專利名稱：聯(lián)合收割機谷粒清選損失智能在線檢測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及農業(yè)機械中的聯(lián)合收割機，特別涉及對聯(lián)合收割機的谷粒清選損 失進行智能檢測的裝置。
背景技術：
在聯(lián)合收獲機的性能測試中，谷粒清選損失率是一項重要指標，它直接影響著收 割機的生產(chǎn)效率和作業(yè)質量。谷物收獲作業(yè)中，當莖稈含水率較低時，脫粒過程中產(chǎn)生的大 量碎莖稈會造成清選負荷加大，清選質量下降，清選損失率高達4%左右，極大地降低了作 業(yè)質量。長期以來，該指標的檢測一直采用人工計數(shù)和人工計算損失率，其缺陷是工作效 率低，誤差大，不能實時指導機組收獲作業(yè)。由于清選篩拋出物中谷粒相對于莖稈和草非常少，用傳感器檢測到的谷粒損失信 號非常微弱，幾乎淹沒在聯(lián)合收割機和清選篩強振動噪聲中，加之莖稈和草信號的干擾，使 得谷粒信號的識別與提取變得極其困難。此外，當谷草混合物從清選篩排出后，連續(xù)撞擊到 安裝于篩子后部的傳感器敏感元件上，傳統(tǒng)的結構是在平面板上固接單個壓電基片，這種 結構獲得的谷粒信息不完整且不精確，還受到自身性能及噪聲的影響，采集到的數(shù)據(jù)帶有 較大的不確定性。目前，基于單片機的清選損失自動監(jiān)測系統(tǒng)在實際使用時，整機功能、量化指標和 可靠性均不高。陣列式壓電晶體谷物清選損失傳感器僅為理論研究，未有具體的實施方案， 且無法解決陣列結構靈敏度一致性問題。
發(fā)明內容本實用新型的目的是針對上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種實時性好、準確率高且 可靠性強的聯(lián)合收割機谷粒清選損失智能在線檢測裝置。本實用新型采用的技術方案是陣列式壓電晶體傳感器的輸出連接電荷放大器， 電荷放大器的輸出依次串接增益可調電路、高通濾波電路、靈敏度調節(jié)電路、脈沖整形電 路、單片微型處理器和通信接口電路；靈敏度調節(jié)電路的輸出旁接靈敏度電壓顯示數(shù)碼管， 單片微型處理器連接鍵盤、報警電路和主顯示數(shù)碼管；電源電路分別連接電荷放大器、單片 微型處理器、鍵盤、主顯示數(shù)碼管、靈敏度電壓顯示數(shù)碼管和各所述電路。所述陣列式壓電晶體傳感器的傳感器平板式敏感元件與水平位置成40° 60° 且其兩端可調式固定連接于聯(lián)合收割機的清選篩后部的固定支架上，壓電探測陣列敷貼于 傳感器平板式敏感元件的背面且被密封；在傳感器平板式敏感元件正面粘貼有一層彈性薄 膜；屏蔽傳輸導線一端連接壓電晶體探測陣列，另一端連接所述電荷放大器。本實用新型的有益效果是利用多薄板壓電探測陣列全寬分布的方法檢測谷粒清 選損失，從多區(qū)域多角度攝取信息，不僅增強谷粒沖擊信號，提高谷草識別精度，而且提高 了測試可靠性。整體動態(tài)性能好，抗干擾能力強，測量精度高，能實現(xiàn)清選損失田間在線測 量。[0009]
圖1為本實用新型的結構連接示意圖。圖2為圖1中的陣列式壓電晶體傳感器1的結構圖。圖中，1.陣列式壓電晶體傳感器；2.電荷放大器；3.增益可調電路；4.高通濾波 電路；5.靈敏度調節(jié)電路；6.脈沖整形電路；7.單片微型處理器；8.鍵盤；9.報警電路； 10.主顯示數(shù)碼管；11.通信接口電路；12.靈敏度電壓顯示數(shù)碼管；13.電源電路；14.壓電 晶體探測陣列；15.傳感器平板式敏感元件；16.固定支架；17.屏蔽電纜線。
具體實施方式
如圖1所示的檢測裝置，陣列式壓電晶體傳感器1的輸出連接電荷放大器2，電荷 放大器2的輸出依次串接增益可調電路3、高通濾波電路4、靈敏度調節(jié)電路5、脈沖整形電 路6、單片微型處理器7和通信接口電路11。其中，靈敏度調節(jié)電路5的輸出旁接靈敏度電 壓顯示數(shù)碼管12，單片微型處理器7的輸出還連接報警電路9和主顯示數(shù)碼管10。鍵盤8 的輸出連接單片微型處理器7。電源電路13分別連接上述的各個電路并為各個電路提供電 源，電源電路13還分別連接電荷放大器2、單片微型處理器7、鍵盤8、主顯示數(shù)碼管10和 靈敏度電壓顯示數(shù)碼管12并為其提供電源。電源電路13采用聯(lián)合收割機上蓄電池輸出的 DC12V作為其電壓輸入，采用穩(wěn)壓電路得到系統(tǒng)穩(wěn)定的電源電壓等級DC士 12V、DC5V。參照圖2，陣列式壓電晶體傳感器1的結構包括壓電晶體探測陣列14、傳感器平板 式敏感元件15、固定支架16和屏蔽電纜線17。傳感器平板式敏感元件15設置成與水平位 置成40° 60°角且固定在位于聯(lián)合收割機的清選篩后部的固定支架16上，以寬度方向 分布進行檢測。壓電探測陣列14敷貼于傳感器平板式敏感元件15的背面且被密封。在傳 感器平板式敏感元件15正面粘貼一層彈性薄膜，當谷粒撞擊傳感器平板式敏感元件15表 面時，彈性薄膜可降低谷物在傳感器平板式敏感元件15內部產(chǎn)生的彎曲波。壓電晶體探測陣列14是由若干個圓盤狀的壓電陶瓷晶體間隔排列而成。傳感器 平板式敏感元件15按左、中、右位置全寬度方向分布在一起。固定支架采用四角加固方式 固定在傳感器平板式敏感元件15的兩端，固定支架16在傳感器平板式敏感元件15的上 下、前后位置均為可調結構。為了使壓電陶瓷晶體與傳感器平板式敏感元件15平面充分接 觸，屏蔽傳輸導線17采用單面引線方式與壓電晶體探測陣列14連接，屏蔽傳輸導線17 — 端連接壓電晶體探測陣列14，另一端連接電荷放大器2。單片微型處理器7選用的是80C52單片機，通過數(shù)據(jù)口采集三路谷粒清選損失信 號。鍵盤8包括“復位”、“開始”、“存儲”三個鍵組成，其中“復位”鍵用來初始化程序并且 進行系統(tǒng)自檢；“開始”鍵用來啟動清選損失監(jiān)測程序的執(zhí)行，實時采樣清選損失谷粒信號， 每隔1秒鐘計算一次損失谷粒重量，并刷新顯示；“存儲”鍵用來查詢當前工作時段內谷粒 損失總個數(shù)。通信接口電路11采用MAX232電平轉換芯片構成串行RS232通信方式。谷粒 清選損失監(jiān)測系統(tǒng)軟件利用C語言開發(fā)。在聯(lián)合收割機田間收獲過程中，將陣列式壓電晶體傳感器1安裝于清選篩出口 處，全寬分布，從多區(qū)域多角度獲取清選篩拋出物沖擊信號，經(jīng)過電荷放大器2、增益可調電 路3、高通濾波電路4、靈敏度調節(jié)電路5以及脈沖整形電路6處理，將清選損失谷粒信號從 碎草、秸稈、穎殼等沖擊信號和機組強振動信號的干擾中提取出來。對于收獲不同作物，可 以改變靈敏度調節(jié)電路5參考電壓調節(jié)旋鈕，從而調整三個通道靈敏度電壓，并在靈敏度電壓顯示數(shù)碼管12上顯示。單片微型處理器7提供了兩種工作模式“在線監(jiān)測”與“查詢 數(shù)據(jù)”，由鍵盤8選擇切換。在“在線監(jiān)測”模式下，單片微處理器7通過數(shù)據(jù)口采集谷粒清 選損失信號，監(jiān)控程序對采集到的谷粒信號進行計數(shù)、處理，并將結果實時顯示在主顯示數(shù) 碼管10上，完成清選損失在線監(jiān)測，如果谷粒損失量超出設定的極限值，報警電路9發(fā)出命 令，指示機手采取相應措施。作為監(jiān)測系統(tǒng)的智能終端，通過通信接口電路11與上位機之 間實時的數(shù)據(jù)傳輸，接受上位機的遠程管理。在“查詢數(shù)據(jù)”方式下，單片微型處理器7調 出當前工作時段內損失谷粒的總個數(shù)，用于評價此次收獲作業(yè)質量狀況。聯(lián)合收割機谷粒清選損失檢測方法具體包括以下步驟1、采用三塊傳感器平板式敏感元件15按左、中、右位置全寬分布在清選篩出糧口 處。傳感器平板式敏感元件15具有最佳分辨谷草沖擊力的結構參數(shù)，而且能測量出谷粒撞 擊最高頻率。多薄板結構可以提高傳感器平板式敏感元件15對谷粒沖擊信號分辨率；全 寬分布形式可以最大限度地獲取清選損失谷粒信號。傳感器平板式敏感元件15與水平面 成40° 60°角安裝，避免拋出物沖擊到傳感器平板式敏感元件15表面發(fā)生二次碰撞現(xiàn) 象，同時也防止穎殼、短莖稈等物撞擊傳感器平板式敏感元件15后堆積在其表面后降低傳 感器平板式敏感元件15的靈敏度。設計傳感器平板式敏感元件15時，先利用彈性薄板理論建立谷粒損失敏感元件 動力學模型，再采用該動力學模型，依據(jù)谷粒下落規(guī)律，算出能測量出谷粒撞擊最高頻率的 傳感器平板式敏感元件15的參數(shù)，得出的參數(shù)是長300mm，寬200mm，厚度1. 5mm。2、將壓電晶體探測陣列14設置在傳感器平板式敏感元件15背面，當谷草混合物 隨機撞擊到傳感器平板式敏感元件15表面不同位置時，壓電晶體探測陣列14從多區(qū)域多 角度攝取信息。由于壓電晶體探測陣列14結構的特殊性，不僅可以增強谷粒沖擊信號，提 高谷草識別精度，而且保證傳感器平板式敏感元件15整個范圍內對谷草混合物的沖擊具 有相近的靈敏度。壓電晶體探測陣列14結構的具體設計方法如下1)利用谷粒信號傳感模型，聯(lián)立壓電晶體電學方程，推導出谷粒損失信號測量模 型U0 = -^d31CuS1Spa其中U。為壓電晶體的開路電壓，C為前置電荷放大器的反饋電容，d31為壓電常 數(shù)，C11為壓電晶體彈性常數(shù)，S1為壓電晶體形變大小，Sp為壓電晶體的極板面積，a為損耗 系數(shù)；清選損失谷粒以一定速度沖擊傳感器平板式敏感元件15時，谷粒信號的幅值大 小與壓電晶體受到?jīng)_擊后的形變大小成正比，因此選擇敏感元件形變較大的位置進行傳 感，就可以獲得比較大的感應電荷量，達到增強谷粒信號，提高檢測可靠性的目的。2)采用有限單元法與試驗分析法相結合對谷草撞擊傳感器平板式敏感元件15動 力學模型進行分析，確定其低階固有頻率以及對應的振型分布。3)根據(jù)步驟2)中的振型分布，選擇傳感器平板式敏感元件15動態(tài)形變明顯的位 置布局壓電晶體，構建探測陣列結構雛形，達到增強谷粒信號，提高谷草分辨率目的。4)利用ANSYS軟件建立谷粒沖擊傳感器平板式敏感元件15有限元仿真模型，依據(jù)傳感器平板式敏感元件15變形云圖及形變位移數(shù)值解，校正步驟1)中的陣列結構雛形，優(yōu) 化陣列結構，保證探測陣列在增強谷粒沖擊信號的前提下，使得傳感器平板式敏感元件15 在整個范圍內靈敏度分布趨于均勻。3、將陣列式壓電晶體傳感器1輸出的信號送入電荷放大器2、增益可調電路3中處 理，轉換成具有一定幅值的電壓信號；運用高通濾波電路4、靈敏度調節(jié)電路4分別從頻域 和時域中分離機組振動噪聲與谷粒信號特征。高通濾波電路4根據(jù)谷粒信號過度帶寬度及 阻帶衰減量確定滿足濾波性能最低階數(shù)為八階，過度帶增長速率較快、較大程度地從機組 強噪聲背景中提取出清選損失谷粒信號，以壓控電壓源拓撲結構為基本單元，采用級聯(lián)方 式。4、將步驟3中分離出振動噪聲和清選損失谷粒信號通過脈沖整形電路6使之整形 為單片微型處理器7可以執(zhí)行的標準脈沖信號。為了保持谷粒信號特征，脈沖整形電路6 的脈沖脈寬的選擇十分重要，如果選得過寬，延遲時間長，會導致谷粒信號的漏計；如果選 得過窄，延遲時間短，會導致谷粒信號重復計數(shù)。采集清選過程中80組谷粒損失信號，運用 數(shù)理統(tǒng)計方法分析谷粒信號衰減時間規(guī)律，以此確定脈沖寬度為5ms 6ms。5、在“在線監(jiān)測”模式下，單片微處理器7每隔一定的時間采集谷粒清選損失信 號，監(jiān)控程序對采集到的谷粒信號進行計數(shù)、處理，并將結果實時顯示在主顯示數(shù)碼管10 上，每隔Is刷新一次，完成清選損失在線監(jiān)測，并可與上位機之間實時傳輸數(shù)據(jù)，接受上位 機的遠程管理。如果谷粒損失量超出設定的極限值，通過報警電路9發(fā)出報警命令，指示機 手采取相應措施。在“查詢數(shù)據(jù)”方式下，單片微型處理器7調出當前工作時段內損失谷粒 的總個數(shù)，用于評價此次收獲作業(yè)質量狀況。
權利要求一種聯(lián)合收割機谷粒清選損失智能在線檢測裝置，其特征為陣列式壓電晶體傳感器(1)的輸出連接電荷放大器(2)，電荷放大器(2)的輸出依次串接增益可調電路(3)、高通濾波電路(4)、靈敏度調節(jié)電路(5)、脈沖整形電路(6)、單片微型處理器(7)和通信接口電路(11)；靈敏度調節(jié)電路(5)的輸出旁接靈敏度電壓顯示數(shù)碼管(12)，單片微型處理器(7)連接鍵盤(8)、報警電路(9)和主顯示數(shù)碼管(10)；電源電路(13)分別連接電荷放大器(2)、單片微型處理器(7)、鍵盤(8)、主顯示數(shù)碼管(10)、靈敏度電壓顯示數(shù)碼管(12)和各所述電路。
2.如權利要求1所述的聯(lián)合收割機谷粒清選損失智能在線檢測裝置，其特征為所述 陣列式壓電晶體傳感器(1)的傳感器平板式敏感元件(15)與水平位置成40° 60°且其 兩端可調式固定連接于聯(lián)合收割機的清選篩后部的固定支架(16)上，壓電探測陣列(14) 敷貼于傳感器平板式敏感元件(15)的背面且被密封；在傳感器平板式敏感元件(15)正面 粘貼有一層彈性薄膜；屏蔽傳輸導線(17) —端連接壓電晶體探測陣列(14)，另一端連接所 述電荷放大器(2)。
3.如權利要求2所述的聯(lián)合收割機谷粒清選損失智能在線檢測裝置，其特征為壓電 晶體探測陣列(14)具有多個圓盤狀的壓電陶瓷晶體間隔排列；具有三塊傳感器平板式敏 感元件(15)按左、中、右位置全寬方向分布。
4.如權利要求3所述的聯(lián)合收割機谷粒清選損失智能在線檢測裝置，其特征為所述 傳感器平板式敏感元件(15)長為300mm，寬為200mm，厚度為1. 5mm。
專利摘要本實用新型公開了一種農業(yè)機械中聯(lián)合收割機谷粒清選損失智能在線檢測裝置，陣列式壓電晶體傳感器的輸出連接電荷放大器，電荷放大器的輸出依次串接增益可調電路、高通濾波電路、靈敏度調節(jié)電路、脈沖整形電路、單片微型處理器和通信接口電路；陣列式壓電晶體傳感器的傳感器平板式敏感元件與水平位置成40°～60°且其兩端可調式固定連接于聯(lián)合收割機的清選篩后部的固定支架上，壓電探測陣列敷貼于傳感器平板式敏感元件的背面且被密封，本實用新型利用多薄板壓電探測陣列全寬分布的方法檢測谷粒清選損失，從多區(qū)域多角度攝取信息，增強谷粒沖擊信號，提高谷草識別精度和測試可靠性；整體動態(tài)性能好，抗干擾能力強，實現(xiàn)清選損失田間在線測量量。
文檔編號A01D41/127GK201657632SQ2009202848
公開日2010年12月1日 申請日期2009年12月29日 優(yōu)先權日2009年12月29日
發(fā)明者倪軍, 左志宇, 張曉東, 李萍萍, 毛罕平 申請人:江蘇大學