排種器振動種盤內種群質量實時監測方法

周洪如，吳亞芳，李洪昌,，趙 湛

排種器振動種盤內種群質量實時監測方法

周洪如1，吳亞芳2，李洪昌1,2，趙 湛2

(1.常州機電職業技術學院，江蘇 常州 213164；2.江蘇大學 現代農業裝備與技術教育部重點實驗室，江蘇 鎮江 212013)

采用懸臂梁稱重傳感器測量排種器振動種盤內種群的沖擊力，在分析不同參數下輸出信號變化特征的基礎上，設計了由加法器、精密半波整流、二階巴特沃斯低通濾波和差動放大串聯組成的信號處理電路，實現了振動狀態下種群質量的實時監測。在振動種盤試驗臺上進行了性能試驗，設定振幅為3、4、5mm，相應振動頻率分別在11～13Hz、10～12Hz、9～11Hz范圍，結果表明：當單位面積籽粒質量κ< 1.8 g/cm2時，信號處理電路輸出電壓Vout與κ的非線性誤差小于5.5 %；當κ> 2.0g/cm2時，由于種群振動運動的不穩定導致輸出電壓Vout的波動性增強，測量的非線性誤差增大。信號處理電路零點輸出電壓隨種盤振動強度的提高而增大，測量靈敏度隨種盤振動頻率的提高而降低，籽粒形狀和力學特性差異對測量結果的影響可以被忽略，監測方法具有很好的適應性。

排種器；振動種盤；種群質量；實時監測

0 引言

育苗移栽是我國主要的水稻種植方式，移栽秧苗的返青成活快，能促進根系發展、增加有效分蘗，提高單位面積產量[1-2]。隨著高產水稻的大面積推廣種植，它對育苗精度提出了更高的標準，要求每穴1～2粒的精密播種[3-4]。排種器是實現精密播種的核心部件，其工作性能的好壞直接影響播種精度、均勻性和出苗率。氣吸式排種器的播種精度高、通用性好、適應性強，且具有對籽粒外形尺寸要求不嚴格及傷種率低等優點，成為精密排種器發展的一個重要方向[5-10]。它按結構形式可以分為盤吸式、針吸式和滾筒式等，盤吸式排種器的作業效率高、每盤的播種量易于控制，是水稻毯狀育秧播種的理想裝置[11-12]。

水稻籽粒普遍為橢球狀散體顆粒，表面粗糙，內摩擦因數大，通過對種盤施加垂直方向的小幅高頻振動，使種群產生向上的拋擲運動而相互分離，以減小籽粒間的摩擦力，是提高吸種精度的重要方法[13-15]。然而，籽粒在振動激勵下的流動性也會增強，受到排種器姿態、安裝精度和干擾等因素的影響，容易導致其在種盤內分布的不均勻，即種盤內某些區域籽粒多，某些區域籽粒少，甚至沒有籽粒，這是導致盤吸式排種器連續作業性能下降的重要因素。為此，課題組設計了能夠實現垂直往復和兩自由度水平轉動的振動種盤機構，提出根據種群的實時分布狀態自動調節種盤的振動方向，以促進種群的均勻離散，其中一個重要問題就是在振動狀態下對種群質量進行監測。

本文采用稱重傳感器測量種盤振動過程中的籽粒沖擊力，根據沖擊力信號特點設計信號處理電路，開展了種盤在振動狀態下單位面積籽粒質量κ的實時監測方法研究，并分析不同作業參數對測量精度的影響。

1 測量方法與信號分析

1.1 沖擊力測量方法

為了使種群能夠有效離散，種盤的振動強度需大于1。在振動周期中，種群會被拋離種盤底板并發生碰撞，沖擊力的大小主要與種盤振動參數和種群質量有關。試驗選用懸臂梁稱重傳感器測量種群的沖擊力，傳感器量程為500g，分辨率 0.01g，變送器響應頻率2kHz，靈敏度 (2±0.1)mV/V，綜合誤差小于0.05%，安裝方式如圖1所示。圖1中，種盤為700mm×420mm的矩形，在底板加工62mm×62mm的正方形窗口；傳感器的安裝端固定連接于種盤底面，監測板面積為60 mm×60 mm，固定連接于傳感器的測量端，安裝位置位于底板正方形窗口中心，并與種盤底板保持相同水平面；4組相同的測量裝置分別安裝于種盤4端。

1.種盤 2.懸臂梁稱重傳感器 3.監測板圖1 傳感器安裝示意圖Fig.1 Installation structure diagram of cantilever force sensors

其優點是對土壤破壞小、動力消耗少。條帶旋耕種行后土壤疏松，播種質量好。尤其是在一年兩熟區玉米收獲后免耕播種小麥，由于在玉米生育期進行過中耕、追肥、培土等作業，收獲時地表有壟溝，除條帶旋耕播種技術外，尚沒有其它更適合的技術[1]。條帶旋耕技術是保護性耕作技術推廣實施中出現的新技術，填補了我國北方一年兩熟地區夏玉米秸稈覆蓋下冬小麥少耕播種機具的空白[1]，是我國北方一年兩熟地區冬小麥實施保護性耕作的關鍵配套機具。該機具與43kW以上的拖拉機配套使用，首次采用分體式結構設計實現了一機多用，提高了各部分的通用性能，減少了機具的進地次數，降低了作業成本，對冬小麥搶時、搶種、增收效果十分明顯。

1.2 沖擊力信號分析

測量過程中，為了避免由于種群的流動引起的監測區域內種群質量的變化，在監測板周圍固定安裝80 mm×80 mm的擋框，在擋框內添加籽粒，記錄傳感器的輸出信號。

種盤振動頻率f= 11 Hz、振幅A= 4mm，單位面積籽粒質量κ分別為0、0.59、1.42g/cm2，傳感器輸出電壓信號V0如圖2所示。由于監測板隨種盤作同步振動，沒有籽粒時(κ=0)，輸出電壓主要是由監測板的振動慣性力所引起，雖然受到摩擦等因素的影響，存在一定的干擾，但總體呈現為正弦周期信號，且幅值主要取決于監測板的質量和振動強度；當監測區域有籽粒時，輸出電壓則是由監測板慣性力和籽粒沖擊力兩部分組成。為了提高籽粒沖擊力的權重，提高測量靈敏度，實際選用了厚度為3mm的鋁合金材料，質量約為30g。由圖2還可以看出：種群在t0時刻被完全拋離監測板，輸出電壓為監測板的振動慣性力，在t1時刻種群與監測板開始發生碰撞，輸出電壓V0迅速增大，并在t2時刻達到峰值Vp；然后逐漸減小，直至下一周期t3時刻，種群再次被拋離監測板。

圖2 傳感器輸出電壓VoFig.2 Output voltage of cantilever force sensor with different κ

假設種盤的振動方程為

z=Asin(2πft+φ)

(1)

進行水稻播種時，振幅A和頻率f的取值范圍通常為3～5 mm、10～12Hz，理想的籽粒層厚15～25 mm，對應的κ約為1.0～1.6g/cm2。在此參數范圍內進行重復試驗發現：種群拋離時刻t0、碰撞時刻t1和沖擊力峰值時刻t2與種盤振動參數和籽粒層厚相關，對應的相位角φ0、φ1、φ2均在一定范圍內波動。這就導致傳感器輸出電壓的峰值Vp與籽粒質量之間不存在很好的線性關系。

根據動量定理，種群在碰撞過程中動量的改變等于其受到的監測板沖量，即

(2)

式中Ft—種群受到的沖擊力(N)；

m—種群質量(kg)；

v1、v3—種群在t1、t3時刻的平均速度(m/s)。

將不同振動參數、單位面積籽粒質量κ在0～1.8g/cm2范圍內獲取的傳感器輸出電壓V0，分別進行整周期積分計算，將計算結果與κ進行線性擬合，得到的平均非線性誤差約為2.5 %。

分析測量結果發現：在種盤振動的上下端點位置，即相位角φ=±π/2附近，每個周期之間存在的誤差較大。這是因為種盤采用的是曲柄滑塊機構驅動，受加工安裝精度的影響，在上下端點的運動穩定性較差。相位角φ=π/2正好接近于種群被拋離種盤時刻t0，為了消除這一干擾因素，采用只取正值積分計算，非線性誤差可以降低到1.0 %。

2 信號處理電路設計

根據上述分析結果，設計的信號處理電路如圖3所示。由于監測板自身質量的影響，使得傳感器輸出電壓V0存在偏移，偏移量等于監測板質量與傳感器測量靈敏度的比值。因此，首先將V0和可調電壓Vp0輸入反向加法器進行求和運算，通過改變Vp0的幅值即可實現輸出電壓V1偏移量的調節，然后將V1輸入精密半波整流電路。當V1<0時，二極管D1截止、D2導通，輸出電壓V2=-V1(R7/R6)；當V1>0時，二極管D1導通、D2截止，輸出電壓V2= 0，從而去除V1的負值信號，降低種盤在端點位置運動不穩定的影響，且可以通過調節Vp0控制去除負值信號的比例。再將V2輸入二階Butterworth低通濾波器，設定截止頻率(fc=1 Hz)遠小于信號頻率，消除諧波得到V2穩定的均值V3。最后，通過差動放大器得到輸出電壓Vout，Vout的零點和增益可以通過分壓電阻R13和增益電阻R14來調整。

圖3 信號處理電路Fig.3 Signal process circuit

3 結果與分析

3.1 標定試驗結果

為了驗證種群質量監測方法的準確性，選擇了不同物理特性的水稻籽粒，在振動種盤試驗臺上進行標定性能試驗，結構如圖5所示。設定種盤振幅為3、4、5mm，對應振動頻率分別為11～13、10～12、9～11Hz，單位面積籽粒質量κ在0～2.5g/cm2范圍，使用分辨率為0.01g的電子秤稱重一定量的籽粒，連續添加至監測區域，記錄信號處理電路輸出電壓Vout的穩定值，結果如圖4所示。

圖4 信號處理電路輸出電壓Vout與單位面積籽粒質量κ的變化關系Fig.4 Variation of output voltage of signal processing circuit Vout versus seeds-mass-per-unit-area κ

試驗發現：輸出電壓Vout主要取決于籽粒的質量，籽粒幾何形狀、含水率和千粒質量等特性差異造成的影響很小，可以被忽略。當κ<1.8g/cm2時，Vout與κ具有較好的線性關系，采用最小二乘法進行線性擬合，非線性誤差小于5.5%，結果如表1所示。當κ>2.0g/cm2時，Vout會出現在一定范圍內波動，穩定性降低，非線性誤差迅速增大。由于種盤的振幅主要是由其結構參數所決定，工作過程中不會發生變化，而振動頻率則取決于電機的驅動信號，容易發生波動，因此對振幅A=3、4、5mm及頻率f在相應范圍內進行標定，綜合非線性誤差分別小于10%、7.5%、8.5%，量程和誤差均能夠滿足排種器監測性能要求。

1.信號處理電路 2.變送器 3.種盤 4.監測板 5.懸臂梁稱重傳感器圖5 振動種盤試驗臺Fig.5 Test-rig of vibrating tray表1 測量結果誤差分析Table 1 Error analysis of measurement results

振幅A/mm頻率f/Hz靈敏度K/V·cm2/g零點輸出/V非線性誤差/%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 影響因素分析

由于采用的是沖量法測量質量，種群與種盤碰撞運動的穩定性是影響測量精度的主要因素。散體動力學研究發現：對籽粒群施加豎直方向簡諧振動激勵時，籽粒之間會發生復雜的非彈性碰撞，并不斷地消耗動能，呈現出分離、對流、成堆等多種復雜運動形式[16]。盡管每個籽粒的運動具有一定的隨機性，但大量籽粒堆積在一起的，其自由程較小，不管上層籽粒的運動形式如何變化，底部始終部分籽粒保持密堆積狀態，導致其總體運動表現出從穩定到倍周期分岔的現象，且分叉點所對應的頻率會隨著籽粒層厚的增加而降低。試驗測量獲得振幅A=4mm、頻率f=12Hz時面積籽粒質量κ對傳感器輸出信號V0變化的影響如圖6所示。

圖6 單位面積籽粒質量κ對傳感器輸出信號V0的影響Fig.6 Effect of seeds-mass-per-unit-area κ on output voltage of cantilever force sensor V0

由圖6可以看出：當κ=1.0g/cm2時，V0為穩定的周期信號；隨著κ的增加，種群與種盤之間碰撞運動的穩定性被逐步打破；κ=2.4g/cm2時，V0表現出典型的倍周期特性，種群和種盤的碰撞相位角及V0的幅值均發生變化，直接導致信號處理電路輸出電壓Vout發生波動和測量非線性誤差增大。

信號處理電路的零點(κ=0)輸出電壓是由監測板的慣性力所決定。由表1可以看出：它隨振動強度的增加而增大。種盤振動強度對傳感器輸出電壓V0的影響如圖7所示。隨著振動強度的提高，κ=0時，V0的幅值及種群拋離種盤時刻t0所對應的相位角φ0均隨之增大，導致由種群沖擊力產生的電壓分量在小于0 V區域所占比例增加。信號處理電路采用了半波整流去除負值信號，使得實際測量獲取的種群沖擊力比例隨振動強度的增加而減小，導致靈敏度的降低。

圖7 振動強度對傳感器輸出信號Vo的影響Fig.7 Effect of vibration strength on output voltage of cantilever force sensor Vo

4 結論

1)采用懸臂梁稱重傳感器測量種群的振動沖擊力，設計了由加法器、精密半波整流、二階巴特沃斯低通濾波和差動放大串聯組成信號處理電路，實現了振動種群質量的實時監測。

2)在排種器振動種盤上進行了標定性能試驗，結果表明：種盤振幅為3、4、5mm，相應振動頻率在11～13、10～12、9～11Hz范圍內，單位面積籽粒質量κ<1.8g/cm2時，測量的非線性誤差小于5.5%。零點輸出電壓隨種盤振動強度的提高而增大，靈敏度則隨之降低。

3)隨著單位面積籽粒質量κ的進一步增加，種群與種盤之間穩定的周期碰撞運動逐步被打破，導致信號處理電路輸出電壓的波動性和測量的非線性誤差顯著增大。

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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

國家自然科學基金項目(51305169)；江蘇省農機“三新工程”項目(Nj2016-02)

周洪如(1964-),男，江蘇宜興人，副教授，高級工程師，(E-mail) 1070737239@qq.com。

李洪昌(1973-)，男，山東東明縣人，副教授，博士后，(E-mail)sxlhch@163.com。

S126；S220.3

A

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