专利名称：谷物联合收割机清选损失检测方法与装置的制作方法
技术领域：
本发明属于谷物联合收割机损失监测技术领域，具体涉及一种谷物联合收割机清 选损失实时监测方法与装置。
背景技术：
目前联合收割机清选装置主要采用的是风筛式结构形式，它主要是由风机和振动 清选筛组成。联合收割机滚筒脱出混合物在风机产生的气流和清选筛的振动作用下实现 籽粒和杂余的分离，其中籽粒透筛进入粮箱，杂余通过清选筛尾部排出，但是总会有少量的 籽粒夹杂在杂余中，并从清选筛尾部排出造成清选损失。清选损失是联合收割机田间作业 的主要损失之一，清选损失率则是衡量联合收割机作业性能的主要性能指标。目前，联合收 割机清选损失的检测通常还是采用人工方法，即将清选筛尾部的排出物(包括籽粒、茎秆、 轻杂余等)收集起来进行人工清选分离，得到损失的籽粒量。这种方法工作量大，工作强度 高，耗费时间长，不能实现清选损失的实时监测。联合收割机田间作业时，主要还依赖操作 人员的经验，根据田间作物的长势情况，对联合收割机工作参数进行主观调整，很难保证作 业性能和质量，可见，清选损失的实时监测已成为联合收割机发展亟待解决的难题，迄今为 止，我国尚未见性能稳定的清选损失实时监测的方法与装置的报道。
发明内容
本发明是为了解决联合收割机田间正常作业时清选损失准确实时监测的难题，可 以为操作人员提供联合收割机实时清选损失情况，以保证作业质量，提高作业效率，并可以 为联合收割机自动控制系统提供清选损失监测信号。为了达到上述目的，本发明采用的技 术方案是在联合收割机清选筛尾部安装敏感元件，敏感元件监测落在敏感元件区域内的 籽粒和杂余信号，将籽粒和杂余信号传输到信号调制电路，信号调制电路区分出籽粒信号， 将籽粒信号传输到二次仪表，二次仪表实时采集传感器监测的籽粒信号、籽粒流量以及联 合收割机清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度等参数信息，根据监测区域内的籽粒 量与清选损失量之间的数学模型计算得到联合收割机田间正常作业时的实时清选损失量 和清选损失率。上述方法具体是在联合收割机振动筛尾部安装支架一和支架二，监测传感器的 敏感元件固定安装在支架二上，并且在敏感元件与支架二之间加装柔性减震阻尼片，当清 选筛尾部排出的籽粒和杂余冲击到敏感元件上时，产生电荷信号，传感器通过信号调制电 路将籽粒从杂余中区分出来，并输出标准方波信号给二次仪表，二次仪表以单片机为核心， 通过高速计数器计算传感器输出的方波信号个数得到冲击到传感器上的籽粒数量，二次仪 表能够实时采集籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度等参数，根据建立 的监测区域内籽粒量与清选损失量的数学模型，计算联合收割机田间正常作业时的实时清 选损失量和清选损失率，计算结果可以通过二次仪表显示和通讯输出。所述的敏感元件监测区域内籽粒量与清选损失量的数学模型是在风筛式清选装置试验台上通过台架试验建立，在不同作物喂入量、风机转速、出风口角度、清选筛振动频 率、振幅等参数条件下，将清选筛尾部排出的籽粒和杂余下落区间分为矩形网格化小区域， 收集各个小区域内的籽粒和杂余，人工清选出各个小区域内包含的籽粒，得到籽粒在清选 筛尾部排出的分布规律，建立敏感元件监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学模 型，试验台架采用与相应联合收割机清选装置相同结构参数。本发明的装置包括螺栓一、螺栓二、支架一、敏感元件、柔性减震阻尼片、信号调制 电路、二次仪表；支架一通过螺栓一固定在清选筛的尾端，支架二通过螺栓二与支架一固定 连接，敏感元件设于支架二上，敏感元件数量为2-4块，敏感元件与支架二之间加装柔性减 震阻尼片，螺栓二通过调节支架一与支架二之间的位置调节敏感元件与清选筛的轴向位置 和安装角度，敏感元件与信号调制电路、二次仪表依次连接。所述的敏感元件与清选筛之间的轴向位置调节范围100-400mm和安装角度调节 范围0-60°，以保证收获水稻、小麦、油菜等不同作物时，敏感元件能够有效监测到清选筛 尾部的籽粒信号。所述的敏感元件可采用PVDF压电薄膜、压电陶瓷等材料等压电类材料，敏感元件 在支架二上的安装数量可以为2-4块，每块的长宽尺寸在100 - 300mm，每片敏感元件(10) 由4-M片矩形PVDF压电薄膜阵列式排布构成，PVDF压电薄膜厚度30-100 μ m,当敏感元件 受到机架振动影响以及清选筛尾部分离出的籽粒和其他杂余的冲击后将产生电荷信号。所述的柔性减震阻尼片可以是低密度海绵或橡胶等减震材料，主要用于将清选筛 引起的敏感元件刚性冲击变为柔性冲击，以减小振动干扰信号。所述的传感器信号调制电路依次由电荷放大器、鉴频器、绝对值峰值检波放大 器、包络线检波器、电压比较器和整波电路等组成。电荷放大器由于敏感元件输出的是电荷信号，不能直接进行测量，需要通过电荷 放大器将其转换为电压信号。鉴频器敏感元件的振动和籽粒冲击产生的信号频率不同，通过鉴频器可以减小 振动的影响。根据联合收割机工作参数和收获作物的不同，鉴频器的阈值频率可以调节。绝对值峰值检波放大器籽粒冲击到敏感元件上具有随机性，冲击角度、速度以及 位置的不同，产生电压信号的峰值可能为正值，也可能为负值，通过绝对值峰值检波放大器 可以获取籽粒冲击信号的绝对峰值，以提高监测精度。包络线检波器敏感元件通常为弹性体，受到冲击后会产生谐振，通过包络线检波 器可以得到一次冲击振动信号的包络线，消除谐振波信号的干扰。电压比较器由于籽粒的密度和硬度通常大于其他杂余，其冲击到敏感元件上产 生的电压信号的峰值也较大，针对不同作物籽粒冲击信号的特点，设定合适的电压比较器 阈值，可以将籽粒冲击信号和和其他杂余冲击信号有效区分，提高籽粒计数准确性。整波电路将电压比较器输出信号调整为幅值和宽度一致的方波电压信号，并输 出给二次仪表，根据收获作物要求的不同，方波的幅值和宽度可调。所述的二次仪表主要实现方波信号计数、联合收割机工作参数采集和检测数学模 型运算，能够实时显示清选损失总量和清选损失率计算结果，并能够将计算结果以通讯形 式输出°实时采集的联合收割机工作参数包括籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割
4机前进速度、风机转速、出风口角度等参数，并根据联合收割机的割幅、作物的产量等信息 计算联合收割机的谷物喂入速度，为建立清选损失数学模型提供参数。二次仪表通过高速 计数器记录传感器输出的方波个数，并根据所建立的数学模型计算清选损失总量和实时清 选损失率。计算结果的输出可以是RS232、485或其它总线形式。本发明取得的效果本发明以传感器技术与计算机技术为基础，以科学的数学模 型为指导，实现了清选损失总量和清选损失率的实时监测，改变了传统人工测试清选损失 的方法，节约了人力、物力，实现了清选损失监测实时性，提高了测量精度。本发明可以为操 作人员提供联合收割机工作过程中实时夹带损失的状况，为联合收割机工作参数的调整提 供依据，可以为联合收割机工作参数的自动调控系统提供清选损失信号，以提高作业性能 和工作效率。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是敏感元件在清选筛尾部安装位置的结构示意主视图。图2是敏感元件在清选筛尾部安装位置的结构示意俯视图。图3是传感器信号调制电路原理图。图4是二次仪表工作原理图。图中1抖动板2风机3吊杆一 4清选筛5吊杆二 6螺栓一 7螺栓二 8支架一 9螺栓三10敏感元件11柔性减震阻尼片12支架二 13信号调制电路14 二次仪表。
具体实施例方式
结合图1、2。支架一 8通过螺栓一 6固定安装在清选筛4的尾部出草口下方，支架一 8 和支架二 12通过螺栓二 7固定连接，敏感元件10通过螺栓三9固定在支架二 12上，敏感 元件10与支架二 13之间加装柔性减震阻尼片11。柔性减震阻尼片11可以选用低密度海绵或橡胶等减震材料，主要用于将清选筛4 引起的敏感元件10刚性冲击变为柔性冲击，以减小振动干扰信号。改变螺栓二 7在支架一 8和支架二 12上的安装位置，可以调节敏感元件10与清 选筛4的轴向位置和安装角度，轴向位置调节范围100-400mm和安装角度调节范围0-60°， 安装在支架二 12上的敏感元件10数量可以为2-4片，相互之间的径向位置可以自由调节。敏感元件10形状为矩形，长度和宽度在100-300mm ；每片敏感元件10由片 矩形PVDF压电薄膜阵列式排布构成，PVDF压电薄膜厚度30-100 μ m。结合图4，传感器信号调制电路由电荷放大器、鉴频器、绝对值峰值检波放大器、包 络线检波器、电压比较器和整波电路依次串联组成，将籽粒冲击敏感元件产生的电荷信号 转换为标准方波电压信号。每片敏感元件10设计独立的信号调制电路。结合图5，二次仪表以单片机为核心，通过高速计数器对传感器信号调制电路输出 的标准方波电压信号进行计数，得到传感器监测的籽粒数，实时监测籽粒流量、清选筛振动 频率、振幅、联合收割机前进速度等参数，根据联合收割机的割幅、作物的产量等信息计算 联合收割机的谷物喂入速度，并考虑风机转速和出风口角度对清选损失检测模型的影响， 计算得到清选损失总量和实时清选损失率，并能够显示和通讯输出。下面结合实例做进一步的阐述清选筛4通过吊杆一 3和吊杆二 5悬挂在机架上作往复式振动，支架一 8、支架二 12 以及敏感元件10随之作同频率振动，风机2安装在清选筛4的前下方，工作过程中，抖动板 1将联合收割机滚筒脱出混合物输送到清选筛4上，在风机2产生的气流和清选筛4的振动 作用下实现籽粒和杂余的分离，其中籽粒透筛进入粮箱，杂余通过清选筛4尾部排出，少量 籽粒夹杂在杂余中从清选筛4尾端排出造成清选损失。当从清选筛4尾部排出的籽粒和杂余冲击敏感元件10的表面时，敏感元件10产 生压电信号，通过电荷放大器将其转换为电压信号，根据籽粒、杂余的冲击信号和联合收割 机振动信号频率的不同，设定鉴频器参数，消除振动影响，通过绝对值峰值检波放大器和包 络线检波器得到一次籽粒冲击振动信号的包络线，消除谐振波信号的干扰。由于籽粒的密 度和硬度通常大于其他杂余，其冲击到敏感元件上产生的电压信号的峰值也较大，通过设 定合适的电压比较器阈值，可以将籽粒冲击信号和和其他杂余冲击信号有效区分，最后通 过整波电路调整输出信号的幅值和宽度，从而实现籽粒冲击一次，传感器信号调制电路13 输出一个标准方波电压。通过清选台架试验，在不同作物喂入量、风机转速、出风口角度、清选筛振动频率、 振幅等参数条件下，将清选筛4尾部排出的籽粒和杂余下落区间分为矩形网格化小区域， 收集各个小区域内的籽粒和杂余，人工清选出各个小区域内包含的籽粒，得到籽粒在清选 筛4尾部排出的分布规律，建立敏感元件10监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学 模型，并将其输入二次仪表14的单片机中，工作过程中，二次仪表14实时监测籽粒流量、清 选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度等参数，并根据建立的数学模型计算清选损失总 量和实时清选损失率，结果可以实时显示，也可以通讯输出。联合收割机田间作业时，清选损失实时测量相对误差小于5%。
权利要求
1.一种谷物联合收割机谷物清选损失检测方法，其特征在于，在联合收割机清选筛 (4)尾部安装敏感元件(10)，敏感元件(10)监测落在敏感元件(10)区域内的籽粒和杂余信 号，将籽粒和杂余信号传输到信号调制电路(13)，信号调制电路(13)区分出籽粒信号，将 籽粒信号传输到二次仪表(14)，二次仪表(14)实时采集传感器监测的籽粒信号、籽粒流量 以及联合收割机工作参数信息，根据监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学模型计 算得到联合收割机田间正常作业时的实时清选损失量和清选损失率。
2.根据权利要求1所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测方法，其特征在于，所述 敏感元件(10)监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学模型为在风筛式清选装置试 验台上通过台架试验建立，台架的主要结构参数与相应联合收割机清选装置相同；将清选 筛(4)尾部排出的籽粒和杂余下落区间分为矩形网格化小区域，收集各个小区域内的籽粒 和杂余，人工清选出各个小区域内包含的籽粒，得到籽粒在清选筛(4)尾部排出的分布规 律，建立敏感元件(10)监测区域内的籽粒量与清选损失量之间的数学模型，模型引入作物 喂入量、风机转速、出风口角度、清选筛振动频率、振幅等工作参数的影响。
3.实施权利要求1所述谷物联合收割机谷物清选损失检测方法的装置，其特征在于， 包括螺栓一(6)、螺栓二(7)、支架一(8)、敏感元件(10)、柔性减震阻尼片(11)、信号调制电 路(13)、二次仪表(14)；支架一(8)通过螺栓一(6)固定在清选筛(4)的尾端，支架二(12) 通过螺栓二(7)与支架一(8)固定连接，敏感元件(10)设于支架二(12)上，敏感元件(10) 数量为2-4块，敏感元件(10)与支架二(12)之间加装柔性减震阻尼片(11)，螺栓二(7)通 过调节支架一(8)与支架二(12)之间的位置调节敏感元件(10)与清选筛(4)的轴向位置 和安装角度，敏感元件(10)与信号调制电路(13)、二次仪表(14)依次连接。
4.根据权利要求3所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述 敏感元件(10)形状为矩形，长度和宽度在100-300mm ；每片敏感元件(10)由4- 片矩形 PVDF压电薄膜阵列式排布构成，PVDF压电薄膜厚度30-100 μ m。
5.根据权利要求3所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述 敏感元件(10)形状为矩形，长度和宽度在100-300mm ；每片敏感元件(10)由4- 片矩形 压电陶瓷阵列式排布构成。
6.根据权利要求3所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述 调节敏感元件(10)的轴向位置调节范围100-600mm和安装角度调节范围0-60°。
7.根据权利要求3所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述 信号调制电路(13)依次由电荷放大器、鉴频器、绝对值峰值检波放大器、包络线检波器、电 压比较器和整波电路串联组成，敏感元件(10)监测到一次籽粒冲击，信号调制电路(13)输 出一个标准方波电压信号。
8.根据权利要求3所述的谷物联合收割机谷物清选损失检测装置，其特征在于，所述 二次仪表(14)以单片机为核心，通过高速计数器记录信号调制电路(13)输出的标准方波 电压信号，并实时监测籽粒流量、清选筛振动频率、振幅、联合收割机前进速度参数，根据清 选损失检测数学模型，实时计算得到清选损失总量和清选损失率，计算结果通过二次仪表 (14)显示和通讯输出。
全文摘要
本发明为一种谷物联合收割机清选损失实时监测方法与装置，属于谷物联合收割机损失监测技术领域，主要用于联合收割机收获小麦、水稻、油菜等谷物时清选损失的测量。本发明在联合收割机振动清选筛尾部安装压电敏感元件，用来采集监测区域内清选筛尾部排出混合物的冲击信号，通过传感器信号调制电路将清选损失籽粒从其他杂余中识别出来，并以标准方波电压信号输出。二次仪表实时采集信号参数，根据事先建立的监测区域内籽粒量与清选损失籽粒量的关系模型进行运算，得出联合收割机田间正常作业时的清选损失量和清选损失率。本发明实现了清选损失的实时监测，提高了测量精度，可以为联合收割机自动控制系统提供清选损失信号。
文档编号A01D41/127GK102090207SQ201010603079
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月24日 优先权日2010年12月24日
发明者李耀明, 赵湛, 陈义, 陈进 申请人:江苏大学