基于近红外光电效应的联合收获机谷物厚度测量方法

赵 湛 雷朝鹏 李洪昌,2 刘金凯

(1.江苏大学农业工程研究院， 镇江 212013; 2.常州机电职业技术学院车辆工程学院， 常州 213164)

0 引言

精准农业是根据土壤环境和作物生长状况的空间差异信息，以平衡地力、提高产量为目标，通过制定科学的管理决策、实施生产过程的定位、定量精细调控投入，以提高农业生产力、合理施用化肥、减少环境污染，实现可持续发展。获取作物的产量信息，建立小区产量分布图是精准农业技术体系中的重要环节[1-4]。

在谷物联合收获机上安装测产系统是获取产量信息的有效途径，其核心是谷物流量传感器[5-8]。现有谷物流量传感器主要根据容积式和冲量式工作原理[9-12]。文献[13-16]分析了冲量式传感器的测量误差来源，指出收获机振动、机器姿态、田间坡度等因素对测量精度影响显著。文献[17-18]分析了谷物测产系统倾斜特性，提出根据收获机的倾斜、俯仰角度进行测量误差和零点漂移的修正方法，可以降低测量误差。国内许多学者提出双板冲量式谷物流量传感器，通过差分运算减小振动对测量精度的影响[19-20]，但由于每台机器特性的差异性，难以建立准确统一的修正模型。刮板式升运器广泛采用容积式测产装置[11, 21]，它是通过光电传感器测量谷物在升运过程中的阻断光路时间，产生脉冲信号，脉冲的时间宽度与谷物的堆积高度成正比，然后根据刮板尺寸和升运速度计算得到谷物的体积。

本文以水稻籽粒为对象，根据籽粒的红外光谱特性开展籽粒厚度的测量方法研究，设计相应的信号处理电路，分析红外线波长、功率、籽粒形态和含水率等因素对测量性能的影响。

1 测量原理

1.1 测量误差分析

光电容积式谷物流量测量原理如图1所示，谷物在刮板升运器中可以分为两部分：在高度h1范围内，籽粒充满升运器内腔，通常呈现长方体形态；受到内摩擦作用力的影响，上层高度h2范围内的籽粒为自由堆积状态。受到收获机姿态、谷物流量、刮板结构和作业参数等因素的影响，h2范围内的籽粒分布状态存在随机性，即测量的脉冲宽度有一定的波动和不确定性，这是造成容积式谷物流量测量误差的最主要因素。籽粒堆积表面的曲率是决定体积的主要参数，受到内摩擦力的影响，谷物在刮板内h2范围的堆积表面通常为连续曲面，通过测量顶部区域谷物厚度的变化，可以获取表面整体变化的差异，其关键技术就是检测谷物堆积厚度，即根据谷物厚度的变化速率获取堆积表面的曲率变化规律。

图1 光电容积式谷物流量测量原理图Fig.1 Measurement method of grain mass using photoelectric sensor1.激光发射器 2.刮板 3.谷物 4.硅光电池

1.2 谷物厚度测量原理

根据Lambert-Beer定律，当光在介质中传播时，普遍存在吸收、折射和散射现象，透过介质的光强I将随传播距离作指数衰减，即

I=I0e-αL

(1)

式中I0——介质表面上的辐射光强，W

L——光在介质中传播的距离，m

α——光强衰减系数

本文以激光为光源。籽粒的含水率是影响光线衰减特性的重要因素，由于水分对波长1 440～2 500 nm范围的近红外光吸收敏感[22-23]，为了减小籽粒含水率变化对测量结果的影响，试验选择近红外光波长λ的范围为850～980 nm，功率P的范围为100～500 mW。选择LXD66RM型硅光电池为接收器，根据透过谷物的红外线光强测量谷物的厚度。硅片尺寸为6 mm×6 mm，波长范围300～1 100 nm，特征波长为940 nm时的灵敏度为0.57 A/W，响应时间为12 μs。

均匀介质的光强衰减系数α通常是光波长的函数，根据光谱特性进行籽粒的物理特性测量已有成功应用[24-26]。水稻、小麦等谷物籽粒为散体颗粒，在升运器中自由堆积时，籽粒间存在空隙。水稻籽粒的结构和成分复杂，外层为颖壳，内层为糙米，主要成分包括淀粉和水。光线在不同介质中传播时的衰减系数也不相同，通常籽粒的衰减系数远大于空气的衰减系数，籽粒自然堆积时的空隙率则会受到籽粒尺寸和形态等因素的影响，很难推导准确的光强衰减理论模型，但可以通过试验测量谷物厚度与接收光强的变化关系，建立相应的数学函数。

2 信号处理电路

硅光电池在光照作用下会产生微弱电流信号，将其作为电流信号监测具有较好的线性关系和带宽性能。为了减小由放大器的输入电流和硅光电池漏电流产生的直流偏置，试验设计了T型I/V转换电路。它由电阻R1、R2和R3构成反馈电阻，可以消除寄生振荡、提高频率响应的稳定性，增大输出信号的信噪比，电容C1可以减小由于相移产生的自激振动。当硅光电池输出电流为Ip时，I/V转换输出电压Vp为

(2)

式中R1、R2、R3——电阻R1、R2、R3的阻值

I/V转换电压Vp输入至调节电路，通过电阻R4和R8分别调节输出电压Vout的零点和增益，从而将硅光电池接收的光强线性转换为电压信号Vout，电路结构如图2所示。

图2 信号处理电路Fig.2 Signal process circuit

3 谷物厚度测量试验

3.1 试验台架结构

图3 标定试验台架结构Fig.3 Structure of calibration test-rig1.信号处理器 2.水稻 3.硅光电池 4.转动手轮 5.激光发射器

为了进行谷物厚度测量性能试验，设计了标定试验台架，结构如图3所示。在滑台模组的滑块上安装移动支架，在转动手轮丝杠的驱动下，移动支架沿着导向光轴作直线运动，定支架固定安装于滑台模组的底座。在移动支架上安装红外激光发射器，定支架上安装硅光电池，并保证红外激光发射器和硅光电池在同一轴线上。激光发射器发射的红外光透过籽粒射入硅光电池，硅光电池产生的电流信号输入信号处理电路，通过万用表读取测量结果Vout。

3.2 标定试验建模

以南粳52水稻籽粒为对象，测量得到含水率为18.9%，三轴尺寸为7.07 mm×3.08 mm×2.40 mm，选择红外激光发射器的功率为200 mW、波长为940 nm。当两个支架之间的距离小于4 mm时，籽粒难以均匀放入支架之间的区域，因此标定试验从6 mm开始进行。

试验过程中，人工将籽粒填满定支架与移动支架之间区域，通过调节移动支架的位置改变谷物的厚度，调节精度为0.1 mm。由于籽粒填满了定支架与移动支架之间的区域，故将两个支架之间的距离视为红外线穿过的籽粒厚度x，每组参数下的试验重复进行3次，测量获得的x与输出电压Vout的变化关系如图4所示。

图4 谷物籽粒厚度与输出电压的变化关系Fig.4 Relationship between grain seed thickness and output voltage

由于籽粒的复合结构和存在空隙，红外光线是在非连续介质中传播，鉴于光线的指数衰减特性，根据试验测量结果，本文采用Gaussian函数建立x与Vout的变化关系

Vout=ae-(x-b)2/c2+d(x≥b)

(3)

函数中的系数a代表输出电压的变化幅值，主要取决于硅光电池接受的光强和波长；b为输出电压的峰值所对应的籽粒厚度；c为红外线的衰减特性，且c越小，衰减速率越快，穿透能力越弱；d是由信号处理电路产生的偏置直流电压，试验测量d=0.12 V。采用最小二乘法拟合得到，方程的决定系数R2>0.996，对应的籽粒厚度x的测量误差小于0.5 mm。在x

Vout=a+d(x

(4)

3.3 影响因素分析

3.3.1红外波长

为了分析波长对谷物穿透性能的影响，分别采用850、940、980 nm的红外光源进行标定试验，结果如图4所示。不同波长下，均可采用Gaussian函数建立x与Vout的变化关系，拟合结果如表1所示。波长λ=940 nm所对应的拟合方程系数a值略大，这主要受到硅光电池特征波长的影响，相同光强时，红外线波长与硅光电池的特征波长越接近，硅光电池产生的光电流越大，输出电压Vout也越大；红外线的穿透能力会随着波长的增加而增强，拟合得到的c也随之增大；当波长为940 nm时，方程的拟合精度最高，相对误差小于6.5%，因此，优选波长为940 nm的红外激光发射器作为谷物厚度测量光源。

表1 水稻籽粒厚度测量拟合结果Tab.1 Fitting results of rice seed thickness measurements

3.3.2激光发射器功率

选择波长λ为940 nm、功率P为100、200、300、500 mW的激光发射器，测量获得的x与Vout的变化关系如图5所示。由于硅光电池产生的光电流随着接收光强的增大而线性增加，从表1可以看出，随着激光发射器功率的增加，Gaussian方程的拟合系数a近似呈现线性增长关系；增大红外线的能量密度，其穿透能力也随之增强，方程拟合系数c也近似呈现线性增长关系，当功率为500 mW时，谷物厚度的有效测量距离约为50 mm。

图5 发射功率对红外线穿透能力的影响Fig.5 Effect of emission power on infrared transmission capacity

3.3.3谷物含水率

水稻籽粒的主要成分是淀粉和水，随着籽粒含水率的不同，光传播介质的特性也会发生改变，从而影响穿透性能。试验将含水率为18.9%的南粳52水稻籽粒进行加热干燥处理，然后进行标定性能试验，结果如图6所示。测量统计得到水稻籽粒干燥后的三轴尺寸为7.05 mm×2.99 mm×2.12 mm，体积缩小了约14.5%，空隙率随之降低，淀粉的光吸收系数通常大于水的光吸收系数，综合造成红外线穿透能力随着籽粒含水率的减小而降低；由于选用了相同的激光发射器(波长λ为940 nm、功率P为300 mW)，方程的拟合系数a基本保持恒定，即输出电压Vout的峰值基本相等。

图6 籽粒含水率对红外线穿透能力的影响Fig.6 Effect of seeds moisture content on infrared transmission capacity

3.3.4谷物品种

选择了4个不同品种的水稻籽粒进行标定性能试验，以分析品种的差异性对红外线穿透性能的影响，激光发射器的波长λ为940 nm、功率P为300 mW，拟合结果如表1所示。可以看出，籽粒形态是决定空隙率和光传播介质特性的主要因素，南粳52、南粳5055和南粳9018的籽粒形态、含水率相似，方程拟合系数a、b和c也比较接近。镇稻20的三轴尺寸相对较大，籽粒间的空隙率也较大，拟合系数c较小，即红外线的衰减速率相对较低。

4 结论

(1)通过激光发射器产生近红外光，根据硅光电池接收穿过谷物籽粒后的光强变化，可以实现籽粒厚度的测量；设计了以T型反馈网络为核心的I/V转换处理电路，从而将硅光电池接收的光强信号线性转换为电压信号；根据试验测量结果，采用Gaussian函数拟合建立籽粒厚度与输出电压的变化关系。

(2)当红外线波长和硅光电池的特征波长为940 nm时，Gaussian函数拟合的拟合精度最高，籽粒厚度测量相对误差小于6.5%；随着激光发射器功率的增加，水稻厚度测量量程随之增大，当功率为500 mW时，谷物厚度的有效测量厚度约为50 mm；红外线的穿透能力随着波长的增加而增强，随着籽粒含水率的降低而减弱。