專利名稱：谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及谷物聯(lián)合收割機性能測試技術，特別涉及一種谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置。
背景技術：
隨著農(nóng)業(yè)裝備的迅速發(fā)展，聯(lián)合收割機的應用規(guī)模、收獲性能及自動化程度己成為現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的重要衡量指標。性能好、自動化程度高的聯(lián)合收割機，應是能夠?qū)崟r監(jiān)測谷物損失量，自動調(diào)節(jié)作業(yè)狀態(tài)，從而保證在不超過允許損失量的前提下發(fā)揮最大的收獲效率。目前，我國大部分聯(lián)合收割機作業(yè)時，依靠機手個人經(jīng)驗，通過調(diào)整行走速度改變喂入量來調(diào)節(jié)機組作業(yè)負荷。這種作業(yè)方式對機手駕駛水平要求高，勞動強度大，難以降低故障率，作業(yè)速度和作業(yè)效率低。有時機手為追求作業(yè)效率，莖桿含水率較低時，脫粒過程中產(chǎn)生的大量碎莖桿，造成清選負荷加大，清選質(zhì)量下降，清選損失率很高，極大地降低了作業(yè)質(zhì)量。長期以來，該指標的監(jiān)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)。收割機清選篩排出物中谷粒相對于莖桿和草非常少，收割機在田間工作時條件復雜，加上機器振動及其它強干擾信號的影響，使得谷粒信號的識別與提取變得極其困難，用傳感器監(jiān)測到的谷粒損失信號非常微弱，給研究帶來了很大困難。目前國內(nèi)研究尚未見到監(jiān)測性能好的方法和裝置；國外研究的傳感器對國產(chǎn)收割機振動和噪聲的強干擾的適應性差，監(jiān)測數(shù)據(jù)可靠性不高。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對目前技術的不足，提供一種聯(lián)合收割機谷物清選損失監(jiān)測裝置，該裝置能夠解決聯(lián)合收割機谷粒清選損失準確、實時在線監(jiān)測的難題。這是一種實時性好、準確率高且可靠性強的聯(lián)合收割機谷粒清選損失監(jiān)測裝置。本實用新型采用的技術方案是:一種聯(lián)合收割機谷物清選損失監(jiān)測裝置，聯(lián)合收割機上設有清選篩出口，其特征在于，在該清選篩出口處，設有對稱式壓電晶體傳感器，該對稱式壓電晶體傳感器的輸出端連接可調(diào)帶通電荷放大電路，帶通電荷放大電路的輸出端依次串接信號補償電路、可調(diào)帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、脈沖整形電路、單片微型處理器；單片微型處理器連接鍵盤、報警電路和顯示數(shù)碼管；電源電路分別連接帶通電荷放大電路、單片微型處理器、鍵盤、主顯示數(shù)碼管以及各所述電路。上述谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置有以下優(yōu)化方案:1、所述對稱式壓電晶體傳感器的傳感器平板式彈性元件與水平位置成20° — 70°。傳感器臺架兩端固定在連接于聯(lián)合收割機的清選篩后部的可調(diào)式固定支架上，單個壓電晶體(14)敷貼于傳感器平板式彈性元件(15)的背面中心處，上下各一塊彈性元件對稱安裝在特制金屬方盒表面；屏蔽傳輸導線(17) —端連接壓電晶體(14)，另一端連接所述帶通電荷放大電路⑵。[0008]2、對稱式傳感器(I)的輸出連接帶通電荷放大電路(2)，帶通電荷放大電路(2)的輸出依次串接信號補償電路(3)、濾波電路(4)、靈敏度調(diào)節(jié)電路(5)、脈沖整形電路(6)、單片微型處理器(8)和通信接口電路(12);單片微型處理器(8)連接控制輸入鍵盤(7)、顯示數(shù)碼管(9)和報警電路(10);電源電路(11)分別連接帶通電荷放大電路(2)、單片微型處理器(7)、鍵盤(7)、顯示數(shù)碼管(9)和各所述電路。3、所述對稱式壓電晶體傳感器(I)的傳感器平板式上下彈性元件(13)對稱的固定在制作好的金屬方盒(15)的上下表面，金屬方盒(15)保證整體對稱性且高度盡量??；在彈性元件(13)和金屬方盒(15)接觸處附加減振墊片；采用力矩扳手加固彈性元件(13)，使得八個螺栓螺母的力度一樣；彈性元件(13)的周邊不能與金屬方盒(15)接觸，中間帶有防護層(14)，以防止雜物碎屑進入盒內(nèi)，對結構一致性造成影響。4、對稱傳感器結構具有單個晶體壓電晶體(16)對稱的敷貼于上下彈性元件(13)的背面中心處；具有三個對稱式傳感器方盒(15)均勻分布在清選篩排出口處的三個監(jiān)測區(qū)域。5、所述傳感器平板式彈性兀件(13)長150mm,寬150mm,厚1.0mm ;金屬方盒(15)長 150mm,寬 150mm,厚 38mm。6、信號補償電路(3)兩個放大器Al、A2和一個運放器A3組成:A1連接傳感器的上層壓電晶體，A2連接傳感器的下層壓電晶體，A3連接Al、A2的輸出端，A3輸出的是經(jīng)過補償之后的激勵信號。7、選用帶通放大器(4)針對谷粒激勵響應的頻段進行選擇性放大；利用信號補償電路(3)可以很好的消除收割機振動引起的強干擾信號，助于谷粒信號的識別提??；通過濾波電路(4)，準確的選擇濾波器截止頻率點，保證測試數(shù)據(jù)的準確性。8、鍵盤(7)包括“復位”、“運行”、“存儲”三個鍵，完成對儀器的程序操作；通信串口(12)可與上位機連接進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制。本裝置的工作步驟如下:(I).將對稱式壓電晶體傳感器安裝于聯(lián)合收割機的清選篩出口處，均寬分布；(2).聯(lián)合收割機收割作業(yè)時，清選排出物經(jīng)清選篩排出口流出；(3).所述的對稱式壓電晶體傳感器從多區(qū)域多角度獲取清選篩拋出物的沖擊信號;(4).將對稱式壓電晶體傳感器輸出的信號送入可調(diào)帶通帶通電荷放大電路，轉(zhuǎn)換成具有一定幅值的電壓信號；(5).對步驟⑷的“具有一定幅值的電壓信號”，通過信號補償電路進行信號調(diào)整；通過該調(diào)整步驟可以消弱干擾信號，增強谷粒信號，提高谷物損失信號的識別能力；(6).運用帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路分別從步驟(5)調(diào)整后信號的頻域和時域中，分離出振動噪聲與谷粒信號特征；(7).將分離出的振動噪聲與谷粒信號通過脈沖整形電路，整形為單片微型處理器可以執(zhí)行的標準脈沖信號；(8).鍵盤切換為“在線監(jiān)測”模式時，單片微處理器實時采集谷粒清選損失信號，且對采集到的谷粒信號進行計數(shù)和處理，并將結果實時顯示在主顯示數(shù)碼管上；鍵盤切換為“查詢數(shù)據(jù)”模式時，單片微型處理器調(diào)出當前工作時段內(nèi)損失谷粒的總量，用于評價此次收獲作業(yè)質(zhì)量狀況。還可以增加有以下步驟:1、檢測不同作物時，改變可調(diào)濾波電路(4)的截止頻率點和靈敏度調(diào)節(jié)電路(5)幅值比較電壓值進行參數(shù)調(diào)整。該步驟可以置于第⑴步驟之后或者其他時間。2、步驟3)中的單片微型處理器可以執(zhí)行的標準脈沖寬度為5 — 10ms。3、步驟4)中，單片微處理器單獨工作的同時，也可通過通信串口與上位機之間實時傳輸數(shù)據(jù)，若谷粒損失量超出設定的極限值，通過報警電路發(fā)出報警命令；4、上位機對聯(lián)合收割機發(fā)出調(diào)整指令，自動調(diào)節(jié)聯(lián)合收割機的作業(yè)狀態(tài)。本實用新型的有益效果是:1.利用對稱式傳感器結構和信號補償?shù)姆椒ūO(jiān)測谷粒清選損失，可以消弱干擾信號，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。2.采用帶通放大器，能夠選擇任意頻段的信號進行定向放大，可以針對谷粒激勵響應的頻段進行選擇性放大。3.采用帶通濾波電路，能夠準確選擇濾波器截止頻率點，選擇谷粒信號頻段的波通過同時屏蔽其他干擾信號頻段的波，將干擾信號的頻率分量衰減到極低水平，可以保證測試數(shù)據(jù)的準確性。4.該谷物清選損失監(jiān)測裝置整體動態(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。

圖1為本實用新型裝置系統(tǒng)結構連接示意圖。圖2-1、圖2-2分別為圖1中的對稱式壓電晶體傳感器I的結構主視圖與側(cè)視圖。圖3為圖1中的信號補償電路圖。圖4為圖1中的帶通濾波電路圖。圖5為本實用新型裝置的安裝示意圖。圖中，1.對稱壓電晶體傳感器.’I.帶通電荷放大電路；3.信號補償電路；4.帶通濾波電路；5.靈敏度調(diào)節(jié)電路；6.脈沖整形電路；7.輸入鍵盤；8.單片微型處理器；9.顯示數(shù)碼管；10.報警電路；11.電源；12.通信接口； 13傳感器平板式彈性元件；14.防護層；15.金屬盒；16.壓電晶體；17.固定支架；18.屏蔽線；19.安裝孔。
具體實施方式
:實施例1，如圖1所示的監(jiān)測裝置，對稱式壓電晶體傳感器I的輸出連接帶通電荷放大電路2，帶通電荷放大電路2的輸出依次連接信號補償電路3、帶通濾波電路4、靈敏度調(diào)節(jié)電路5、脈沖整形電路6、單片微型處理器8和通信接口電路12。其中，單片微型處理器8的輸出還連接顯示數(shù)碼管9和報警電路10。鍵盤7的輸出連接單片微型處理器8。電源電路11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11采用聯(lián)合收割機上蓄電池輸出的DC24V作為其電壓輸入，再通過各支路的變壓系統(tǒng)為各部分提供所需要的電壓和電流。參照圖2-圖5，對稱式壓電晶體傳感器I的結構包括對稱壓電晶體2-16、傳感器平板式彈性元件2-13、金屬方盒2-15、屏蔽電纜線18。[0043]參照圖2-1、圖2-2，將對稱壓電晶體2-16固定在平板式彈性元件2_13的內(nèi)表面中心位置，平板式彈性元件2-13的結構為長L=150mm，寬W=150mm，厚HL Omm ;上下各一塊彈性元件對稱安裝在特制金屬方盒2-15表面；金屬方盒2-15需要保證整體對稱性、穩(wěn)定性且高度盡量小，其尺寸為長L=150mm，寬W=150mm，厚H=38mm ;金屬盒的內(nèi)部為中空，在彈性元件2-13和金屬方盒2-15連接處附加減振墊片；采用力矩扳手將彈性元件2-13通過四角加固的方式固定在金屬盒的兩表面，使得八個螺栓螺母的力度一樣；彈性元件2-13的周邊不能與金屬方盒2-15接觸，中間帶有防護層2-14，以防止雜物碎屑進入盒內(nèi)，對結構一致性造成影響。參照圖5，將三個對稱式傳感器方盒15均勻分布在清選篩排出口處的三個監(jiān)測區(qū)域，利用螺栓穿過安裝空19，將傳感器方盒成懸空狀態(tài)安裝在臺架上。臺架通過擴充槽的上下左右移動以及自身的旋轉(zhuǎn)，可實現(xiàn)三維空間任意位置的調(diào)整。壓電晶體的屏蔽線18通過金屬盒的側(cè)面空中傳出，統(tǒng)一在一側(cè)固定，一端連接對稱式壓電晶體，另一端連接帶通電荷放大電路2。信號調(diào)理系統(tǒng)主要由帶通電荷放大電路、信號補償電路、帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、脈沖整形電路構成，將谷粒損失信號轉(zhuǎn)換成可以計數(shù)的標準信號。參照圖3，信號補償電路3兩個放大器Al、A2和一個加法器A3組成。放大器Al完成對上層彈性元件激勵響應信號I的運放；放大器A2完成對下層彈性元件激勵響應信號2的運放。A3為加法器，主要完成對信號I和信號2的加減補償合成運算。對于干擾信號，Ul中的信號與U2中的信號當相位和幅值一致時，可以通過信號運算合成抵消。在實際中，兩敏感元件的激勵響應特性不可能完全一致，通過放大器和加法器上的微調(diào)旋鈕進行相位和幅值調(diào)整，補償消除干擾信號。通過對收割機機組、谷粒損失等信號的幅頻特性分析，可知干擾信號和谷粒損失信號的頻譜范圍有一定的區(qū)別，采用帶通式電荷放大電路可以針對谷粒激勵響應的頻段進行選擇性放大忽略干擾信號；帶通式濾波電路能夠準確選擇濾波電路截止頻率點，將谷粒損失信號和干擾信號進一步有效的分離。靈敏度調(diào)節(jié)電路的作用是從輸出信號的電壓值上對信號進一步處理，干擾信號、谷粒損失信號的幅值特性也存在差異，通過對靈敏度幅值電壓的調(diào)整，準確地完成對谷粒損失信號的提取。單片微型處理器8選用的是STC89C52RC單片機，通過數(shù)據(jù)口采集三路谷粒清選損失信號，完成對谷粒損失量的運算和結果顯示。設有警報裝置，當清選的損失量超標時啟動警報。通信接口電路12采用RS232通信串口方式，可實現(xiàn)單片微型處理器與上位機的數(shù)據(jù)傳輸。在聯(lián)合收割機田間收獲過程中，將對稱式壓電晶體傳感器I通過螺栓固定在位于聯(lián)合收割機的清選篩后部的固定支架17上，均寬分布進行監(jiān)測；傳感器平板式彈性元件15設置成與水平位置成20° — 70°，根據(jù)不同聯(lián)合收割機的具體情況選擇傳感器平面朝向。清選篩拋出物沖擊上層彈性元件產(chǎn)生激勵信號，信號經(jīng)過帶通電荷放大電路、信號補償電路、帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路以及脈沖整形電路處理，將清選損失谷粒信號從碎草、秸桿、穎殼等沖擊信號和機組強振動信號的干擾中提取出來。對于不同的聯(lián)合收割機、不同的作業(yè)工況或收獲不同作物時，可以改變電荷放大電路、帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路的參數(shù)，從而調(diào)整監(jiān)測儀表的匹配參數(shù)。單片微處理器通過數(shù)據(jù)口采集谷粒清選損失信號，監(jiān)控程序?qū)Σ杉降墓攘Ｐ盘栠M行計數(shù)、處理，并將結果實時顯示在數(shù)碼管9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10發(fā)出命令，指示機手采取相應措施。通過通信接口電路12與上位機之間實時的數(shù)據(jù)傳輸，可以通過上位機控制和改變單片微型處理器8的工作模式和數(shù)據(jù)模式；傳感器I采用奧氏體不銹鋼鋼板作為傳感器的彈性元件，壓電晶體作為傳感器的轉(zhuǎn)換元件，壓電晶體16敷貼于傳感器平板式彈性元件13的背面的中心處，上下各一塊彈性元件對稱安裝在特制金屬方盒15表面，且通過防護層14密封。彈性元件13長L=150mm,寬W=150mm，厚1.0mm ;金屬方盒15長L=150mm，寬W=150mm，厚H=38mm。三個傳感器結構均布在清選篩排出口處的三個監(jiān)測區(qū)域。當聯(lián)合收割機在田間收獲作業(yè)時，上下兩層彈性元件同時振動，籽粒和莖桿從清選篩的排出口排出沖擊監(jiān)測傳感器上表面時，下層彈性元件沒有谷粒激勵信號，監(jiān)測傳感器的上下兩表面都會輸出電信號，電壓信號經(jīng)過帶通電荷放大電路放大、信號補償電路的信號補償之后，干擾信號會減弱，增強了谷物損失信號的識別能力；由于籽粒和莖桿對監(jiān)測傳感器表面的沖擊力不同，所反映出的撞擊信號頻率和振幅也不相同，因此在程序中合理設置濾波電路的截止頻率和靈敏度調(diào)節(jié)電路的幅值比較電壓，就能從紛亂的信號中提取出籽粒的撞擊信號，再經(jīng)過信號整形電路，得到標準脈沖信號，送入單片微型處理器進行數(shù)據(jù)處理并顯示損失量。通過大量清選臺架試驗和收割機實際工作試驗，在不同作物的喂入量、收割機的前進速度、風機轉(zhuǎn)速、出風口角度等參數(shù)條件下，收集清選篩排出口尾部排出的籽粒和雜余，并分析排出物的分布規(guī)律。人工清選出排出物區(qū)域內(nèi)包含的籽粒，利用統(tǒng)計學建立的數(shù)學模型計算清選損失總量和清選損失率，實時顯示監(jiān)測結果，并可把數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C，實現(xiàn)更多功能和工作模式的操作。聯(lián)合收割機田間作業(yè)時，清選損失實時測量相對誤差小于3%。
權利要求1.一種谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置，聯(lián)合收割機上設有清選篩出口，其特征在于，在該清選篩出口處，設有對稱式壓電晶體傳感器，該對稱式壓電晶體傳感器的輸出端連接可調(diào)帶通電荷放大電路，帶通電荷放大電路的輸出端依次串接信號補償電路、抗混帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、脈沖整形電路、單片微型處理器；單片微型處理器連接鍵盤、報警電路和顯示數(shù)碼管；電源電路分別連接帶通電荷放大電路、單片微型處理器、鍵盤、主顯示數(shù)碼管以及信號補償電路、帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、脈沖整形電路。
2.根據(jù)權利要求1所述的谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述對稱式壓電晶體傳感器的傳感器平板式彈性元件與水平位置成20° — 70° ;所述對稱式壓電晶體傳感器的臺架兩端固定在連接于聯(lián)合收割機的清選篩后部的可調(diào)式固定支架上，單個壓電晶體敷貼于傳感器平板式彈性元件的背面中心處，上下各一塊彈性元件對稱安裝在特制金屬方盒表面；屏蔽傳輸導線一端連接壓電晶體，另一端連接所述帶通電荷放大電路。
3.根據(jù)權利要求1所述的谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述對稱式壓電晶體傳感器(I)的傳感器平板式上下彈性元件(13)對稱的固定在制作好的金屬方盒(15)的上下表面，金屬方盒(15)保證整體對稱性且高度盡量?。辉趶椥栽?13)和金屬方盒(15)接觸處附加減振墊片；所述彈性元件(13)的周邊與金屬方盒中間帶有防護層(14)。
4.根據(jù)權利要求1所述的谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述對稱傳感器結構具有單個晶體壓電晶體(16)對稱的敷貼于上下彈性元件(13)的背面中心處；具有三個對稱式傳感器方盒(15)均勻分布在清選篩排出口處的三個監(jiān)測區(qū)域。
5.根據(jù)權利要求1所述的谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述信號補償電路(3)由兩個放大器Al、A2和一個運放器A3組成:A1連接傳感器的上層壓電晶體，A2連接傳感器的下層壓電晶體，A3連接Al、A2的輸出端，A3輸出的是經(jīng)過補償之后的激勵信號。
6.根據(jù)權利要求1-5之一所述的谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置設有控制鍵盤(7)，該控制鍵盤(7)包括“復位”、“運行”、“存儲”三個鍵，完成對儀器的程序操作；通信串口(12)與上位機連接進行數(shù)據(jù)的傳輸和控制。
專利摘要谷物聯(lián)合收割機的清選損失的實時在線監(jiān)測裝置，聯(lián)合收割機上設有清選篩出口，其特征在于，在該清選篩出口處，設有對稱式壓電晶體傳感器，該對稱式壓電晶體傳感器的輸出端連接可調(diào)帶通電荷放大電路，帶通電荷放大電路的輸出端依次串接信號補償電路、抗混帶通濾波電路、靈敏度調(diào)節(jié)電路、脈沖整形電路、單片微型處理器；單片微型處理器連接鍵盤、報警電路和顯示數(shù)碼管;電源電路分別連接帶通電荷放大電路、單片微型處理器、鍵盤、主顯示數(shù)碼管以及各所述電路。本實用新型可消弱干擾信號，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。
文檔編號A01D41/127GK202918699SQ20122024428
公開日2013年5月8日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權日2012年5月28日
發(fā)明者毛罕平, 劉偉, 韓綠化, 張曉東 申請人:江蘇大學