農(nóng)機(jī)裝備中信息采集元器件的研究與應(yīng)用

泰山智能制造產(chǎn)業(yè)研究院 孫燕敏

長期以來，農(nóng)業(yè)機(jī)械一直是以低端和落后的形象出現(xiàn)在田間地頭，其實(shí)隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械早已進(jìn)入一個飛速發(fā)展的階段，尤其是多種類傳感器的應(yīng)用，檢測到相關(guān)數(shù)據(jù)后，通過信號采集，放大比對傳輸，直觀地顯示在用戶面前，特別是隨著5G 的發(fā)展，更是可以通過無線傳輸實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離操控。

電子技術(shù)的一個重要發(fā)展方向就是傳感器的使用，傳感器就是利用內(nèi)置的各種芯片，通過力學(xué)原理、電磁感應(yīng)，甚至是化學(xué)反應(yīng)把想要測量的數(shù)據(jù)檢測出來的元器件，傳感器就相當(dāng)于一把尺子，把物體往上放，各種數(shù)值就出來了。只是傳感器的構(gòu)造比“尺子”要復(fù)雜得多。

發(fā)動機(jī)是機(jī)械設(shè)備的心臟，發(fā)動機(jī)的參數(shù)更是決定機(jī)械設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵，其中轉(zhuǎn)速是直接反映發(fā)動機(jī)工作狀態(tài)的標(biāo)志，機(jī)油壓力是保證發(fā)動機(jī)正常長期工作的重要參數(shù)，本文以通用的轉(zhuǎn)速檢測、機(jī)油壓力檢測與顯示為例，介紹了電子技術(shù)在農(nóng)機(jī)上的應(yīng)用。

1 轉(zhuǎn)速傳感器

1.1 磁電式傳感器

磁電式轉(zhuǎn)速傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它的構(gòu)造大同小異，基本上都是由永久磁鐵、線圈和磁盤，再安裝在相應(yīng)尺寸（需要檢測轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)齒輪附近的位置）的固定盤上。在磁盤上有齒形凸起，裝在被測轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸一起旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時，磁盤的齒會隨之轉(zhuǎn)動，切割永久磁鐵的磁感線，產(chǎn)生相應(yīng)的電流變化。通過內(nèi)部元件的轉(zhuǎn)化，形成一定幅度的脈沖電動勢，其頻率為:

圖1 磁電式轉(zhuǎn)速傳感器

Z 為磁輪的齒數(shù)；n 為磁輪的轉(zhuǎn)數(shù)，單位rad/min

轉(zhuǎn)換電路是利用LM2907 的頻壓轉(zhuǎn)換功能實(shí)現(xiàn)，它的芯片中有比較器、高增益運(yùn)算放大器等，可以直接把頻率信號轉(zhuǎn)換為可測的直流電壓信號。如圖2 所示。

圖2 LM2907 測速原理圖

2 光電式轉(zhuǎn)速傳感器

光電式轉(zhuǎn)速傳感器根據(jù)接收方式分為直射式和反射式。直射式的輸入軸與待測軸連接,光通過開孔和縫隙板直射在光敏元件上（如圖3 所示）。這樣盤轉(zhuǎn)一周，光敏元件接受光的次數(shù)就等于盤上的開孔數(shù)，直接可以算出來。若開孔數(shù)為m，記錄過程時間為t 秒，總脈沖數(shù)為N，則轉(zhuǎn)速為:

圖3 光電直射式轉(zhuǎn)速傳感器

反射型內(nèi)部如圖4 所示。由于傳感器內(nèi)自帶光源、感光元器件(光電晶體管)以及放大器之類電子元器件等，所以使用起來非常方便。而且光源是經(jīng)過頻率調(diào)制的，所以抗干擾性強(qiáng)。振蕩回路可以用來產(chǎn)生一個調(diào)制頻率用來點(diǎn)亮光源的發(fā)光二極管，采用不穩(wěn)定多諧振蕩的方式，振蕩頻率約為7kHz，脈寬約25μs。

圖4 光電反射式轉(zhuǎn)速傳感器

光電傳感器檢測原理圖

對于農(nóng)業(yè)機(jī)械來說，由于土地流轉(zhuǎn)等原因，農(nóng)業(yè)機(jī)械化在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用前景廣闊，但相較于其他行業(yè)，農(nóng)業(yè)利潤低，這是需要考慮的首要情況，農(nóng)機(jī)要想推廣，首先在抗干擾、容錯率上考慮，所以本文選擇了性價比和適用性更強(qiáng)的磁電式轉(zhuǎn)速傳感器，其內(nèi)部電路電路圖如圖5 所示。

圖5 轉(zhuǎn)速傳感器內(nèi)部線路圖

3 機(jī)油壓力傳感器

機(jī)油壓力傳感器一般安裝在發(fā)動機(jī)的主油輸送管道外壁上，外形圖如圖6 所示，金屬殼（8）直接擰到輸送管道外壁相應(yīng)位置，電流方向（9）是觸點(diǎn)閉合時的流向，當(dāng)發(fā)動機(jī)運(yùn)行時，壓力測量裝置可以檢測機(jī)油的壓力，將檢測到的壓力信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘査椭列盘柼幚黼娐罚缓蠼?jīng)過電壓和電流放大，通過信號線將放大后的壓力信號輸送至單片機(jī)，經(jīng)過校正或者檢測后，輸出數(shù)值或者簡單的輸出開關(guān)量從而轉(zhuǎn)化為報(bào)警指示。

圖6 機(jī)油壓力傳感器

4 信號采集和數(shù)據(jù)顯示

轉(zhuǎn)速通過傳感器進(jìn)行檢測，能夠感受發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速并輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，定子所在空間會形成相應(yīng)的旋轉(zhuǎn)磁場，磁場中德定子繞組切割磁力線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，交流電流就產(chǎn)生了。交流點(diǎn)的輸出頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速成正比。也就是說與發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。我們通過由89C51 單片機(jī)組成的組合電路，對頻率信號進(jìn)行采集和計(jì)算就能夠得出發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速的數(shù)值。

對于傳感器送來的信號，經(jīng)過放大和整形，送入89C51 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換，經(jīng)89C51 編程處理后由P1 口輸出通過數(shù)碼管顯示出轉(zhuǎn)速。如圖7 所示。

圖7 信號采集和顯示電路

通過對轉(zhuǎn)速的采集和顯示，可以直觀地對發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)做出判斷，如果添加電控油門以及遠(yuǎn)程控制接收模塊，還可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無級變速控制。

電子信息技術(shù)通過傳感器應(yīng)用在農(nóng)機(jī)的各個部位，機(jī)油壓力傳感器可以檢測發(fā)動機(jī)機(jī)油，有效避免爆缸事故，更好的保護(hù)發(fā)動機(jī)；燃油傳感器可以準(zhǔn)確測量燃油量（圖8），為長時間不間斷工作提供保障；轉(zhuǎn)向角度傳感器（圖9）可以通過電磁液壓閥接收指令直接作用在轉(zhuǎn)向油路上，使農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向控制。

圖8 燃油量傳感器

圖9 轉(zhuǎn)向角度傳感器

農(nóng)業(yè)機(jī)械的智能化控制領(lǐng)域中用傳感器，相當(dāng)于給農(nóng)機(jī)安裝了“五官”，可以準(zhǔn)確地將設(shè)備的信息反映出來。