一种采棉机棉花质量流量检测装置及方法
【专利摘要】一种采棉机棉花质量流量检测装置及方法，该装置包括流量检测传感器、数据采集处理系统和数据输出装置，该数据采集处理系统分别与该流量检测传感器及该数据输出装置连接，该流量检测传感器为电容极板阵列传感器，包括检测电极、保护电极、屏蔽罩和绝缘层，该绝缘层包覆在该采棉机的输棉管管壁外侧，该检测电极包括多对分别固定在该绝缘层外侧的检测电极板，该保护电极包括多个保护电极板，该保护电极板分别固定在该多对检测电极板的每相邻两个检测电极板之间，该检测电极板与该保护电极板绝缘。该方法包括获得电压变化信号、获得棉花质量变化流量分量、获得棉花质量流量瞬态数值、获得棉花质量流量数值及输出棉花质量流量数值。
【专利说明】一种采棉机棉花质量流量检测装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种采棉机棉花流量计量方法及装置，特别是一种基于电容法的采棉机棉花质量流量的检测装置和方法。
【背景技术】
[0002]用于主要粮食作物收割机的产量传感器已有通用化产品，主要有冲击式、Y射线式和光电式容积式等流量传感器，用于John Deere、Case以及AGCO Massey Ferguson等联合收割机上。
[0003]棉花是我国主要经济作物，在我国农业生产和农民收入中占有举足轻重的作用。由于棉花密度小，在采棉机中全靠风力传送，输棉管为全封闭机构，要求管道畅通，无法在内部安装传感器，产量测量困难。
[0004]国外对棉花流量传感器的研究始于20世纪90年代，Wilkerson提出了一种基于透射光线密度变化的产量检测方法，但受田间环境光线影响，经改进提高了田间作业检测精度，Ruixiu Su1、J.A.Thomasson等人设计了光线反射式棉花产量传感器,光线收发器件同侧安装，单接口输出，通过对光照及环境温度的补偿，进一步提高了系统性能，但安装难度大，推广困难。Funk发现垂直气流输送管道中气流压差与棉花质量流量存在一定关系，J.Joseph利用微波原理获取信号的频域信息，经快速傅里叶变换得到流量信息。由于棉花含水率变化对微波信号影响大，该方法仍存在局限性。Carlos Luz借助于透射式超声波传感器研究了棉花质量与超声波能量衰减的关系，发现两者之间显著相关。但受环境温度和散射光线及器件表面覆土等影响，需要对传感器进行清理及标定，降低了系统的易用性。
[0005]国内对棉花流量传感器及检测系统的研究是在国外的基础上完成，现在引进的美国AgLeader公司的棉花产量传感器，试验中发现我国棉花种植农艺不同，导致光电传感器的发射探头容易被灰尘、棉絮及碎屑等覆盖，无法长时间工作。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是提供一种可直接安装在采棉机上对棉花产量在线检测的测量精度和可靠性高的采棉机棉花质量流量检测装置及方法。
[0007]为了实现上述目的，本发明提供了一种采棉机棉花质量流量检测装置，安装在采棉机上用于对棉花产量的在线检测，包括流量检测传感器、数据采集处理系统和数据输出装置，所述数据采集处理系统分别与所述流量检测传感器及所述数据输出装置连接，其中，所述流量检测传感器为电容极板阵列传感器，所述电容极板阵列传感器包括检测电极、保护电极、屏蔽罩和绝缘层，所述绝缘层包覆在所述采棉机的输棉管管壁外侧，所述检测电极包括多对检测电极板，每对检测电极板组成一组电容传感器，所述多对检测电极板分别固定在所述绝缘层外侧，所述保护电极包括多个保护电极板，所述保护电极板分别固定在所述多对检测电极板的每相邻两个检测电极板之间，所述检测电极板与所述保护电极板绝缘，所述屏蔽罩包覆在所述检测电极和所述保护电极外侧，所述保护电极与所述屏蔽罩的屏蔽外壳均接地。
[0008]上述的采棉机棉花质量流量检测装置，其中，所述多对检测电极板围绕所述输棉管的圆心中心对称分布，所述保护电极板沿所述输棉管的半径方向设置。
[0009]上述的采棉机棉花质量流量检测装置，其中，还包括水分检测传感器，所述水分检测传感器与所述数据采集系统连接。
[0010]上述的采棉机棉花质量流量检测装置，其中，所述数据采集处理系统为信号调理电路板，所述信号调理电路板包括电容/电压转换模块、数据采集控制模块、模拟/数字转换模块和通信接口，所述电容/电压转换模块将各组所述电容传感器的检测量转化为对应的电压变化信号，通过所述数据采集控制模块计算出拟合的棉花流量变化量并进行信号放大，所述模拟/数字转换模块将放大后的所述棉花流量变化量由模拟信号转换为数字信号并通过所述通信接口将处理过的数字信号输送到所述数据输出装置。
[0011]为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种采棉机棉花质量流量检测方法，用于棉花产量的在线检测，其中，包括如下步骤:
[0012]S 1、获得电压变化信号，测量电容极板阵列传感器的各组电容传感器的电容值变化量，通过电容/电压转换模块，将各对电容的变化量转化为对应的电压变化信号；
[0013]S2、获得棉花质量变化流量分量，测定每组电容传感器的棉花质量变化，并将所述电压变化信号转化为对应于每组电容传感器的棉花质量变化流量分量；
[0014]S3、获得棉花质量流量瞬态数值，对所述每组电容传感器的棉花质量变化流量分量进行叠加，得到棉花质量流量瞬态数值；
[0015]S4、获得棉花质量流量数值，计算采棉机输棉管道内棉花的平均速度，根据物料质量一电容函数关系得到传感器内棉花的瞬态质量，结合棉花流动速度，积分运算得到棉花质量流量数值；
[0016]S5、输出棉花质量流量数值，将得到的所述棉花质量流量数值输送到数据输出装置。
[0017]上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，在步骤S4中，包括:
[0018]分别检测安装在所述输棉管道轴向分布的两对电容传感器的数值，用互相关法测量上位所述电容传感器和下位所述电容传感器的测量信号的间隔时间，进而根据上下位所述电容传感器的中心间距计算管道内棉花平均速度。
[0019]上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，在步骤S5之前，还包括:
[0020]S50、数据放大和处理，将所述棉花质量流量数值进行信号放大和滤波处理，并将放大后的所述棉花质量流量由模拟信号转换为数字信号。
[0021]上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，所述互相关法的计算公式如下:
[0022]/U々) =士 t(胃厂“)
[0023]式中，Rxy为互相关函数的最大值，
[0024]k = 1,2,......，N, N为用于互相关计算的采样点数，
[0025]C1, C2为两组沿输棉管道轴向分布的电容传感器，
[0026]i为第i对检测电极板。
[0027]上述的采棉机棉花质量流量检测方法，其中，所述棉花质量流量的计算公式如下:
[0028]
【权利要求】
1.一种采棉机棉花质量流量检测装置，安装在采棉机上用于对棉花产量的在线检测，包括流量检测传感器、数据采集处理系统和数据输出装置，所述数据采集处理系统分别与所述流量检测传感器及所述数据输出装置连接，其特征在于，所述流量检测传感器为电容极板阵列传感器，所述电容极板阵列传感器包括检测电极、保护电极、屏蔽罩和绝缘层，所述绝缘层包覆在所述采棉机的输棉管管壁外侧，所述检测电极包括多对检测电极板，每对检测电极板组成一组电容传感器，所述多对检测电极板分别固定在所述绝缘层外侧，所述保护电极包括多个保护电极板，所述保护电极板分别固定在所述多对检测电极板的每相邻两个检测电极板之间，所述检测电极板与所述保护电极板绝缘，所述屏蔽罩包覆在所述检测电极和所述保护电极外侧，所述保护电极与所述屏蔽罩的屏蔽外壳均接地。
2.如权利要求1所述的采棉机棉花质量流量检测装置，其特征在于，所述多对检测电极板围绕所述输棉管的圆心中心对称分布，所述保护电极板沿所述输棉管的半径方向设置。
3.如权利要求2所述的采棉机棉花质量流量检测装置，其特征在于，还包括水分检测传感器，所述水分检测传感器与所述数据采集系统连接。
4.如权利要求1、2或3所述的采棉机棉花质量流量检测装置，其特征在于，所述数据采集处理系统为信号调理电路板，所述信号调理电路板包括电容/电压转换模块、数据采集控制模块、模拟/数字转换模块和通信接口，所述电容/电压转换模块将各组所述电容传感器的检测量转化为对应的电压变化信号，通过所述数据采集控制模块计算出拟合的棉花流量变化量并进行信号放大，所述模拟/数字转换模块将放大后的所述棉花流量变化量由模拟信号转换为数字信号并通过所述通信接口将处理过的数字信号输送到所述数据输出装置。
5.一种采棉机棉花质量流量检测方法，用于棉花产量的在线检测，其特征在于，包括如下步骤:· 51、获得电压变化信号，测量电容极板阵列传感器的各组电容传感器的电容值变化量，通过电容/电压转换模块，将各对电容的变化量转化为对应的电压变化信号； 52、获得棉花质量变化流量分量，测定每组电容传感器的棉花质量变化，并将所述电压变化信号转化为对应于每组电容传感器的棉花质量变化流量分量； 53、获得棉花质量流量瞬态数值，对所述每组电容传感器的棉花质量变化流量分量进行叠加，得到棉花质量流量瞬态数值； 54、获得棉花质量流量数值，计算采棉机输棉管道内棉花的平均速度，根据物料质量一电容函数关系得到传感器内棉花的瞬态质量，结合棉花流动速度，积分运算得到棉花质量流量数值； 55、输出棉花质量流量数值，将得到的所述棉花质量流量数值输送到数据输出装置。
6.如权利要求5所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，在步骤S4中，包括: 分别检测安装在所述输棉管道轴向分布的两对电容传感器的数值，用互相关法测量上位所述电容传感器和下位所述电容传感器的测量信号的间隔时间，进而根据上下位所述电容传感器的中心间距计算管道内棉花平均速度。
7.如权利要求5或6所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，在步骤S5之前，还包括: S50、数据放大和处理，将所述棉花质量流量数值进行信号放大和滤波处理，并将放大后的所述棉花质量流量由模拟信号转换为数字信号。
8.如权利要求6所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，所述互相关法的计算公式如下:
9.如权利要求8所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，所述棉花质量流量的计算公式如下:
10.如权利要求9所述的采棉机棉花质量流量检测方法，其特征在于，
【文档编号】G01F1/86GK103542903SQ201210242092
【公开日】2014年1月29日 申请日期:2012年7月12日 优先权日:2012年7月12日
【发明者】李树君, 苑严伟, 周利明, 张俊宁, 董鑫 申请人:中国农业机械化科学研究院