聯合收獲機清選損失監測研究現狀

作者簡介：唐小涵（1997—），男，碩士，助教，研究方向：農業機械。

摘 要：清選損失率是評價聯合收獲機作業質量的重要指標之一。在進行收獲作業時，清選脫出物中會有少量的籽粒，這些籽粒會隨著雜物一起被排出機外，導致聯合收獲機的收獲質量降低。為提高聯合收獲機清選損失監測的穩定性和準確性，給聯合收獲機清選損失監測傳感器的結構設計、安裝位置、總體布局及信號處理方式選擇提供借鑒，在闡述聯合收獲機清選損失監測技術研究現狀的基礎上，分析聯合收獲機清選損失監測方法的優劣，對最常用的沖擊壓電信號監測進行深度分析，對其傳感器結構、總體布局及信號處理方式進行分析，并基于聯合收獲機清選損失監測研究現狀，提出未來發展方向。

關鍵詞：聯合收獲機；清選損失；傳感器；研究現狀

中圖分類號：S225.3 文獻標志碼：A 文章編號：1674-7909（2024）1-145-5

DOI：10.19345/j.cnki.xckj.1674-7909.2024.01.036

0 引言

聯合收獲機在作業時，脫粒滾筒會對收割進來的作物進行脫粒，脫粒后的混合物（谷粒、莖稈、穎殼及雜余）經凹板篩孔過濾到清選篩上，過濾后的物料（籽粒、穎殼、碎莖及細小雜余）會再次通過清選裝置，而后籽粒被收集起來，其他物料被排出機外。目前，我國部分聯合收獲機沒有清選損失監測功能，只能通過人工肉眼監測法來判斷清選損失率高低，并據此來調整收獲作業相關參數。清選損失率會直接影響作物收獲效率和作業質量。現代聯合收獲機的糧食損失主要為清選損失［1-2］。因此，提高聯合收獲機清選損失率監測的準確性，并及時調整作業參數，對提高收獲質量和實現農業現代化具有重要意義［3］。

綜上所述，有必要對聯合收獲機清選損失監測方法進行研究，并對現有的清選損失監測傳感器設計、布局及信號處理方式進行優化，從而提高我國聯合收獲機的清選能力，降低清選損失率。

1 聯合收獲機清選原理

聯合收獲機在進行清選工作時，風機不斷向清選室內吹風，從而形成氣流場；脫粒混合物在振動篩不斷往復運動作用下，會被輸送到魚鱗篩。在氣流場與振動篩的共同作用下，脫粒混合物中的穎殼、雜草和短莖稈等被吹出機外，籽粒透過振動篩落入集糧螺旋輸送器，并輸送到糧箱，少量未清選的脫粒混合物透過尾篩落入復脫攪龍，進行二次脫粒清選。在此過程中，部分籽粒會因氣流場和振動篩的過度作用而被排出機外，導致清選損失［4］。聯合收獲機清選過程如圖1所示。

2 清選損失監測方法研究現狀

目前，較為常用的清選損失監測方法有聲電信號監測和沖擊壓電信號監測。其中，聲電信號監測是利用聲電原理，使用靈敏度較高的麥克風來監測籽粒、莖稈等物料沖擊感應板的聲音信號，再對聲音信號進行采樣、放大、濾波等處理，從而獲得籽粒聲音信號，并基于此計算出損失籽粒的個數。但聯合收獲機作業時，機械振動、內部噪聲較強，往往會導致聲音信號采集精度較差，無法對籽粒信號進行準確識別監測。沖擊壓電信號清選損失監測傳感器具有結構簡單、監測精度較高、適合復雜工作環境的特點［5-7］。

采用沖擊壓電信號監測法時，將損失監測傳感器安裝在一塊敏感板的中心位置，其結構如圖2所示。敏感板橫向安裝在逐稿器或振動篩后方排出口處，籽粒、秸稈、雜質等沖擊傳感器敏感板時會產生振動，傳感器將振動轉變為相應的電脈沖信號，并對電脈沖信號進行處理，從而計算出清選損失的籽粒量，其工作原理如圖3所示。但這種監測方法存在兩個明顯弊端：一是聯合收獲機作業過程中會產生較強的機械振動，會對傳感器產生干擾，從而影響清選損失率監測的準確性；二是損失物料傳感器的安裝位置及角度會嚴重影響其監測的準確性［8］。

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1—機架連接裝置；2—支撐板；3—橡膠隔振器；4—導線；5—傳感器；

6—敏感板；7—橡膠隔振器。

圖2 籽粒清選損失監測裝置結構

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1—傳感器；2—濾波放大器；3—鑒別器；4—調節器；5—轉換器；

6—指示器。

圖3 籽粒損失監測傳感器的工作原理

近年來，有學者采用圖像處理技術設計聯合收獲機的清選損失傳感器，并對聯合收獲機的清選損失情況進行監測，從而實現實時監測清選損失物料的情況。吳濤等［9］設計了一種基于圖像處理技術的聯合收獲機清選損失實時在線測控系統，包括在線監測子系統和聯合收獲機自動控制子系統，在線監測子系統包括圖像處理器、存儲器、攝像頭、人機交互設備及攝像頭配重座。該系統可對清選損失總量和清選損失率進行實時監測，還能實時反饋聯合收獲機收獲情況，并及時進行作業調整，能有效降低清選損失。辛博等［10］提出一種基于圖像處理技術的谷物聯合收獲機清選損失實時在線監測方法，能實時計算出清選損失率，并根據損失率的改變來實時調整收割機前進速度、割幅、鼓風機出風量和角度等參數，從而提高清選質量。

沖擊壓電信號監測具有裝置結構簡單、監測精度較高、適合復雜工作環境的特點，被廣泛用于監測清選損失情況。基于此，有必要對沖擊壓電信號監測方法進行深入分析研究。

3 沖擊壓電信號監測方法研究現狀

有學者對沖擊壓電信號監測傳感器進行改進，期望通過對監測傳感器結構、布局或信號處理方式進行改進，從而減少外界干擾，提高清選損失監測的準確性。

魏純才［11］設計了一種一體多塊式清選損失監測傳感器，并將其安置在聯合收獲機振動篩后方，用于對清選損失進行實時監測，如圖4所示。一體多塊式清選損失監測傳感器運用沖擊壓電信號原理來監測損失籽粒，并通過計算得到監測量與清選損失量之間的數學模型來實時監測聯合收獲機的清選損失情況。

李耀明等［12］應用傳感器、信號調理電路及二次儀表，設計出聯合收獲機清選損失監測傳感器，如圖5所示。該裝置能實時監測聯合收獲機作業時籽粒清選的損失情況，并根據籽粒清選損失情況來及時調整聯合收獲機作業，從而提高整機收獲質量，還能通過二次儀表來實時顯示清選損失率。當清選損失率超標時，會及時觸發報警器，提醒操作人員及時進行作業調整。

澳大利亞的KEE公司研發的一種損失監視傳感器如圖6所示。該傳感器由壓電陶瓷和薄金屬板組成，與絕大多數傳感器一樣，其易受機械振動的影響，導致監測性能不穩定。

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圖6 澳大利亞KEE公司研發的損失監視傳感器

李俊峰［13］在闡述谷物損失監測傳感器工作原理的基礎上，總結現有谷物損失監測傳感器存在的一般問題，并提出改進設計方案。梁振偉等［14］為了分析籽粒損失監測傳感器敏感板結構對籽粒碰撞信號的影響，通過ANSYS軟件對傳感器不同結構的敏感板進行模態分析，得到了敏感板振動特性與傳感器監測性能之間的關系。

4 監測傳感器研究現狀

4.1 傳感器的結構設計

目前，用于清選損失監測的幾種典型傳感器的優缺點對比見表1［15-16］。

為了減小機械振動對傳感器產生的干擾，提高監測的準確性，不少學者對沖擊壓電信號傳感器的結構進行改進。周利明等［17］以聚偏二氯乙烯（PVDF）壓電薄膜為敏感材料，設計出一種PVDF監測傳感器，如圖7所示。該傳感器包括PET保護層、PVDF壓電薄膜、阻尼材料和鋁合金基底層，并通過上下層對傳感器進行阻尼和支撐。

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1—PET保護層；2—PVDF壓電薄膜；3—PET保護層；4—橡膠阻尼層；5—鋁合金基底。

圖7 PVDF傳感器結構

李耀明等［18］設計出一種對谷物沖擊進行實時監測的傳感器：該傳感器基于壓電陶瓷的顆粒碰撞，以圓形YT-5L壓電陶瓷作為敏感元件，將其粘貼在敏感板中心位置，并調整優化減振方式，能降低收獲機自身振動產生的干擾。趙湛等［19］在PVDF壓電薄膜陣列式傳感器中加入隔振器，能有效縮短籽粒碰撞信號的衰減時間，提高清選損失監測的準確率，傳感器及顯示裝置如圖8所示。試驗結果表明，該儀器能實時監測籽粒清選損失情況，并具有良好的精度。

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圖8 傳感器及顯示裝置

4.2 傳感器的總體布局

倪軍等［20］設計出一種陣列式壓電晶體傳感器，如圖9所示。該傳感器搭配有相應的信號調理系統及單片機監測系統，采用壓電晶體探測陣列對清選損失進行監測，可從多區域、多角度來獲取清選損失情況，提高了清選損失監測的準確性，且傳感器之間的冗余數據和互補數據增強了系統的可靠性，擴展了單個傳感器的性能。

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1—支架；2—探測陣列敏感元件；3—屏蔽電纜。

圖9 陣列式壓電晶體傳感器示意圖

毛罕平等［21］研制出一種具有對稱傳感結構的傳感器，其結構及安裝方式如圖10所示。該傳感器通過對稱傳感結構來消除干擾信號，通過電荷放大來處理激勵信號，通過帶通濾波的電路來有效提取清選損失信號，最后由單片機單元來實時監測計數。

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1—臺架；2—傳感器；3—安裝螺柱；4—屏蔽線。

圖10 傳感器結構及安裝形式

4.3 傳感器信號處理研究現狀

傳感器能將沖擊壓物理信號轉換為電信號，但數據采集設備不能直接對轉換后的電信號進行采集。這是因為電信號極易受高頻噪聲的干擾，在瞬時可能存在很高的尖峰值。因此，要對轉換后的電信號進行信號調理，將調理后的信號輸送到數據采集系統，再由系統進行記錄分析，然后輸送到顯示儀器。信號調理是傳感器信號處理系統的重要組成部分，其決定了傳感器信號處理系統的性能，常見的調理方式有濾波、衰減、放大和轉換等［22-24］。為了減少因機器自身機械振動等因素對清選損失監測傳感器產生的干擾，提高籽粒識別精度、縮短信號轉換傳遞時間，國內外學者對清選損失監測傳感器進行改進優化。祁廣云等［25］對聯合收獲機谷粒損失過程進行了大量試驗分析研究，設計出以單片機為主體的谷粒清選損失監視儀，由于籽粒、雜草、莖稈、土塊等對傳感器的沖擊壓力不同，導致所產生的信號頻率不同，通過RC有源濾波器便可有效篩選出籽粒信號。魏純［26］為了縮短籽粒沖壓傳感器的信號衰減時間，采用Kalman濾波方法能減少籽粒間的串擾，從而提高清選損失的監測精度，并降低清選誤差，大大提高聯合收獲機清選損失監測系統的工作效率。高建民等［27］采用混沌算法對監測的籽粒信號進行處理，通過比對籽粒信號和白噪聲，分別得到相應的信噪比，能有效提高監測系統對微弱信號的監測效果，增加系統的可靠性、準確性，降低谷物清選損失監測系統的制作成本，并提高系統的穩定性。

5 成果總結

目前，科研人員對聯合收獲機清選裝置清選損失監測方法的研究取得了一定成果。在清選損失物料監測研究中，多數是通過對沖擊壓電信號進行監測來實現清選損失監測的，也有少數是通過圖像處理、高速攝影等技術對清選損失進行監測的。

對傳感器采用減振設計，能降低機器自身機械振動產生的影響，減少外界因素對傳感器工作產生的干擾，提高監測水平。優化傳感器的整體布局及安裝角度，能大大提高清選損失監測的準確性。

將單片機、Kalman等技術融合應用于清選損失監測傳感器，能提高清選損失監測傳感器的信號轉化速度和精度，使清選損失監測傳感器能更快速、準確地采集處理轉換信號，并及時提醒工作人員調整作業。

6 未來發展方向

聯合收獲機作為收獲作物的主要機械，對減小農民工作強度、改善工作環境、提高工作效率、促進增產增收具有重要意義。無論是國內還是國外，聯合收獲機的發展趨勢大致相同，都是向著大型化、智能化、自動化、人性化方向發展［28-30］。在清選損失監測方面，發展方向是進一步提高傳感器的監測性能和可靠性，降低機械振動產生的干擾。傳感器結構向更大飽和容量、可獲取位置信息的陣列式方向發展。因此，聯合收獲機清選損失監測將向開發和提高傳感器信號處理傳輸技術方向發展，以實現更高的靈敏度、更大的監測飽和容量、更快的響應速度和更強的抗干擾能力。

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