青貯飼料緊實度與含水率復合傳感器設計與試驗

孟繁佳 魏鴻怡 孟德倫 李 莉

(1.中國農業大學現代精細農業系統集成研究教育部重點實驗室， 北京 100083；2.中國農業大學農業信息獲取技術農業部重點實驗室， 北京 100083)

0 引言

青貯飼料品質與其緊實度和含水率密切相關。在青貯飼料發酵過程中，緊實度不足將導致飼料中殘留氧氣過多，厭氧形成階段延長，蛋白質變性，大量可溶性碳水化合物被消耗掉，降低飼料的品質[1-7]。青貯飼料含水率對青貯期間全菌數量和發酵速率有很大影響，青貯飼料含水率過高，容易產生大量的青貯滲出液，造成干物質損失[8-10]。

目前，常用的青貯飼料緊實度測量方法有稱量法、γ射線透射法和圓錐指數法。稱量法是通過測量被測青貯飼料的質量和體積，計算出青貯飼料密度，該方法只能獲取被測飼料的平均密度，無法反映飼料內部不同位置的密度差異[11-12]。γ射線透射法是用γ射線掃描青貯飼料，得到飼料緊實度的二維分布圖，有研究表明[13-15]，其測量相對誤差低于1%。但該方法設備造價昂貴，且γ射線對人體造成潛在危害。近年來，圓錐指數儀被應用于青貯飼料緊實度測量領域[16]，青貯飼料是復雜的彈塑性多孔介質，在圓錐貫入的過程中，青貯飼料會側向擠壓圓錐桿，而圓錐指數儀的壓力傳感器大多安裝在圓錐桿上端，這使得壓力傳感器測得的阻力值是錐尖所受阻力和圓錐桿所受摩擦力的疊加，影響圓錐指數儀測量精度[1,12]。為了提高測量精度，SUN等[17-18]采用濾波模型消除圓錐桿摩擦力對測量的影響。青貯飼料含水率主要采用干燥法和紅外法進行測量。干燥法不僅測量周期長，而且取樣時會破壞青貯結構，使空氣進入青貯飼料內部，造成飼料的二次發酵，發生霉變。紅外水分測量裝置的結構復雜，且不耐用，不適合現場實地測量[19-21]。

目前的測量裝置大多只能實現單參數測量，不能全面評價青貯飼料的品質。本文在圓錐指數測量技術的基礎上，應用頻域法設計一種新型復合傳感器，以實時、同步測量青貯飼料緊實度與含水率。

1 復合傳感器設計

復合傳感器主要由探頭、圓錐桿和導線組成。按照美國農業生物工程師學會(ASABE)標準設計尺寸，探頭錐角為30°，底面直徑為12.83 mm，圓錐桿直徑為9.53 mm[22]。圓錐桿為空心圓桿，與探頭采用可拆卸連接。導線穿過圓錐桿，連接探頭與測量電路，結構如圖1所示。

圖1 復合傳感器結構圖Fig.1 Structure diagram of combined probe1.探頭 2.圓錐桿 3.導線

圖2 探頭結構圖Fig.2 Structure diagram of probe1.空心金屬桿 2、4、6.出線孔 3.應變片 5.錐頭 7.長絕緣環 8.金屬環 9.短絕緣環

為實現青貯飼料的緊實度和含水率的復合測量，將含水率測量電極和電阻應變片嵌入到探頭中，探頭結構如圖2所示，包括空心金屬桿、長絕緣環、短絕緣環、金屬環、錐頭以及感應元件等。其中錐頭和金屬環作為含水率測量電極，分別通過同軸電纜與含水率測量電路相連。與金屬環相連的同軸電纜穿過長絕緣環一側的出線孔6和空心金屬桿出線孔4，從空心金屬桿內部導出，與錐頭相連的同軸電纜從空心金屬桿內部引出。空心金屬桿出線孔以上較細部分作為嵌入式壓力傳感器的彈性體，感應元件粘貼在彈性體周圍，與感應元件相連的導線從出線孔2導出，測量圓錐阻力，以反映青貯飼料緊實度。空心金屬桿上下兩端都有螺紋，分別與圓錐桿和錐頭相連接。由于青貯飼料制作過程中，乳酸菌發酵會產大量乳酸，使青貯飼料內部的酸性很高，因此探頭的空心金屬桿、金屬環、錐頭采用高強度和抗腐蝕性強的鎳鉻合金材料制成，長絕緣環和短絕緣環采用PVC材料制成。采用硅橡膠將傳感器電路密封，提高探頭的防水性能。

感應元件選用高精度電阻式應變片，每片應變片阻值為350 Ω，靈敏系數為2.09，基底尺寸為4.5 mm×3.5 mm，箔片尺寸為1.5 mm×2.5 mm。用610膠水將4片應變片粘貼在彈性體四周。彈性體受壓時會發生形變，粘貼在彈性體四周的應變片阻值將隨彈性體的形變而變化。由于應變片存在橫向效應，會影響電阻應變片的測量精度。因此，本文將2片應變片沿空心金屬桿軸向方向粘貼，另外2片沿著與軸向垂直方向粘貼，以消除橫向效應的影響，如圖3所示。

圖3 電阻應變片位置示意圖Fig.3 Schematic of position of resistance strain gauge

圖4 惠斯通電橋電路連接圖Fig.4 Diagram of Wheatstone bridge circuit

如圖4所示，R1、R2、R3、R4為電阻應變片，R1和R3縱向粘貼，R2和R4橫向粘貼，R5為溫度補償電阻，R6為零點補償電阻。將電阻應變片用導線連接，形成惠斯通電橋，可有效消除溫度變化對測量造成的誤差。但在加工過程中，焊點的電阻和引線長度不對稱等因素，會造成零點漂移和溫度漂移。為了使電橋恢復平衡，選用錳銅電阻絲作為零點補償電阻R6，調整電阻絲的長度，可得到理想的零位輸出電壓。為了消除溫度漂移的影響，串聯一個溫度系數較大的鈷鎳合金電阻R5，提高了橋臂的整體溫度系數。

當錐頭受到壓力時，彈性體產生形變，橋臂電阻阻值也隨之發生變化，電橋輸出電壓計算公式為

(1)

式中Uout——電橋輸出電壓，V

Uin——電橋輸入電壓，V

R1、R2、R3、R4——電橋橋臂電阻阻值，Ω

R5——溫度補償電阻阻值，Ω

R6——零點補償電阻阻值，Ω

A——放大系數

復合傳感器的壓力測量范圍為0～1 kN，電橋輸出電壓為0～2.5 V。

圖5 復合傳感器水分測量原理圖Fig.5 Schematic of combined probe for water content measurement

本研究選用頻域法測量青貯飼料容積含水率，工作原理如圖5所示[23-27]。根據介電理論，水的相對介電常數遠大于干燥生物材料的相對介電常數和空氣的相對介電常數，生物材料的水分含量直接影響生物材料的相對介電常數。因此，通過測量相對介電常數可間接獲取生物材料的含水率。

如圖2所示，金屬環和錐頭作為復合傳感器的2個含水率測量電極，一段同軸電纜線穿過空心金屬桿和圓錐桿將兩個電極連接到高頻振蕩器。兩個含水率測量電極被絕緣環絕緣隔離，可看作是振蕩回路的特殊電容，其特征阻抗為ZP。由于2個含水率測量電極間存在電磁場邊緣分布效應，當電極周圍飼料含水率改變時，相對介電常數會發生變化，2個含水率測量電極特征阻抗也會隨之發生變化。因此，青貯飼料水分與電極特征阻抗存在映射關系。通過引入的分壓阻抗Z0，根據a、b兩點電位可得特征阻抗ZP為

(2)

式中Ua——檢波電路獲取的a點電位，V

Ub——檢波電路獲取的b點電位，V

當傳輸線長度為λ/4(λ為測試頻率波長)時，傳感器輸出為

(3)

式中 ΔU——兩端信號幅值差，V

B——激勵信號幅值，V

2 試驗平臺

試驗平臺由復合傳感器、支架和圓柱桶等組成，如圖6所示。復合傳感器中電機驅動式圓錐指數儀選用滾珠絲杠作為傳動部件，以保證復合傳感器以30 mm/s勻速貫入飼料。滾珠絲杠由永磁直流電機(100 W、1 800 r/min)通過減速箱(減速比為5∶1)進行驅動。復合傳感器安裝在滑塊下方，由滑塊將其貫入被測飼料。在復合傳感器圓錐桿上端安裝有壓力傳感器(BK-4D型，0～1 kN，±0.5%)，當滑塊向下滑動錐頭受到阻力時，可同步實時獲取兩個傳感器的壓力測量數據。在減速器下裝有一個編碼器，用來測量復合傳感器的行進深度。數據采集與控制模塊安裝在控制箱中，負責接收上位機的指令，控制電機轉動，實現復合傳感器的貫入，并將采集的數據實時傳輸到上位機。上位機界面如圖7所示，可實時顯示所采集的數據曲線，并對其進行存儲。

圖6 試驗平臺Fig.6 Diagram of test platform1.電機 2.編碼器 3.控制箱 4.壓力傳感器 5.支架 6.圓柱桶 7.復合傳感器

圖7 上位機軟件界面Fig.7 PC software interface

3 結果與分析

3.1 力學測量標定試驗

圖8 力學標定裝置原理圖Fig.8 Photo of force calibration device1.圓錐指數儀 2.壓力彈簧筒 3.支架 4.數字電子秤

圖9 復合傳感器力學測量標定結果Fig.9 Calibration results of force

應用力學標定試驗系統對復合傳感器進行力學測量標定，如圖8所示。該系統由圓錐指數儀、支架、壓力彈簧筒和TCS-300型高精度數字電子秤組成。其中數字電子秤提供力參數測量基準，測量范圍0～300 kg, 分辨率0.05 kg，滿量程測量精度為±1%。圓錐指數儀放置于支架上，儀器底座用螺栓與支架上表面固定，壓力彈簧安裝在一個內徑50 mm、長400 mm的套筒內。標定過程分為進程和回程兩部分，分別記錄復合傳感器和數字電子秤的輸出信號，進行動態比較處理。圖9為0～1 kN范圍內的力學標定結果，在進程(圖9a)和回程(圖9b)兩個過程中，復合傳感器的輸入-輸出均呈線性關系，且函數決定系數R2都在0.99以上。

3.2 含水率測量標定試驗

取10組不同干燥程度的青貯玉米飼料，按0.8 g/cm3容重分別裝入直徑為20 cm、高為50 cm的10個圓柱桶中。在裝填玉米飼料過程中，為了使得整桶飼料密度分布均勻，將要壓實的飼料按質量分為若干份，按份裝入圓柱桶中，并用壓力機(Zwick 1445型,德國)逐層將飼料進行壓實。測量過程中，對每個樣本數據進行3次采樣，取算術平均值。之后將所取的10組飼料樣本分別取樣稱量，再置于105℃的干燥箱中干燥24 h，取出后再次稱量，計算出各飼料樣本的容積含水率。傳感器標定結果如圖10所示，在容積含水率29.9%～67.8%范圍內，復合傳感器的輸入、輸出呈線性相關關系，函數決定系數R2達到0.909。

圖10 復合傳感器含水率測量標定結果Fig.10 Calibration results of moisture content

3.3 驗證試驗

圖12 復合傳感器的動態測量結果Fig.12 Dynamic measurement results of combined probe

根據3.2節所述的方法，制作3桶青貯玉米飼料樣本，樣本參數如表1所示。對青貯飼料樣本進行驗證試驗，圖11為驗證試驗實物圖，圖12為復合傳感器的動態測量結果。由圖12可以看出，當測量深度小于50 mm時，復合傳感器的圓錐阻力和含水率隨貫入深度的增加迅速增大，當測量深度大于50 mm后，復合傳感器的圓錐阻力和含水率變化趨于平緩，呈水平趨勢。這是由于復合傳感器探頭長度約為50 mm，當測量深度小于50 mm時，2個含水率測量電極沒有完全進入飼料樣本，處在一個過渡過程。同時錐尖和青貯飼料之間作用力和反作用力的形成與穩定也需要一個過渡過程，圓錐阻力和含水率隨貫入深度的增加迅速增大。當測量深度大于50 mm后，探頭完全貫入飼料樣本，由于青貯飼料樣本的緊實度和含水率分布均勻，所以呈水平趨勢。由此可以看出，圓錐阻力和含水率隨測量深度的變化具有理想的同步跟隨性。

根據ASABE標準，圓錐阻力為圓錐頭以勻速貫入被測物體所受阻力[22,28-29]。圖13為3個青貯飼料樣本圓錐阻力的動態測量結果。由于青貯飼料為彈塑性介質，安裝在圓錐桿上端的壓力傳感器測得的阻力是錐頭所受阻力和圓錐桿所受飼料摩擦力之和，在圓錐貫入飼料初始階段，圓錐桿上端壓力傳感器的壓力和復合傳感器的圓錐阻力基本相同，但隨著圓錐貫入深度的增加，圓錐桿受飼料摩擦力作用面積逐漸增大，使得安裝在圓錐桿上端的壓力傳感器測得的阻力隨錐頭貫入深度增加呈上升趨勢。而復合傳感器所測得的圓錐阻力曲線基本保持水平，這是由于每個飼料樣本采用壓力機分層均勻壓實，因此飼料樣本內部的緊實度呈均勻分布。其圓錐阻力不應隨錐頭貫入深度的變化而改變，這表明本文設計的復合傳感器在測量過程中可有效消除圓錐桿所受摩擦力對圓錐阻力測量的影響，提高了測量精度。

表1 青貯飼料樣本參數Tab.1 Parameters of silage samples

圖11 驗證試驗實物圖Fig.11 Photo of validation test

圖13 圓錐阻力的動態測量結果Fig.13 Dynamic measurement results of penetration resistance

4 結論

(1)參照ASABE標準，設計了一種可同步、實時獲取青貯飼料緊實度和含水率的復合傳感器。對復合傳感器進行了標定試驗，其中，含水率標定試驗的決定系數為0.909，力學標定試驗的決定系數達到0.99。表明本文設計的復合傳感器可準確測量青貯飼料的緊實度和含水率。

(2)用3種青貯飼料樣本對復合傳感器進行了驗證試驗，復合傳感器所測阻力和含水率隨測量深度的變化具有理想的同步跟隨性，且可以有效消除圓錐桿所受摩擦力對測量的影響，提高了測量精度，從而實現青貯飼料緊實度與含水率的同步、實時、準確獲取。