谷物流量传感器试验台的设计与试验.pdf

第 28 卷第 16 期农 业 工 程 学 报Vol.28No.162012 年8 月Transactions of the Chinese Society of Agricultural EngineeringAug.201241谷物流量传感器试验台的设计与试验陈树人，仇华铮，李耀明，卢 强（江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，镇江 212013）摘要：为了配合切纵流谷物联合收割机大喂入量流量监测系统的开发，该文根据测产需要，研制了一种谷物流量传感器标定试验台。试验台采用刮板式升运器结构，升运器倾角 70 90。谷物由入粮箱喂入后，通过对插板的调节，可控制试验过程中不同谷物流量大小。基于图像化编程语言 LabVIEW，采用 NI（national instrument）数据采集卡，建立了一个多通道数据采集系统，可实现喂入粮箱的质量信号、振动信号及谷物流量信号波形和数值的实时显示、存储和分析。室内标定试验结果表明，在没有外力影响的情况下，喂入量的大小对测产精度的影响较大，尤其小流量时，测产误差达到 6.55%。系统动态质量平均误差为 4.02%，测产平均误差为4.24%，基本满足大喂入量流量监测系统的需要。本试验台研制为谷物流量传感器提供了一个开发平台。关键词：农业机械，传感器，粮食产量，精细农业，联合收割机，试验台doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2012.16.007中图分类号：S24；TH814.+6文献标志码：A文章编号：1002-6819(2012)-16-0041-06陈树人，仇华铮，李耀明，等.谷物流量传感器试验台的设计与试验J.农业工程学报，2012，28(16)：4146.Chen Shuren,Qiu Huazheng,Li Yaoming,et al.Design and experiment of test-bed for grain flow sensorJ.Transactions of the ChineseSocietyofAgricultural Engineering(TransactionsoftheCSAE),2012,28(16):4146.(in Chinese with English abstract)0引言冲量式谷物流量传感器在谷物联合收割机测产系统中得到逐步的应用，但田间试验受季节影响，谷物测产系统的开发研制受到很大限制1,2。国外对测产监测系统平台的研究已很广泛。1998 年，Arslan 等研制了以喂入搅龙、升运器搅龙及升运器为主体的试验系统3。2008 年，Loghavi 等基于JohnDeere7700 搅龙和升运器研制了一台测产系统的试验台，辅以开发JohnDeere7700 监测系统，但不适用于国内切纵流大喂入量联合收割机谷物流量传感器的开发4。国内测产系统的研发已经在联合收割机监测系统研发中得到试验应用，但仍未完善。2006 年，李民赞等基于刮板升运器设计开发了谷物流量实验台，并开发了一套谷物实时测产系统，但并未进行谷物流量大小对测产误差额影响的深入研究5。为满足切纵流谷物联合收割机大喂入量（06 kg/s）流量监测系统开发需求，降低研发成本，本文针对谷物测产需要，研制了一种谷物流量传感器标定试验台，设计了基于 NI（national instrument）数据采集卡的数据采集系统，实现了谷物喂入信号及流量信号采集。1试验台和流量传感器的结构与参数1.1试验台结构与参数本文所设计的谷物流量传感器标定试验台结构如图收稿日期：2012-02-15修订日期：2012-06-14基金项目：国家高技术研究发展计划（863 计划）资助项目（2010AA101402），江苏高校优势学科建设工程资助项目（苏财教（2011）8 号）作者简介：陈树人（1965），男，湖南攸县人，教授。主要研究方向为精细农业。镇江江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室，212013。Email：1 所示6试验台主要由搅龙、台架、插板、入粮箱、刮板升运器、流量传感器、接粮箱、质量传感器、电机等构成。1.搅龙2.台架3.插板4.入粮箱5.刮板升运器6.流量传感器7.接粮箱8.质量传感器9.Y112m 三相交流电机图 1谷物流量试验台结构模型Fig.1Structure model of grain flow test rig试验台升运器为雷沃“谷神”GN601-CR2Q 联合收割机刮板式升运器，设 计 安 装 倾 角 为 70 90（可调）。配套电机为三相交流电机 Y112 m，功率 2.2 kW，最大转速 980 r/min。采用 V 型带传动，传动比 1.918，大小带轮基准直径分别为 265 和 140 mm，搅龙以 511 r/min运转。3 个质量传感器安装于入粮箱下方的两侧，最大量程为 900 kg，用于监测入粮箱谷物质量变化。根据试验需要，可调节插板横向位置改变谷物喂入量。试验台升运器输送量7农业工程学报2012 年42QBhk（1）式中，Q 为升运器输送量，kg/s；B，h 为刮板的宽度和高度，m；为刮板升运速度，m/s；为谷物或杂余单位体积质量，kg/m3；为充满系数；k 为倾斜系数。本试验台中，刮板长 B=0.15 m，宽 h=0.08 m，k=0.26（升 运 器 倾 角70），谷 物 体 积 质 量=1 300 kg/m3，升运器线速度 =1.5 m/s，取充满系数=0.8，则升运器输送量Q=5.2 kg/s（2）通过调节插板开度控制入粮箱喂入口粮食的喂入量，可研究喂入量大小与流量之间的关系。设计入粮箱容积 0.83 m3，喂入量 05.2 kg/s，开口宽度 12 cm，可满足研究大谷物喂入量的要求。1.2流量传感器结构与参数谷物流量传感器剖面结构图如图 2 所示。1.安装板2.引导板3.减震垫4.传感器支架5.hl-8 型力敏元件6.隔板7.冲击板图 2单板冲量式谷物流量传感器结构简图Fig.2Single board impact-based grain yield sensor structure主要构件包括安装板、引导板、减震垫、传感器支架、hl-8 型力敏元件、隔板、冲击板。引导板用以增大流量传感器的冲击信号；减震垫采用硅胶垫，用以降低振动对流量信号的影响8-11。传感器主要技术参数如表 1所示。表 1流量传感器主要技术参数Table 1Main technical parameters of flow sensor供电电压/V线性误差/%精度/%适用谷物120.053.8水稻、小麦谷物流量传感器安装在试验台升运器顶部，谷物由升运器送至出粮口，并不断撞向冲击板，引起流量传感器弹性元件变形和输出电压变化。当谷物的流量不同时，流量传感器的输出电压也不同。根据冲量定理12i()()()iiI tm t v t（3）11()()()nniiiiiWQ ttm t v tt（4）式中，W 为谷物在 t 时刻作用在悬臂梁上的冲击力，N；i()Q t为瞬时流量，kg/s；()im t为 t 时刻时冲击作用的谷物质量，kg；t为谷物冲击作用时间，s；()iv t为 t 时刻谷物瞬时速度，m/s；()iI t为谷物冲量，m s。假定冲击力 W 与输出电压 U 线性相关，有1()()niiU tkW t（5）由冲量定理，瞬时流量转换为111100m1U()dtfttinnitQttK t v（6）式中：U(t)为流量传感器输出电压，V；t1为采样的起始时刻，s；mi为第 i 个采样点冲击作用的谷物质量，kg；v为冲击前后谷物速度变化量，m/s；K 为标定系数。1 s 内，在采样频率 f 下，传感器输出的电压 U(t)离散成为 U(n)，上式积分得流量方程为13101(n)fnQUk v（7）式中，f 为采样频率，Hz；U 为输出电压，V；n 为采集变量。2试验台监测系统设计2.1监测系统硬件构成试验台监测系统主要由硬件和软件 2 部分组成。硬件部分主要由计算机、质量传感器、流量传感器、PXI（PCIextensions for instrumentation）信号调理及信号采集部件、显示器等组成，以实现数据采集、波形显示、存储和回放等功能，其系统组成框图如图 3 所示。图 3试验台监测系统组成框图Fig.3Diagram of test rig monitoring system1）质量传感器质量传感器安装在入粮箱下方，3 路传感器信号通过BHL 放大器集成 1 路信号输出，精度为 0.3%，线性为0.3%，输出方式为直流电流 420 mA，量程 900 kg，引出线为三芯，接 250 电阻将电流信号转换为电压信号输出。2）单板冲量式谷物流量传感器单板冲量式谷物流量传感器采用的是矽普电子公司第 16 期陈树人等：谷物流量传感器试验台的设计与试验43的 hl-8 型力敏元件，激励电压为 5 V，综合误差为0.05%F S，量程 3 kg。谷物流量传感器经前置放大滤波电路，输出 05V 电压信号。3）PXI 信号调理及采集系统PXI 信号调理及采集系统由 PXI-8110 控制器、PXI-4462 数据采集卡等组成。PXI-4462 数据采集卡 4 路模拟输入、24 位 A/D 转换、最高采样速率 204.8kS/s、信号输入范围（42.4 0.316）V。2.2监测系统软件构成2.2.1数据采集程序数据采集包括触发控制、通道控制和时基控制等。触发控制主要控制用哪一个通道进行测量和分析，时基控制主要控制扫描率。本程序采集质量和流量的模拟信号，通道选择为 a01和 a02共 2 路通道输入，采样频率 200 Hz。利用 NI-DAQmx 模块，通过采集卡进行 A/D 转换，将质量和流量模拟信号转换成数字信号。然后通过信号放大、滤波等处理，通过PXI 连接至上位机，输出显示波形14-19。2.2.2信号显示、存储与回放为了便于试验过程中的实时监测，前面板分别显示振动信号时域图及频域图、质量和流量原始信号频域图，入粮箱质量与谷物流量时域图，并实时显示入粮箱剩余谷物质量值及出粮箱接到的谷物粮食质量值。采用LabVIEW 的写文件与读文件函数，分别完成数据存储和回放功能。3结果与分析3.1传感器标定首先对谷物流量传感器及质量传感器进行标定20-23。质量传感器动态标定：入粮箱空载时，向入粮箱倒入一定质量的谷物，累计倒入 5 次，记录每次谷物质量和输出的电压值。表 2质量传感器标定数据表Table2Dynamic calibration data table of weight sensor序号123456谷物质量/kg048.596.7144.2186.4235.8输出电压值/V1.6711.8252.0972.2742.4632.625根据所记录的电压信号，以 Excel 绘制其动态标定方程，如图 4 所示，其标定方程为 y1=246.4x1-411.9，式中y1为入粮箱内谷物净质量，x1为质量传感器输出电压，线性度 R2=0.994。图 4质量传感器动态标定曲线图Fig.4Dynamic loads calibration curve of weight sensor流量传感器静态标定：将谷物流量传感器横向放置，使冲击板保持水平，依次添加砝码并记录下砝码总质量和对应的输出电压值（表 3）。表 3流量传感器静态标定数据表Table3Flow sensor static calibration data table序号123456砝码总质量/kg00.51.251.752.53输出电压值/V0.1010.7271.4281.9282.5493.030根据记录下的数据对谷物流量传感器作静态标定（图 5）：y2=1.041x2 0.194，式中 y2为谷物流量，x2为所测谷物流量传感器电压信号，线性度 R2=0.996。图 5流量传感器静态标定曲线图Fig.5Static calibration curve of flow sensor根据标定试验结果可知，质量传感器与输出电压、谷物流量传感器与输出电压均呈线性关系，根据实时的输出电压值可由标定方程得到对应的谷物质量和流量。3.2试验过程1）将一定质量的谷物倒入入粮箱，启动电机运转试验台及采集系统，调节插板到所需开度，完成一次谷物填充，减少填充时间误差24。2）再次倒入一定质量的谷物,启动电机及监测系统，系统显示入粮箱内谷物净重，记录为测量质量值。然后调节插板设定不同喂入量，对质量信号和谷物流量信号进行采集、显示及存储，输出谷物瞬时流量值和产量值。试验台升运器出粮口最大谷物流量约为 2.3 kg/s，调节插板开度，设定谷物流量区间为 00.5、0.51.0、1.01.5、1.52.3 kg/s。3.3试验结果分析联合收割机收割时，由于前进速度不同，割幅不同，粮箱的喂入量也不一样。室内试验中，先对质量传感器及谷物流量传感器进行标定25-30。入粮箱装入谷物后，启动电机及监测系统，根据插板开度设置，控制谷物喂入量大小，以不同喂入量进行谷物喂入和流量监测系统试验，每种喂入量重复4 次。动态称质量误差和测产误差计算公式为100%ACB（7）式中，C 为质量误差/测产误差，%；A 为质量/产量的测量值与实际质量值之差；B 为实际质量。试验台监测系统试验数据如表 4 所示。农业工程学报2012 年44表 4室内监测试验误差分析表Table 4Analysis table of indoor testing error喂入量/(kg s-1)实际质量/kg测量质量/kg质量误差/%测产量/kg测产误差/%26.5525.671-3.3125.173-5.1925.1026.3354.9226.7446.5524.0022.92-4.5024.9233.850 0.522.8524.0755.3624.1575.7227.0028.1734.3425.834-4.3225.9527.7216.8224.425-5.8825.0025.7653.0626.0294.12 0.5 1.024.1523.246-3.7425.4975.5828.5527.312-4.3427.234-4.6128.5028.132-1.2929.3322.9226.4527.3943.5728.1056.26 1.0 1.525.5527.0365.8224.657-3.5026.6527.7654.1825.218-5.3725.7025.268-1.6824.843-3.3324.8025.6873.5825.5523.03 1.5 2.323.9524.8453.7425.0594.63从试验台室内监测试验结果得出：监测系统动态称质量误差6.82%，质量平均误差 4.02%，测产的平均误差 4.24%，基本达到了所研制试验台用于谷物流量监测系统开发的要求。谷物流量 00.5 kg/s 时，测量误差较大，平均误差为 5.33%；谷物流量1.0 kg/s 时，测量误差较小，平均误差为 4.2%。4结论1）基于 LabVIEW，采用 NI 数据采集卡，对喂入量信号和谷物流量信号进行实时采集，标定系统模型。质量传感器和谷物流量传感器标定结果表明，喂入谷物质量和谷物流量均与输出电压呈线性关系，线性度 R2分别为 0.994 和 0.996。2）谷物流量大小影响监测系统测产精度，室内试验结果表明，谷物流量小（0.5 kg/s）时，监测系统的测量平均误差为 5.33%；而在谷物流量大时（1.0 kg/s）时，监测系统测量具有较高的精度，平均误差为 4.2%，基本满足大喂入量流量监测系统的测产需要。参考文献1汪懋华.“精细农业”发展与工程技术创新J.农业工程学报，1999，15(3)：14.Wang Maohua.The development of precision agricultureand innovation of engineering technologyJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),1999,15(3):14.(in Chinese with English abstract)2Reitz P,Kutzbach H D.Investigations on a particularyieldmappingsystemforcombineharvestersJ.Computers and Electronics in Agriculture,1996,14(2):137150.3Arslan S,Colvin T S.Laboratory test stand for combine grainyield monitorsJ.Applied Engineering in Agriculture,1998,14(4):369371.4Loghavi M,Ehsani R,Reeder R.Development of a portablegrain mass flow sensor test rigJ.Computers and Electronicsin Agriculture,2008,61(2):160168.5李民赞，张文革，李相平，等.谷物实时测产技术研究C/2005 年中国数字农业与农村信息化学术研究研讨会论文集，2005：397402.Li Minzan,Zhang Wenge,Li Xiangping,et al.Grainreal-time yield monitor technology researchC/2005 ChinaDigital Agriculture and Rural Informatization AcademicResearch Symposium,2005:397402.(in Chinese withEnglish abstract)6陈树人，仇华铮，李耀明.一种谷物流量传感器试验台P.中国专利，专利号：CN201110140962.3.7中国农业机械化科学研究院，农业机械设计手册（下册）M.北京：中国农业科学技术出版社，2007.118周俊，刘成良.平行梁冲量式谷物质量流量传感器弹性元件设计J.农业工程学报，2007，23(4)：110114.Zhou Jun,Liu Chengliang.Load cell design for parallel beamimpact-based grain mass sensorJ.Transactions of theChinese Society of Agricultural Engineering(Transactions ofthe CSAE),2007,23(4):110114.(in Chinese with Englishabstract)9周俊，周国祥，苗玉彬，等.悬臂梁冲量式谷物质量流量传感器阻尼设计J.农业机械学报，2005，36(11)：121123.Zhou Jun,Zhou Guoxiang,Miao Yubin,et al.Dampingdesign of impact-based grain yield sensorJ.Transactions ofthe Chinese Society of Agricultural Machinery,2005,36(11):121123.(in Chinese with English abstract)10 陈树人，张文革，李相平，等.冲量式谷物流量传感器性能试验研究J.农业机械学报，2005，36(2)：8284.Chen Shuren,Zhang Wenge,Li Xiangping,et al.Experimentresearch of grain mass flow sensor based on impactJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalMachinery,2005,36(2):8284.(in Chinese with Englishabstract)11 胡均万，罗锡文，陈树人，等.联合收割机产量传感器振动信号影响分析与消除方法C/2008 年中国农业机械学会论文集，2008：857860.Hu Junwan,Luo Xiwen,Chen Shuren,et al.Analysis theeffects of vibration signal on combine yield sensorC/2008 Chinese Society of Agricultural Machinery,2008:857860.(in Chinese with English abstract)12 孙宇瑞，汪懋华，马道坤，等.冲量法谷物流量测量系统的实验研究J.农业机械学报，2001，32(4)：4850.Sun Yurui,Wang Maohua,Ma Daokun,et al.Experimentalresearch on grain-flow-measurement system using an impactsensorJ.TransactionsoftheChineseSocietyforAgricultural Machinery,2001,32(4):4850.(in Chinesewith English abstract)13 胡均万.双板差分冲击式谷物流量传感器设计与研究D.广州，华南农业大学，2009.Hu Junwan.Research on dual-plate differential impact-basedgrain flow sensorD Beijing.South China AgriculturalUniversity，2009.(in Chinese with English abstract)第 16 期陈树人等：谷物流量传感器试验台的设计与试验4514 杨乐平.LabVIEW 程序设计与应用M.北京：电子工业出版社，2001.15 孙学岩.基于 LabVIEW 的称重式水果分选机测控系统J.安徽农业科学，2010，38(25)：1384313844.Sun Xueyan.Measurement and control system of weighingfruit grader based on LabVIEWJ.Journal of AnhuiAgricultural Sciences,2010,38(25):1384313844.(inChinese with English abstract)16 张小超，胡小安，张爱国，等.基于称重法的联合收割机测产方法J.农业工程学报，2010，26(3)：125129.Zhang Xiaochao,Hu Xiaoan,Zhang Aiguo,et al.Method ofmeasuringgrain-flowofcombineharvesterbasedonweighingJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2010,26(3):125129.(in Chinese with English abstract)17 姚素芬，赵建强，冯超琼，等.基于 LabVIEW 传感器实验平台的开发J.仪器仪表学报，2005(s1)：466467.Yao Sufen,Zhao Jianqiang,Feng Chaoqiong.Developmentof sensor experimental platform based on labviewJ.ChineseJournal of Scientific Instrument,2005(s1):466467.(inChinese with English abstract)18 杨忠仁，饶程，邹建，等.基于 LabVIEW 数据采集系统J.重庆大学学报：自然科学版，2004，27(2)：3235.Yang Zhongren,Rao Cheng,Zou Jian,et al.Study on DAQsystembyusingLabVIEWJ.JournalofChongqingUniversity:Natural Science Edition,2004,27(2):3235.(inChinese with English abstract)19 王建群，南金瑞，孙逢春，等.基于 LabVIEW 的数据采集系统的实现J.计算机工程与应用，2003，39(21)：122125.WangJianqun,NanJinrui,SunFengchun,etal.Realization of the data acquisition system based onLlabVIEWJ.Computer Engineering and Applications,2003,39(21):122125.(in Chinese with English abstract)20 陈树人，卢强，仇华铮.基于 LabVIEW 的谷物联合收获机割台振动测试分析J.农业机械学报，2011，42(z1)：8689.Chen Shuren,Lu Qiang,Qiu Huazheng.Header vibrationanalysis of grain combine harvester based on LabVIEWJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalMachinery,2011,42(z1):8689.(in Chinese with Englishabstract)21 王簿，李民赞，张成龙，等.冲击式谷物流量传感器设计与性能试验J.农业机械学报，2009，40(z1)：5256.Wang Bo,Li Minzan,Zhang Chenglong,et al.DevelopmentofgrainflowsensorforyieldmonitorsystemJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalMachinery,2009,40(z1):5256.(in Chinese with Englishabstract)22 张凤传，张启峻，周晓云，等.联合收割机产量传感器的信号处理J.中国农机化 2004，15(4)：4446.Zhang Fengchuan,Zhang Qijun,Zhou Xiaoyun,et al.Signalprocessing of the yield monitor for combineJ.ChineseAgriculture Mechanization,2004,15(4):4446.(in Chinesewith English abstract)23 胡均万，罗锡文，阮欢等.双板差分冲量式谷物流量传感器设计J.农业机械学报，2009，40(4)：6972.Hu Junwan,Luo Xiwen,Ruan Huan,et al.Design of adual-platedifferentialimpact-basedyieldsensorJ.TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalMachinery,2009,40(4):6972.(in Chinese with Englishabstract)24 周俊，刘成良.平行梁冲量式谷物质量流量传感器信号处理方法J.农业工程学报，2008，24(1)：183187.Zhou Jun,Liu Chengliang.Signal processing method forimpact-based grain mass flow sensor with parallel beam loadcellJ.Transactions of the Chinese Society of AgriculturalEngineering(Transactions of the CSAE),2008,24(1):183187.(in Chinese with English abstract)25 张漫，汪懋华.联合收获机测产系统数据采集与处理的误差分析J.农业机械学报，2004，35(2)：171174.Zhang Man,Wang Maohua.Brief report on research worksof eight papersJ.Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Machinery,2004,35(2):171174.(in Chinesewith English abstract)26 周俊，苗玉彬，张凤传，等.平行梁冲量式谷物质量流量传感器田间实验J.农业机械学报，2006，37(6)：102105.Zhou Jun,Miao Yubin,Zhang Fengchuan,et al.Field testingof parallel beam impact-based yield monitorJ.Transactionsof the Chinese Society of Agricultural Machinery,2006,37(6):102105.(in Chinese with English abstract)27 张漫，邝继双.谷物联合收割机测产数据中的误差分析与处理J.农业工程学报，2003，19(3)：144148.Zhang Man,Kuang Jishuang.Error analysis and process ofyield data collected by yield monitoring system of corncombine harvesterJ.Transactions of the Chinese Society ofAgricultural Engineering(Transactions of the CSAE),2003,19(3):144148.(in Chinese with English abstract)28 高建民，郝磊斌，张刚，等.谷粒冲击压电力敏元件数值模拟与试验J.农业机械学报，2009，40(6)：6366.Gao Jianmin,Hao Leibin,Zhang Gang,et 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developing a large feed flow monitoring system of the tangential-axial grain combine harvester,agrain flow sensor calibrating test-rig was developed.Scraper elevator was adopted on the test-rig,and the inclinationangle of the elevator was 75-90.After the grain being fed into the grain tank,grain flow rate could be controlled byadjusting the opening gap of the flapper during the test.By using the National Instrument DAQ data board,amulti-channel data acquisition system based on graphical programming language LabVIEW was designed,which couldrealized functions,such as the real-time displaying,recording,analysis of signal of the feed grain tank s weight,vibration signal and grain flow signal wave.Excluding the impact of the external forces,indoor calibration tests shownthat grain feed rate had a great influence to the yield estimation accuracy.When the flow rate was very small,the yieldestimation error was up to 6.55%.The average error of the dynamic grain weighing was 4.02%and the average yieldestimation error was 4.24%,which could meet the requirement of the large feed flow monitoring system.The designingof this test rig provides a development platform for the grain flow sensor.Key words:agr