专利名称：列阵浮筏结构谷物损失监测传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于联合收割机谷物损失测量技术领域，具体涉及一种列阵浮筏结构谷物损失监测传感器。
背景技术：
联合收割机田间作业时不可避免会产生谷物损失，主要形式为清选损失和夹带损失，损失量的大小是衡量联合收割机作业性能的主要性能指标，也是联合收割机工作参数调整的重要依据。近年来，谷物损失的实时监测技术已经成为联合收割机智能化发展的重要研究课题，主要采用的方法是在联合收割机清选筛尾部和分离凹板下方安装传感器，根据传感器监测到的损失谷物量与实际谷物损失量之间的比例关系，计算得到联合收割机实际工作的谷物损失量，可见，其核心问题就是研发谷物监测传感器。采用压电敏感材料测量谷物冲击信号，是现有谷物监测传感器采用的主要工作原理，虽然并取得了一些成果，但总体技术还不完善，主要表现在，联合收割机在收获过程时的振动作用较强，而农业谷物的质量较小，损失的谷物通常是同其它杂余(主要为短茎秆和颖壳)混杂在一起，冲击信号比较微弱，这些因素都会对压电材料输出信号产生显著影响，导致测量误差增大，因此，如何能够从振动干扰中有效提取谷粒冲击信号，提高测量精度和响应速度，成为传感器设计的关键环节。
发明内容
本发明是为了解决联合收割机田间作业时谷物损失的准确实时监测难题，发明了一种列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，将传感器安装在联合收割机清选筛尾部或分离凹板下方的谷物损失位置，可以实时监测谷物清选和夹带谷物损失情况，并可以为联合收割机自动控制系统提供谷物损失监测信号，以保证作业质量，提高作业效率。为了达到上述目的，本发明采用的技术方案是
采用相互铆接的双层薄板，在上面板的背面粘接敏感元件构成一个监测单元，将多个监测单元平行排列在浮动支撑板上，浮动支撑板安装在传感器底座上，每个监测单元与浮动支撑板、浮动支撑板与底座之间安装减振片，构成双层浮筏减振结构，减小联合收割机的振动影响，传感器监测落在传感器区域内的谷物和杂余信号，将谷物和杂余信号传输到信号调制电路，信号调制电路区分出谷物信号，将谷物信号传输到二次仪表，二次仪表实时采集传感器监测的谷物信号，计算得到传感器区域内的谷物损失量，当实时损失量超过一定值时，输出报警信号。上述方法具体是
通过铆钉连接上面板和下面板，在上面板的背面粘接敏感元件构成一个监测单元，将多个监测单元平行排列在浮动支撑板上，浮动支撑板安装在底座上，每个监测单元与浮动支撑板之间安装减振片一，浮动支撑板与底座之间安装减振片二，构成双层浮筏减振结构， 在联合收割机清选筛尾部或分离凹板下方的谷物损失测量位置安装支架，传感器底座通过
4螺栓和螺帽连接在支架上，底座与螺栓之间安装弹簧一，底座与支架之间安装弹簧二，调节螺栓和螺帽可以改变弹簧和弹簧的压缩距离，从而改变底座与支架之间的安装预紧力，减小支架对底座的冲击影响，当谷物和杂余冲击到上面板时，上面板产生微小变形，敏感元件产生电荷信号，将电荷信号传输给信号调制电路，信号调制电路将谷物从杂余中区分出来， 并将谷物信号以标准方波电压传输到二次仪表，每个监测单元设计独立的信号调制电路， 二次仪表以单片机为核心，通过高速计数器实时采集信号调制电路输出的方波信号个数， 得到冲击到传感器上的谷物数量，能够实时显示监测结果，并能够将结果以通讯形式输出， 二次仪表内设定阈值，当实时损失量超过设定阈值时，二次仪表输出报警信号。本发明的装置包括上面板、敏感元件、下面板、铆钉、浮动支撑板、减振片一、底座、 减振片二、支架、螺栓、弹簧一、弹簧二、螺帽、信号调制电路、二次仪表；
所述的监测单元由上面板、敏感元件、下面板和铆钉(4)共同构成，平行排列在浮动支撑板上监测单元的数量为1-5片。所述的上面板和下面板为形状相同的矩形，长宽尺寸100-300 mm，上面板和下面板通过铆钉连接，上面板可采用不锈钢、铝合金或胶木材料，厚度为0. 5-1 mm，下面板采用不锈钢材料，厚度为1-1.5 mm，铆钉数量可以为4-8个，位置均勻分布在上面板和下面板的周边。所述的敏感元件采用PVDF压电薄膜，硬性粘接在上面板的背面中心位置，当上面板受到谷物和杂余冲击后产生微小变形，敏感元件会产生应力，并输出电荷信号，敏感元件形状为矩形，长宽尺寸比上面板小10 mm，厚度30-100 μ m，以保证谷物和杂余冲击在上面板的不同位置，敏感元件输出稳定一致的电荷信号。根据监测谷物力学特性的不同，改变上面板的材料、厚度以及上面板、下面板的连接方式，可以改变上面板的冲击振动变形特性，从而改变传感器对谷物冲击响应的灵敏度。每个监测单元与浮动支撑板、浮动支撑板与平行底座之间安装柔性减振片，构成双层浮筏减震结构，将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、抗混频滤波器、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。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。谷物冲击产生的信号和杂余冲击信号以及振动信号的频率不同，通过抗混频滤波器可以识别谷物冲击信号。根据联合收割机工作参数和收获作物的不同，抗混频滤波器的阈值频率可以调节。谷物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谷物冲击信号的绝对峰值，以提高监测精度。薄板为弹性体，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。由于谷物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， 针对不同作物谷物冲击信号的特点，设定合适的电压比较器阈值，可以将谷物冲击信号和和其他杂余冲击信号有效区分，提高谷物计数准确性。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，得到传感器监测到的谷物数量，能够实时显示计算结果，并能够将计算结果以通讯形式输出，通讯形式可以是RS232、RS485或其它总线形式，二次仪表内设定阈值，当实时损失量超过设定阈值时，二次仪表输出报警信号。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，发明了一种列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，改变传统人工测试谷物损失的方法，节约了人力、物力，提高了测量精度。振动干扰是影响传感器测量精度的重要因素，本发明中将传感器通过弹簧柔性安装在支架上，通过调节安装弹簧预紧力，减小支架对底座的刚性冲击，将传感器的监测单元列阵排列，每个监测单元设计独立信号调制电路，以提高测量速度，谷物监测频率大于5kHz，采用双层浮筏减振结构设计，消除监测单元之间的干扰，改变支架冲击的力学特性，最后根据谷物冲击与振动干扰信号的频谱差异设计信号调制电路，使得传感器能够从复杂振动背景中准确识别谷物冲击信号，通过改变传感器面板的材料、厚度以及安装连接方式，调整传感器对谷物冲击响应的灵敏度，以适应不同力学特性谷物监测要求。将本发明传感器安装在联合收割机清选筛尾部或分离凹板下方的谷物损失位置，可以实时监测谷物清选和夹带谷物损失情况，并可以为联合收割机自动控制系统提供谷物损失监测信号，以保证作业质量，提高作业效率。
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。图1是传感器安装结构示意主视图。图2是传感器安装结构示意俯视图。图3是监测系统原理图。图4是传感器信号调制电路原理图。图中1上面板2敏感元件3下面板4铆钉5浮动支撑板6减振片一 7底座8 减振片二 9支架10螺栓11弹簧一 12弹簧二 13螺帽14信号调制电路15 二次仪表。
具体实施例方式结合图1、2，上面板1与下面板3之间通过铆钉4固定，敏感元件2粘贴在上面板 1的背面中心位置，下面板3与浮动支撑板5之间安装减振片一 6，浮动支撑板5通过减振片二 8与底座7连接，底座7通过螺栓10和螺帽13连接在支架9上，底座7与螺栓10之间安装弹簧一 11，底座7与支架9之间安装弹簧二 12。上面板1、敏感元件2、下面板3和铆钉4共同构成一个监测单元，将多个监测单元平行排列在浮动支撑板5上，监测单元的数量可以为1-5片。上面板1和下面板3为形状相同的矩形，长宽尺寸100-300 mm，上面板1和下面板 3通过铆钉4连接，上面板1可采用不锈钢、铝合金或胶木材料，厚度为0. 5-1 mm,下面板3 采用不锈钢材料，厚度为1-1. 5 mm，铆钉4数量可以为4_8个，位置均勻分布在上面板1和下面板3的周边。敏感元件2采用PVDF压电薄膜，硬性粘接在上面板1的背面中心位置，当上面板 1受到谷物和杂余冲击后产生微小变形，敏感元件2会产生应力，并输出电荷信号，敏感元件2形状为矩形，长宽尺寸比上面板1小10 mm，厚度30-100 μ m,以保证谷物和杂余冲击在上面板1的不同位置，敏感元件2输出稳定一致的电荷信号。根据监测谷物力学特性的不同，改变上面板1的材料、厚度以及上面板1、下面板 3的连接方式，可以改变上面板1的冲击振动变形特性，从而改变传感器对谷物冲击响应的
灵敏度。减振片一 6和减振片二 9可以选用低密度海绵或橡胶等减震材料，主要用于将支架9引起的敏感元件2刚性冲击变为柔性冲击，以减小振动干扰信号。支架9安装在联合收割机清选筛尾部或分离凹板下方的谷物损失测量位置，调节螺栓10和螺帽13可以改变弹簧11和弹簧12的压缩距离，从而调整底座7与支架9之间的安装预紧力。结合图3，敏感元件2输出电荷传送给信号调制电路14，信号调制电路14将敏感元件2监测到的谷物冲击转换成标准方波电压信号，并传输给二次仪表15，每片敏感元件2 设计独立的信号调制电路14，二次仪表15以单片机为核心，通过高速计数器对传感器信号调制电路14输出的标准方波电压信号进行计数，能够实时显示计算结果，并能够将计算结果以通讯形式输出，通讯形式可以是RS232、RS485或其它总线形式，二次仪表15内设定阈值，当实时损失量超过设定阈值时，二次仪表15输出报警信号。。结合图4，传感器信号调制电路由电荷放大器、抗混频滤波器、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，将谷物冲击电荷信号转换为标准方波电压信号，每片敏感元件2设计独立的信号调制电路。下面结合实例做进一步的阐述
在联合收割机清选筛尾部或分离凹板下方的谷物损失位置安装支架9，工作过程中，联合收割机的振动会导致支架9会产生振动冲击，由弹簧一 11、弹簧二 12、减振片一 6和减振片二 8共同构成减振作用，将支架9产生的刚性冲击变为柔性冲击，当杂余和损失谷物冲击到上面板1的表面时，上面板1产生微小变形振动，上面板1的微小变形会导致敏感元件2 表面的应力集中，从而输出电荷信号，通过电荷放大器将其转换为电压信号。上面板1与下面板3之间通过铆钉4固定，根据监测谷物力学特性的不同，改变上面板1的材料、厚度以及上面板1、下面板3的连接方式，可以改变上面板1的冲击振动变形特性，从而改变传感器对谷物冲击响应的灵敏度，(例如，进行水稻监测时，上面板可采用厚度为0. 8mm的不锈钢材料，在上面板和下面板的周边采用6点铆钉连接，进行油菜监测时， 由于油菜籽粒的质量较轻，冲击力信号比较微弱，上面板可采用厚度为0. 5mm的不锈钢材料，在上面板和下面板的周边采用4点铆钉连接，以提高传感器的灵敏度，)通过减振片一 6消除上面板1相互之间的冲击干扰，根据谷物、杂余的冲击信号和联合收割机振动干扰信号频率的不同，设定抗混频滤波器的参数，获取谷物冲击信号，通过绝对值峰值检波放大器和包络线检波器得到一次谷物冲击振动信号的包络线，消除谐振波信号的干扰。由于谷物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，可以将谷物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，从而实现谷物冲击一次，传感器信号调制电路13输出一个标准方波电压。 工作过程中，二次仪表15实时监测传感器14输出的损失谷物数量，能够实时显示计算结果，并能够将计算结果以通讯形式输出，通讯形式可以是RS232、RS485或其它总线形式，二次仪表15内设定阈值，当实时损失量超过设定阈值时，二次仪表15输出报警信号。
传感器的厚度小于15 mm，谷物监测频率大于5kHz，计数相对误差小于3%。
权利要求
1.一种列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，上面板(1)和下面板(3)通过铆钉(4)连接，在上面板(1)的背面粘接敏感元件(2)构成一个监测单元，将多个监测单元平行排列在浮动支撑板(5)上，浮动支撑板(5)安装在底座(7)上，每个监测单元与浮动支撑板(5)之间安装减振片一(6)，浮动支撑板(5)与底座(7)之间安装减振片二(8)，构成双层浮筏减振结构；谷物和杂余冲击到上面板(1)时，上面板(1)产生微小变形，敏感元件(2) 产生电荷信号，将电荷信号传输给信号调制电路(14)，信号调制电路(14)将谷物从杂余中区分出来，并将谷物信号传输到二次仪表(15)，二次仪表(15)实时采集信号调制电路(14) 输出的谷物信号，实时显示监测结果，并将结果以通讯形式输出。
2.根据权利要求1所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，在联合收割机清选筛尾部或分离凹板下方的谷物损失测量位置安装支架(9)，所述传感器底座(7) 通过螺栓(10)和螺帽(13)连接在支架(9)上，底座(7)与螺栓(10)之间安装弹簧一(11)， 底座(7)与支架(9)之间安装弹簧二(12)，通过调节螺栓(10)和螺帽(13)改变弹簧(11) 和弹簧(12)的压缩距离，从而改变底座(7)与支架(9)之间的安装预紧力，减小支架(9)对底座(7)的冲击影响。
3.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，所述上面板(1)、敏感元件(2)、下面板(3)和铆钉(4)共同构成一个监测单元，1-5片监测单元平行排列在浮动支撑板(5)上。
4.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，所述上面板(1)和下面板(3)为形状相同的矩形，长宽尺寸100-300 mm;所述铆钉(4)数量为 4-8个，位置均勻分布在上面板(1)和下面板(3)的周边。
5.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，上面板(1)采用不锈钢、铝合金或胶木材料，厚度为0. 5-1 mm。
6.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，下面板(3)采用不锈钢材料，厚度为1-1.5 mm。
7.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，所述敏感元件(2)采用PVDF压电薄膜，硬性粘接在上面板(1)的背面中心位置，当上面板(1) 受到谷物和杂余冲击后产生微小变形，敏感元件(2)产生应力，并输出电荷信号；敏感元件 (2)形状为矩形，长宽尺寸比上面板(1)小10 mm，厚度30-100 μ m，以保证谷物和杂余冲击在上面板(1)的不同位置，敏感元件(2)输出稳定一致的电荷信号。
8.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，根据监测谷物力学特性的不同，通过改变上面板(1)的材料、厚度以及上面板(1)、下面板(3)的连接方式，改变上面板(1)的冲击振动变形特性，从而改变传感器对谷物冲击响应的灵敏度。
9.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，所述信号调制电路(14)由电荷放大、抗混频滤波、绝对值峰值检波放大、包络线检波、电压比较和整波电路依次串联组成，敏感元件(2)监测到一次谷物冲击，信号调制电路(14)输出一个标准方波电压信号。
10.根据权利要求1或2所述的列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，其特征在于，所述二次仪表(15)以单片机为核心，通过高速计数器记录信号调制电路(14)输出的标准方波电压信号，实时计算得到谷物损失量，结果通过二次仪表(14)显示和通讯输出，当实时损失量超过设定值时，二次仪表(14)输出报警信号。
全文摘要
本发明为一种列阵浮筏结构谷物损失监测传感器，属于联合收割机谷物损失测量技术领域，主要用于联合收割机收获小麦、水稻、油菜等谷物时夹带、清选损失的实时监测。本发明采用双层铆接的薄板为机架，在上面板的背面粘接敏感元件构成一个单元，将多个监测单元平行排列在浮动支撑板上，每个单元与浮动支撑板、浮动支撑板与传感器底座之间安装减振片，每个监测单元设计独立的信号调制电路，通过信号调制电路将损失谷物从其他杂余中识别出来，并以标准方波电压信号输出，二次仪表实时采集方波电压信号，得到传感器监测区域内损失的谷物数量。本发明的测量精度高，频率快，振动干扰小，可以应用于联合收割机夹带和清选损失的实时监测。
文档编号A01D41/127GK102396322SQ20111035921
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月14日 优先权日2011年11月14日
发明者李耀明, 粱振伟, 赵湛, 陈义 申请人:江苏大学