联合收获机清选损失监测研究现状
作者: 唐小涵 赵栗 宋丽 颜世轮 马靖轩 杨东红
作者简介:唐小涵(1997—),男,硕士,助教,研究方向:农业机械。
摘 要:清选损失率是评价联合收获机作业质量的重要指标之一。在进行收获作业时,清选脱出物中会有少量的籽粒,这些籽粒会随着杂物一起被排出机外,导致联合收获机的收获质量降低。为提高联合收获机清选损失监测的稳定性和准确性,给联合收获机清选损失监测传感器的结构设计、安装位置、总体布局及信号处理方式选择提供借鉴,在阐述联合收获机清选损失监测技术研究现状的基础上,分析联合收获机清选损失监测方法的优劣,对最常用的冲击压电信号监测进行深度分析,对其传感器结构、总体布局及信号处理方式进行分析,并基于联合收获机清选损失监测研究现状,提出未来发展方向。
关键词:联合收获机;清选损失;传感器;研究现状
中图分类号:S225.3 文献标志码:A 文章编号:1674-7909(2024)1-145-5
DOI:10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.036
0 引言
联合收获机在作业时,脱粒滚筒会对收割进来的作物进行脱粒,脱粒后的混合物(谷粒、茎秆、颖壳及杂余)经凹板筛孔过滤到清选筛上,过滤后的物料(籽粒、颖壳、碎茎及细小杂余)会再次通过清选装置,而后籽粒被收集起来,其他物料被排出机外。目前,我国部分联合收获机没有清选损失监测功能,只能通过人工肉眼监测法来判断清选损失率高低,并据此来调整收获作业相关参数。清选损失率会直接影响作物收获效率和作业质量。现代联合收获机的粮食损失主要为清选损失[1-2]。因此,提高联合收获机清选损失率监测的准确性,并及时调整作业参数,对提高收获质量和实现农业现代化具有重要意义[3]。
综上所述,有必要对联合收获机清选损失监测方法进行研究,并对现有的清选损失监测传感器设计、布局及信号处理方式进行优化,从而提高我国联合收获机的清选能力,降低清选损失率。
1 联合收获机清选原理
联合收获机在进行清选工作时,风机不断向清选室内吹风,从而形成气流场;脱粒混合物在振动筛不断往复运动作用下,会被输送到鱼鳞筛。在气流场与振动筛的共同作用下,脱粒混合物中的颖壳、杂草和短茎秆等被吹出机外,籽粒透过振动筛落入集粮螺旋输送器,并输送到粮箱,少量未清选的脱粒混合物透过尾筛落入复脱搅龙,进行二次脱粒清选。在此过程中,部分籽粒会因气流场和振动筛的过度作用而被排出机外,导致清选损失[4]。联合收获机清选过程如图1所示。
2 清选损失监测方法研究现状
目前,较为常用的清选损失监测方法有声电信号监测和冲击压电信号监测。其中,声电信号监测是利用声电原理,使用灵敏度较高的麦克风来监测籽粒、茎秆等物料冲击感应板的声音信号,再对声音信号进行采样、放大、滤波等处理,从而获得籽粒声音信号,并基于此计算出损失籽粒的个数。但联合收获机作业时,机械振动、内部噪声较强,往往会导致声音信号采集精度较差,无法对籽粒信号进行准确识别监测。冲击压电信号清选损失监测传感器具有结构简单、监测精度较高、适合复杂工作环境的特点[5-7]。
采用冲击压电信号监测法时,将损失监测传感器安装在一块敏感板的中心位置,其结构如图2所示。敏感板横向安装在逐稿器或振动筛后方排出口处,籽粒、秸秆、杂质等冲击传感器敏感板时会产生振动,传感器将振动转变为相应的电脉冲信号,并对电脉冲信号进行处理,从而计算出清选损失的籽粒量,其工作原理如图3所示。但这种监测方法存在两个明显弊端:一是联合收获机作业过程中会产生较强的机械振动,会对传感器产生干扰,从而影响清选损失率监测的准确性;二是损失物料传感器的安装位置及角度会严重影响其监测的准确性[8]。
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1—机架连接装置;2—支撑板;3—橡胶隔振器;4—导线;5—传感器;
6—敏感板;7—橡胶隔振器。
图2 籽粒清选损失监测装置结构
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1—传感器;2—滤波放大器;3—鉴别器;4—调节器;5—转换器;
6—指示器。
图3 籽粒损失监测传感器的工作原理
近年来,有学者采用图像处理技术设计联合收获机的清选损失传感器,并对联合收获机的清选损失情况进行监测,从而实现实时监测清选损失物料的情况。吴涛等[9]设计了一种基于图像处理技术的联合收获机清选损失实时在线测控系统,包括在线监测子系统和联合收获机自动控制子系统,在线监测子系统包括图像处理器、存储器、摄像头、人机交互设备及摄像头配重座。该系统可对清选损失总量和清选损失率进行实时监测,还能实时反馈联合收获机收获情况,并及时进行作业调整,能有效降低清选损失。辛博等[10]提出一种基于图像处理技术的谷物联合收获机清选损失实时在线监测方法,能实时计算出清选损失率,并根据损失率的改变来实时调整收割机前进速度、割幅、鼓风机出风量和角度等参数,从而提高清选质量。
冲击压电信号监测具有装置结构简单、监测精度较高、适合复杂工作环境的特点,被广泛用于监测清选损失情况。基于此,有必要对冲击压电信号监测方法进行深入分析研究。
3 冲击压电信号监测方法研究现状
有学者对冲击压电信号监测传感器进行改进,期望通过对监测传感器结构、布局或信号处理方式进行改进,从而减少外界干扰,提高清选损失监测的准确性。
魏纯才[11]设计了一种一体多块式清选损失监测传感器,并将其安置在联合收获机振动筛后方,用于对清选损失进行实时监测,如图4所示。一体多块式清选损失监测传感器运用冲击压电信号原理来监测损失籽粒,并通过计算得到监测量与清选损失量之间的数学模型来实时监测联合收获机的清选损失情况。
李耀明等[12]应用传感器、信号调理电路及二次仪表,设计出联合收获机清选损失监测传感器,如图5所示。该装置能实时监测联合收获机作业时籽粒清选的损失情况,并根据籽粒清选损失情况来及时调整联合收获机作业,从而提高整机收获质量,还能通过二次仪表来实时显示清选损失率。当清选损失率超标时,会及时触发报警器,提醒操作人员及时进行作业调整。
澳大利亚的KEE公司研发的一种损失监视传感器如图6所示。该传感器由压电陶瓷和薄金属板组成,与绝大多数传感器一样,其易受机械振动的影响,导致监测性能不稳定。
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图6 澳大利亚KEE公司研发的损失监视传感器
李俊峰[13]在阐述谷物损失监测传感器工作原理的基础上,总结现有谷物损失监测传感器存在的一般问题,并提出改进设计方案。梁振伟等[14]为了分析籽粒损失监测传感器敏感板结构对籽粒碰撞信号的影响,通过ANSYS软件对传感器不同结构的敏感板进行模态分析,得到了敏感板振动特性与传感器监测性能之间的关系。
4 监测传感器研究现状
4.1 传感器的结构设计
目前,用于清选损失监测的几种典型传感器的优缺点对比见表1[15-16]。
为了减小机械振动对传感器产生的干扰,提高监测的准确性,不少学者对冲击压电信号传感器的结构进行改进。周利明等[17]以聚偏二氯乙烯(PVDF)压电薄膜为敏感材料,设计出一种PVDF监测传感器,如图7所示。该传感器包括PET保护层、PVDF压电薄膜、阻尼材料和铝合金基底层,并通过上下层对传感器进行阻尼和支撑。
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1—PET保护层;2—PVDF压电薄膜;3—PET保护层;4—橡胶阻尼层;5—铝合金基底。
图7 PVDF传感器结构
李耀明等[18]设计出一种对谷物冲击进行实时监测的传感器:该传感器基于压电陶瓷的颗粒碰撞,以圆形YT-5L压电陶瓷作为敏感元件,将其粘贴在敏感板中心位置,并调整优化减振方式,能降低收获机自身振动产生的干扰。赵湛等[19]在PVDF压电薄膜阵列式传感器中加入隔振器,能有效缩短籽粒碰撞信号的衰减时间,提高清选损失监测的准确率,传感器及显示装置如图8所示。试验结果表明,该仪器能实时监测籽粒清选损失情况,并具有良好的精度。
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图8 传感器及显示装置
4.2 传感器的总体布局
倪军等[20]设计出一种阵列式压电晶体传感器,如图9所示。该传感器搭配有相应的信号调理系统及单片机监测系统,采用压电晶体探测阵列对清选损失进行监测,可从多区域、多角度来获取清选损失情况,提高了清选损失监测的准确性,且传感器之间的冗余数据和互补数据增强了系统的可靠性,扩展了单个传感器的性能。
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1—支架;2—探测阵列敏感元件;3—屏蔽电缆。
图9 阵列式压电晶体传感器示意图
毛罕平等[21]研制出一种具有对称传感结构的传感器,其结构及安装方式如图10所示。该传感器通过对称传感结构来消除干扰信号,通过电荷放大来处理激励信号,通过带通滤波的电路来有效提取清选损失信号,最后由单片机单元来实时监测计数。
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1—台架;2—传感器;3—安装螺柱;4—屏蔽线。
图10 传感器结构及安装形式
4.3 传感器信号处理研究现状
传感器能将冲击压物理信号转换为电信号,但数据采集设备不能直接对转换后的电信号进行采集。这是因为电信号极易受高频噪声的干扰,在瞬时可能存在很高的尖峰值。因此,要对转换后的电信号进行信号调理,将调理后的信号输送到数据采集系统,再由系统进行记录分析,然后输送到显示仪器。信号调理是传感器信号处理系统的重要组成部分,其决定了传感器信号处理系统的性能,常见的调理方式有滤波、衰减、放大和转换等[22-24]。为了减少因机器自身机械振动等因素对清选损失监测传感器产生的干扰,提高籽粒识别精度、缩短信号转换传递时间,国内外学者对清选损失监测传感器进行改进优化。祁广云等[25]对联合收获机谷粒损失过程进行了大量试验分析研究,设计出以单片机为主体的谷粒清选损失监视仪,由于籽粒、杂草、茎秆、土块等对传感器的冲击压力不同,导致所产生的信号频率不同,通过RC有源滤波器便可有效筛选出籽粒信号。魏纯[26]为了缩短籽粒冲压传感器的信号衰减时间,采用Kalman滤波方法能减少籽粒间的串扰,从而提高清选损失的监测精度,并降低清选误差,大大提高联合收获机清选损失监测系统的工作效率。高建民等[27]采用混沌算法对监测的籽粒信号进行处理,通过比对籽粒信号和白噪声,分别得到相应的信噪比,能有效提高监测系统对微弱信号的监测效果,增加系统的可靠性、准确性,降低谷物清选损失监测系统的制作成本,并提高系统的稳定性。
5 成果总结
目前,科研人员对联合收获机清选装置清选损失监测方法的研究取得了一定成果。在清选损失物料监测研究中,多数是通过对冲击压电信号进行监测来实现清选损失监测的,也有少数是通过图像处理、高速摄影等技术对清选损失进行监测的。