传感器技术在农机工况检测与故障预防中的应用

陈治瑀

(黑龙江省农业机械工程科学研究院，哈尔滨 150081)

0 引言

近年来，我国的农业生产实现了快速转型升级，大量先进的农业机械设备投入到农业生产中，有效提高了农业生产效率，减少了人员劳动强度。农业机械作为农业生产实施的重要保障，其技术先进性直接影响到农业生产的最终质量，尤其在农机自动化技术的发展下，农业机械的很多功能实施更加精确化，这些都离不开现代传感器技术的合理应用。传感器的应用帮助农业机械实现精确、迅速地获取机械运行和田间的环境信息，有利于提高农机使用的合理性，并有效预防机械故障和生产安全问题。传感器技术的应用有利于农业机械自动化程度的进一步提升，能够改善农业机械的技术水平，有利于促进农业生产质量的全方位提升。

1 传感器技术特征及其应用现状

1.1 传感器技术特征

传感器技术是21世纪最重要的技术之一，对于设备自动化和智能化发展意义重大。传感器总体来讲属于一种信息获取装置，其能够针对特定的项目进行信息检测，并将收集的相关信息转换为电信号进行传输，供系统进行数据分析、显示、存储、自动控制等使用。传感器根据所获取的项目不同，应用的技术原理也各不相同。传感器技术涉及到物理、化学、生物学等多个学科，能满足全方位的使用要求，且现阶段使用的第三代传感器技术已经具有显著的人工智能特点。传感器具有以下优点，一是具有好的信息获取与反馈的及时性；二是可针对不同工况开展工作，具有良好的可靠性和精确性；三是能够开展非接触、不同距离的监测工作；四是传感器型号众多，针对不同的工况具有专门的系列产品设计，能够适应恶劣的环境使用需求[1]。

1.2 传感器技术在农机中的应用现状

随着农机技术的快速发展，农业机械的自动化程度得到了明显提高，新型农业机械中的传感器技术应用明显增多，传感器在农机产品中的普及程度也得到了快速扩展[2]。现阶段使用的拖拉机、收获机、植保机、播种机、排灌机、谷物烘干机等各种农业机械都应用了大量的传感器技术。尤其在大马力拖拉机(图1)等大型农机上平均应用的传感器超过20种，涉及的应用范围包括温度检测、位置检测、底盘控制、发动机控制等。以电控农用柴油机为例，传感器的应用范围包括控制柴油机运转状态、检测柴油机温度、检测振动等，大量传感器的应用能有效提高柴油机的性能、降低机械运转油耗、减少故障发生概率，不仅确保设备稳定工作，还有利于延长使用寿命[3]。

图1 大马力拖拉机自动化控制体系

2 传感器技术在农机工况检测方面的应用

2.1 传感器的计数和计量功能应用

计数和计量是农业生产中的常用功能，很多农业机械的使用过程都涉及到计数和计量的功能，常用的传感器包括光电传感器和液位传感器等。光电传感器主要应用于计数测量，例如在播种机播种的过程中，可以对播种的数量进行测量，在导种管上安装光电传感器(图2)后，每次当种子遮挡光电传感器，会引起光电管发出相对应的脉冲信号，系统会对此数据进行记录，并用于计算相邻两粒种子之间的间距关系，从而实现精密播种要求；液位传感器(图3)主要用于计量液体的剩余量，例如农药剩余量、冷却水剩余量、油液剩余量等，液位传感器主要采用浮漂测量剩余液量，应用于植保机械时，不仅可以时刻掌握药箱中药液是否充足，还能够利用液位传感器结合行驶距离计算单位面积喷药量，提高植保喷药的合理性[4]。

图2 光电自动计数传感器

图3 液位传感器

2.2 零部件位置与工作状态检测应用

零部件的位置检测和工作状态检测是自动控制实施的基础，农业机械上应用的相关传感器设备包括转速传感器、距离传感器、角度传感器、压力传感器、流量传感器等。其中零部件的位置检测包括检测零部件或升起或平移的距离、检测零部件转过的角度及零部件之间的相对距离等，例如在耕整地作业过程中利用双轴倾角传感器(图4)检测耕作深度，从而实现对耕作深度的实时调整，确保耕作的合理性。或在植保机械作业时，利用角度传感器检测喷杆的展开情况，从而实现对喷杆伸展与折叠的控制[5]。工作状态的检测种类很多，包括运转零件的转速检测、液体工作压力的检测、液体流量检测、工作温度检测等。例如在植保机械作业中利用液体压力传感器检测液体压力的建立情况，并通过流量传感器检测输药管路中的药液流量，通过调整压力实现对喷药流量的控制[6]。

图4 耕深检测用双轴倾角传感器

2.3 机具位置与环境关系的检测应用

随着农机自动化程度的提升，农业机械的辅助驾驶和自动驾驶技术逐步得到应用，而且在智慧大棚中，也对机械装备的自动执行动作和开展工作提出了更高要求，利用传感器获取位置和环境信息是实施以上工作的前提条件。机具位置获取和环境信息获取的传感器包括GPS传感器、视觉传感器、激光传感器、雷达传感器等。在实际生产中，利用GPS传感器能够获取农业机械的坐标信息，并为农机行驶提供定位和线路。在自动驾驶中，利用GPS传感器配合视觉传感器或雷达传感器等能够进一步探测农机位置及作业周边的环境信息，避免因障碍物或地形条件变化影响机械自动化生产的实施。在智慧农业大棚中，常使用光电传感器进行自动作业设备的定位。例如在自动喷雾作业时，作物上方可移动喷杆在运动中若遮挡住光电传感器的光束，则表明喷杆运动到该位置，有利于实现智慧大棚的定点喷施。

3 传感器技术在农机故障预防中的应用

3.1 对于工况异常的示警

传感器的大量应用不仅能够实现对农业机械工况的实时监测，还能够在农机出现故障问题时通过数据分析及时发现，避免严重故障的发生。传感器的工况异常警示和故障预防主要表现在以下几个方面：一是机具运转出现异常振动时，通过振动传感器获取异常振动信号，农机的ECU会根据获取的异常振动信息和发送信息的传感器位置综合分析故障问题的可能原因，并对该位置进行故障警报；二是机具工作温度异常，农业机械的发动机、传动箱、液压系统在使用中都可能产生高温，当温度异常升高时，温度传感器会及时将异常信息发送回ECU，提醒驾驶员主要检查机具故障；三是转速异常的警示，主要是针对发动机、液压泵、风机等转动部件进行检测，当发现转速突然变化，则将异常信号传输回ECU，再通过ECU发出警示指令。此外，工况异常的警示还包括很多方面。例如排气异常警示、冷却液异常警示、牵引力异常警示等。工况异常的及时预警是避免重大故障发生的有效保证[7]。

3.2 故障预防与辅助检测分析

部分先进的农机设备还能够通过传感器进行主动故障预防操作。例如在大型收获机作业的过程中，当某一位置的传动箱齿轮损坏，造成传动异常振动时，传感器会第一时间获取故障信息，并由ECU主动控制该传动机构的运转暂停，同时提醒驾驶员故障的发生，有效避免故障的扩大。利用传感器收集的信息，通过计算机系统能够准确分析故障位置在故障发生前一定时间内的各项工况信息，从而辨别导致故障问题的主要因素，有利于故障问题被妥善处理[8]。

4 结语

综上所述，在现代化的农业生产过程中传感器技术在农业机械中发挥着巨大作用，随着农业机械技术的进一步普及和应用，传感器所能发挥的作用还将进一步扩大，为更好实现农业机械的自动化和智能化，传感器技术应向着多功能、集成化、智能微型化方向发展。同时在电气控制技术的支持下，传感器技术应用将进一步提高农机作业的精细化程度，农机作业的可靠性也将得到大幅提升，传感器技术的应用还能为农业机械的故障维修提供参数依据，为农业机械技术的进一步升级与应用质量的提升创造有利条件。

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