CN110987093B - 一种谷物流量检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种谷物流量检测装置及检测方法，属于谷物流量检测技术领域，包括净粮升运器、冲击板、刚体梁、二维力传感器、第一微型倾角传感器、微型加速度传感器、信号处理模块、外壳和连接支架；净粮升运器用于提升谷物至设定高度后抛出，冲击板固定在刚体梁上且位于谷物抛出路径上，外壳固定于连接支架，外壳外部固定有二维力传感器、内部设置有信号处理模块，二维力传感器本体上贴有应力片；连接支架固定于净粮升运器顶部，第一微型倾角传感器和微型加速度传感器固定于连接支架；第一微型角度传感器、微型加速度传感器以及应力片的输出均连接信号处理模块的输入接口。本发明提高了谷物流量检测的准确性。

Description

一种谷物流量检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及谷物流量检测技术领域，特别涉及一种谷物流量检测装置及检测方法。

背景技术

精准农业是根据作物生长的土壤养分情况，调节对作物的投入，依据作物生长目标，调动土壤生产力，以最少的或最节省的投入达到同等收入或更高的收入，并改善环境，高效利用各类农业资源。对于农田土壤肥力而言，可以通过作物产量反演，因而联合收割机上配有测产***十分有必要。

测产***中的核心部件是谷物流量检测装置。目前，谷物流量检测方式主要有光电容积式、辐射式和冲量式。相比较而言，光电式探头易受污染，辐射式对人体有伤害，冲量式结构简单且安装方便，是应用最广泛的一类。但是由于受联合收割机振动、流量变化和田间的坡度等因素的影响，冲量式检测装置测量误差大。

其中，中国专利公开号为CN101995284B的发明专利提出了一种冲量式谷物质量流量传感器标定与试验装置，其采用一维力方式测量冲击力，并结合了振动传感器、倾角传感器对测定结果进行校正，但由于是一维方向测定且倾角也只考虑了一维校正，对谷物质量流量的检测精度有限。中国专利公开号为CN103125204A的发明专利提出了一种联合收割机的谷物质量测量装置与测量方法，其采用多维力方式对冲击力进行测量，但该装置中多维力的标定较复杂，在实际应用中受到限制。另外该装置没有考虑联合收割机作业时振动、倾斜对测量的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，以提高谷物流量测量准确性。

为实现以上目的，本发明采用一种谷物流量检测装置，包括：净粮升运器、冲击板、刚体梁、二维力传感器、第一微型倾角传感器、微型加速度传感器、信号处理模块、外壳和连接支架；

净粮升运器用于提升谷物至设定高度后抛出，冲击板固定在刚体梁上且位于谷物抛出路径上，外壳固定于连接支架，外壳外部固定有二维力传感器、内部设置有信号处理模块；二维力传感器本体上贴有应力片，用于测量谷物冲击产生的垂直冲击力和竖直方向谷物自身重力；连接支架固定于净粮升运器顶部，第一微型倾角传感器和微型加速度传感器固定于连接支架；第一微型倾角传感器、微型加速度传感器以及应力片的输出均连接信号处理模块的输入接口。

进一步地，所述连接支架上还固定有第二微型倾角传感器，所述第一微型倾角传感器和第二微型倾角传感器分别用于测量联合收割机作业时前后和左右方向角度变化。

进一步地，所述第一微型倾角传感器和第二微型倾角传感器均为动态倾角传感器。

进一步地，所述二维力传感器为八角环形，在八角环形左右竖直边内外各贴有所述应力片。

进一步地，所述信号处理模块包括全惠斯通电桥电路、DSP芯片、输入和输出接口，所述二维力传感器的输出与全惠斯通电桥电路输入连接，全惠斯通电桥电路的输出与DSP芯片连接，第一微型倾角传感器、第二微型倾角传感器和微型加速度传感器的输出经输入接口与DSP芯片的输入连接，输出接口用于输出校正后的谷物流量值。

进一步地，所述冲击板由超高分子聚合物板和钢板组成。

第二方面，采用一种联合收割机，包括如上所述的谷物流量检测装置。

第三方面，采用一种谷物流量检测方法，包括如下步骤：

利用净粮升运器将谷物提升至设定高度抛出冲击在冲击板上以使冲击板发生形变；

经冲击板形变产生的力经刚体梁传递至二维力传感器，并由二维力传感器将测量谷物冲击产生的垂直冲击力和竖直方向谷物自身重力发送至信号处理模块，得到谷物流量测量结果；

信号处理模块利用第一微型倾角传感器测量的联合收割机作业的角度信号和微型加速度传感器测量的联合收割机作业的加速度信号，对谷物流量测量结果进行校正，得到校正后的谷物流量值。

进一步地，还包括：

所述信号处理模块利用第一微型倾角传感器和第二微型倾角传感器测量的联合收割机作业时前后和左右方向角度变化，以及微型加速度传感器测量的联合收割机作业的加速度信号，对所述谷物流量测量结果进行校正，得到校正后的谷物流量值。

与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：本发明通过采用二维力传感器测量由冲击板的形变产生的冲击力，冲击力测量更加准确，从而使得根据冲击力计算得到的谷物流量值更加准确。另外，本方案中对联测收割机作业时振动产生的加速度和作业时的二维角度信息进行采集，并利用加速度和角度对谷物流量值进行振动、角度校正，进一步提高了谷物流量测量的准确性。

附图说明

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

图1是一种谷物流量检测装置的结构示意图；

图2是二维力传感器及其外部部件结构示意图；

图3是二维力传感器的结构示意图；

图4是谷物流量检测方法的流程示意图。

图中：

10-净粮升运器；20-冲击板；30-刚体梁；40-二维力传感器；50-第一微型倾角传感器；60-第二微型倾角传感器；70-微型加速度传感器；80-信号处理模块；90-外壳；100-连接支架；21-超高分子聚合物板；22-45号钢板；81-全惠斯通电桥电路；82-DSP芯片；83-输入接口；84-输出接口；81-1-第一全惠斯通电桥电路；81-2-第二全惠斯通电桥电路。

具体实施方式

为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

如图1-图3所示，本实施例公开了一种谷物流量检测装置，包括：净粮升运器10、冲击板20、刚体梁30、二维力传感器40、第一微型倾角传感器50、微型加速度传感器70、信号处理模块80、外壳90和连接支架100；

净粮升运器10用于提升谷物至设定高度后抛出，冲击板20固定在刚体梁30上且位于谷物抛出路径上，外壳90固定于连接支架100，外壳90外部固定有二维力传感器40、内部设置有信号处理模块80，二维力传感器40本体上贴有应力片，用于测量谷物冲击产生的垂直冲击力和竖直方向谷物自身重力；连接支架100固定于净粮升运器10顶部，第一微型倾角传感器50和微型加速度传感器70固定于连接支架100；第一微型倾角传感器50、微型加速度传感器70以及应力片的输出均连接信号处理模块80的输入接口。

需要说明的是，这里的第一微型倾角传感器50测量的是联合收割机作业时前后方向的角度变化。其中，刚体梁30和二维力传感器40之间通过螺丝固定。

具体来说，冲击板20由超高分子聚合物板21和45号钢板22组合而成。冲击板20大小为长11.5cm，宽11.1cm，厚5cm。刚体梁30为45号钢，宽度与冲击板20宽度一样。

具体来说，所述二维力传感器40为八角环形，在八角环形左右竖直边内外各贴有所述应力片，用于测量八角环形变。净粮升运器将谷物提升到一定高度，并且以一定的速度抛出后打击到冲击板20上，使得冲击板20发生形变，此时二维力传感器40测量到冲击力，并传输至信号处理模块80，由信号处理模块80计算出谷物流量值。

具体来说，第一微型倾角传感器50用于测量联合收割机作业时角度变化，微型加速度传感器70用于测量联合收割机作业时振动产生的加速度，信号处理模块80用于获取角度信号和加速度信号对计算出的谷物流量值进行校正。

进一步地，本实施例中连接支架上还固定有第二微型倾角传感器60，所述第一微型倾角传感器50和第二微型倾角传感器60分别用于测量联合收割机作业时前后和左右方向角度变化。

进一步地，本实施例中的第一微型倾角传感器50和第二微型倾角传感器60均为动态倾角传感器。

进一步地，如图2所示，所述信号处理模块80包括全惠斯通电桥电路81、DSP芯片82、输入接口83和输出接口84，所述二维力传感器40的输出与全惠斯通电桥电路81输入连接，全惠斯通电桥电路81的输出与DSP芯片82连接，第一微型倾角传感器50、第二微型倾角传感器60和微型加速度传感器70的输出经输入接口83与DSP芯片82的输入连接，输出接口84用于输出校正后的谷物流量值。

需要说明的是，本实施例中的全惠斯通电桥电路81包括第一全惠斯通电桥电路81-1和第二全惠斯通电桥电路81-2，以分别测量二维方向的力。

进一步地，本实施例还公开了一种联合收割机，该联合收割机安装有上述谷物流量检测装置，用于对收割的谷物的流量进行检测。

如图4所示，本实施例还公开了一种谷物流量检测方法，包括如下步骤S1-S3：

S1、利用净粮升运器将谷物提升至设定高度抛出冲击在冲击板上以使冲击板发生形变；

S2、经冲击板形变产生的力经刚体梁传递至二维力传感器，并由二维力传感器发送至信号处理模块，得到谷物流量测量结果；

S3、信号处理模块利用第一微型倾角传感器测量的联合收割机作业的角度信号和微型加速度传感器测量的联合收割机作业的加速度信号，对谷物流量测量结果进行校正，得到校正后的谷物流量值。

进一步地，在设置两个微型倾角传感器分别用于测量联合收割机作业时前后和左右方向角度变化时，所述信号处理模块还利用第一微型倾角传感器和第二微型倾角传感器测量的联合收割机作业时前后和左右方向角度变化，以及微型加速度传感器测量的联合收割机作业的加速度信号，对所述谷物流量测量结果进行校正，得到校正后的谷物流量值。

需要说明的是，本实施例通过利用两个微型倾角传感器分别测量前后和左右方向的角度变化，进而进行角度校正；另外，利用一个微型加速度传感器对振动进行测量，校正振动对谷物流量影响。对二维方向角度和振动进行校正，提高了谷物流量测量准确性。

需要说明的是，在上述步骤S2中，信号处理模块对二维力传感器发送的信号进行处理的过程具体为：

采用2个全惠斯通电桥电路分别测量2个方向的力，其中，R₁～R₄用于测量F_x；R₅～R₈用于测量F_y：

F_x＝α₁(R₁-R₂+R₃-R₄)

F_y＝α₂(R₅-R₆+R₇-R₈)

其中，F_x为水平方向力，F_y为垂直方向力，即为谷物冲击力；α₁、α₂分别为F_x、F_y的输出系数；α₁、α₂可以在静态情况下，给定已知力，标定获得。

根据冲量定理，有：

F_y(t)Δ(t)＝Δm(t)Δν

式中：Δm为冲击作用时间内的谷物质量，Δt为冲击作用时间，Δν为冲击前后谷物速度变化量，q为谷物质量流量。

在一定时间间隔内，冲击力的平均值F_a可以表示为：

其中，Q为一定时间间隔(t₁-t₂)内谷物的平均质量流量。

特别需要说明的是，时间间隔很重要，若时间间隔太短容易受到噪声干扰，太长则产量分布的空间分辨率下降。因此，时间间隔一般选为冲击周期的整数倍。

进一步地，信号处理模块利用联合收割机作业的角度信号和联合收割机作业的加速度信号，对谷物流量测量结果进行校正的过程具体如下：

考虑联合收割机作业过程中存在振动和倾斜，需要对这两个因素进行校正，F_a可表示为：

其中，a、θ₁、θ₂分别为加速度、第一倾斜角、第二倾斜角，k₁、k₂、k₃分别为加速度、第一倾斜角、第二倾斜角校正系数。加速度、第一倾斜角、第二倾斜角校正系数可通过校正实验获得，F_y(t)为t时刻作用于冲击板上的垂直方向的力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种谷物流量检测装置，其特征在于，包括：净粮升运器、冲击板、刚体梁、二维力传感器、第一微型倾角传感器、微型加速度传感器、信号处理模块、外壳和连接支架；

净粮升运器用于提升谷物至设定高度后抛出，冲击板固定在刚体梁上且位于谷物抛出路径上，外壳固定于连接支架，外壳外部固定有二维力传感器、内部设置有信号处理模块；二维力传感器本体上贴有应力片，用于测量谷物冲击产生的垂直冲击力和竖直方向谷物自身重力；连接支架固定于净粮升运器顶部，第一微型倾角传感器和微型加速度传感器固定于连接支架；第一微型倾角传感器、微型加速度传感器以及应力片的输出均连接信号处理模块的输入接口；

所述连接支架上还固定有第二微型倾角传感器，所述第一微型倾角传感器和第二微型倾角传感器分别用于测量联合收割机作业时前后和左右方向角度变化；

其中，信号处理模块利用第一微型倾角传感器测量的联合收割机作业的前后角度信号、第二微型倾角传感器测量的联合收割机作业的左右角度信号以及微型加速度传感器测量的联合收割机作业的加速度信号，对谷物流量测量结果进行校正，得到校正后的谷物流量值，具体为：

其中，a、θ₁、θ₂分别为加速度、第一倾斜角、第二倾斜角，k₁、k₂、k₃分别为加速度、第一倾斜角、第二倾斜角校正系数，Q为一定时间间隔(t₁-t₂)内谷物的平均流量，F_a为一定时间间隔内冲击力的平均值，F_y(t)为t时刻作用于冲击板上的垂直方向的力。

2.如权利要求1所述的谷物流量检测装置，其特征在于，所述第一微型倾角传感器和第二微型倾角传感器均为动态倾角传感器。

3.如权利要求1所述的谷物流量检测装置，其特征在于，所述二维力传感器为八角环形，在八角环形左右竖直边内外各贴有所述应力片。

4.如权利要求1所述的谷物流量检测装置，其特征在于，所述信号处理模块包括全惠斯通电桥电路、DSP芯片、输入和输出接口，所述二维力传感器的输出与全惠斯通电桥电路输入连接，全惠斯通电桥电路的输出与DSP芯片连接，第一微型倾角传感器、第二微型倾角传感器和微型加速度传感器的输出经输入接口与DSP芯片的输入连接，输出接口用于输出校正后的谷物流量值。

5.如权利要求1所述的谷物流量检测装置，其特征在于，所述冲击板由超高分子聚合物板和钢板组成。

6.一种联合收割机，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的谷物流量检测装置。

7.一种谷物流量检测方法，其特征在于，包括：

利用净粮升运器将谷物提升至设定高度抛出冲击在冲击板上以使冲击板发生形变；

经冲击板形变产生的力经刚体梁传递至二维力传感器，并由二维力传感器将测量谷物冲击产生的垂直冲击力和竖直方向谷物自身重力发送至信号处理模块，得到谷物流量测量结果；

信号处理模块利用第一微型倾角传感器测量的联合收割机作业的前后角度信号、第二微型倾角传感器测量的联合收割机作业的左右角度信号以及微型加速度传感器测量的联合收割机作业的加速度信号，对谷物流量测量结果进行校正，得到校正后的谷物流量值，具体为：

其中，a、θ₁、θ₂分别为加速度、第一倾斜角、第二倾斜角，k₁、k₂、k₃分别为加速度、第一倾斜角、第二倾斜角校正系数，Q为一定时间间隔(t₁-t₂)内谷物的平均流量，F_a为一定时间间隔内冲击力的平均值，F_y(t)为t时刻作用于冲击板上的垂直方向的力。

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