聯(lián)合收割機(jī)中的顆粒分離損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
摘要：
根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室中所獲得的一種帶有切向喂入的軸向脫粒設(shè)備的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，累積分布函數(shù)在軸向和徑向方向脫粒轉(zhuǎn)子分離出來的糧食，是基于分析糧食分離的損失和在某一地區(qū)糧食分量通量下凹之間關(guān)系建成的，用間接損失對(duì)糧食分離監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了闡述。
聚偏二氟乙烯壓電電點(diǎn)(PVDF)被作為一種敏感材料,用來設(shè)計(jì)谷物流量傳感器。當(dāng)糧食和MOG在監(jiān)測(cè)區(qū)域分離，對(duì)監(jiān)測(cè)區(qū)域的影響會(huì)使不同壓電電點(diǎn)PVDF薄膜產(chǎn)生電荷。通過信號(hào)放大器使信號(hào)增益后，頻率衰減并整波成形，谷物的數(shù)量可以被一個(gè)單片機(jī)計(jì)數(shù)并且谷物分離的損失可以實(shí)時(shí)測(cè)量。
現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明，用監(jiān)測(cè)系統(tǒng)記錄到的谷物分離損失的測(cè)量誤差相對(duì)于手工檢查小于12%。
圖解摘要：
根據(jù)在一個(gè)下凹的區(qū)域內(nèi)對(duì)谷物分離損失和谷物分離流量的分析，間接的谷物分離損失檢測(cè)方法和先進(jìn)的測(cè)量裝置都可呈現(xiàn)出來。室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果表明,該控制方法能在良好的精度下對(duì)谷物分離損失進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量。該裝置可以被應(yīng)用到一些中小型聯(lián)合收割機(jī)。
利用先進(jìn)裝置測(cè)量聯(lián)合收割機(jī)的谷物分離。

強(qiáng)調(diào)：
我們利用模型分布函數(shù)在軸向和徑向分離糧食的方法，開發(fā)一種能從MOG中區(qū)分出游離谷物的一種流量傳感器，并且提出一種在谷物收割機(jī)中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)谷物分離損失，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)中可行的顆粒分離損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。
關(guān)鍵字：聯(lián)合收割機(jī)，谷物分離損失，PVDF膜壓電電點(diǎn)，谷物流量傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)
文章大綱：
1.簡(jiǎn)介
2.谷物分離損失監(jiān)測(cè)的方法
3.監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法
3.2 軸向分布谷物的分離
3.3 徑向分布谷物的分離
3.4 谷物分離的數(shù)學(xué)模型監(jiān)測(cè)
4. 監(jiān)測(cè)傳感器的發(fā)展
4.1 傳感器的描述
4.2 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)
4.3 校準(zhǔn)
5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
6.結(jié)果，確認(rèn)，參考文獻(xiàn)
1.簡(jiǎn)介
水稻是中國最主要的糧食作物之一，種植面積大約3千萬公頃并且年產(chǎn)量超過2億噸。在最近幾年，水稻主要用聯(lián)合收割機(jī)收割并執(zhí)行以下操作：莖干切割，種子跟皮脫離，種子從MOG中脫離，糧食的脫離與分離，糧食清洗，和將糧食收集貯存。隨著雜交水稻種植面積的增加，水稻產(chǎn)量在不斷提高。今天，雜交水稻的產(chǎn)量已經(jīng)突破了每公頃12噸。在這種情況下，谷物分離損失已經(jīng)成為一個(gè)重要的問題。聯(lián)合收割機(jī)的結(jié)構(gòu)和操作參數(shù)也需要做相應(yīng)調(diào)整。隨著近年來傳感器，電子和計(jì)算機(jī)處理能力的提高，聯(lián)合收割機(jī)的自動(dòng)化技術(shù)有一部分已經(jīng)能夠做到，目前需迫切建立一個(gè)能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)分離損失的系統(tǒng)并且分離損失的比例要小于3%。低容量聯(lián)合收割機(jī)的優(yōu)化利用在高產(chǎn)小麥農(nóng)場(chǎng)使用多準(zhǔn)則決策，103生物系統(tǒng)工程(2009), pp. 382–388[Ebrahimi et al., 2009]。游離的谷物拋落在脫離裝置的末端并且在MOG中混合，幾乎不可能用一個(gè)準(zhǔn)確和精確的方式測(cè)量。傳統(tǒng)的測(cè)量方法是用手工方式從MOG中收集并清理出游離的谷物。這是一個(gè)很好時(shí)間的工作，但結(jié)果還是相對(duì)來說比較準(zhǔn)確的，因此這種方法通常被用于聯(lián)合收割機(jī)的性能測(cè)試。
一些常見的大型聯(lián)合收割機(jī)，比如說New Holland TX64，安裝了一個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)配置([Maertens et al., 2004] and [Omid et al., 2010])。行走中的損失用位于行走裝置末端的壓電電點(diǎn)沖擊力傳感器的來進(jìn)行代表性的測(cè)量。篩選損失傳感器安裝在篩選裝置的末端。通過每一秒對(duì)糧食的量化來測(cè)量糧食的損失。只能發(fā)現(xiàn)糧食的測(cè)量指標(biāo)，但得不到絕對(duì)的糧食損失測(cè)量效率。最近，研究者們正試圖在分離鼓的下面安裝impact-type傳感器，通過在一定的影響間隔內(nèi)計(jì)算數(shù)量來測(cè)量當(dāng)?shù)毓任镱w粒。這樣就為谷物分離控制系統(tǒng)提供了機(jī)會(huì)，因?yàn)檫@是一種能夠快速估計(jì)瞬時(shí)分離谷物的方法，并且這些工作仍在進(jìn)行中。
劉和李?yuàn)W納德(1993)提出了谷物收割機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控谷物損失的轉(zhuǎn)子軸流系統(tǒng)。九聲道沖擊力傳感器被安裝在收割機(jī)分離隔柵的下面。從傳感器得到的數(shù)據(jù)繪成曲線來描述分離篦周圍的糧食分離情況，這樣就沿著蓖柵導(dǎo)出了指數(shù)級(jí)分離曲線。真實(shí)的谷物損失可以通過整合指數(shù)曲線無限膨脹的一端估算。但是，從機(jī)器噪音上很難區(qū)分出谷粒跟稻草，聲學(xué)傳感器必須有很高的分辨率而且信號(hào)的調(diào)節(jié)過程是很復(fù)雜的。
對(duì)于沒有裝配逐稿器的中型或小型聯(lián)合收割機(jī)，監(jiān)測(cè)谷物分離損失仍然很難。在這篇文章中，根據(jù)對(duì)轉(zhuǎn)子在軸向和徑向出來的糧食分布的分析，提出了一種能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)糧食分離損失的間接糧食損失監(jiān)測(cè)方法，并且這也是一種很先進(jìn)的傳感器。
2. 谷物分離損失監(jiān)測(cè)的方法
在這篇文章中提到的谷物分離損失監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要包括以下步驟：
1. 用數(shù)學(xué)分布函數(shù)在實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)設(shè)備場(chǎng)上的軸向轉(zhuǎn)子上畫分離出來糧食的分布函數(shù)（Miu and Kutzbachb, 2008a)。
2. 在分離凹面上選擇一個(gè)合適的監(jiān)測(cè)地點(diǎn)
3. 在監(jiān)測(cè)區(qū)域上開發(fā)一種分離谷物的徑向分布函數(shù)
4. 開發(fā)一種能夠從MOG中辨別出游離谷物的谷物流動(dòng)傳感器
5. 根據(jù)檢測(cè)數(shù)學(xué)模型和監(jiān)測(cè)谷物流動(dòng)來計(jì)算谷物的實(shí)時(shí)分離損失，從而在聯(lián)合收割機(jī)上安裝傳感器。
3.監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型的發(fā)展
3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和方法
為了應(yīng)用數(shù)學(xué)模型，在實(shí)驗(yàn)室中，實(shí)驗(yàn)需要在切向喂入的軸向脫離滾筒中進(jìn)行。轉(zhuǎn)子的直徑為380毫米，軸向伸長為1.6米，喂入?yún)^(qū)域的長度是0.5米，脫粒穗的高度是90毫米，凹面包的角度是220度，凹面的空隙是20毫米。

1. 脫離實(shí)驗(yàn)設(shè)備縮略圖

2．軸向脫離裝置的圖解表示法
為了收集分離材料，在脫離與分離區(qū)的下面裝上了49個(gè)小盒子。清新材料（大米混雜物）被均勻的分布在長長的傳送帶（25米長，1.2米寬）上，并用一個(gè)鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)以不變的速度（1米/秒）喂入脫粒裝置。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速是900轉(zhuǎn)每分鐘。三種hybrid-rice性能的選擇在表1中已給出。

Table 1. Properties of hybrid-rice.
________________________________________ Hybrid-rice # 1
________________________________________ Hybrid-rice # 2
________________________________________ Hybrid-rice # 3
________________________________________
Grain moisture content (%) 28.7 23.6 24.1
MOG moisture content (%) 48.2 55.3 57.6
Average length of the stems (m) 1.06 1.03 1.02
Grain/MOG ratio 1/1.45 1/1.51 1/1.64
Thousand seed mass (g) 35.4 34.8 30.7
Yield per hectare (t) 11.5 10.8 10.3
3.2 軸向分布谷物的分離
脫離和分離程序可以被分為三部分：（a）谷物從電聲額定系統(tǒng)分離從而使谷物在脫粒空間中成為游離的顆粒;(b)游離糧食顆粒的分離通過稻草進(jìn)入到凹/篦的表面;（c）游離的谷物顆粒通過凹面或柵格的開口處，來描述谷物軸向脫粒和分離的過程。Miu et al. (1997)在以一些假設(shè)作為考慮后開發(fā)出了通用的數(shù)學(xué)模型，正如下面所介紹的。
把x作為相關(guān)脫?？臻g長度的變量，x [0,L].根據(jù)可能的理論，分離谷物在軸向長度上的分布函數(shù)是(Miu and Kutzbachb, 2008b)
（1）

比例參數(shù)λ 和β在1到l之間是個(gè)常量，并且與植物特性，軸向裝置的功能和設(shè)計(jì)參數(shù)有關(guān)。在脫?？臻g的最后（x=l），游離谷物就是分離損失。
（2）

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在1.8–3.4 kg/s時(shí)，λ的值為2.9–3.3 m−1，β的值為4.0–4.8 m−1，用多元非線性回歸分析得出的判定系數(shù)R2 > 0.9866。在分離損失中，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析顯示，預(yù)測(cè)價(jià)值的下降在0.6–2.1%，系數(shù)R2 > 0.9992。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和相應(yīng)的擬合曲線如表3所示

圖3：

從表3中可以看出，在轉(zhuǎn)子的起始段（x< 0.9 m），游離谷物的流速增加很快并且累積分布的變化范圍較大，這樣對(duì)于精確計(jì)量谷物流速和建立一個(gè)確定的數(shù)學(xué)模型增加了難度。而在轉(zhuǎn)子的最后部分（x > 1.1 m），分離的谷物流速變慢，但是分離的MOG卻很多，這樣也給傳感器從大量MOG中辨別出游離谷物增加了難度。因此，我們推測(cè)1.1 > x > 0.9 m是傳感器測(cè)量分離谷物流速的理想范圍。
3.3 徑向分布谷物的分離
在1.1 > x > 0.9 m之內(nèi)，所有聯(lián)合范圍在1.8–3.4 kg/s時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，分離出來的谷物流量在軸向方向上顯著不同（表4），并且需要分析谷物的徑向分布來確定徑向位置所安裝傳感器的結(jié)構(gòu)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們建立了一個(gè)非線性回歸方程
（3）

χ = 1.2–1.6 m−2是一個(gè)利用非線性回歸分析獲得常數(shù)系數(shù)，并且系數(shù)測(cè)定值R2 > 0.9934
(χ = 1.43 m−2, maximum R2 = 0.9952).

圖4：
在轉(zhuǎn)子的徑向方向上谷物變化累積

3.4 谷物分離的數(shù)學(xué)模型監(jiān)測(cè)
使用方程式（1），（2），（3），我們創(chuàng)建了一個(gè)監(jiān)測(cè)的數(shù)學(xué)模型（在監(jiān)測(cè)區(qū)域的谷物分離損失與分離谷物的關(guān)系）
（4）

x0 和y0是監(jiān)測(cè)區(qū)域的中心位置，a和b是軸向和徑向的監(jiān)測(cè)區(qū)域長度（表2）。、
4. 監(jiān)測(cè)傳感器的發(fā)展
4.1 傳感器的描述
壓電電點(diǎn)PVDF膜，像其他壓電電點(diǎn)膜一樣，不能夠測(cè)量靜態(tài)壓力，因?yàn)槟て瑧?yīng)變使電極產(chǎn)生的電荷釋放的很慢。當(dāng)一個(gè)壓力變化傳到傳感器上時(shí)，PVDF膜被拉伸。并且由于它的壓電性能，電壓和電荷就會(huì)在電極上產(chǎn)生。因?yàn)樗母哽`敏度，高熱量，化學(xué)穩(wěn)定性和靈活的結(jié)構(gòu)，最近幾年它已成為了一項(xiàng)研究課題。([Ali et al., 2004], [Matsumotoa et al., 2004] and [Shirinov and Schomburg, 2008]).
考慮到影響信號(hào)的種子很小，我們選取的壓電電點(diǎn)PVDF膜50微米厚作為該材料壓電常數(shù)為25 pC / v。為了提高響應(yīng)速度和避免干擾，5個(gè)20 mm × 100 mm壓電電點(diǎn)PVDF膜被用來構(gòu)建一個(gè)陣列結(jié)構(gòu)，每個(gè)數(shù)組單位都有各自的信號(hào)處理電路，而每兩個(gè)相鄰之間的距離是0.5毫米。
在圖5中給出了一個(gè)壓力傳感器的典型設(shè)計(jì)單元。它由一個(gè)兩邊都有電極寄存器的壓電電點(diǎn)PVDF膜和附在電極上的電接觸組成。為了避免由于谷物影響而使電極表面刮傷，兩個(gè)PET保護(hù)膜（0.1毫米厚）被粘附在電極表面，并且為了降低聯(lián)合收割機(jī)震動(dòng)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)精度的影響，一個(gè)三毫米厚的橡膠墊粘在了PET保護(hù)膜的下面。

圖5：
嵌入式傳感器的原理圖。

4.2 信號(hào)處理電路的設(shè)計(jì)
當(dāng)種子或者M(jìn)OG 對(duì)PVDF影響時(shí)，電荷就從不能直接測(cè)量的電接觸輸出。在這里，一個(gè)充電的放大電路用來將電荷轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。聯(lián)合收割機(jī)的震動(dòng)明顯影響電壓信號(hào)的輸出，在進(jìn)行傅里葉變換后，我們發(fā)現(xiàn)它的頻率大部分比800 Hz低（見圖6）.實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示出，種子和MOG的不同特別是在振幅和頻率的不同會(huì)使電壓訊號(hào)產(chǎn)生。因?yàn)榉N子密度比像短徑MOG要大，所以種子電壓信號(hào)的頻率和振幅要大一些。因此一個(gè)快速辨別裝置用來消除聯(lián)合收割機(jī)震動(dòng)產(chǎn)生的影響，而且可以從MOG中辨別出種子的信號(hào)，1–5 kHz的臨界頻率就被設(shè)置了。為了避免諧振波的影響，一個(gè)封皮檢測(cè)器被用于提取信號(hào)包絡(luò)曲線，然后傳送到一個(gè)電壓比較器來形成波形。因?yàn)榉N子的信號(hào)電壓幅值主要在2.0–3.5 V之間，而聯(lián)合收割機(jī)震動(dòng)的信號(hào)電壓幅值的影響和MOG可以被壓制成低于1 V（圖7），我們?cè)O(shè)定的比較器的閾值是1.75 V，并且種子被有效地確定。當(dāng)波成形后，標(biāo)準(zhǔn)TTL脈沖信號(hào)被送到MCU來給種子計(jì)數(shù)，并且用一個(gè)工具顯示出結(jié)果。信號(hào)處理電路的過程在圖8中顯示出來，先進(jìn)的傳感器和工具在圖9中。
圖6：聯(lián)合收割機(jī)振動(dòng)的頻譜對(duì)信號(hào)輸出的影響

圖7：干擾下的種子輸出電壓信號(hào)
 

圖8: 信號(hào)處理電路
 

圖9：傳感器和儀器
 

4.3 校準(zhǔn)
我們?cè)趯?shí)驗(yàn)室中校準(zhǔn)傳感器來驗(yàn)證測(cè)量精度。根據(jù)在測(cè)量區(qū)域中谷物/ MOG的比例，我們將1000粒谷物與MOG混合并且用一個(gè)電鍍振動(dòng)喂入器將它們喂入來影響傳感器。為了避免材料堆積在傳感器表面，傳感器的固定角度調(diào)整到45°（圖2）。電鍍振動(dòng)喂入器與傳感器表面間距離是250毫米。在每一個(gè)參數(shù)上實(shí)驗(yàn)要重復(fù)3次并且結(jié)果證明傳感器可以在最大相對(duì)誤差為4.5%內(nèi)計(jì)量游離谷物的數(shù)量（表2）.
表2：實(shí)驗(yàn)室中的校準(zhǔn)結(jié)果
Test number
________________________________________ 1
________________________________________ 2
________________________________________ 3
________________________________________ 4
________________________________________ 5
________________________________________ 6
________________________________________ 7
________________________________________ 8
________________________________________ 9
________________________________________
Grain moisture content (%) 18.3 18.3 18.3 23.2 23.2 23.2 26.5 26.5 26.5
Measured value 989 1039 979 959 961 982 989 978 993
Relative error (%) 1.1 3.9 2.1 4.1 3.9 1.8 1.1 2.2 0.7
雜交水稻1#，游離谷物數(shù)量：1000
5. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和討論
為了測(cè)試上述方法的可行性，傳感器被安裝在一輛與實(shí)驗(yàn)設(shè)備有同樣的主要結(jié)構(gòu)尺寸和工作參數(shù)的計(jì)量4LZ-2.0聯(lián)合收割機(jī)上。實(shí)驗(yàn)在三種類型的雜交水稻田地里進(jìn)行。傳感器在聯(lián)合收割機(jī)上的安裝位置和形狀如圖10.傳感器的固定角度α = 45°,中心位置x0 = 1 m, y0 = 0.4 m.聯(lián)合收割機(jī)的前進(jìn)速度是0.8–1.2 m/s，相應(yīng)喂入率是2.4–3.6 kg/s,收割面積是2 m × 20 m.一個(gè)油性表皮被用來收集從轉(zhuǎn)子末端所脫離的材料，然后用手清理所夾帶的游離谷物（分離損失）。

圖10：傳感器在聯(lián)合收割機(jī)上的安裝位置和形狀

用λ = 2.98 m−1, β = 4.63 m−1，χ = 1.43 m−2的均衡器（4），在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)谷物分離損失和分離谷物的比例是1/1.6.根據(jù)傳感器計(jì)數(shù)的種子數(shù)量（300–600個(gè)每秒），分離損失可以被計(jì)算出來。表3給出了谷物分離損失的錯(cuò)誤分析結(jié)果，包括監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和人工的。谷物收獲的過程被很多因素影響，因此是很復(fù)雜的，像聯(lián)合收割機(jī)的振動(dòng)，機(jī)器調(diào)整，田地和與田地有關(guān)的一些參數(shù)等。另外，灰塵和MOG在PVDF膜表面上的堆積，小石頭或者從凹面中分離出來的MOG以一個(gè)很高的速度來影響PVDF膜都可能影響測(cè)量結(jié)果。這些是在田地里導(dǎo)致測(cè)量精度降低的主要因素。
表3：用傳感器和手工所得到的分離損失的誤差分析
Variety Velocity of combine harvester (m/s) Separation loss
________________________________________ Absolute error (%) Relative error (%)
Sensor
________________________________________ Manual
________________________________________
________________________________________ ________________________________________ Mass (g)
________________________________________ Ratio (%)
________________________________________ Mass (g)
________________________________________ Ratio (%)
________________________________________ ________________________________________ ________________________________________
Hybrid-rice # 1 0.8 187.9 0.817 202.4 0.880 0.063 7.72
1.0 211.4 0.919 200.7 0.873 0.047 5.06
1.2 193.5 0.841 206.3 0.897 0.056 6.61

Hybrid-rice # 2 0.8 305.6 1.415 335.7 1.554 0.139 9.85
1.0 276.7 1.281 294.7 1.364 0.083 6.51
1.2 312.9 1.449 346.1 1.602 0.154 10.6

Hybrid-rice # 3 0.8 206.8 1.004 226.5 1.100 0.096 9.53
1.0 209.1 1.015 215.6 1.047 0.032 3.11
1.2 264.3 1.283 288.0 1.398 0.115 8.97

6. 結(jié)果
在對(duì)分離谷物的分布函數(shù)在轉(zhuǎn)子軸向和徑向上分析后，聯(lián)系分離谷物和分離損失所得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果同理論值非常一致，通過在分離凹面上選擇一個(gè)合適的監(jiān)測(cè)區(qū)域，分離谷物的徑向分離的數(shù)學(xué)模型就被確定了。
采用壓電電點(diǎn)PVDF薄膜的谷物流量傳感器被焊接上，一個(gè)簡(jiǎn)單的工藝流程包括電荷放大器，頻率衰減，包絡(luò)檢波器和整波成形被設(shè)計(jì)完成。實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)結(jié)果顯示傳感器的測(cè)量誤差<4.5%。
隨著傳感器在區(qū)域內(nèi)檢測(cè)分離谷物的流動(dòng)和根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)學(xué)模型，本文提出了一個(gè)直接實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)谷物分離損失的數(shù)學(xué)模型。田地試驗(yàn)結(jié)果表明相關(guān)的測(cè)量誤差<12%。