CN107917723B - 一种薄面激光中小粒径种子流传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于农业种子颗粒传感检测技术领域，具体涉及一种薄面激光中小粒径种子流传感装置。该传感装置包括：入种口、导种管、激光发射模组、光电接收器、出种口、信号采集***、供电单元以及封装外壳。排种器投种口下落的种子流经过入种口进入检测区域，遮挡照射向所述光电接收器的薄面激光的小部分光路，使输出电压信号产生扰动，通过所述信号采集***的处理从而实现种子流的数字化。本发明提供的传感装置具有较高的检测准确率和优良的经济实用性，能为中小粒径种子(如油菜、小麦、玉米种子等)精量排种器排种性能(播量、排种频率、漏播、合格指数等)检测提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明涉及农业种子颗粒传感检测技术领域，尤其涉及一种薄面激光中小粒径种子流传感装置。
背景技术
机械化精量播种能够降低劳动强度、提高作业效率、增加农民收入，是智能农机发展的重要环节。播种过程中排种器排种质量监测、漏播检测、播量监测、播种状态图生成是精量播种智能化发展的趋势，而实现这些功能必须依靠能够实时精准采集排种频率、排种时间间隔、排种总量等排种信息的种子流传感装置作为支撑。
目前现有用于排种检测的光电检测器主要是基于光电收发传感器依靠种子通过隔断光路实现对种子的感应而完成种子流的检测，这类传感器针对玉米、大豆、小麦、水稻等大中粒径种子可以实现检测。但对于粒径较小、排种频率较高的中小粒径种子排种检测，由于存在一定的检测盲区而导致漏检，以及由于种子通过光路时间较长，导致检测时间分辨率低而出现相隔较近的两粒或多粒种子难以被分辨等问题，最终导致难以实现对中小粒径种子流的精准检测。
发明内容
因此，针对以上存在的问题，本发明提供一种薄面激光中小粒径种子流传感装置，能够实现对种子流无盲区检测，且提高种子流检测时间分辨率，克服两粒或多粒种子因相隔很近而无法检测的问题。
为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：
本发明提供一种薄面激光中小粒径种子流传感装置，与中小粒径排种器的投种口对接，所述传感装置包括：导种管、激光发射模组、光电接收器、信号采集***以及供电单元；
所述导种管包括同轴设置的上导种管与下导种管，所述下导种管的上端面与所述上导种管的下端面之间存在通光间隙；
所述激光发射模组与所述光电接收器对应所述通光间隙设置于所述导种管的两侧，所述激光发射模组轴线正交于所述光电接收器中心，所述光电接收器用以接收所述激光发射模组在所述通光间隙处形成的薄面激光；
所述光电接收器与所述信号采集***电连接，所述信号采集***及所述激光发射模组与所述供电单元电连接；
其中，所述薄面激光具有预设厚度，所述上导种管的下管口内径沿导种管轴向方向的投影位于所能照射到光电接收器的所述薄面激光区域内，所述信号采集***用于采集种子流穿过所述薄面激光导致所述光电接收器感光量发生变化产生的电压信号扰动。
根据本发明一优选实施例，所述激光发射模组包括激光发射器、聚焦透镜以及一字波浪镜，所述激光发射器用以发射点激光，并经由所述聚焦透镜及所述一字波浪镜后于所述通光间隙处产生光层厚度为0.5mm～3mm的呈扩散状的所述薄面激光。
根据本发明一优选实施例，所述激光发射器在所述通光间隙的位置形成的所述薄面激光的扩散角范围在10°～160°之间。
根据本发明一优选实施例，所述下导种管的所述上端面与所述上导种管的所述下端面设置0.5mm～3mm的通光间隙。
根据本发明一优选实施例，所述光电接收器为硅光电池，且以所述硅光电池感光面最大长度处所在区域为受光区。
根据本发明一优选实施例，所述激光发射器距离所述硅光电池表面的距离在6mm～60mm之间，所述薄面激光在所述硅光电池表面形成的光斑至少覆盖所述受光区。
根据本发明一优选实施例，所述上导种管的下管口内径小于所能照射到所述受光区的薄面激光所能容纳的最大尺寸。
根据本发明一优选实施例，所述下导种管的上管口内径小于等于下导种管的下管口内径，所述下导种管的所述上管口内径大于所述上导种管的所述下管口外径。
根据本发明一优选实施例，所述传感装置还包括：入种口、出种口以及封装外壳；
所述入种口由所述上导种管的上管口延伸形成，所述出种口由所述下导种管的下管口延伸形成；所述入种口外径与所述投种口内径匹配对接；所述封装外壳用以保护内部结构，将所述内部结构封装为一体。
根据本发明一优选实施例，所述信号采集***电路包括一级放大电路、二级放大电路、半波整流电路、电压比较电路、单稳态触发电路；
所述一级放大电路和所述二级放大电路由AD620芯片搭建而成，用于对种子遮挡部分光路后产生的光电信号进行放大，每一级放大倍数调节范围为10～200倍；
所述半波整流电路利用二极管的单向导电作用对所述二级放大电路输出的负向电压信号进行斩波；
所述电压比较电路包括LM393芯片、可变电阻，所述可变电阻用以调节比较电压阈值，将所述半波整流电路的输出信号转变成具有一定脉冲宽度的规整方波，所述脉冲宽度随所述比较电压阈值的改变而改变；
所述单稳态触发电路包括74LS123芯片、电容、电阻，通过选用不同电容、电阻用以改变延时时间，并将比较器的输出信号整合成规则的脉冲信号，实现单粒种子对应输出单个脉冲，即实现种子流序列对应脉冲序列，最终实现种子流的数字化。
本发明的有益效果为：相较于现有光电检测装置，本发明的薄面激光中小粒径种子流传感装置，通过将激光发射器的点状光通过聚焦透镜和一字波浪镜处理后，形成的由线光源扩散产生的薄面激光照射到硅光电池表面后，形成了长方形的光斑，光斑宽度仅为1mm，使种子通过薄面激光的时间足够小，种子之间间隔大于1mm时均能准确检测，提高了检测的时间分辨率。改善了传统的光电检测中采用红外二极管光源，种子通过检测光区的时间较长，当两粒或者多粒同时进入光区时，无法分辨出来而造成误检的问题；本设计不仅具有非接触式检测的优点，而且通过严格的几何学模型计算得到导种管内径大小及相对于薄面激光对的具***置关系，以及激光发射器和硅光电池的相对位置，消除了检测盲区。本装置能够实现单粒种子对应输出单个脉冲，即实现种子流序列对应脉冲序列，最终实现种子流的数字化。本装置所用元器件成本较低，结构小巧，安装方便。并且本装置对粒径小于10mm的大中粒径种子同样能够准确检测。
附图说明
为了更清楚地说明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的薄面激光中小粒径种子流传感装置结构示意图；
图2a为本发明实施例提供的激光发射与接收投影图；
图2b为本发明实施例提供的激光发射与接收的立体示意图；
图3为本发明实施例提供的信号采集***电路框图；
具体实施方式
以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明所提到的方向用语，例如[上]、[下]、[前]、[后]、[左]、[右]、[内]、[外]、[侧面]等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用以说明及理解本发明，而非用以限制本发明。在图中，结构相似的单元是用以相同标号表示。
本发明针对现有光电检测装置应用于中小粒径排种种子流的传感检测时，因存在一定的检测盲区导致漏检以及因通光时间长而导致检测时间分辨率低的技术问题，本实施例能够解决该缺陷。
下面结合附图详细介绍本发明具体实施例提供的薄面激光中小粒径种子流传感装置。
如图1所示，为本发明提供的薄面激光中小粒径种子流传感装置结构示意图，该传感装置与中小粒径排种器的投种口对接，所述传感装置包括：入种口1、导种管、激光发射模组3、光电接收器4、出种口7、支架8、信号采集***10、供电单元11。
其中，所述入种口1的外径与所述排种器的所述投种口的内径匹配设计，用以将所述传感装置连接到所述排种器上，且所述入种口1外壁设置有防滑螺纹，以保证安装后不出现脱落的现象。所述导种管包括上导种管2以及所述下导种管6，所述上导种管2与所述下导种管6同轴设置；将所述上导种管2的上管口延伸以形成所述入种口1，将所述下导种管的下管口延伸以形成所述出种口7。所述上导种管2的长度可为20mm～40mm，所述下导种管6的长度可为20mm～40mm。所述下导种管6的上端面与所述上导种管2的下端面之间存在通光间隙。所述下导种管6的所述上管口内径大于所述上导种管2的所述下管口外径，保证下落的种子顺利进入所述下导种管6中；所述下导种管6的上管口内径小于等于下导种管的下管口内径；优选的，所述下导种管6的所述下管口内径大于上管口内径呈自下而上收缩的锥形，防止种子落下后发生碰撞导致被重复检测的可能。
所述激光发射模组3与所述光电接收器4对应所述通光间隙设置于所述导种管的两侧，所述激光发射模组3的轴线正交于所述光电接收器4的中心，且所述光电接收器4用以接收所述激光发射模组3在所述通光间隙处形成的薄面激光5，所述薄面激光5的厚度为0.5mm～3mm，优选为1mm。所述上导种管2的下管口内径沿所述导种管轴向方向的投影501位于所能照射到所述光电接收器4的所述薄面激光5区域内，所述下导种管6与所述上导种管2之间的通光间隙距离为0.5mm～3mm，优选的，所述通光间隙的宽度为0.8mm～2.5mm。同样优选的，所述上导种管2的所述上管口内径大于下管口内径呈自上而下收缩的锥形，所述投影501位于所述薄面激光5区域内，以此避免检测盲区。所述导种管的截面形状为圆形、椭圆形、矩形或其他多边形。
所述支架8用以承载所述信号采集***10，所述支架8上包括定位柱12，用以固定所述信号采集***10；所述信号采集***10上包括NRF收发模块9，用于输出检测的种子流数据；所述供电单元11用以向所述装置供电，所述光电接收器4与所述信号采集***10电连接，所述信号采集***10及所述激光发射模组3与所述供电单元11电连接。所述信号采集***10用于采集种子流穿过所述薄面激光5导致所述光电接收器4感光量发生变化产生的电压信号扰动；所述信号采集***10和所述供电单元11设置在所述导种管的右侧。所述传感装置还包括：排种状态指示灯13，用以指示所述种子流的排种状态；电源开关14，用以开启/关闭所述传感装置；电源指示灯15，用以指示供电状态。所述传感装置还包括封装外壳，所述封装外壳用以保护上述各个内部结构，将所述内部结构封装为一体。其中，所述排种状态指示灯13、电源开关14、电源指示灯15根据实际情况设置于所述封装外壳的预设位置，此处不做限定。
如图2a所示，为本发明实施例提供的激光发射与接收投影图，激光发射模组3沿光路发射方向依次包括激光发射器301、聚焦透镜302、一字波浪镜303；光电接收器可选择为硅光电池4，本实施例为10mm×10mm的所述硅光电池4，所述硅光电池4的受光面面向所述激光发射模组3设置；所述激光发射器301与所述聚焦透镜302以及所述一字波浪镜303同轴设置，且中心轴线正交于所述硅光电池4的中心。其中，所述激光发射器301发射的点光源依次经过所述聚焦透镜302及所述一字波浪镜303形成具有一定扩散角且光路密集的薄面激光5，所述薄面激光5的扩散角在10°～160°之间，优选为30°，所述薄面激光5所形成的光区为一梯形区域。
如图2b所示，为本发明实施例提供的激光发射与接收的立体示意图，所述薄面激光5形成的光层厚度为0.5mm～3mm，优选为1mm。上导种管2的下管口内径小于等于所述薄面激光5所形成的光区所能容纳的最大圆直径，也就是说所述上导种管2的所述下管口内径沿导种管轴向方向的投影位于所述薄面激光5的区域内。为了提高硅光电池4受光面的长度进而增大所述上导种管2的下管口内径的大小，将所述硅光电池4旋转一定角度摆放，优选与所述薄面激光5形成的所述光层呈45°摆放，以所述硅光电池4受光面的对角线所在区域为受光区，激光发射器301距离所述硅光电池4表面的距离在6mm～60mm之间，优选为23mm。所述激光发射器301的点状光通过聚焦透镜302和一字波浪镜303处理后，照射到所述硅光电池4表面形成矩形光斑，所述光斑宽度非常小，宽度在0.5mm～3mm之间，优选为1mm，所述光斑在所述硅光电池4上的投影位于所述受光区的范围内，以此保证穿过所述薄面激光5的种子16都被感测到。
通过几何运算得出当所述激光发射器301距离所述硅光电池4受光面距离为23mm时，照在所述硅光电池4表面的所述光斑长度为14.1mm，正好完全覆盖所述硅光电池4对角线所在区域；梯形的所述光区所能容纳最大圆的直径大小为11.1mm，因此落种管径直径必须小于11.1mm，本发明的所述上导种管2的所述下管口内径优选为10mm，这样便消除了检测所可能产生的盲区。当所述光层厚度仅为1mm时，中小粒径种子16穿过所述光区的时间足够小，两粒种子间距只要大于1mm都能检测出来，在农业实际播种过程中，种子间隔小于1mm的情况极少发生，因此，本发明提高了种子检测的时间分辨率，实现中小粒径种子精准检测。为了增大一次充电后本发明装置使用的时间，所述激光发射器301选用最低功耗仅为5mW的激光发射器作为光源。
如图3所示，本发明还包括信号采集***电路，所述信号采集***电路集成于信号采集***上。所述信号采集***电路包括一级放大电路200、二级放大电路300、半波整流电路400、电压比较电路500、单稳态触发电路600。所述一级放大电路200和所述二级放大电路300由AD620芯片搭建而成，用于对种子流遮挡部分光路后产生的光电信号进行放大，每一级放大倍数调节范围为10～200倍，优选为30～100倍；所述半波整流电路400利用二极管的单向导电作用对所述二级放大电路300输出的负向电压信号进行斩波；所述电压比较电路500包括LM393芯片、可变电阻，所述可变电阻用以调节比较电压阈值，将所述半波整流电路400输出信号转变成具有一定脉冲宽度的规整方波，所述脉冲宽度随所述比较电压阈值的改变而改变；所述单稳态触发电路600包括74LS123芯片、电容、电阻，通过选用不同电容电阻用以改变延时时间，延时时间优选为1ms，并将比较器的输出信号整合成规则的脉冲信号。形成所述种子流的脉冲序列700，实现单粒种子对应输出单个脉冲，即实现种子流序列对应脉冲序列，最终实现种子流的数字化。在另一实施例中，所述一级放大电路200与所述二级放大电路300可用单级放大电路代替。
相较于现有光电检测装置，本发明的薄面激光中小粒径种子流传感装置，通过将激光发射器的点状光通过聚焦透镜和一字波浪镜处理后，形成的由扩散的线光源产生的薄面激光照射到硅光电池表面后，形成了长方形的光斑，光斑宽度仅为1mm，使种子通过光区的时间足够小，种子之间间隔大于1mm时均能准确检测，提高了检测的时间分辨率。改善了传统的光电检测中常用的红外二极管光源，种子通过检测光区的时间较长，当两粒或者多粒同时进入光区时，无法分辨出来而造成误检的问题；本设计不仅具有非接触式检测的优点，而且通过严格的几何学模型计算得到导种管内径大小及相对于薄面激光的具***置关系，以及激光发射器和硅光电池的相对位置，消除了检测盲区。本装置所用元器件成本较低，结构小巧，安装方便。本装置对粒径小于10mm的大中粒径种子同样能够准确检测。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但上述优选实施例并非用以限制本发明，本领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。
Claims (9)
1.一种薄面激光中小粒径种子流传感装置，与中小粒径排种器的投种口对接，其特征在于，包括：导种管、激光发射模组、光电接收器、信号采集***以及供电单元；
所述导种管包括同轴设置的上导种管与下导种管，所述下导种管的上端面与所述上导种管的下端面之间存在通光间隙；
所述激光发射模组与所述光电接收器对应所述通光间隙设置于所述导种管的两侧，所述激光发射模组轴线正交于所述光电接收器中心，所述光电接收器用以接收所述激光发射模组在所述通光间隙处形成的薄面激光；
所述激光发射模组包括激光发射器、聚焦透镜以及一字波浪镜，所述激光发射器用以发射点激光，并经由所述聚焦透镜及所述一字波浪镜后于所述通光间隙处产生光层厚度为0.5mm～3mm的所述薄面激光；
所述光电接收器与所述信号采集***电连接，所述信号采集***及所述激光发射模组与所述供电单元电连接；
其中，所述薄面激光具有预设厚度，所述上导种管的下管口内径沿导种管轴向方向的投影位于所能照射到光电接收器的所述薄面激光区域内，所述信号采集***用于采集种子流穿过所述薄面激光导致所述光电接收器感光量发生变化产生的电压信号扰动；所述信号采集***还用于产生与种子流序列相对应的脉冲序列信号，实现单粒种子对应输出单个脉冲；所述信号采集***还用于生成与种子流序列相对应的脉冲序列信号；实现单粒种子对应输出单个脉冲。
2.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述激光发射器在所述通光间隙的位置形成的所述薄面激光的扩散角范围在10°～160°之间。
3.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述下导种管的所述上端面与所述上导种管的所述下端面设置0.5mm～3mm的通光间隙。
4.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述光电接收器为硅光电池，且以所述硅光电池感光面最大长度处所在区域为受光区。
5.根据权利要求4所述的传感装置，其特征在于，所述激光发射器距离所述硅光电池表面的距离在6mm～60mm之间，所述薄面激光在所述硅光电池表面形成的光斑至少覆盖所述受光区。
6.根据权利要求5所述的传感装置，其特征在于，所述上导种管的下管口内径小于所能照射到所述受光区的薄面激光所能容纳的最大尺寸。
7.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述下导种管的上管口内径小于等于所述下导种管的下管口内径，所述下导种管的所述上管口内径大于所述上导种管的所述下管口外径。
8.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述传感装置还包括：入种口、出种口以及封装外壳；
所述入种口由所述上导种管的上管口延伸形成，所述出种口由所述下导种管的下管口延伸形成；所述入种口外径与所述投种口内径匹配对接；所述封装外壳用以保护内部结构，将所述内部结构封装为一体。
9.根据权利要求1所述的传感装置，其特征在于，所述信号采集***包括一级放大电路、二级放大电路、半波整流电路、电压比较电路、单稳态触发电路；
所述一级放大电路和所述二级放大电路由AD620芯片搭建而成，用于对种子遮挡部分光路后产生的光电信号进行放大，每一级放大倍数调节范围为10～200倍；
所述半波整流电路利用二极管的单向导电作用对所述二级放大电路输出的负向电压信号进行斩波；
所述电压比较电路包括LM393芯片、可变电阻，所述可变电阻用以调节比较电压阈值，将所述半波整流电路的输出信号转变成具有一定脉冲宽度的规整方波，所述脉冲宽度随所述比较电压阈值的改变而改变；
所述单稳态触发电路包括74LS123芯片、电容、电阻，通过选用不同电容、电阻用以改变延时时间，并将比较器的输出信号整合成为与种子流序列相对应的脉冲序列信号；实现单粒种子对应输出单个脉冲。
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