光電式籽棉質量流量傳感器的試驗研究

梁　錦，馬　蓉，張長龍，石　翔，謝振偉

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子　832000)

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光電式籽棉質量流量傳感器的試驗研究

梁錦，馬蓉，張長龍，石翔，謝振偉

(石河子大學 機械電氣工程學院，新疆 石河子832000)

摘要：針對籽棉在管道中的輸送過程，設計了一種光電式籽棉質量流量傳感器，以實現籽棉質量流量的檢測。在籽棉質量流量試驗臺上對該傳感器進行了測試與研究，確定了籽棉質量流量和光電傳感器輸出信號的關系，發現二者的有非常良好的線性關系，并對二者進行了線性擬合，擬合度R2= 0.99，表明該傳感器是非常具有潛力的。

關鍵詞：籽棉；質量流量傳感器；光電式

0引言

近年來，新疆生產建設兵團大力推廣采棉機，機采棉的種植面積越來越大[1-2]。目前，采棉機械和棉花加工機械普遍采用管道氣力輸送方式[3-5]，結合籽棉自身的物料特性，由此可以確定進行在線質量流量檢測的最優形式為非接觸式測量。棉花的氣力輸送過程屬于典型的氣固兩相流稀相流的研究范疇[6]。現階段，氣固兩相流的非接觸式檢測方法主要有光電法、靜電法、超聲波法和電容法等[7-10]。鑒于應用場合和成本，籽棉質量流量檢測采用光電法比較合適，即利用光衰減或透射性轉換成相應電壓信號或頻率信號等信號輸出的方法是比較合適的檢測方法。一些學者已經開展了其他原理的籽棉質量流量檢測方法的研究，如差分式電容法[11]、管路壓差法[12-13]、微波法[14]，但這些方法目前仍處于室內研究階段。

本文提出了一種基于光電法檢測籽棉質量流量的方法,并設計和搭建了籽棉流量試驗臺進行了試驗。同時，本文還對室內試驗和和田間試驗的一些差別進行了討論。

1測量原理及裝置

1.1籽棉流量的光電轉換

光電傳感器基本工作原理如圖1所示。發射傳感器包括發射端和接收端兩部分：發射端發射出固定波長的光束，通過平凸透鏡后成為平行的光束，平行光束在穿過輸棉管橫截面的后達到輸棉管另一側的接收端感光區；接收端由對應的光電感應芯片構成，通過安裝在表面的凸透鏡，將發射器發出的到達感光范圍內的平行光分別聚焦到光電感應芯片的感光體凸點上。如果沒有棉花通過輸棉管時，傳感器輸出的信號不會發生改變；而如果籽棉在通過光電式傳感器時，由于光通量的變化，傳感器輸出的電壓將發生變化。

圖1　光電檢測原理圖

當籽棉在風力作用下流過輸棉管時，將會對光造成衰減，傳感器接收端的信號減小并產生一個電壓信號，通過試驗能得出光強的衰減量與籽棉流量大小的關系。光衰減率為

式中Vp—沒有棉花通過時接收端的輸出電壓；

Vi—有棉花通過時接收端的輸出電壓；

φ—光衰減率。

1.2光電傳感器的設計及安裝

安光輝在試驗臺上開展了籽棉纖維對不同波長的光源的衰減作用的檢測試驗，試驗波長范圍為400～1 100mn。試驗結果表明：940nm的近紅外光源對籽棉纖維具有良好的衰減特性，且對棉花品種和含水率不存在顯著關系[15]。

傳感器包含發射端和接收端兩個部分，其結構圖如圖2所示。基于以上理論分析,傳感器發射端陣列選用5個Vishay公司的TSAL6400的近紅外LED作為光源，其波長峰值為940nm，工作電流范圍為 20～100mA，具有較高的輻射強度。發射端的接線圖如圖3所示。

圖2　傳感器結構圖

圖3　發射端電路圖

傳感器接收端陣列選用5個美國德州光電儀器公司(TIAO)生產的光電轉換器TSL260R，可根據接收到光強的強弱,線性輸出相應的電壓信號。每個TSL260R的信號線分別接向數據采集模塊的對應通道。接收端的接線圖如圖4所示。

為了便于傳感器安裝，在輸棉管中部位置的上表面和下表面開了4個133mm×51mm的槽，安裝的位置如圖6所示。在本次試驗中，輸棉管上安裝了兩套傳感器，分別為傳感器1和傳感器2。

圖4　接收端電路圖

1.3電壓信號的采集及軟件

試驗中，電壓信號的采集使用的是USB7325A型高速光電隔離型模入數據采集模塊(北京中泰研創有限公司)，可進行多路信號采集，采集的電壓范圍為0～4V、0～5V、0～10V、±3V、±5V、±10V，可采集16組數據，本次試驗中選擇的范圍是0～10V。傳感器1接收端和數據采集模塊的3～7通道相連，傳感器2接收端和8～12通道相連。數據采集軟件的采用的是LabView軟件，主要包括通訊參數的配置、數據實時曲線圖及數據保存等功能，數據采集界面如圖5所示。

圖5　時性數據采集界面

2籽棉流量檢測試驗臺

籽棉流量試驗臺的結構簡圖如圖6所示。該試驗臺的設計盡量和現有的采棉機上氣力輸送部分保持一致。試驗臺主要由風機、喂棉箱、輸棉管道、流量控制器、儲棉箱和高精度電子秤組等組成。風機選用的是5-29-350型離心風機(新疆永通風機廠，380V)，額定轉速3 150r/min，流量為3 876m3/h，全壓3 555Pa。與之配套的電機采用的是西安西瑪電機有限公司的Y100M2-2型電機，額定功率為15kW。經過測定，出口的風速為35m/s，和采棉機上的風速大致接近。

喂棉箱中包含兩個喂花輥，其旋轉方向相反，能將籽棉比較均勻地喂入到輸棉管中。喂花輥驅動由1001-6型(凱利達防爆電機，380V)可調速電機驅動，傳動方式為鏈傳動，經過變速后與鏈輪同軸的喂花輥最大轉速為34r/min。變頻器與該電機相連，通過調節變頻器上的旋鈕來調整喂花輥的轉速，從而控制籽棉流量。

圖6　試驗臺結構簡圖

3試驗與數據分析

3.1試驗方法及步驟

先后打開風機電機開關和喂棉電機開關，等棉花流量比較均勻時開始測量并采集數據。籽棉通過輸棉管，傳感器采集到信號，籽棉最后進入儲棉箱中。儲棉箱的下方安裝有高精度的電子秤，用來稱量儲棉箱中籽棉的質量。調節變頻器來改變籽棉流量的大小。進行試驗時，每次測量的時間分為30、60、90、120、150、180s。每個時間段的試驗重復4～5次，每次重復試驗時都會對流經管道的棉花進行稱重。

輸棉管的截面是保持固定的，棉花的質量流量按每次試驗的棉花總質量除以時間進行計算。計算公式為

式中m—每次試驗時通過；

t—每次進行試驗的時間；

Q—籽棉的質量流量。

其它籽棉流量的大小的標定也按照這種方法進行。

3.2試驗結果分析

在正常情況下，試驗臺的總體運行情況良好。可以通過調節變頻器實線籽棉流量的改變，滿足籽棉流量室內測試試驗的要求。然而，當變頻器的數值為5或者更高時，籽棉有時候會堵塞在輸棉管的入口處，則需要一臺更大容量的風機來測量更大的籽棉流量。當變頻器的數值為3.0時，試驗臺每分鐘能輸送3.94kg籽棉；變頻器數值為4.0和4.5時，每分鐘分別能輸送籽棉的質量為8.43kg和9.48kg。變頻器的數值分別設置為3.0、4.0、4.5時，得到的試驗結果如圖7、圖8和圖9所示。通過分析這3組試驗結果可知：試驗時間和籽棉的質量有很強的線性相關性。

圖7　試驗時間與通過籽棉的質量(1)

圖8　試驗時間與通過籽棉的質量(2)

圖9　試驗時間與通過籽棉的質量(3)

光電式籽棉流量傳感器的測試結果如圖10、圖11和圖12所示。通過輸棉管的籽棉質量與傳感器的輸出信號有非常好的線性相關性。圖10的輸出信號是傳感器1和傳感器2輸出信號的總和與輸送籽棉自量的關系，表明通過的籽棉質量和總的輸出信號的線性擬合度R2= 0.99；圖11所示是只有傳感器1的輸出信號與輸送籽棉質量的關系；圖12為只有傳感器2的輸出信號。由此可知：通過的籽棉質量與兩個單獨的傳感器輸出信號同樣有一個非常高的線性相關性(R2=0.99)。通過兩套傳感器進行試驗的結果可知：使用一套傳感器即能獲得比較準確的試驗數據。測試結果表明：該傳感器對棉花測產具有巨大的應用潛力。

圖10于 籽棉質量和傳感器輸出信號的關系

圖11　籽棉質量和傳感器輸出信號

圖12　籽棉質量和傳感器輸出信號

4討論

1)通過多次試驗還發現：試驗中用來測試的籽棉在通過試驗臺1次后會纏繞在一起且外形有了一定的改變。這種物理上的形變可能會影籽棉流量與傳感器測量結果的一致性，扭曲后的籽棉的密度明顯會高于松散的籽棉。當在試驗臺上進行試驗時，籽棉物理上的形變也應該考慮在其中，不建議將試驗樣品棉花使用2次以上。

2)值得注意的是，即使在變頻器的數值相同的情況下，測試的結果也會有所變化。例如，變頻器的數值為3.0時，持續時間為60s的籽棉流量比平均流量速率高18.34%；而當變頻器的數值從3.0調至4.0時，籽棉流量降低13.20%。該情況在傳感器后期的標定時進行考慮。

5結論

1)當變頻器的數值不同時，試驗時間和通過的籽棉的質量有非常良好的線性相關性，說明了試驗臺滿足室內研究的要求。

2)通過的籽棉的質量和傳感器的輸出信號的相關性非常好，通過線性擬合，擬合度R2= 0.99，說明傳感器具有很好的潛力，利用光電傳感器是可行的。

3)指出了一些室內試驗和田間試驗的區別，這些問題需要在傳感器的標定和優化的過程中予以考慮。

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Experimental Study on Seed Cotton Mass Flow Sensor Based on Optoelectronic Detection

Liang Jin, Ma Rong, Zhang Changlong, Shi Xiang, Xie Zhenwei

(Machinery and Electricity Engineering College，Shihezi University，Shihezi 832000，China)

Abstract：For seed cotton delivery process in the pipeline, a seed cotton mass flow sensor was designed in order to measure mass flow of seed cotton.The sensor was tested on the cotton-harvester-flow simulator with different cotton flow rates, and the relationship between feeder rate and amount of conveyed seed cotton was found to be consistent. It showed that the output signal was very strongly correlated to conveyed cotton weight with a R2of 0.99, indicating that the sensor is very promising.Finally, some differences between laboratory testing and field-testing was noted.

Key words：seed cotton; mass flow sensor; optoelectronic

文章編號：1003-188X(2016)06-0200-05

中圖分類號：S237

文獻標識碼：A

作者簡介：梁錦(1989-),男，四川錦陽人，碩士研究生，(E-mail)443663612@qq.com。通訊作者：馬蓉(1974-)，女(回族)，新疆石河子人，教授，碩士生導師，(E-mail)lzymrhs@163.com。

基金項目：國家自然科學基金項目(F030305)

收稿日期：2015-07-09