农业机械自动化系统中传感技术的应用

何璐兵 ，张 勃

（许昌电气职业学院，河南 许昌 461000）

农业机械自动化发展是今后农业机械发展的主流方向。在农业机械自动化系统中，传感器是掌握系统核心的基础元件，它能快速、准确地获取各种数据，为农业机械检测能力提供有力的保障。实践证明，如果农业机械自动化系统没有了传感器，就不可能对农业机械系统状况、数据的准确性、信息加工等方面进行检测。传统农业机械的改造离不开传感器，而发展现代化农业机械更是需要海量的传感器。近年来，许多拖拉机、收割机、播种机等农机设备均已安装多种传感器来进行生产作业，以获取精准的农业生产数据，提高农业机械作业效率，保障农业生产的标准化和科学化。因此，传感器在农业生产中的作用越来越重要。

1 传感器概述

传感器是一种可以感知被测信息的设备，它根据特定的规律，将所感知的信息转换为电子信号或其他类型的信息，通常被用在信息传输、分析、控制、操作以及处理等方面。传感器利用物理、化学、生物等多种效应，将测量到的数据转化为电子信号，以此读取各种信息，提高人们的工作效率，继而推动新时期自动化技术的进一步发展。

在众多应用中，农业传感器包括了生命数据传感器和环境传感器。生命数据传感器一般是通过计算机技术，对农作物的生长发育特征进行信息收集，进而对作物的生长情况进行研究。环境传感器主要是通过研究土地、水、自然环境中植物所必需的生长因子，以检测农作物的发育情况，继而达到确保农作物正常生长的目的。当前，农业传感器被广泛使用，而且类型也很多，包括空气湿度传感器、土壤水分传感器、植物仿生传感器、太阳光照度传感器等[1]。

当前，市面上的农业传感器质量良莠不齐，其质量的选取也直接关系着农业的产量。农业传感器耗电量较少，而且材质耐腐蚀，性能好，适用于户外田间耕作。由于受农业发展的制约，且许多农民对传感器的了解不够，因此在实际使用中，必须选用安装方法简易、易于携带、稳定性好的传感器[2]。

2 传感器技术的主要特征分析

传感器技术具有如下特征：一是能够快速地对数据进行反馈；二是能够对不同间距的数值进行测量；三是分辨能力强、可靠性高、精度高；四是具有较好的环境适应性，即使是在恶劣的农业生产环境中，传感器也能够精确地获取所需的测量数据。随着现代科学技术的飞速发展，信息的快速传播和准确传播变得越来越重要[3]。传感器从出现到现在，其原理和功能已经越来越完善，用途也越来越广泛，将传感器技术应用到农业机械自动化系统中，能够节约大量的人力和资源，保证耕作的精准度，从而实现了标准化和自动化的生产作业。

3 传感器在农机自动化系统中的作用

农业机械自动化系统是国家科学技术发展的结果，在农业机械自动化系统中加装传感器是农业现代化发展的必然趋势。传感器具有快速反应和收集数据的能力，而装有传感器的农机设备则可以快速地对数据进行实时的分析，提高农业机械自动化系统的精准度[4]。此外，传感器在工作时不会被任何环境因素所影响，可以在不直接接触物体的条件下，快速地获得相关的数据，并迅速检测和识别，从而真正地做到无接触式的农业机械自动化控制，确保了数据的高精度性和高可靠性。传感器在农用拖拉机、灌溉机、播种机中都有很好的使用效果，可以让农用机械设备在恶劣的农耕环境下进行高准确性和高质量的生产作业。

4 传感技术在农机自动化系统中的具体应用

4.1 底盘控制传感器

在农业机械自动化系统中，传感技术是实现自动化工作的重要技术，其技术水平对整个系统具有很大的作用[5]。在农业机械自动化系统运行过程中，若不能通过传感器技术及时、精确地探测到受控目标的各个参数，并将其转化为传输信号，那么系统则无法获取到所需的控制信息，从而影响到整个农业机械设备的生产作业。比如，农业部门引入了国外的大马力牵引拖拉机，利用各种传感技术来提升农业机械设备的使用效能。各个传感器在不同的应用中所起到的作用是不一样的，但是它们的工作原理却是相同的。近年来，许多拖拉机、收割机等农机都装有不同的传感器，以提高机械设备的效能。随着科学技术的进步，农业机械设备的自动化水平日益提升，传统的机械系统已无法处理与农机设备相关的问题，从而被自动化系统所取代。传感器是农机设备的核心元件，其工作特性的好坏将直接关系到农机设备的工作状态。当前，农业机械传感器有10~20个，它们的应用范围包括底盘、车体等[6]。在发动机底盘中使用这些传感器可以改善发动机的动力性，降低油耗，减少废气排放等，因为其在严酷的条件中工作，如泥浆、尘土等，所以其性能比一般的传感器要好得多。底盘控制传感器的性能指标有多种，而最重要的是测量数据的准确性和可靠性。美国开发的一种具有自动控制功能的农用收割机器，基本原理是由电子控制装置将底盘控制传感器输出的信号转换成一个上升或下降来维持割台高度的信号，再由电磁阀门带动油缸进行相应的运行，以此开展收割作业，提高农作物的收割效率。

4.2 压力传感器

压力传感器广泛应用在交通行业，其功能包括制动压力、压力监测、机油压力监测、轻载液压控制、机械结构气门等[7]。将压力传感技术推广到农业机械自动化领域，能有效地克服许多农机自动化技术难点，促进农机自动化技术的全面推广。在农业机械领域中，压力传感器主要应用在以下方面：一是利用压力传感器对水压、气压进行检测，测定液肥的喷射压力，并利用控制装置对喷头的工作状况进行调节；二是利用压力传感器通过液压驱动来对农业机械设备进行升降和移动，监控平整耕作机械安全装置的压强；三是根据测定的油压、液压等数据信息，利用压力传感器来判定农业机械设备的运行状况，以确保农业机械设备在生产作业中的安全性。在实际作业中，相关工作人员要选用相应的压力传感器，如液压、气力传感器等要慎重选用，注意其载荷、防爆等重要要素，以保证农用作业的安全性与可靠性。

4.3 数字传感器定位技术

GPS导航技术被广泛地应用在农业机械自动化领域中，为农机领域带来了巨大的效益。其所获得的数据准确度和可靠性都很高，为下一步的农业生产作业提供了数据依据。但在实际作业中，GPS定位技术对精度的要求很高。因此，GPS定位技术的应用也较为复杂，成本较高，在小范围的农田上，应用GPS定位技术就会增加人力、物力成本，在无形之中提高了人工劳动强度，这显然不符合信息化农业机械发展的需求[8]。而将数字传感器定位技术与GPS定位技术相结合，应用到农业机械自动化系统中，可以有效地确保GPS的数字化校正精准度。在实际作业中，利用建模技术实现简单、精确的数字化建模，并利用微型处理器对数据的误差进行实时校正，从而确保 GPS定位系统的精准度。农机自动控制装置接收来自机械传感器的信号，并将其转化为A/D变换器，再将其输入CPU，最后进行下一步的工作。但 CPU在进行信号处理时，会产生一种类似于脉冲形式的噪声，噪声会对数据的判定产生影响，必须将噪声降到最低，以达到零点漂移，从而提高GPS定位系统的精准度。

4.4 光电传感器

光电传感器可以通过所要检测的物理量，将数据转化为光电信息的变化值，之后再利用光电器件把光电信息转变成电学信号。光电传感器一般由以下三大部分组成：光电单元、光源器件和光学通道[9]。在农业生产中，播种机是关键的机械设备，在播种过程中，自动化控制系统要对播种机的响应速度和可靠性进行调控。在进行播种时，采用光电传感器，能够精确地测量出播种量。光电传感器的构造相对简单，抗电磁干扰能力较好，而且价格相对低廉，不会对播种机的机械性能产生任何影响。目前，光电传感技术已发展成了一项有效的种子籽粒间距检测方法，通过地轮的前进速度以及两个籽粒的间距来检测种子籽粒的长度，然后将光电传感器固定在导管上，进行计数，当每一颗种子被光敏探测器阻挡的时候，它就会产生相应的脉冲信号，而这个脉冲信号就会自动转换成数据，被系统记录下来。准确地将导种管的种子数目转换成由微处理器辨识的信号，是光电传感器的重要功能之一，光电传感器的工作状态与整个播种机的性能和效益有很大的关系，从而对产量产生重要的作用。随着国内农用机械自动化技术的不断进步，部分农用喷药利用液压机构实现了对喷药杆位置的平衡和固定，并应用自动化技术，对机械设备的行进速度、植保面积、喷药压力、喷药量等进行了严密的监测和调整，使农用机械设备的工作效率和可靠性得到了极大地提高。

4.5 仿生传感器

仿生传感技术是一种全新的农业机械探测技术，利用细胞、酶等生物活性材料与转换器共同构成传感器。仿生传感器是近几年在生物医药、电子学和工程学相互融合的基础上产生的[10]，具有良好的性能和较长的使用寿命。在众多仿生传感器中，生体模拟传感器是应用最为广泛的一种，而机器人传感器是最具代表性的生体模拟传感器。根据机器人传感器的功能可划分为位置检测传感器、位移检测传感器、角度位移检测传感器、速度检测传感器以及力觉检测传感器。随着中国经济的发展和社会的转型，大批农民向城镇流动，农村人口老龄化问题日趋严重，严重影响了农业经济的发展。农业采摘机器人的出现，使得农民的工作强度大大下降，生产效率和品质得到了显著提升，进一步推动了农业机械自动化技术的发展。针对不同的操作目标和环境，农业采摘机器人采用了多种传感器来提升采摘作业的感知度和智能度。根据采摘的先后次序，可以分为视觉式、位置式、力式和障碍式。目前，国内已经开发了苹果、雪梨、火龙果、桃子等水果的采摘机器人技术，还有棉花等农产品的采摘机器人技术也在研发中，进一步推进了农业机械的自动化发展，保障了农业生产的标准化和科学化。

5 结语

随着农业机械的不断发展，农业机械自动化系统作为一种新的农机战略系统，强调了自动化技术在农业机械生产中的重要运用。而传感器技术是农业机械自动化系统的核心技术，其应用覆盖了农作物的播种、生长、收割以及加工的全过程，是推动农业机械现代化、信息化和自动化发展的关键技术，也是提高农业机械生产效率的有力保障。因此，相关工作者应重视传感器的应用，落实科学发展观，根据当前的实际生产作业情况来选择合适的传感器，推广传感器的应用技术，学习信息化专业知识，以提升农业机械作业精度，推动农业经济更快、更好发展，助力乡村振兴。