彩色串口顯示模塊，橫屏480像素×272像素，資源存儲(chǔ)器容量為128 M。觸摸屏通過(guò)5 V供電，可直接用Arduino供電，觸摸類型是電容觸摸。

根據(jù)圖7系統(tǒng)總體框圖，AFT觸摸屏的界面需要兩個(gè)控制按鈕和兩個(gè)數(shù)值輸入模塊。控制按鈕用來(lái)控制電機(jī)的啟動(dòng)和關(guān)閉，兩個(gè)數(shù)值輸入模塊用來(lái)控制落籽的速度及落籽的數(shù)量。落籽數(shù)量可通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)進(jìn)行控制，輸入的數(shù)值通過(guò)程序算術(shù)運(yùn)算與電機(jī)實(shí)際需要轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)相匹配。落籽速度可以通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，輸入的數(shù)值通過(guò)程序算術(shù)運(yùn)算與電機(jī)實(shí)際需要轉(zhuǎn)動(dòng)速度相匹配，人機(jī)交互界面如圖12所示。

4試驗(yàn)與分析

4.1谷物信號(hào)采集

本損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)采用河南農(nóng)業(yè)大學(xué)原陽(yáng)基地種植最多的小麥品種，試驗(yàn)地點(diǎn)在河南農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)裝備工程研究中心。試驗(yàn)裝置需要提前獲得谷物從不同高度落下撞擊敏感板產(chǎn)生的電壓信號(hào)范圍，然后對(duì)種子和秸稈進(jìn)行損失監(jiān)測(cè)。本損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置需要提前獲得谷物從不同高度落下撞擊敏感板產(chǎn)生的電壓信號(hào)范圍，然后對(duì)種子和秸稈進(jìn)行損失監(jiān)測(cè)。

由于谷物撞擊敏感板的高度不同損失監(jiān)測(cè)裝置的檢測(cè)精度也不同，所以需要進(jìn)行多組試驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證高度對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。分別測(cè)量小麥顆粒、50 mm秸稈、100 mm秸稈從10 cm、20 cm及30 cm的高度撞擊敏感板的信號(hào)［15］。通過(guò)實(shí)地觀察，收獲機(jī)排雜口處小麥顆粒及秸稈撞擊角度在30°～60°之間，所以選取45°敏感板作為試驗(yàn)撞擊角度。首先將小麥顆粒、50 mm秸稈、100 mm秸稈從10 cm的高度自由落下撞擊敏感板，在Arduino IDE的串口監(jiān)視工具觀察信號(hào)輸出數(shù)值。

為了能夠更加清楚地表達(dá)谷物信號(hào)數(shù)值，將數(shù)據(jù)分析整理得到不同高度撞擊產(chǎn)生的信號(hào)數(shù)值。如表4所示。通過(guò)整理為后續(xù)信號(hào)閾值提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，同時(shí)使每種谷物信號(hào)數(shù)據(jù)一目了然，方便對(duì)比研究［16］。

分析表4結(jié)果得到小麥籽粒、50 mm秸稈、100 mm秸稈從100 mm高度撞擊敏感板數(shù)值分別為6～10、1～4、14～19；小麥籽粒、50 mm秸稈、100 mm秸稈從200 mm高度撞擊敏感板數(shù)值分別為9～17、3～6、24～38；小麥籽粒、50 mm秸稈、100 mm秸稈從300 mm高度撞擊敏感板數(shù)值分別為19～34、4～9、37～55。

4.2試驗(yàn)方法及過(guò)程

損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置的準(zhǔn)確度受落籽高度、每分鐘落籽個(gè)數(shù)以及敏感板角度等因素的影響［17］。由于種子下落時(shí)間間隔過(guò)短會(huì)導(dǎo)致監(jiān)測(cè)的誤差大大增加，可通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)調(diào)節(jié)落籽間隔，來(lái)保證損失監(jiān)測(cè)的準(zhǔn)確性。

本監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置中，小麥從落籽機(jī)構(gòu)落種導(dǎo)管落下三種不同高處，小麥種子大部分呈長(zhǎng)圓形，與敏感板撞擊后有可能會(huì)翻滾而產(chǎn)生第二次撞擊，而且為使測(cè)量精度更加準(zhǔn)確調(diào)整敏感板角度為45°。

4.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

為考察不同高度監(jiān)測(cè)性能，試驗(yàn)分成三組，分別選取100 mm、200 mm、300 mm高度，每組50粒小麥、10根50 mm的秸稈及100 mm的秸稈落下，每組重復(fù)5次試驗(yàn)結(jié)果如表5、表6所示。

試驗(yàn)過(guò)程中，全程觀察LCD1602顯示屏上的數(shù)據(jù)和小麥及秸稈碰撞敏感板的運(yùn)動(dòng)情況。通過(guò)觀察試驗(yàn)主要出現(xiàn)以下問(wèn)題：小部分種子本身質(zhì)量較小且小麥與敏感板碰撞之后發(fā)生了二次碰撞現(xiàn)象［16］。試驗(yàn)中有多粒種子同時(shí)下落，由于小麥撞擊敏感板間隔時(shí)間過(guò)短，傳感器和單片機(jī)并不能有效地區(qū)分，降低了損失檢測(cè)的準(zhǔn)確率。

選取高度單因素試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行方差分析，結(jié)果如表6所示。從表6可以看出，在不同高度下，麥粒、50 mm秸稈和100 mm秸稈均為高度顯著，其中麥粒P值最小，說(shuō)明高度指標(biāo)影響較大，從準(zhǔn)確率分析中可以得出，300 mm高度下傳感器識(shí)別較為精準(zhǔn)。

通過(guò)分析以上3組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)谷物距離敏感板300 mm時(shí)，損失監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確率較好。使用兩片壓電陶瓷式傳感器串聯(lián)可以起到放大信號(hào)的作用，損失監(jiān)測(cè)裝置能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，監(jiān)測(cè)誤差小于5%。

5結(jié)論

1）? 針對(duì)目前小麥?zhǔn)斋@機(jī)損失監(jiān)測(cè)傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高的問(wèn)題。通過(guò)EDEM仿真模擬小麥及秸稈與敏感板撞擊過(guò)程，分析出由撞擊力產(chǎn)生的信號(hào)來(lái)區(qū)分出小麥的可行性?；趬弘娞沾傻膲弘娦?yīng)的原理，增強(qiáng)信號(hào)采集準(zhǔn)確率，設(shè)計(jì)了損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)，使監(jiān)測(cè)裝置模擬收獲機(jī)排雜過(guò)程且可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)，有效提高了監(jiān)測(cè)效率。

2）? 理論分析了谷物撞擊敏感板力學(xué)特性，結(jié)合建立的麥粒、秸稈模型，導(dǎo)入離散元軟件EDEM中進(jìn)行撞擊敏感板仿真，分析了接觸力變化曲線，得到小麥顆粒碰撞敏感板的最大接觸力大于50 mm秸稈和小于100 mm秸稈；50 mm秸稈和100 mm的秸稈產(chǎn)生信號(hào)頻率遠(yuǎn)小于小麥，證明可通過(guò)判斷物料撞擊敏感板產(chǎn)生的信號(hào)進(jìn)行損失監(jiān)測(cè)。

3）? 設(shè)計(jì)了控制系統(tǒng)及損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置。依據(jù)監(jiān)測(cè)裝置控制系統(tǒng)信號(hào)特點(diǎn)選擇兩片壓電陶瓷串聯(lián)作為采集信號(hào)模塊，增強(qiáng)了信號(hào)數(shù)值。使用試驗(yàn)裝置，對(duì)不同高度下物料撞擊敏感板進(jìn)行單因素方差分析，得出高度因素影響顯著，通過(guò)分組試驗(yàn)得出谷物最佳下落高度，同時(shí)驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)裝置的準(zhǔn)確率。試驗(yàn)結(jié)果表明，30 cm高度下傳感器識(shí)別較為精準(zhǔn)，對(duì)小麥籽粒的識(shí)別率達(dá)到98.4%，整體監(jiān)測(cè)誤差小于5%，損失監(jiān)測(cè)試驗(yàn)裝置能夠達(dá)到設(shè)計(jì)目的和要求。

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