傳感器技術在農機工況檢測與故障預防中的應用

陳治瑀

(黑龍江省農業機械工程科學研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，我國的農業生產實現了快速轉型升級，大量先進的農業機械設備投入到農業生產中，有效提高了農業生產效率，減少了人員勞動強度。農業機械作為農業生產實施的重要保障，其技術先進性直接影響到農業生產的最終質量，尤其在農機自動化技術的發展下，農業機械的很多功能實施更加精確化，這些都離不開現代傳感器技術的合理應用。傳感器的應用幫助農業機械實現精確、迅速地獲取機械運行和田間的環境信息，有利于提高農機使用的合理性，并有效預防機械故障和生產安全問題。傳感器技術的應用有利于農業機械自動化程度的進一步提升，能夠改善農業機械的技術水平，有利于促進農業生產質量的全方位提升。

1 傳感器技術特征及其應用現狀

1.1 傳感器技術特征

傳感器技術是21世紀最重要的技術之一，對于設備自動化和智能化發展意義重大。傳感器總體來講屬于一種信息獲取裝置，其能夠針對特定的項目進行信息檢測，并將收集的相關信息轉換為電信號進行傳輸，供系統進行數據分析、顯示、存儲、自動控制等使用。傳感器根據所獲取的項目不同，應用的技術原理也各不相同。傳感器技術涉及到物理、化學、生物學等多個學科，能滿足全方位的使用要求，且現階段使用的第三代傳感器技術已經具有顯著的人工智能特點。傳感器具有以下優點，一是具有好的信息獲取與反饋的及時性；二是可針對不同工況開展工作，具有良好的可靠性和精確性；三是能夠開展非接觸、不同距離的監測工作；四是傳感器型號眾多，針對不同的工況具有專門的系列產品設計，能夠適應惡劣的環境使用需求[1]。

1.2 傳感器技術在農機中的應用現狀

隨著農機技術的快速發展，農業機械的自動化程度得到了明顯提高，新型農業機械中的傳感器技術應用明顯增多，傳感器在農機產品中的普及程度也得到了快速擴展[2]。現階段使用的拖拉機、收獲機、植保機、播種機、排灌機、谷物烘干機等各種農業機械都應用了大量的傳感器技術。尤其在大馬力拖拉機(圖1)等大型農機上平均應用的傳感器超過20種，涉及的應用范圍包括溫度檢測、位置檢測、底盤控制、發動機控制等。以電控農用柴油機為例，傳感器的應用范圍包括控制柴油機運轉狀態、檢測柴油機溫度、檢測振動等，大量傳感器的應用能有效提高柴油機的性能、降低機械運轉油耗、減少故障發生概率，不僅確保設備穩定工作，還有利于延長使用壽命[3]。

圖1 大馬力拖拉機自動化控制體系

2 傳感器技術在農機工況檢測方面的應用

2.1 傳感器的計數和計量功能應用

計數和計量是農業生產中的常用功能，很多農業機械的使用過程都涉及到計數和計量的功能，常用的傳感器包括光電傳感器和液位傳感器等。光電傳感器主要應用于計數測量，例如在播種機播種的過程中，可以對播種的數量進行測量，在導種管上安裝光電傳感器(圖2)后，每次當種子遮擋光電傳感器，會引起光電管發出相對應的脈沖信號，系統會對此數據進行記錄，并用于計算相鄰兩粒種子之間的間距關系，從而實現精密播種要求；液位傳感器(圖3)主要用于計量液體的剩余量，例如農藥剩余量、冷卻水剩余量、油液剩余量等，液位傳感器主要采用浮漂測量剩余液量，應用于植保機械時，不僅可以時刻掌握藥箱中藥液是否充足，還能夠利用液位傳感器結合行駛距離計算單位面積噴藥量，提高植保噴藥的合理性[4]。

圖2 光電自動計數傳感器

圖3 液位傳感器

2.2 零部件位置與工作狀態檢測應用

零部件的位置檢測和工作狀態檢測是自動控制實施的基礎，農業機械上應用的相關傳感器設備包括轉速傳感器、距離傳感器、角度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。其中零部件的位置檢測包括檢測零部件或升起或平移的距離、檢測零部件轉過的角度及零部件之間的相對距離等，例如在耕整地作業過程中利用雙軸傾角傳感器(圖4)檢測耕作深度，從而實現對耕作深度的實時調整，確保耕作的合理性。或在植保機械作業時，利用角度傳感器檢測噴桿的展開情況，從而實現對噴桿伸展與折疊的控制[5]。工作狀態的檢測種類很多，包括運轉零件的轉速檢測、液體工作壓力的檢測、液體流量檢測、工作溫度檢測等。例如在植保機械作業中利用液體壓力傳感器檢測液體壓力的建立情況，并通過流量傳感器檢測輸藥管路中的藥液流量，通過調整壓力實現對噴藥流量的控制[6]。

圖4 耕深檢測用雙軸傾角傳感器

2.3 機具位置與環境關系的檢測應用

隨著農機自動化程度的提升，農業機械的輔助駕駛和自動駕駛技術逐步得到應用，而且在智慧大棚中，也對機械裝備的自動執行動作和開展工作提出了更高要求，利用傳感器獲取位置和環境信息是實施以上工作的前提條件。機具位置獲取和環境信息獲取的傳感器包括GPS傳感器、視覺傳感器、激光傳感器、雷達傳感器等。在實際生產中，利用GPS傳感器能夠獲取農業機械的坐標信息，并為農機行駛提供定位和線路。在自動駕駛中，利用GPS傳感器配合視覺傳感器或雷達傳感器等能夠進一步探測農機位置及作業周邊的環境信息，避免因障礙物或地形條件變化影響機械自動化生產的實施。在智慧農業大棚中，常使用光電傳感器進行自動作業設備的定位。例如在自動噴霧作業時，作物上方可移動噴桿在運動中若遮擋住光電傳感器的光束，則表明噴桿運動到該位置，有利于實現智慧大棚的定點噴施。

3 傳感器技術在農機故障預防中的應用

3.1 對于工況異常的示警

傳感器的大量應用不僅能夠實現對農業機械工況的實時監測，還能夠在農機出現故障問題時通過數據分析及時發現，避免嚴重故障的發生。傳感器的工況異常警示和故障預防主要表現在以下幾個方面：一是機具運轉出現異常振動時，通過振動傳感器獲取異常振動信號，農機的ECU會根據獲取的異常振動信息和發送信息的傳感器位置綜合分析故障問題的可能原因，并對該位置進行故障警報；二是機具工作溫度異常，農業機械的發動機、傳動箱、液壓系統在使用中都可能產生高溫，當溫度異常升高時，溫度傳感器會及時將異常信息發送回ECU，提醒駕駛員主要檢查機具故障；三是轉速異常的警示，主要是針對發動機、液壓泵、風機等轉動部件進行檢測，當發現轉速突然變化，則將異常信號傳輸回ECU，再通過ECU發出警示指令。此外，工況異常的警示還包括很多方面。例如排氣異常警示、冷卻液異常警示、牽引力異常警示等。工況異常的及時預警是避免重大故障發生的有效保證[7]。

3.2 故障預防與輔助檢測分析

部分先進的農機設備還能夠通過傳感器進行主動故障預防操作。例如在大型收獲機作業的過程中，當某一位置的傳動箱齒輪損壞，造成傳動異常振動時，傳感器會第一時間獲取故障信息，并由ECU主動控制該傳動機構的運轉暫停，同時提醒駕駛員故障的發生，有效避免故障的擴大。利用傳感器收集的信息，通過計算機系統能夠準確分析故障位置在故障發生前一定時間內的各項工況信息，從而辨別導致故障問題的主要因素，有利于故障問題被妥善處理[8]。

4 結語

綜上所述，在現代化的農業生產過程中傳感器技術在農業機械中發揮著巨大作用，隨著農業機械技術的進一步普及和應用，傳感器所能發揮的作用還將進一步擴大，為更好實現農業機械的自動化和智能化，傳感器技術應向著多功能、集成化、智能微型化方向發展。同時在電氣控制技術的支持下，傳感器技術應用將進一步提高農機作業的精細化程度，農機作業的可靠性也將得到大幅提升，傳感器技術的應用還能為農業機械的故障維修提供參數依據，為農業機械技術的進一步升級與應用質量的提升創造有利條件。

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