具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置及监测方法

本发明涉及一种具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置及监测方法，属于农业机械技术领域。

背景技术：

谷物收获过程中动态的谷物质量监测一直是农业生产中的难点。目前国内外测量谷物质量所使用的谷物流量传感器均存在一定的不足，主要体现在：冲量式谷物流量传感器所测量的数据容易受到机身振动的影响，导致测量的产量信息不够精确；基于γ射线谷物流量传感器造价昂贵，且γ射线对人体有潜在的危害；称重式谷物流量传感系统受使用环境限制，不适于谷物收获机械使用；基于光电漫反射的光电式谷物流量传感器无法表征非规则分布谷物的二维信息。因而设计一种受环境因素影响小、测量精度高、实时动态监测的谷物质量测量装置是实现粮食精准收获的必要手段。

技术实现要素：

本发明目的是提供了一种具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置及监测方法。

本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：

一种具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置，包括刮板式升运器、谷物密度测量装置和谷物收集区；

刮板式升运器位于收获机上，刮板式升运器上设置到位检测装置、光电式传感器和刮板计数传感器；

谷物密度测量装置位于收获机上并与刮板式升运器连接；

谷物收集区位于谷物密度测量装置下方。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置优选方案，刮板式升运器包括升运器外壳、刮板、传动轴、输送链和传动链轮，传动轴上设置传动链轮，传动链轮和输送链配合，输送链上均匀的分布着刮板，刮板远离输送链一侧的边缘用铁片包覆。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置优选方案，到位检测装置和光电式传感器的安装位置在同一个水平面上，到位检测装置和光电式传感器均位于传动链轮下方且靠近传动链轮的升运器外壳上，到位检测装置位于在刮板远离输送链一侧的升运器外壳上；刮板计数传感器位于传动链轮顶部的升运器外壳上。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置优选方案，谷物密度测量装置包括计量筒、满位检测装置、搅拌装置、翻板装置、翻板到位检测装置和翻板固定装置，

计量筒固定在收获机上，计量筒顶部和底部分别装有满位检测装置和翻板到位检测装置；

搅拌装置包括搅拌电机和搅拌器，搅拌电机固定在计量筒外壁上，搅拌器位于计量筒外壁上，并与搅拌电机连接；

翻板装置包括翻转电机和翻板，翻转电机带动翻板转动；

翻板固定装置能够与翻板连接以固定翻板。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置优选方案，翻板包括承载板、称重传感器和固定板，称重传感器通过螺栓与承载板和固定板连接，固定板两端的翻板旋转轴位于计量筒外壁的上，并与翻转电机连接。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置优选方案，翻板固定装置共有两个，位于计量筒的底部筒壁上并与翻板旋转轴呈90°布置，采用推拉式电磁铁，电磁铁的推杆能够插入翻板固定板上的轴孔。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置优选方案，满位检测装置为圆周对称布置的三组对射式光电传感器；翻板到位检测装置为接近开关。

一种具有谷物密度测量功能的谷物质量监测方法，包括以下步骤：

采用称重传感器测量计量筒满位时谷物的质量m，计量筒体积为定值v，得出谷物密度ρ＝m/v，根据计量筒体积v和装满计量筒转过的刮板数量n，计算出每个刮板上谷物的实际平均体积vb，vb＝v/n；

根据采集的光电信号与刮板提升速度，通过梯形逼近积分法得出谷物截面积s，估算出每个刮板上谷物的体积vt，根据装满计量筒转过的刮板数量n和谷物体积估算值为vt，得出刮板提升谷物的总估算体积v′，进而得出每个刮板上谷物的平均估算体积va；

设定谷物体积补偿参数k，k＝vb/va，得到每个刮板上补偿后的谷物的体积vr＝kvt,某个时间段或某地块的谷物质量m可以计算得出：m＝mn+ρvr(nz-n′)

式中mn—n次谷物密度测量计量筒内谷物的总质量；

ρ—谷物的密度；

nz—刮板总计数值；

n′—n次谷物密度测量时装满计量筒转过的刮板总计数值；

vr—补偿后每个刮板上的谷物体积。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测方法优选方案，采用对射式光栅传感器自上而下扫描刮板上的谷物，当光束被谷物遮挡时开始数据采集，到位检测装置被刮板边缘的铁片触发时，数据采集停止。根据采集的光电信号与刮板提升速度可以得到谷物的平面信息，通过梯形逼近积分法得出谷物截面积s：

式中ai—光电信号生成的一维数组a[n]值；

v—刮板运行速度；

δt—采样时间间隔；

由于刮板上谷物的形态不规则，谷物体积估算值为vt：vt＝sl，式中：s—谷物截面积；l—刮板长度。

所述具有谷物密度测量功能的谷物质量监测方法优选方案，根据刮板计数传感器测得装满计量筒转过的刮板数量n和刮板上谷物体积估算值为vt，得出刮板提升谷物的总估算体积v′，v′＝vt1+vt2+vt3+….+vtn，进而得出每个刮板上谷物的平均估算体积va，va＝v′/n；

每个刮板上补偿后的谷物的体积

式中—两次谷物密度测量所得补偿参数的平均值，i＝1,2,3…,n；

vt—刮板上谷物体积估算值

本发明的优点在于：

本发明具有谷物密度测量功能，通过密度测量装置不断修正谷物密度和谷物体积补偿参数，有效提高了测量精度，实现了非均匀分布谷物体积光电式精确测量及谷物质量实时动态监测。本发明能实时在线测量谷物的体积并计算出作业地块谷物的实时产量，为精准农业后续田间肥力分析，进而为变量播种、施肥和喷药提供理论依据。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。

图1为本发明的轴测图；

图2为本发明主视图的剖视图；

图3为本发明俯视图的剖视图。

如图所示：ⅰ、刮板式升运器；ⅱ、谷物密度测量装置；ⅲ、谷物收集区；1、升运器外壳；2、到位检测装置；3、光电传感器；4、传动轴；5、刮板计数传感器；6、计量筒；7、满位检测装置；8、搅拌电机；9、翻转电机；10、刮板；11、输送链；12、传动链轮；13、搅拌器；14、承载板；15、称重传感器；16、固定板；17、翻板到位检测装置；18、翻板旋转轴；19、输送螺旋；20、翻板固定装置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参考图1及图2，一种具有谷物密度测量功能的谷物质量监测装置，包括刮板式升运器ⅰ、谷物密度测量装置ⅱ和谷物收集区ⅲ；

刮板式升运器ⅰ位于收获机上，刮板式升运器ⅰ上设置到位检测装置2、光电式传感器3和刮板计数传感器5；

谷物密度测量装置ⅱ位于收获机上并与刮板式升运器ⅰ连接；

谷物收集区ⅲ位于谷物密度测量装置ⅱ下方，内部装有输送螺旋19，输送螺旋19将谷物从收集区运输到收获机的粮箱中。

参考图2，刮板式升运器ⅰ包括升运器外壳1、刮板10、传动轴4、输送链11和传动链轮12，传动轴4上设置传动链轮12，传动链轮12和输送链11配合，输送链上11均匀的分布着刮板10，刮板10远离输送链11一侧的边缘用铁片包覆。传动链轮12顺时针转动，带动输送链11运动，使刮板10上的谷物得到提升。

参考图1及图2，到位检测装置2和光电式传感器3的安装位置在同一个水平面上，到位检测装置2和光电式传感器3均位于传动链轮12下方且靠近传动链轮12的升运器外壳1上，到位检测装置2位于在刮板10远离输送链11一侧的升运器外壳1上；刮板计数传感器5位于传动链轮12顶部的升运器外壳1上。

谷物密度测量装置ⅱ包括计量筒6、满位检测装置7、搅拌装置、翻板装置、翻板到位检测装置17和翻板固定装置20，

计量筒6固定在收获机上，计量筒6顶部和底部分别装有满位检测装置7和翻板到位检测装置17；

搅拌装置包括搅拌电机8和搅拌器13，搅拌电机8固定在计量筒6外壁上，搅拌器13位于计量筒6外壁上，并与搅拌电机8连接；

翻板装置包括翻转电机9和翻板，翻转电机9带动翻板转动；

翻板固定装置20能够与翻板连接以固定翻板。

参考图2，翻板包括承载板14、称重传感器15和固定板16，称重传感器15通过螺栓与承载板14和固定板16连接，固定板16两端的翻板旋转轴18位于计量筒6外壁的上，并与翻转电机9连接。

本实施例中，满位检测装置7为圆周对称布置的三组对射式光电传感器；翻板到位检测装置17为接近开关。

参考图3，翻板固定装置20共有两个，位于计量筒6的底部筒壁上并与翻板旋转轴18呈90°布置，采用推拉式电磁铁，电磁铁的推杆能够插入翻板固定板16上的轴孔。

一种具有谷物密度测量功能的谷物质量监测方法，包括谷物密度测量和刮板上谷物的体积测量，谷物密度测量时刮板10上的谷物汇聚到计量筒6，测量结束打开翻板将计量筒6内的谷物落入谷物收集区ⅲ，不进行谷物测量时计量筒6的翻板打开并与计量筒6底面垂直，刮板10上抛撒的谷物经过计量筒6直接进入谷物收集区ⅲ。

谷物密度测量具体实施方式为：计量筒6的翻板到位装置17检测到翻板到位，控制系统控制翻板固定装置20的推杆插入翻板上的轴孔将翻板固定；读取翻板到位时刮板计数传感器5的计数值n1，同时控制搅拌电机8旋转，当计量筒6内的谷物触发满位检测装置7时，读取此时刮板计数传感器5的计数值n2和称重传感器15测量的谷物质量值m；控制系统控制翻板固定装置20的推杆脱出轴孔，搅拌电机8停止旋转，并控制翻转电机9旋转90°，计量筒6内的谷物落入谷物收集区ⅲ；由于满位时计量筒6体积为定值v，得出谷物密度ρ＝m/v，根据刮板计数传感器5测得的装满计量筒6转过的刮板数量n，n＝n2-n1，其中n2—谷物触发满位检测装置时刮板计数传感器的计数值，n1—翻板到位时刮板计数传感器的计数值。计算出每个刮板10上谷物的实际平均体积vb，vb＝v/n。

刮板上谷物的体积测量具体实施方式为：谷物随刮板10提升，升运器上的对射式光电传感器3自上而下扫描刮板10上的谷物，当光束被刮板上的谷物遮挡时开始数据采集，到位检测装置2被刮板10边缘的铁片触发时，数据采集停止。根据采集的光电信号数组a[n]与刮板提升速度v可以得到谷物横截面的平面信息，通过梯形逼近积分法得出谷物截面积s：

式中ai—光电信号生成的一维数组a[n]值；

v—刮板运行速度；

δt—采样时间间隔；

n-1—光电信号采集次数。

由于刮板10上谷物的形态不规则，得到的谷物截面积s为谷物的最大横向截面积，对谷物体积进行估算，体积估算值为vt：vt＝sl，

式中：s—谷物截面积；l—刮板长度。

根据刮板计数传感器5测得的装满计量筒6转过的刮板数量n，得出刮板提升谷物的总估算体积v′，v′＝vt1+vt2+vt3+….+vtn。进而得出每个刮板上谷物的平均估算体积va，va＝v′/n。设定谷物体积补偿参数k，k＝vb//va，谷物体积补偿参数k用来修正谷物密度测量装置上一次翻板打开到下一次翻板到位这个时间段内每个刮板上的谷物体积，为提高精确性，取前后两次谷物密度测量所得的补偿参数的平均值，得到每个刮板上补偿后的谷物的体积

式中—两次谷物密度测量所得补偿参数的平均值，i＝1,2,3…,n；

vt—刮板上谷物体积估算值。

收获作业过程，某个时间段或某地块的谷物质量m可以在线获得。在这个时间段内可以根据需要设定谷物密度测量的次数为n，每次谷物密度测量时装满计量筒6转过的刮板数量n，谷物密度测量时刮板总的计数值为n′，n′＝n1+n2+n3+…+nn。根据测得的谷物密度ρ，每个刮板上补偿后的谷物的体积vr，刮板总计数值nz，得出谷物质量m：

m＝mn+ρvr(nz-n′)

式中mn—n次谷物密度测量计量筒内谷物的总质量；

ρ—谷物的密度；

nz—刮板总计数值；

n′—n次谷物密度测量时装满计量筒转过的刮板总计数值；

vr—补偿后每个刮板上的谷物体积。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。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。