联合收割机谷物流量检测装置和测量方法与流程

本发明属于联合收割机田间产量检测技术领域，具体涉及一种联合收割机谷物流量检测装置和测量方法。

背景技术：

田间信息的采集是精准农业技术实践过程中的首要环节，特别是作物产量信息的获取尤为重要。因为建立作物产量空间差异分布图，是实施“精准农业”的起点，它是作物生长在众多环境因素和农田生产管理措施综合影响下的结果，是实现作物生产过程中科学调控投入和制定管理决策措施的基础。谷物流量传感器是测产系统中的核心部件。目前应用的谷物流量传感器主要有四种类型：即冲量式流量传感器、射线式流量传感器、光电式流量传感器以及容积式流量传感器。

光电式流量传感器测量精度受谷物在升运器内堆积分布形状的影响较大，同时探头也容易受到污染，需要经常清洗，性能不够稳定；射线式流量传感器测量精度较高，但辐射对操作人员和环境有一定的危害，使用成本较高，在一定程度上阻碍了大面积推广应用；容积式流量传感器其结构庞大，受其安装尺寸的限制，不仅安装困难，且直接受谷物密度等因素影响大。

对比其它三种的谷物流量传感器，冲量式流量传感器是比较适合在田间测产系统中应用，欧美等国的商品化测产系统中大多采用了冲量式流量传感器。但是冲量式流量传感器也有不足之处：容易受到振动的干扰，测量精度不高。因此，研制一种测量精度高、抗干扰能力强的谷物流量检测装置是很有必要的。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种测量精度高、抗干扰能力强的，实时性好的联合收割机谷物流量检测装置和测量方法。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：一种联合收割机谷物流量检测装置，包括：

传感器模块，设置于联合收割机升运器的出口处，用于将谷物冲击力转换为电荷信号；

信号采集处理模块，用于根据传感器模块检测到的电荷信号计算出谷物流量；

安装固定模块，用于将所述检测装置固定于升运器出口处。

所述传感器模块包括PVDF压电薄膜、阻尼材料和承载板；

所述PVDF压电薄膜粘贴在阻尼材料上，用于将谷物冲击力转换为电荷信号输出；

所述阻尼材料粘贴在PVDF压电薄膜和承载板之间，用于抑制振动；

所述承载板与所述阻尼材料粘贴在一起，是阻尼材料和PVDF压电薄膜的固定载体。

所述阻尼材料的厚度为在所使用的环境中能够使抑制振动的效果达到最佳的厚度。

所述信号采集处理模块包括电荷放大器和采集电路；

所述电荷放大器将电荷进行放大并以标准电压输出；

所述采集电路以32位嵌入式处理器为核心，用于实时采集电荷放大器输出的电压，经转换处理得到谷物流量值，并将结果以数字通信方式输出。

所述安装固定模块包括调节架和固定架；

所述调节架一端与承载板连接，另一端与固定架连接，用于调整检测装置的安装高度和角度；

所述固定架一端通过螺栓与粮箱固定，另一端和调节架连接。

一种联合收割机谷物流量测量方法，包括以下步骤：

S1：将谷物流量检测装置安装在收割机升运器出口处，以拦截谷物被抛出后的冲击力；

S2：根据压电效应，传感器模块受力后在其极化面会产生电荷，并通过针状金属端子引出；

S3：将传感器模块输出的电荷送入信号采集处理模块中的电荷放大器处理，电荷信号经电荷放大器的低通滤波以及转换后以一定幅值的电压输出；

S4：信号采集处理模块中的采集电路检测电荷放大器的输出电压信号，然后根据谷物流量与电压信号的关系，计算出实际的谷物流量。

所述根据谷物流量与电压信号的关系，计算出实际的谷物流量，具体为：

q＝-0.01369v²+0.5661v-0.1147

其中，q为谷物流量，v为电压信号。

本发明具有以下优点及有益效果：

1.PVDF压电薄膜既是谷物流量传感器的敏感元件又是弹性元件，省去了弹性元件的设计，具有灵敏度高，线性度好，结构简单的特点。

2.谷物流量传感器上可添加阻尼材料，有效地抑制了振动干扰。

3.信号处理方法简单，主要针对谷物流量信号中的高频随机噪声。

附图说明

图1是谷物流量检测装置安装示意图；

图2是谷物流量检测装置的结构示意图；

图3是刚性承接板示意图；

图4是调节架结构示意图；

图5是固定架机构示意图；

图6是谷物流量检测装置安装高度调整示意图；

图7是谷物流量检测装置安装角度调整示意图；

图8是电荷放大器的原理框图；

图9是采集模块的硬件结构图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。

图1是谷物流量检测装置安装示意图。示意图中包括：粮箱顶部1，谷物2，提升器3、螺栓4、谷物流量检测装置5。图2是谷物流量检测装置的结构示意 图。谷物流量检测装置具体包括：PVDF压电薄膜6、承接板7、调节架8、固定架9、电荷放大器10、采集模块11、屏蔽线12。谷物流量检测装置5通过调节架8、固定架9和螺栓4安装在粮箱顶部1，靠近收割机升运器3的出口处，谷物2被抛出后冲击到PVDF压电薄膜6,PVDF压电薄膜6电荷。电荷放大器10将这种微小的电荷进行放大以标准电压输出。采集模块11实时采集电荷放大器10输出的电压，经转换处理得到谷物流量值，并将结果以CAN通讯方式输出。

根据提升器3出口尺寸，可设计PVDF压电薄膜6的尺寸。PVDF压电薄膜7是检测装置的敏感元件，形状为矩形。整张PVDF压电薄膜6黏贴承接板7上，通过屏蔽线13与电荷放大器10连接，电荷放大器的输出又通过屏蔽线12与采集模块11连接。

图3是承接板示意图。承接板7主要包括承接板7a和连接块7b。承接板7a形状为矩形，长宽比PVDF压电薄膜大2-5mm，厚度0.8-1.5mm，材料为不秀钢板；连接块7b焊接在承接板7a的长度方向中下部，其中间具有一轴孔7b-1，并在轴孔周围设置了按照圆周排列的定位孔7b-2。

图4是调节架结构示意图。调节架8的一端设有2个大通孔8a，另一端具有一个轴孔8b，以轴孔为圆心，半径为20mm，圆心角为40°的弧上均布5个小通孔8c。

图5是固定架机构示意图。固定架9成T字型，包括水平板9a和垂直板9b。其上部的水平板9a上设有固定孔9a-1，用来与收割机粮箱顶部1连接；下部的垂直板9b上在其长度方向上设有若干定位孔9b-1。

图6是谷物流量检测装置安装高度调整示意图。改变固定架9上任意定位孔9b-1与调节架8上的2个大通孔8a对齐位置然后用螺栓13、螺母14紧固，使固定架9和调节架8在垂直地面方向上的相对位置发生改变，进而调整检测装置5在粮箱顶部1的安装高度。

图7是谷物流量检测装置安装角度调整示意图。连接块7b的轴孔7b-1与 调节架8的轴孔8b通过螺栓16和螺母17铰接在一起，对螺栓16、螺母17施加调整适当的预紧力使承接板7和调节架8之间可以相对转动；旋转使连接块7b的定位孔7b-2与调节架8上的小通孔8c至少有2个同心后，通过定位销17锁住刚性承接板7和调节架8的相对角度，进而调整检测装置5在粮箱顶部1的安装角度。

图8是电荷放大器的原理框图。由于压电薄膜输出是较小的电荷，需要将其进行放大。电荷放大器能够将传感器输出的微弱电荷信号转化为放大的电压信号。整个电荷放大器主要有电荷转换电路适调放大电路、滤波电路、输出放大电路和稳压电源等五部分组成。电荷放大器11具有三种基本功能：放大功能：对PVDF压电薄膜的输出的微小电荷进行放大，采用0-5v的标准电压输出；调节功能：根据不同谷物的力学特性，放大倍数可在4-1000之间调节以适应不同谷物对PVDF压电薄膜冲击力的灵敏度；滤波功能：去除振动噪声，提取谷物流量信号。

图9是采集模块的硬件结构图。采集模块12以32位嵌入式处理器为核心，具有数据采集、处理和传输能力，支持0-5V电压信号和CAN2.0通信方式。

采集模块12由五部分组成，主要有最小单片机系统、电源模块、电压模拟量调理电路、电流模拟量调理电路、CAN驱动器。

单片机最小系统由单片机芯片、电源系统和晶振等组成，是模型的运算平台。采集模块中选用的单片机内部带有足够使用的RAM和Flash，并带有控制器局部网(CAN)控制器、模拟/数字转换器(ADC)这样可以简化硬件设计，提高硬件系统的稳定性。

电源模块一款PWM控制模式的异步DC-DC降压型稳压器。电源模块提供的4.5V-29V的宽范围输入电压，使其同时能够适用于12V和24V的应用场合。

模拟量调理电路能增大电压信号的输入阻抗，将采样电阻的影响去除，并可以起到对电压信号进行缓冲、隔离的作用。

采集模块中采用CAN通信作为对外通信接口，连接在CAN总线上。CAN 是一种支持实时分布式控制的串行通信网络，数据通信可靠性高、实时性强，能够满足本测量装置对通信的需求。由于采集模块选用的单片机内部带有CAN控制器，所以CAN通信接口模块主要由CAN驱动器构成，主要功能是将CAN控制器的逻辑电平转换为CAN总线的差分电平，并且具有DC 2500V的隔离功能。

谷物流量检测装置的测量方法，其特征在于包括如下步骤：

S1：将谷物流量检测装置安装在收割机升运器出口处，以拦截谷物被抛出后的冲击力；

S2：根据压电效应，PVDF压电薄膜受力后在其极化面会产生电荷，并通过针状金属端子引出。

S3：将PVDF压电薄膜输出的电荷送入电荷放大器处理，电荷信号经电荷放大器的低通滤波以及转换后以一定幅值的电压输出。

S4：采集电路检测电荷放大器的输出电压信号，然后根据谷物流量与电压信号的关系，计算出实际的谷物流量。