排种器振动种盘内种群质量实时监测方法

周洪如，吴亚芳，李洪昌,，赵 湛

排种器振动种盘内种群质量实时监测方法

周洪如1，吴亚芳2，李洪昌1,2，赵 湛2

(1.常州机电职业技术学院，江苏 常州 213164；2.江苏大学 现代农业装备与技术教育部重点实验室，江苏 镇江 212013)

采用悬臂梁称重传感器测量排种器振动种盘内种群的冲击力，在分析不同参数下输出信号变化特征的基础上，设计了由加法器、精密半波整流、二阶巴特沃斯低通滤波和差动放大串联组成的信号处理电路，实现了振动状态下种群质量的实时监测。在振动种盘试验台上进行了性能试验，设定振幅为3、4、5mm，相应振动频率分别在11～13Hz、10～12Hz、9～11Hz范围，结果表明：当单位面积籽粒质量κ< 1.8 g/cm2时，信号处理电路输出电压Vout与κ的非线性误差小于5.5 %；当κ> 2.0g/cm2时，由于种群振动运动的不稳定导致输出电压Vout的波动性增强，测量的非线性误差增大。信号处理电路零点输出电压随种盘振动强度的提高而增大，测量灵敏度随种盘振动频率的提高而降低，籽粒形状和力学特性差异对测量结果的影响可以被忽略，监测方法具有很好的适应性。

排种器；振动种盘；种群质量；实时监测

0 引言

育苗移栽是我国主要的水稻种植方式，移栽秧苗的返青成活快，能促进根系发展、增加有效分蘖，提高单位面积产量[1-2]。随着高产水稻的大面积推广种植，它对育苗精度提出了更高的标准，要求每穴1～2粒的精密播种[3-4]。排种器是实现精密播种的核心部件，其工作性能的好坏直接影响播种精度、均匀性和出苗率。气吸式排种器的播种精度高、通用性好、适应性强，且具有对籽粒外形尺寸要求不严格及伤种率低等优点，成为精密排种器发展的一个重要方向[5-10]。它按结构形式可以分为盘吸式、针吸式和滚筒式等，盘吸式排种器的作业效率高、每盘的播种量易于控制，是水稻毯状育秧播种的理想装置[11-12]。

水稻籽粒普遍为椭球状散体颗粒，表面粗糙，内摩擦因数大，通过对种盘施加垂直方向的小幅高频振动，使种群产生向上的抛掷运动而相互分离，以减小籽粒间的摩擦力，是提高吸种精度的重要方法[13-15]。然而，籽粒在振动激励下的流动性也会增强，受到排种器姿态、安装精度和干扰等因素的影响，容易导致其在种盘内分布的不均匀，即种盘内某些区域籽粒多，某些区域籽粒少，甚至没有籽粒，这是导致盘吸式排种器连续作业性能下降的重要因素。为此，课题组设计了能够实现垂直往复和两自由度水平转动的振动种盘机构，提出根据种群的实时分布状态自动调节种盘的振动方向，以促进种群的均匀离散，其中一个重要问题就是在振动状态下对种群质量进行监测。

本文采用称重传感器测量种盘振动过程中的籽粒冲击力，根据冲击力信号特点设计信号处理电路，开展了种盘在振动状态下单位面积籽粒质量κ的实时监测方法研究，并分析不同作业参数对测量精度的影响。

1 测量方法与信号分析

1.1 冲击力测量方法

为了使种群能够有效离散，种盘的振动强度需大于1。在振动周期中，种群会被抛离种盘底板并发生碰撞，冲击力的大小主要与种盘振动参数和种群质量有关。试验选用悬臂梁称重传感器测量种群的冲击力，传感器量程为500g，分辨率 0.01g，变送器响应频率2kHz，灵敏度 (2±0.1)mV/V，综合误差小于0.05%，安装方式如图1所示。图1中，种盘为700mm×420mm的矩形，在底板加工62mm×62mm的正方形窗口；传感器的安装端固定连接于种盘底面，监测板面积为60 mm×60 mm，固定连接于传感器的测量端，安装位置位于底板正方形窗口中心，并与种盘底板保持相同水平面；4组相同的测量装置分别安装于种盘4端。

1.种盘 2.悬臂梁称重传感器 3.监测板图1 传感器安装示意图Fig.1 Installation structure diagram of cantilever force sensors

其优点是对土壤破坏小、动力消耗少。条带旋耕种行后土壤疏松，播种质量好。尤其是在一年两熟区玉米收获后免耕播种小麦，由于在玉米生育期进行过中耕、追肥、培土等作业，收获时地表有垄沟，除条带旋耕播种技术外，尚没有其它更适合的技术[1]。条带旋耕技术是保护性耕作技术推广实施中出现的新技术，填补了我国北方一年两熟地区夏玉米秸秆覆盖下冬小麦少耕播种机具的空白[1]，是我国北方一年两熟地区冬小麦实施保护性耕作的关键配套机具。该机具与43kW以上的拖拉机配套使用，首次采用分体式结构设计实现了一机多用，提高了各部分的通用性能，减少了机具的进地次数，降低了作业成本，对冬小麦抢时、抢种、增收效果十分明显。

1.2 冲击力信号分析

测量过程中，为了避免由于种群的流动引起的监测区域内种群质量的变化，在监测板周围固定安装80 mm×80 mm的挡框，在挡框内添加籽粒，记录传感器的输出信号。

种盘振动频率f= 11 Hz、振幅A= 4mm，单位面积籽粒质量κ分别为0、0.59、1.42g/cm2，传感器输出电压信号V0如图2所示。由于监测板随种盘作同步振动，没有籽粒时(κ=0)，输出电压主要是由监测板的振动惯性力所引起，虽然受到摩擦等因素的影响，存在一定的干扰，但总体呈现为正弦周期信号，且幅值主要取决于监测板的质量和振动强度；当监测区域有籽粒时，输出电压则是由监测板惯性力和籽粒冲击力两部分组成。为了提高籽粒冲击力的权重，提高测量灵敏度，实际选用了厚度为3mm的铝合金材料，质量约为30g。由图2还可以看出：种群在t0时刻被完全抛离监测板，输出电压为监测板的振动惯性力，在t1时刻种群与监测板开始发生碰撞，输出电压V0迅速增大，并在t2时刻达到峰值Vp；然后逐渐减小，直至下一周期t3时刻，种群再次被抛离监测板。

图2 传感器输出电压VoFig.2 Output voltage of cantilever force sensor with different κ

假设种盘的振动方程为

z=Asin(2πft+φ)

(1)

进行水稻播种时，振幅A和频率f的取值范围通常为3～5 mm、10～12Hz，理想的籽粒层厚15～25 mm，对应的κ约为1.0～1.6g/cm2。在此参数范围内进行重复试验发现：种群抛离时刻t0、碰撞时刻t1和冲击力峰值时刻t2与种盘振动参数和籽粒层厚相关，对应的相位角φ0、φ1、φ2均在一定范围内波动。这就导致传感器输出电压的峰值Vp与籽粒质量之间不存在很好的线性关系。

根据动量定理，种群在碰撞过程中动量的改变等于其受到的监测板冲量，即

(2)

式中Ft—种群受到的冲击力(N)；

m—种群质量(kg)；

v1、v3—种群在t1、t3时刻的平均速度(m/s)。

将不同振动参数、单位面积籽粒质量κ在0～1.8g/cm2范围内获取的传感器输出电压V0，分别进行整周期积分计算，将计算结果与κ进行线性拟合，得到的平均非线性误差约为2.5 %。

分析测量结果发现：在种盘振动的上下端点位置，即相位角φ=±π/2附近，每个周期之间存在的误差较大。这是因为种盘采用的是曲柄滑块机构驱动，受加工安装精度的影响，在上下端点的运动稳定性较差。相位角φ=π/2正好接近于种群被抛离种盘时刻t0，为了消除这一干扰因素，采用只取正值积分计算，非线性误差可以降低到1.0 %。

2 信号处理电路设计

根据上述分析结果，设计的信号处理电路如图3所示。由于监测板自身质量的影响，使得传感器输出电压V0存在偏移，偏移量等于监测板质量与传感器测量灵敏度的比值。因此，首先将V0和可调电压Vp0输入反向加法器进行求和运算，通过改变Vp0的幅值即可实现输出电压V1偏移量的调节，然后将V1输入精密半波整流电路。当V1<0时，二极管D1截止、D2导通，输出电压V2=-V1(R7/R6)；当V1>0时，二极管D1导通、D2截止，输出电压V2= 0，从而去除V1的负值信号，降低种盘在端点位置运动不稳定的影响，且可以通过调节Vp0控制去除负值信号的比例。再将V2输入二阶Butterworth低通滤波器，设定截止频率(fc=1 Hz)远小于信号频率，消除谐波得到V2稳定的均值V3。最后，通过差动放大器得到输出电压Vout，Vout的零点和增益可以通过分压电阻R13和增益电阻R14来调整。

图3 信号处理电路Fig.3 Signal process circuit

3 结果与分析

3.1 标定试验结果

为了验证种群质量监测方法的准确性，选择了不同物理特性的水稻籽粒，在振动种盘试验台上进行标定性能试验，结构如图5所示。设定种盘振幅为3、4、5mm，对应振动频率分别为11～13、10～12、9～11Hz，单位面积籽粒质量κ在0～2.5g/cm2范围，使用分辨率为0.01g的电子秤称重一定量的籽粒，连续添加至监测区域，记录信号处理电路输出电压Vout的稳定值，结果如图4所示。

图4 信号处理电路输出电压Vout与单位面积籽粒质量κ的变化关系Fig.4 Variation of output voltage of signal processing circuit Vout versus seeds-mass-per-unit-area κ

试验发现：输出电压Vout主要取决于籽粒的质量，籽粒几何形状、含水率和千粒质量等特性差异造成的影响很小，可以被忽略。当κ<1.8g/cm2时，Vout与κ具有较好的线性关系，采用最小二乘法进行线性拟合，非线性误差小于5.5%，结果如表1所示。当κ>2.0g/cm2时，Vout会出现在一定范围内波动，稳定性降低，非线性误差迅速增大。由于种盘的振幅主要是由其结构参数所决定，工作过程中不会发生变化，而振动频率则取决于电机的驱动信号，容易发生波动，因此对振幅A=3、4、5mm及频率f在相应范围内进行标定，综合非线性误差分别小于10%、7.5%、8.5%，量程和误差均能够满足排种器监测性能要求。

1.信号处理电路 2.变送器 3.种盘 4.监测板 5.悬臂梁称重传感器图5 振动种盘试验台Fig.5 Test-rig of vibrating tray表1 测量结果误差分析Table 1 Error analysis of measurement results

振幅A/mm频率f/Hz灵敏度K/V·cm2/g零点输出/V非线性误差/%3111.310-1.1475.31121.231-1.0624.60131.050-0.9351.724101.293-1.0853.90111.218-0.9963.64121.086-0.8813.33591.308-1.1464.66101.175-1.0233.61111.106-0.8973.83

3.2 影响因素分析

由于采用的是冲量法测量质量，种群与种盘碰撞运动的稳定性是影响测量精度的主要因素。散体动力学研究发现：对籽粒群施加竖直方向简谐振动激励时，籽粒之间会发生复杂的非弹性碰撞，并不断地消耗动能，呈现出分离、对流、成堆等多种复杂运动形式[16]。尽管每个籽粒的运动具有一定的随机性，但大量籽粒堆积在一起的，其自由程较小，不管上层籽粒的运动形式如何变化，底部始终部分籽粒保持密堆积状态，导致其总体运动表现出从稳定到倍周期分岔的现象，且分叉点所对应的频率会随着籽粒层厚的增加而降低。试验测量获得振幅A=4mm、频率f=12Hz时面积籽粒质量κ对传感器输出信号V0变化的影响如图6所示。

图6 单位面积籽粒质量κ对传感器输出信号V0的影响Fig.6 Effect of seeds-mass-per-unit-area κ on output voltage of cantilever force sensor V0

由图6可以看出：当κ=1.0g/cm2时，V0为稳定的周期信号；随着κ的增加，种群与种盘之间碰撞运动的稳定性被逐步打破；κ=2.4g/cm2时，V0表现出典型的倍周期特性，种群和种盘的碰撞相位角及V0的幅值均发生变化，直接导致信号处理电路输出电压Vout发生波动和测量非线性误差增大。

信号处理电路的零点(κ=0)输出电压是由监测板的惯性力所决定。由表1可以看出：它随振动强度的增加而增大。种盘振动强度对传感器输出电压V0的影响如图7所示。随着振动强度的提高，κ=0时，V0的幅值及种群抛离种盘时刻t0所对应的相位角φ0均随之增大，导致由种群冲击力产生的电压分量在小于0 V区域所占比例增加。信号处理电路采用了半波整流去除负值信号，使得实际测量获取的种群冲击力比例随振动强度的增加而减小，导致灵敏度的降低。

图7 振动强度对传感器输出信号Vo的影响Fig.7 Effect of vibration strength on output voltage of cantilever force sensor Vo

4 结论

1)采用悬臂梁称重传感器测量种群的振动冲击力，设计了由加法器、精密半波整流、二阶巴特沃斯低通滤波和差动放大串联组成信号处理电路，实现了振动种群质量的实时监测。

2)在排种器振动种盘上进行了标定性能试验，结果表明：种盘振幅为3、4、5mm，相应振动频率在11～13、10～12、9～11Hz范围内，单位面积籽粒质量κ<1.8g/cm2时，测量的非线性误差小于5.5%。零点输出电压随种盘振动强度的提高而增大，灵敏度则随之降低。

3)随着单位面积籽粒质量κ的进一步增加，种群与种盘之间稳定的周期碰撞运动逐步被打破，导致信号处理电路输出电压的波动性和测量的非线性误差显著增大。

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Real-time Monitoring Method of Seeds Mass in Reciprocating Vibration Tray

Zhou Hongru1, Wu Yafang2, Li Hongchang1,2, Zhao Zhan2

(1.Changzhou Institute of Mechatronic Technology, Changzhou 213164, China; 2. Key Laboratory of Modern Agricultural Equipment and Technology, Ministry of Education, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China)

To monitor the seeds mass in reciprocating vibrating tray for vacuum-panel precision seeder in real-time, a cantilever force sensor was used to measure the impact force of seeds action on the monitoring board. Then, based on the analysis of variation characteristics of output signals of force sensor under different parameters, a signal processing circuit mainly composed of analog adder, precision half-wave rectifier, second-order Butterworth low-pass filter, and differential amplifier in series was designed to detect seeds mass. With vibration amplitudeAof 3, 4 and 5 mm, corresponding frequencyfof 11-13, 10-12 and 9-11Hz, calibration tests were carried out on vibration test-rig in laboratory. Fitting results showed that non-linear measurement errors between output voltage of signal processing circuitVoutand seeds-mass-per-unit-areaκwere less than 5.5% withκin the range of 0-1.8g/cm2. Whenκwas greater than 2.0g/cm2, the instability of seeds periodic vibration motion enhanced the fluctuation range ofVout, which led to an increase of non-linear measurement errors. Zero-point output voltages ofVoutwere increased with the increasing of vibration strength of tray, and measurement sensitivities were reduced when increasing the vibration frequency at same amplitude. The proposed monitoring method has a good adaptability because the effect of seeds shape and mechanical properties onVoutcould be neglected.

seeder; vibrating tray; seeds mass; real-time monitoring

2016-10-10

国家自然科学基金项目(51305169)；江苏省农机“三新工程”项目(Nj2016-02)

周洪如(1964-),男，江苏宜兴人，副教授，高级工程师，(E-mail) 1070737239@qq.com。

李洪昌(1973-)，男，山东东明县人，副教授，博士后，(E-mail)sxlhch@163.com。

S126；S220.3

A

1003-188X(2017)12-0020-06