傳感器在水稻收割機(jī)上的應(yīng)用及發(fā)展畢業(yè)論文

1、傳感器在水稻收割機(jī)上的應(yīng)用及發(fā)展摘 要隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，提高了農(nóng)業(yè)機(jī)械化程度并為保障糧食安全起到重要作用。本文主要介紹了水稻收割機(jī)的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀以及傳感器在水稻收割機(jī)上的作用和地位，并分析了水稻收割機(jī)實(shí)現(xiàn)各功能所用傳感器的類型、工作原理、對(duì)比了實(shí)現(xiàn)同一功能所選傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)以及在其他領(lǐng)域的應(yīng)用，最后總結(jié)了傳感器今后在農(nóng)業(yè)機(jī)械上的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵詞：傳感器；農(nóng)業(yè)；水稻收割機(jī)；趨勢(shì)the application and development of sensors in rice harvesterabstractas the rapidly developm

2、ent of sensor technology,sensor has been used in agriculture extensively .it improves the degree of agricultural mechanization and contributes greatly to the safety for food.in this paper,firstly introducing the presentation situation of sensor at home and abroad and its effects on rice harvester.in

3、 the text,the kinds of sensors used in the key parts of rice harvester ,their working principle, characteristics and applications in other fields mainly have been described,then comparing the merits and demerits of sensors played the same role in the rice harvester .finally summarizing the developme

4、nt trend of sensors in the agricultural machines.key words: sensor; agriculture; rice harvester; trend1緒論1.1國(guó)內(nèi)水稻收割機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀我國(guó)水稻種植面積約占世界水稻總面積的四分之一，在全國(guó)糧食總播種面積中也占了很大比重，接近三分之一，占全國(guó)糧食總產(chǎn)量的百分之四十五1?？梢?jiàn)它在全國(guó)糧食安全中的地位非同一般。隨著近年來(lái)糧食產(chǎn)量的大幅增長(zhǎng)，農(nóng)村年輕勞動(dòng)力的嚴(yán)重外流，因此，要求機(jī)械化的程度越來(lái)越高。實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻的機(jī)械化生產(chǎn)是提高糧食產(chǎn)量的重要保障。在發(fā)達(dá)國(guó)家, 谷物收割已基本實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化。美國(guó)70年代

5、初機(jī)械收割面積已達(dá) 95%，目前聯(lián)合收割機(jī)已向大型化、高速化和自動(dòng)化方向發(fā)展;日本70年代中期研制出適應(yīng)本國(guó)小塊水田的小型聯(lián)合收割機(jī)并很快大量投入應(yīng)用,基本上實(shí)現(xiàn)了收獲過(guò)程機(jī)械化2。目前，我國(guó)對(duì)水稻的機(jī)械化生產(chǎn)水平還比較低，大部分依然靠人工收割，而美國(guó)、澳大利亞，日本已基本實(shí)現(xiàn)了全面的機(jī)械化生產(chǎn)。建國(guó)初期，我國(guó)的水稻收割主要是靠人力和畜力機(jī)械為主，上個(gè)世紀(jì)五十年代末我國(guó)啟動(dòng)了水稻收割機(jī)械的研制工作。廣東省農(nóng)機(jī)所在1965年開(kāi)始研究軸流式脫粒裝置1，1966年開(kāi)始，先后與惠陽(yáng)縣農(nóng)機(jī)一廠、佛山農(nóng)機(jī)廠和廣東機(jī)引農(nóng)具廠共同開(kāi)發(fā)了“豐收-i型”(配豐收-35拖拉機(jī))，“珠江-2號(hào)”(配東方紅-54)，“

6、工農(nóng)-i型”(配工農(nóng)-11手扶拖拉機(jī))等全喂入軸流型水稻收割機(jī)1-2。另外，廣東省農(nóng)機(jī)所還開(kāi)發(fā)了金屬覆帶行走裝置以解決收割機(jī)在水田中的行走問(wèn)題。這一階段，我國(guó)的水稻收獲機(jī)械設(shè)計(jì)工作已全面啟動(dòng)，水稻收獲機(jī)械的發(fā)展開(kāi)始繁榮起來(lái)。九十年代是我國(guó)水稻收獲機(jī)械發(fā)展的關(guān)鍵階段。這一時(shí)期，3-5馬力小動(dòng)力底盤立式割臺(tái)收割機(jī)和中小型半喂入收割機(jī)均被成功研制出來(lái)。主要機(jī)型有直接輸送側(cè)向條放“鄂100-3”型和“上海-90型”收割機(jī)，中間輸入側(cè)向條放的浙江“嘉興100-3”型、江西“南豐100-4”型收割機(jī)、江西“萬(wàn)安躍進(jìn)-150型”和福建“南靖-l40”型集束堆放圓盤式收割機(jī)27等。這些機(jī)型的割幅均在1米左右，

7、作業(yè)速度適當(dāng)，整機(jī)重量比較輕，并采用并列式雙輪胎或超低壓寬斷面輪胎，提高了收割機(jī)的水田行走性能和對(duì)作物的適應(yīng)性。這一時(shí)期，配合水稻收割機(jī)的國(guó)產(chǎn)動(dòng)力和拖拉機(jī)的技術(shù)也有較大發(fā)展，為水稻收獲機(jī)械的進(jìn)一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)。另外，由中國(guó)農(nóng)機(jī)院設(shè)計(jì)的帶簡(jiǎn)易扶禾器的立式割臺(tái)收割機(jī)在也被推廣到一些地方使用，但這種收割機(jī)不能避免水田倒伏時(shí)的穗頭沾水和分把困難，因此綜合作業(yè)效率低，并且谷粒損失大，至今沒(méi)有得到普遍使用。2002年以后，水稻聯(lián)合收割機(jī)進(jìn)入了更深層次的提高階段。新的機(jī)型不斷被研制成功，如“湖州100-12”和“龍江-120”1等機(jī)型。此外，江蘇、上海和云南三省在“龍江一120”基礎(chǔ)上研制鑒定了“江南-1

8、20”，湖北、江西等省研制的與12馬力機(jī)耕船配套的半喂入聯(lián)合收割機(jī)，分別于1980年前后鑒定定型。中國(guó)農(nóng)機(jī)院和福建等單位為“閩江-150”型研究設(shè)計(jì)了三角皮帶無(wú)級(jí)變速專用底盤率先應(yīng)用于國(guó)產(chǎn)半喂入水稻聯(lián)合收割機(jī)上，實(shí)現(xiàn)了作業(yè)過(guò)程的無(wú)級(jí)變速。同時(shí)，各省對(duì)刀片進(jìn)行了技術(shù)攻關(guān)，對(duì)半喂入機(jī)型的主要零部件還進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。中國(guó)農(nóng)機(jī)院、廣東農(nóng)機(jī)所和江西農(nóng)機(jī)所針對(duì)脫粒部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行了一系列的室內(nèi)外臺(tái)架分析試驗(yàn)以探討最佳的運(yùn)動(dòng)參數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，中國(guó)農(nóng)機(jī)院對(duì)半喂入聯(lián)合收割機(jī)的核心工作部件一脫粒和清洗部件進(jìn)行了創(chuàng)新性的試驗(yàn)分析。這些試驗(yàn)工作為我國(guó)水稻半喂入聯(lián)合收割機(jī)的發(fā)展和產(chǎn)品系列化打下了良好的基礎(chǔ)。1.2國(guó)

9、外水稻收割機(jī)的現(xiàn)狀日本是世界上半喂入式水稻聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)最先進(jìn)的國(guó)家。半喂入式聯(lián)合收割機(jī)具有機(jī)器結(jié)構(gòu)小巧、適應(yīng)性強(qiáng)、工作可靠性高、效率高、脫粒損失小等特點(diǎn)，是各國(guó)大力發(fā)展的機(jī)型。日本開(kāi)發(fā)的半喂入式聯(lián)合收割機(jī)放棄了歐美全喂入式的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu),制造簡(jiǎn)單、拆裝方便、操作舒適性強(qiáng)，并具備對(duì)各主要部件的電子自動(dòng)監(jiān)控功能，能夠收割水稻、小麥等多種作物，在小田塊、高濕爛田的作業(yè)性能也同樣出色。經(jīng)過(guò)幾十年的研究和改進(jìn)，日本半喂入聯(lián)合收割機(jī)技術(shù)非常成熟。目前，日本國(guó)內(nèi)的久保田、井關(guān)、洋馬、三菱四個(gè)公司主要生產(chǎn)該類型的收割機(jī)，年產(chǎn)量超過(guò)10萬(wàn)臺(tái)，市場(chǎng)保有量不下120萬(wàn)臺(tái)2，全面實(shí)現(xiàn)了水稻收割的機(jī)械化。韓國(guó)的水稻收割機(jī)

10、技術(shù)是在引進(jìn)日本技術(shù)的基礎(chǔ)上吸收再創(chuàng)新的，在日本機(jī)的基礎(chǔ)上結(jié)合本國(guó)特點(diǎn)進(jìn)行了國(guó)產(chǎn)化。韓國(guó)的國(guó)際、lg、大同、東洋四大公司從1975年開(kāi)始就分別引進(jìn)日本的久保田、洋馬、井關(guān)、三菱的技術(shù)進(jìn)行仿制、創(chuàng)新。到90年代,韓國(guó)聯(lián)合機(jī)收割水稻面積達(dá)到85%1，近年來(lái)，以日本為代表的半喂入聯(lián)合收割機(jī)，具備了更加美觀的整機(jī)造型。以人體工程學(xué)原理為基礎(chǔ)，充分考慮了老年人、婦女操作的輕便性、安全性和舒適性。同時(shí)廣泛采用了自動(dòng)控制系統(tǒng)、零部件快速拆裝機(jī)構(gòu)、輕質(zhì)材料、電動(dòng)式喂入深度調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、整機(jī)潤(rùn)滑系統(tǒng)等。另外，發(fā)動(dòng)機(jī)的配套動(dòng)力得到了極大加強(qiáng)；主要零部件、機(jī)架、割臺(tái)的強(qiáng)度和剛度得到強(qiáng)化。收割機(jī)的使用成本不斷降低，使用壽

11、命得到延長(zhǎng)。在行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)上,液壓無(wú)級(jí)變速機(jī)構(gòu)被泛推廣；懸掛式支承輪和履帶中部可轉(zhuǎn)動(dòng)支重輪的研制成功大大加強(qiáng)了收割機(jī)的跨溝過(guò)埂和清除淤泥的能力。要實(shí)現(xiàn)全面的機(jī)械化收割，傳感器將起到舉足輕重的作用，對(duì)提高水稻收割機(jī)的適應(yīng)性和可靠性具有重要的作用。目前，不同品牌的收割機(jī)上用的傳感器也有所不同。本文主要用對(duì)比的方法分析了水稻收割機(jī)上各重要部位可選用的傳感器類型，并加以擇優(yōu)選擇。為日后工程技術(shù)人員提供一定的參考。2傳感器概述 2.1傳感器的組成傳感器3是一種能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件以及相應(yīng)的電子線路組成。它的輸出信號(hào)通常是電壓、電流、電阻

12、和電容等便于傳輸、轉(zhuǎn)換、輸出，處理的電量。傳感器的原理決定了輸出信號(hào)的形式。其組成框圖6如下:敏感元件轉(zhuǎn)換元件信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路輔助電源圖2.1 傳感器組成框圖其中，敏感元件4是在傳感器中能完成預(yù)變換和能直接感受或響應(yīng)被測(cè)量的器件。轉(zhuǎn)換元件又稱為變換器，它能將敏感元件感受到或者響應(yīng)的非電量轉(zhuǎn)換成電量3-5。信號(hào)調(diào)理轉(zhuǎn)換電路對(duì)傳感器輸出的微弱信號(hào)進(jìn)行放大運(yùn)算、調(diào)制等處理。2.2傳感器的分類及基本特性目前，傳感器種類繁多，很多時(shí)候一種被測(cè)量可以用不同的傳感器來(lái)完成；而且傳感器應(yīng)用原理多種多樣，同一原理的傳感器又可測(cè)量不同的被測(cè)量。因此，對(duì)傳感器的分類可謂是仁者見(jiàn)仁，智者見(jiàn)智，目前國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的分類

13、方法，但通常采用以下方法對(duì)其進(jìn)行分類3,6,17：（1）根據(jù)被測(cè)物理量劃分，例如，溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、氣敏傳感器等；（2）是根據(jù)傳感器的工作原理劃分，例如，應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、磁敏傳感器等；（3）根據(jù)輸出信號(hào)的性質(zhì)可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器；（4）根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理分為有源傳感器和無(wú)源傳感器。其中有源傳感器能將非電量轉(zhuǎn)換成電能量，例如電動(dòng)勢(shì)傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器等；無(wú)源傳感器不能轉(zhuǎn)換能量，只是把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換成電參數(shù)的量，如電阻式傳感器、電容式傳感器等。在生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)驗(yàn)中，傳感器的基本特性決定了它能否感受被測(cè)非電量的變化并不失真地變換成相應(yīng)

14、的電量，以對(duì)各種參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)和控制。通常傳感器的基本特性可分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。2.2.1傳感器的靜態(tài)特性當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)的輸入信號(hào)不隨時(shí)間變化時(shí)，系統(tǒng)輸出與輸入的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性6。通常用一個(gè)靜態(tài)數(shù)學(xué)模型描述其靜態(tài)特性： (2-1)其中，為零輸入的輸出，表示非線性項(xiàng)系數(shù)。其線性模型3可表示為， (2-2)傳感器的靜態(tài)特性主要由靈敏度、遲滯、重復(fù)性、線性度、分辨力、穩(wěn)定性、漂移、量程范圍來(lái)描述。2.2.2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性稱為傳感器的動(dòng)態(tài)特性5。用傳感器測(cè)試動(dòng)態(tài)量時(shí)，我們希望它的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù)，但實(shí)際上除了具有理想比例特性的環(huán)節(jié)外，

15、由于傳感器的慣性和滯后，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出一般來(lái)不及達(dá)到平衡狀態(tài)，而是處于過(guò)渡過(guò)程中，這樣輸出信號(hào)將不會(huì)和輸入信號(hào)一致。為了更好的分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性，我們可以用以下微分方程6進(jìn)行描述： (2-3) 其中，表示輸入量，表示輸出量，表示與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。3傳感器在收割機(jī)中的地位及作用在現(xiàn)代社會(huì)，科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展。人類處在一個(gè)信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，傳感器是工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)踐和現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)等的重要組成部分，主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)、獲取、傳輸、處理，它是被測(cè)對(duì)象和檢測(cè)系統(tǒng)的接口4，是感知和檢測(cè)信息的窗口。一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中的信息，特別是在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中獲取的原始信

16、息，都要經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成易于傳輸和方便后期處理的電信號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、控制及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已成為一個(gè)重要的科學(xué)技術(shù)，其作用也越來(lái)越重要，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。要提高傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率，勢(shì)必將其發(fā)展成機(jī)電一體化產(chǎn)品，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必由之路。因此，作為機(jī)電一體化三大關(guān)鍵技術(shù)之一的傳感器技術(shù)必將在農(nóng)業(yè)機(jī)械上廣泛應(yīng)用。為了提高水稻收割機(jī)的服務(wù)質(zhì)量以及自動(dòng)化程度，目前一般的收割機(jī)上都運(yùn)用了10到20只傳感器18。下面列舉傳感器在水稻收割機(jī)上的一些應(yīng)用。 (1)傾角傳感器7通常用于水平的測(cè)量，用在收割機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)機(jī)身的傾斜角度進(jìn)行測(cè)量，操作人

17、員可以從儀表盤直觀地讀出傾斜角度來(lái)調(diào)整機(jī)身，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)收割殘余秸稈長(zhǎng)度更好控制和保證操作的安全性以及起到保護(hù)刀片的作用。如果秸稈過(guò)長(zhǎng)影響耕種，秸稈過(guò)短則地里的石塊會(huì)損害刀片； (2)在應(yīng)用中，我們可以選擇霍爾傳感器、光電傳感器、光纖傳感器、電動(dòng)式速度傳感器等作為測(cè)速傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻收割機(jī)作業(yè)時(shí)的速度進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)化成可輸出的信號(hào)，通過(guò)與計(jì)算機(jī)連接，可對(duì)被測(cè)物進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的測(cè)量控制，同時(shí)還可以間接測(cè)量出畝產(chǎn)25； (3)為了保證一定的喂入量，防止喂入量過(guò)大而導(dǎo)致堵塞，可以采用紅外傳感器、激光傳感器、超聲波傳感器等傳感器對(duì)割茬的高度進(jìn)行測(cè)量。 (4)磁傳感器8可以判斷谷物中混入的金屬等雜質(zhì)；

18、分離和清選損失所用籽粒損失傳感器多為壓電陶瓷式，分別安裝了逐稿器和清糧篩損失傳感器27，將一片壓電晶體膜片安裝在一塊長(zhǎng)方形鐵板的中心位置上，當(dāng)下落谷粒撞擊傳感器鐵板產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)壓電晶體膜片轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電脈沖信號(hào)，由儀表顯示籽粒損失程度。在采用損失傳感器測(cè)試分離和清選損失時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)試收割機(jī)的喂入量和籽粒流量，然后推導(dǎo)出草谷比和脫粒、分離與清選負(fù)荷，即可控制分離和清選裝置工作在最佳狀態(tài)。 (5)通過(guò)氯化鋰濕度傳感器、半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器、氧化鋁濕度傳感器、微波濕度傳感器7,17等作為測(cè)量谷物濕度的傳感器和磁彈性傳感器、光柵式轉(zhuǎn)矩傳感器等測(cè)量滾筒轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器配合可以控制脫粒的干凈程度。 (

19、6)目前在收割機(jī)上主要利用光電容積傳感器、射線式流量傳感器、沖量式流量傳感器和刮板輪式容積流量傳感器20,22來(lái)測(cè)量谷物的流量。以上介紹的各傳感器的具體作用及特點(diǎn)將在下文詳細(xì)闡述。4傳感器在水稻收割機(jī)上的應(yīng)用4.1測(cè)量水稻收割機(jī)前進(jìn)速度可選擇傳感器的種類4.1.1霍爾傳感器概述霍爾傳感器3,4,6是一種以霍爾效應(yīng)為工作基礎(chǔ)的磁傳感器，它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化。它是由霍爾元件及其附加電路組成的集成傳感器，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展 ，因其霍爾效應(yīng)顯著而得到廣泛應(yīng)用。目前的霍爾元件基本都是半導(dǎo)體材料制成。通常，根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將霍爾傳感器的應(yīng)用分成兩大類,即直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。直接應(yīng)用是直接檢測(cè)

20、出被檢測(cè)對(duì)象的磁場(chǎng)特性，間接應(yīng)用是通過(guò)人為給被檢測(cè)對(duì)象施加磁場(chǎng)，再通過(guò)這個(gè)磁場(chǎng)將非電量、非磁的物理量轉(zhuǎn)變成電量來(lái)檢測(cè)和控制。例如將力、力矩、位移、速度、加速度等轉(zhuǎn)變成電量來(lái)測(cè)量和控制?；魻杺鞲衅饕蚱浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，無(wú)觸點(diǎn)，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，易于集成電路化等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。4.1.2霍爾傳感器的工作原理(1)霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)17是美國(guó)物理學(xué)家霍爾1879年在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的一種物理效應(yīng)。當(dāng)放置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為b的磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這一效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)。如圖4.1所示。 i b 圖4.1

21、霍爾效應(yīng)示意圖 (2)霍爾元件根據(jù)霍爾效應(yīng)，利用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、四根引線和外殼組成，其圖形符號(hào)6如圖4.2所示。1、1稱為激勵(lì)電極；2、2稱為霍爾電極。h 2 1 1 2 圖4.2 霍爾元件的圖形符號(hào)霍爾元件具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此在測(cè)量、自動(dòng)控制、信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它的靈敏度與元件的材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用n型半導(dǎo)體材料5制作霍爾元件。(3)霍爾測(cè)速傳感器的原理轉(zhuǎn)盤的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便在每一個(gè)小磁鐵通

22、過(guò)時(shí)輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)，再接入一個(gè)頻率計(jì)便可測(cè)出轉(zhuǎn)速6。由于霍爾測(cè)速傳感器耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕8-9。但是它易受分辨率和田間作業(yè)滑移的影響，測(cè)量的精度難以控制。此外，在作業(yè)過(guò)程中的加速和減速對(duì)測(cè)量會(huì)帶來(lái)較大的誤差以及傳感器的安裝固定不方便。在水稻收割機(jī)所處的泥水工作環(huán)境中，低成本的霍爾測(cè)速傳感器一般能夠滿足要求。4.1.3光電傳感器概述 光電傳感器6,17是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再通過(guò)光電器件把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。圖4.3為光電傳感器的原理框圖6。 光源 光學(xué)通路光電元件件測(cè)量電路 光量 光量 電量 輸出 圖4.3 光電

23、傳感器原理框圖它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)一般分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩大類，其中內(nèi)光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。(1)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)3,6，也稱為光電發(fā)射，是指在光線作用下，被照射物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象。這些向外逸出的電子叫做光電子。光電子具有能量，每個(gè)光電子具有的能量可由下式確定： （4-1）式中: 普朗克常數(shù)，(js); 光的頻率（）由上式可以看出，光的波長(zhǎng)越短，即頻率越高，其光子的能量也越大;反之，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也越小6。例如光電管、光電倍增管等都是基于外光電效應(yīng)的光電器件。(2)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)6是指在光線作用下，物體電阻率發(fā)生變化或者產(chǎn)

24、生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：光電導(dǎo)效應(yīng)5.6,17 在物體受到光照射后，材料吸收了入射光子的能量，其內(nèi)部的電子由于吸收了能量而達(dá)到自由狀態(tài)，引起材料電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。光生伏特效應(yīng)5.6,17 物體受到光照后，其內(nèi)部的原子釋放電子，但這些電子并沒(méi)有逸出物體表面，而是仍留在物體內(nèi)部，從而使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。例如，光電池就是基于這個(gè)效應(yīng)制成的。(3)光電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速原理在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間的條紋圓盤，由于它們具有不同的反射率，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接受光的反射信號(hào)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路處

25、理，將反射光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。每分鐘轉(zhuǎn)速與脈沖頻率的關(guān)系為: (4-2)n表示黑白條紋的數(shù)目。 光電轉(zhuǎn)速傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，克服了輪子的跳動(dòng)、打滑以及振動(dòng)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。但是水稻收割機(jī)所處的泥水工作環(huán)境容易影響光源。4.1.4光纖傳感器光纖的發(fā)明為人類信息高速公路奠定了重要的基礎(chǔ)，隨著它的出現(xiàn)研制出了光纖通信技術(shù)。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它隨著光纖和通信技術(shù)的發(fā)展逐漸發(fā)展并成熟起來(lái)。光纖傳感器可以探測(cè)的物理量多達(dá)70多種17，例如，壓力、溫度、位移、速度、加速度、磁場(chǎng)、電壓、電流、化學(xué)量等。近年來(lái)光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，它對(duì)航空航天、生命科學(xué)、有線通信等的發(fā)

26、展做出了很大貢獻(xiàn)，在這個(gè)多學(xué)科交叉的信息時(shí)代，它應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛。(1)光纖傳感器的工作原理光纖傳感器5,6,14實(shí)際上就是利用光在光導(dǎo)纖維中傳播引起光的特性發(fā)生變化而研制出的一種傳感器。光在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號(hào)與光相互作用，外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。光纖傳感器由光源、敏感元件、光探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)和光纖17等組成。由光源發(fā)出的光通過(guò)源光纖引到敏感元件，被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過(guò)接收光纖耦合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后經(jīng)過(guò)信號(hào)處理即可得到所需要的被測(cè)量。光纖傳感器在

27、測(cè)量速度時(shí)，以激光器作為發(fā)射光源，光源發(fā)出的光在光纖中傳播并從另一端傳出經(jīng)反射鏡反射后，由導(dǎo)出光纖傳輸?shù)矫舾性?4-15。由于反射鏡隨轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的變化周期即轉(zhuǎn)動(dòng)周期，由此便可測(cè)得速度。光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能、傳光損害很小、頻帶寬、可進(jìn)行超高速測(cè)量、靈敏度和線性度好，而且它的體積小、重量輕，能在惡劣的環(huán)境下進(jìn)行非接觸式測(cè)量。4.1.5電動(dòng)式速度傳感器 電動(dòng)式傳感器17是指利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出，又稱感應(yīng)式傳感器。這種傳感器的工作不需要外加電源，而是直接吸取被測(cè)物體的機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，它是一種典型的發(fā)電型傳感器。電動(dòng)式速度傳感器由軛鐵、永久磁鐵、線圈

28、、支撐彈簧等組成。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過(guò)線圈的磁通量隨著時(shí)間變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為磁通量隨時(shí)間變化速率的相反數(shù)?？梢员硎緸槿缦拢?(4-3)當(dāng)線圈沿著垂直于磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生與線圈運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電壓，通過(guò)測(cè)量電路便可測(cè)得感應(yīng)電壓的大小，從而測(cè)出速度的大小。由于電動(dòng)式傳感器是一種發(fā)電型傳感器，工作時(shí)不需要外加電源，對(duì)收割機(jī)在野外工作提供了很大便利。4.1.6以上傳感器的特點(diǎn)及在其方面的應(yīng)用(1)霍爾測(cè)速傳感器耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。因此在水稻收割機(jī)所處的這樣的工作環(huán)境中，霍爾測(cè)速傳感器能很好地滿足要求。因霍爾元件結(jié)

29、構(gòu)簡(jiǎn)單、工藝成熟、體積小、壽命長(zhǎng)、線性度好、耐高溫而被廣泛用于測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度、電功率、電能、微氣隙中的磁場(chǎng)等。經(jīng)過(guò)再次轉(zhuǎn)換可以用于非電量的測(cè)量，比如測(cè)量微位移、流量、壓力、轉(zhuǎn)速、加速度等。目前，霍爾測(cè)速傳感器在機(jī)車測(cè)速中占有重要的地位9，但是實(shí)際應(yīng)用時(shí)，霍爾元件的測(cè)量精度受到多種因素的影響，其中最主要的就是半導(dǎo)體的固有特性和半導(dǎo)體的制造工藝缺陷。(2)光電傳感器具有頻譜寬、不易受電磁干擾、響應(yīng)快、分辨率高、可靠性高、可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量11等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制中。光電測(cè)速傳感器一般有透光式測(cè)速傳感器和反射式測(cè)速傳感器兩種形式，其中透光式不宜在強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境中使用，這樣會(huì)使光源壽命降低，反射

30、式不存在這個(gè)問(wèn)題，所以在水稻收割機(jī)上應(yīng)用反射式光電測(cè)速傳感器更加方便可靠。目前，生活中我們最切實(shí)感受到光電傳感器的應(yīng)用就是手機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度、條形碼掃描、復(fù)印機(jī)、打印機(jī)12-13等。由于其應(yīng)用領(lǐng)域極其廣泛，所以世界上對(duì)它的研究高度重視。(3)光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而且光纖是電絕緣傳輸介質(zhì)，因此與傳統(tǒng)的傳感器相比它可以抗電磁干擾、也不影響外界的電磁場(chǎng)，安全性好。此外，光纖傳感器還具有靈敏度高、重量輕、體積小、對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小等特點(diǎn)?？梢赃M(jìn)行連續(xù)分布測(cè)量，便于復(fù)用和聯(lián)網(wǎng)，有利于與現(xiàn)有的光通信技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)14。目前在機(jī)床行業(yè)、三坐標(biāo)測(cè)量、機(jī)精密轉(zhuǎn)臺(tái)、電子設(shè)備制造、水利等領(lǐng)域開(kāi)

31、始廣泛應(yīng)用，例如光柵式應(yīng)變傳感器用于對(duì)橋梁的溫度檢測(cè)、車輛載荷檢測(cè)15。光纖光柵位移傳感器、光纖光柵加速度傳感器、光纖光柵壓力傳感器等在國(guó)內(nèi)都已經(jīng)有商品化的產(chǎn)品了。(4)電動(dòng)式傳感器是一種典型的發(fā)電型傳感器，它在工作過(guò)程中不需要外加電源，而是直接吸取被測(cè)物體的機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。電動(dòng)式傳感器主要用于測(cè)量物體的振動(dòng)速度，配以積分電路或微分電路還可測(cè)量振動(dòng)位移或加速度。它的靈敏度高、輸出阻抗低、輸出功率大、性能穩(wěn)定，還可制成多種結(jié)構(gòu)形式以適應(yīng)不同的測(cè)量場(chǎng)合。輸出阻抗低可以降低對(duì)絕緣和輸出電路的要求并減小了連接電纜的噪聲干擾。但是電動(dòng)式傳感器易磨損，工作溫度不高，頻響范圍有限。電動(dòng)式傳感器廣泛

32、應(yīng)用于航空、兵器工業(yè)和民用工業(yè)。在飛機(jī)的設(shè)計(jì)制造中常采用電動(dòng)式傳感器對(duì)一些重要部件進(jìn)行振動(dòng)測(cè)試。在火炮炮筒振動(dòng)對(duì)射彈散布影響的研究中，相對(duì)式電動(dòng)傳感器是測(cè)量炮口振動(dòng)速度的重要元件。在民用工業(yè)方面，對(duì)于各種大型電機(jī)、空氣壓縮機(jī)、機(jī)床、車輛、軌枕振動(dòng)臺(tái)、化工設(shè)備、各種水管道、氣管道、橋梁樓房等的振動(dòng)監(jiān)測(cè)或振動(dòng)研究都廣泛使用電動(dòng)式傳感器。4.2 測(cè)量割臺(tái)高度可選擇的傳感器在收割過(guò)程中，要根據(jù)收割對(duì)象的生長(zhǎng)狀況進(jìn)行合適的調(diào)節(jié)割臺(tái)高度。如果工作過(guò)程中割臺(tái)高度調(diào)節(jié)的不合適，可能會(huì)使機(jī)器堵塞，從而出現(xiàn)故障和降低作業(yè)效率，如果割茬過(guò)高也會(huì)影響下次的耕種或者降低產(chǎn)量。因此，割臺(tái)的控制對(duì)機(jī)械化作業(yè)的高效率、高質(zhì)量

33、具有重要意義。以下幾種傳感器目前都很好地用在收割機(jī)上來(lái)對(duì)割臺(tái)進(jìn)行控制。4.2.1紅外傳感器紅外技術(shù)5已經(jīng)發(fā)展成為一種新興的技術(shù)，目前被廣泛應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)方面、軍事、航天等領(lǐng)域。在軍事上的應(yīng)用有紅外成像、搜索跟蹤系統(tǒng)、紅外制導(dǎo)火箭、警戒系統(tǒng)等；如醫(yī)療上的紅外診斷和輔助治療；工農(nóng)業(yè)方面的溫度探測(cè)、紅外烘干以及紅外測(cè)距；日常生活中的紅外取暖、自動(dòng)門、自動(dòng)水龍頭等。(1) 紅外輻射紅外輻射3,17就是平時(shí)所說(shuō)的紅外線，它是一種輻射波長(zhǎng)大約在0.761000m的不可見(jiàn)光。工程上把紅外線所占據(jù)的波段分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極紅外四部分。紅外輻射的物理本質(zhì)就是熱輻射，凡是溫度高于絕對(duì)零度的所有物體都

34、在不停地向周圍空間以熱輻射或電磁輻射發(fā)出能量。物體溫度越高，輻射出來(lái)的紅外線就越多，輻射的能量也就越高。紅外線的本質(zhì)和可見(jiàn)光和電磁波的性質(zhì)一樣，具有反射、折射、干涉、吸收等特性，它在真空中以光速傳播，并具有明顯的波粒二象性。紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間中直線傳播的。大氣是紅外輻射的主要傳播介質(zhì)，當(dāng)紅外線在大氣中傳播時(shí)，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外線存在不同的吸收帶。(2) 紅外傳感器組成紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路和顯示單元等組成6。紅外傳感器的核心是紅外探測(cè)器，是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所表現(xiàn)的物理效應(yīng)來(lái)探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，根據(jù)探測(cè)機(jī)理的不同分

35、為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器。(3) 紅外輻射傳感器測(cè)量割幅的原理紅外輻射傳感器是利用儀器發(fā)出一束光（通常是近紅外光）照射到作物的表面，儀器同時(shí)接受被測(cè)作物反射回的能量，根據(jù)接收到的反射光的能量來(lái)判斷作物的距離。4.2.2超聲波傳感器超聲波通常是指頻率在20000hz以上的高頻聲波17。在其強(qiáng)度較低時(shí)，超聲波可以作為探測(cè)負(fù)載信息的載體與媒介，稱為檢測(cè)超聲。而當(dāng)其強(qiáng)度超過(guò)一定值時(shí)，則與傳聲媒介相互作用，可以改變以致破壞傳聲媒介的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，稱為高能超聲或功率超聲。超聲技術(shù)是一門以物理、電子、機(jī)械以及材料學(xué)為基礎(chǔ)的通用技術(shù)。它是通過(guò)超聲波產(chǎn)生、傳播及接收的物理過(guò)程完成的。超聲波廣泛應(yīng)用于冶金、機(jī)械

36、、醫(yī)療等行業(yè)。超聲波傳感器是利用超聲波在超聲場(chǎng)中的物理特性和各種效應(yīng)而研制的裝置，通常也稱為超聲波換能器、探測(cè)器。超聲波探頭按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等，其中壓電式控頭最常用。壓電式超聲波探頭常用的材料是壓電晶體和壓電陶瓷，這種傳感器統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭。它是根據(jù)壓電材料的壓電效應(yīng)來(lái)工作的：逆壓電效應(yīng)將高頻電振動(dòng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭；而正壓電效應(yīng)是將超聲振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可作為接受探頭。(1)超聲波物位傳感器超聲波物位傳感器是根據(jù)超聲波在兩種介質(zhì)的分界面上的反射特性來(lái)制成的。如果從發(fā)射超聲脈沖開(kāi)始到接收換能器接收到反射波為止的時(shí)間間隔已知，就

37、可以求出分界面的位置，利用這種方法對(duì)物位進(jìn)行測(cè)量。4.2.3激光傳感器激光技術(shù)和激光器是二十世紀(jì)六十年代出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)之一。激光技術(shù)與應(yīng)用的迅猛發(fā)展，已與多個(gè)學(xué)科相結(jié)合，形成新興的交叉學(xué)科，如光電子學(xué)、信息光學(xué)、激光光譜學(xué)、非線性光學(xué)、超快激光學(xué)、量子光學(xué)、光纖光學(xué)、導(dǎo)波光學(xué)、激光醫(yī)學(xué)、激光生物學(xué)、激光化學(xué)等。這些交叉技術(shù)與新的學(xué)科的出現(xiàn)，大大地推動(dòng)了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)和新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，使得激光器的應(yīng)用范圍擴(kuò)展到幾乎國(guó)民經(jīng)濟(jì)的所有領(lǐng)域。激光傳感器3,5,17是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器工作時(shí)，先由激光發(fā)射二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖，經(jīng)目標(biāo)反射后

38、激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器，因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)。常見(jiàn)的是激光測(cè)距傳感器，它通過(guò)記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間，即可測(cè)定目標(biāo)距離16。激光傳感器必須極其精確地測(cè)定傳輸時(shí)間，因?yàn)楣馑偬臁?.2.4各傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)及在其他領(lǐng)域的應(yīng)用 (1)紅外傳感器 紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，并且靈敏度高，響應(yīng)快等。紅外線傳感器常用于無(wú)接觸溫度測(cè)量，氣體成分分析和無(wú)損探傷，在醫(yī)學(xué)、軍事、空間技術(shù)和環(huán)境工程等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。例如采用紅外線傳

39、感器遠(yuǎn)距離測(cè)量人體表面溫度的熱像圖，可以發(fā)現(xiàn)溫度異常的部位；利用人造衛(wèi)星上的紅外線傳感器對(duì)地球云層進(jìn)行監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)大范圍的天氣預(yù)報(bào)；采用紅外線傳感器可檢測(cè)飛機(jī)上正在運(yùn)行的發(fā)動(dòng)機(jī)的過(guò)熱情況等。例如紅外線遙控鼠標(biāo)、紅外線夜視攝影功能都給我們的生活帶來(lái)了很大的便利。 (2)超聲波傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、安裝方便、不受被測(cè)介質(zhì)影響，可以在較高溫度下測(cè)量、精度高、功能強(qiáng)等特點(diǎn)。對(duì)于測(cè)距來(lái)說(shuō)，超聲波傳感器具有頻率高、波長(zhǎng)短、定向性好、振幅小、加速度大、能量集中等顯著特點(diǎn)。目前，為了提高焊接質(zhì)量和效率，改善人工勞動(dòng)條件，焊接技術(shù)正在向半自動(dòng)化方向發(fā)展，目前超聲波傳感器在汽車領(lǐng)域用于焊接生產(chǎn)已經(jīng)很廣泛了。超

40、聲波流量傳感器具有不阻礙流體流動(dòng)等特點(diǎn)而用于對(duì)自來(lái)水、工業(yè)用水、農(nóng)業(yè)用水等進(jìn)行測(cè)量。超聲波測(cè)距傳感器測(cè)量從換能器發(fā)出的超聲波經(jīng)目標(biāo)反射后沿原路返回接收換能器所需的時(shí)間，再由渡越時(shí)間和介質(zhì)中的聲速即可求得目標(biāo)與傳感器的距離。 (3)激光傳感器因具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性而廣泛應(yīng)用于測(cè)量和加工。它可以實(shí)現(xiàn)無(wú)觸點(diǎn)遠(yuǎn)距離測(cè)量、速度高、精度高、測(cè)量范圍廣、抗電磁干擾能力強(qiáng)。目前軍事上用于對(duì)地形的測(cè)量，比如戰(zhàn)場(chǎng)前沿測(cè)距，測(cè)云層、飛機(jī)、導(dǎo)彈等的高度；激光雷達(dá)用于火炮控制、跟蹤系統(tǒng)識(shí)別等；激光制導(dǎo)武器具有命中率高、抗電磁干擾能力強(qiáng)而成為未來(lái)武器發(fā)展的新趨勢(shì)。還有日常生活用的鼠標(biāo)，激光打印機(jī)，驗(yàn)鈔

41、器等都用到了激光技術(shù)。4.3測(cè)量谷物流量可選用傳感器面對(duì)我國(guó)龐大的人口，耕地資源的不斷減少，糧食安全問(wèn)題已經(jīng)不能小覷，提高糧食產(chǎn)量對(duì)保障糧食安全具有重要戰(zhàn)略意義。目前，所提出的精細(xì)農(nóng)業(yè)的一個(gè)重要指標(biāo)就是對(duì)糧食產(chǎn)量的精準(zhǔn)測(cè)量，糧食產(chǎn)量可以反映出田間影響產(chǎn)量的因素，例如，墑情、病蟲(chóng)害、肥料的利用率等，為此，我們可以根據(jù)實(shí)際情況采取相應(yīng)的措施來(lái)保證糧食產(chǎn)量。在對(duì)糧食產(chǎn)量測(cè)量過(guò)程中，谷物流量傳感器是這個(gè)測(cè)量系統(tǒng)的核心，目前我們采用的谷物流量傳感器有光電容積傳感器、射線式流量傳感器、沖量式流量傳感器和刮板輪式容積流量傳感器等幾種。4.3.1光電式容積傳感器光電式容積傳感器是由對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、電纜、穩(wěn)壓電

42、路、信號(hào)采集電路、信號(hào)處理電路等組成。光電式容積傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖如圖4-4所示，在使用過(guò)程中，把它安裝在收割機(jī)谷物升運(yùn)器兩側(cè)，當(dāng)升運(yùn)器刮板運(yùn)送谷物上升時(shí)，上升的谷物經(jīng)過(guò)光電開(kāi)光之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來(lái)自發(fā)光元件的光，光電敏感元件間斷地接收光的反射信號(hào)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路處理，將反射光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。再由阻斷時(shí)間間隔就可以計(jì)算出谷物的流量。 圖4-4 光電容積傳感器4.3.2 射線式流量傳感器射線式流量傳感器也稱為核輻射監(jiān)測(cè)裝置，它是根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)放射線的吸收、穿透能力、反射、散射或被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)作用而工作的。它可以用來(lái)測(cè)量物質(zhì)的密度、厚度、分析氣體成分、探測(cè)物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)

43、等。當(dāng)原子核發(fā)生、衰變時(shí)，往往衰變到核的激發(fā)態(tài)，處于激發(fā)態(tài)的原子核是不穩(wěn)定的，他會(huì)向低激發(fā)態(tài)或者基態(tài)躍遷，同時(shí)釋放出光子，產(chǎn)生射線。放射線源多使用或等放射性同位素發(fā)出的射線源5-6。射線式流量傳感器的一個(gè)重要組成部分就是核輻射接收器，它將核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而探測(cè)出射線的強(qiáng)弱變化。在工作過(guò)程中，射線源對(duì)準(zhǔn)傳感器，當(dāng)升運(yùn)器運(yùn)送的谷物被拋出后，輻射源的放射線經(jīng)谷物的反向散射，將導(dǎo)致傳感器測(cè)出的輻射強(qiáng)度發(fā)生變化。它的結(jié)構(gòu)原理圖28如圖4-5所示，圖4-5 射線式流量傳感器射到探測(cè)器上的透射射線強(qiáng)度和谷物質(zhì)量的關(guān)系為 （4-4）式中： 射到探測(cè)器的投射射線強(qiáng)度 被測(cè)谷物對(duì)所用射線的質(zhì)量吸收系數(shù)

44、沒(méi)有谷物時(shí)射到探測(cè)器處的射線強(qiáng)度 谷物的厚度由上面的衰減規(guī)律公式可知，輻射強(qiáng)度越弱表明輻射源與傳感器之間的谷物質(zhì)量越大，將谷物的質(zhì)量數(shù)據(jù)和谷物流經(jīng)傳感器的數(shù)據(jù)結(jié)合，便可轉(zhuǎn)換成谷物的質(zhì)量流速度。4.3.3沖量式流量傳感器沖量式流量傳感器與電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理基本相同，即當(dāng)被測(cè)物理量（如位移、壓力）在彈性元件上產(chǎn)生彈性形變，貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片將彈性形變轉(zhuǎn)變成其電阻值的變化，從而電阻應(yīng)變式傳感器可將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化。圖4-6 沖量式流量傳感器 1.升運(yùn)器 2.導(dǎo)流板 3.力傳感器4.沖擊板在應(yīng)用中，沖量式傳感器安裝在收割機(jī)的升運(yùn)器出口，當(dāng)升運(yùn)器運(yùn)送的谷物到達(dá)糧倉(cāng)頂部

45、，谷物因?yàn)榫哂袆?dòng)量被拋出后而擊打到?jīng)_量式傳感器的彈性元件上20，貼在彈性元件上的電阻應(yīng)變片的阻值因彈性元件的形變而發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電壓或電流的變化。再通過(guò)標(biāo)定將電壓或電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成谷物的質(zhì)量流量值。4.3.4刮板輪式容積流量傳感器上文所介紹的用于測(cè)量谷物流量的傳感器都是通過(guò)谷物對(duì)彈性元件的沖擊而引起的形變、對(duì)射線的吸收和反射以及升運(yùn)器上谷物的高度等參數(shù)來(lái)間接測(cè)量出谷物的體積或重量。通過(guò)把測(cè)得的參數(shù)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)過(guò)放大處理便可得到谷物的流量。刮板輪式容積流量傳感器20,26可以直接將谷物的體積或重量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，可以更加方便地測(cè)出谷物的流量。刮板輪式容積流量傳感器的原理圖20如圖

46、4-7所示，圖4-7 刮板輪式容積流量傳感器當(dāng)升運(yùn)器運(yùn)送拋出的谷物達(dá)到一定的高度時(shí)，料位傳感器檢測(cè)到信號(hào)后，位于升運(yùn)器和谷倉(cāng)之間的刮板輪開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)。其中，兩刮板輪之間的空間容積v是已知的，因此只要測(cè)出刮板輪的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速便可根據(jù)下式計(jì)算出谷物的容積流量。 （4-5）其中f表示谷物的容積流量，n表示刮板的個(gè)數(shù)，v表示兩刮板輪之間的空間容積，r表示刮板輪的轉(zhuǎn)速。4.3.5以上四種傳感器優(yōu)缺點(diǎn)的比較(1)光電式容量傳感器在測(cè)量過(guò)程中容易受含水量、谷物的質(zhì)量密度、機(jī)器的振動(dòng)和傾斜程度、探頭易受污染等因素影響，從而在工作中性能不穩(wěn)定。(2)沖量式流量傳感器是目前應(yīng)用最為廣泛的，它的測(cè)量范圍也很廣，可以對(duì)絕大多

47、數(shù)谷物進(jìn)行測(cè)量，其次它的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，與其他的幾類傳感器相比它可以適應(yīng)相對(duì)惡劣的環(huán)境。但是，它的測(cè)量結(jié)果會(huì)因升運(yùn)器的轉(zhuǎn)速、谷物含水率受到影響。(3)核輻射式流量傳感器可以精確、迅速、自動(dòng)、非接觸、無(wú)損檢測(cè)，但是它的價(jià)格比較高以及核輻射對(duì)人體的傷害而使其應(yīng)用受到限制。(4)刮板式流量傳感器與上面三種流量傳感器相比可以實(shí)現(xiàn)對(duì)流量的直接測(cè)量，而且它的精度高、實(shí)時(shí)性好，但是需要較大的空間，所以在實(shí)用性上存在局限性。綜上對(duì)四種流量傳感器比較可得，沖量式流量傳感器具有最高的性價(jià)比，并且目前在收割機(jī)上其應(yīng)用的最廣泛。4.4測(cè)量谷物濕度可選用的傳感器濕度17是指空氣中水蒸氣的含量的物理量，通常采用相對(duì)濕度、絕

48、對(duì)濕度、露點(diǎn)等來(lái)表示。水分子有較大的偶極矩，因而易于附著并滲入固體表面內(nèi)。利用這種現(xiàn)象制成的濕敏元件稱為水分子親和力型元件；另一類濕敏元件與水分子親和力無(wú)關(guān)，稱為非水分子親和力型元件。水分子附著或侵入濕敏材料后，會(huì)引起材料阻抗或介質(zhì)常數(shù)的變化。濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過(guò)濕敏器件的物理或化學(xué)性質(zhì)變化,將濕度轉(zhuǎn)換成有用信號(hào)的器件。由于空氣中水蒸氣的含量比空氣少得多、濕敏元件易被腐蝕和老化等原因使得濕度檢測(cè)比其他物理量的檢測(cè)更加困難。通常，要求濕敏元件在各種氣體環(huán)境下穩(wěn)定性好、響應(yīng)時(shí)間短、壽命長(zhǎng)、有互換性、耐污染以及受溫度影響小等。4.4.1氯化鋰濕度傳感器氯化鋰濕度傳感器是利用吸濕性

49、鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的阻抗式濕敏元件。它由引線、基片、感濕層和電極組成，如圖4-8所示， 圖4-8 氯化鋰濕度傳感器氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，在氯化鋰溶液中，和均以離子形式存在，對(duì)水分的吸引能力強(qiáng)，離子水合程度高，其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定的溫濕場(chǎng)中，若環(huán)境相對(duì)濕度比較高，溶液將吸收水分，使?jié)舛冉档?，因此，溶液電阻率變大，反之亦然。從而?shí)現(xiàn)對(duì)濕度的測(cè)量。4.4.2半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器是由傳感器、加熱器、底座三部分組成的一種阻抗式濕度傳感器。它是利用附著在金屬氧化物陶瓷毛細(xì)孔的水分變化而使電阻值變化來(lái)工作的。其結(jié)構(gòu)如圖4-9所示，

50、圖4-9 陶瓷濕度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖陶瓷濕度傳感器的敏感材料是由鎂尖晶石（）和金紅石（）構(gòu)成的金屬氧化物陶瓷。將這種陶瓷燒制成表面多孔的薄平板，然后在其兩面配制與陶瓷熱膨脹系數(shù)大致相等，且粘結(jié)強(qiáng)度大的氧化釕（）電極。同時(shí)，將鉑-銥線用氧化釕糊質(zhì)燒結(jié)，作為電極導(dǎo)線并與電極相連接，從而構(gòu)成濕度傳感器。4.4.3氧化鋁濕度傳感器氧化鋁濕度傳感器是一種電容式微量水分檢測(cè)傳感器，它是利用氧化鋁對(duì)水分吸附能力極強(qiáng)制成的，工作時(shí)被測(cè)氣體中的水分子通過(guò)金屬層上的網(wǎng)孔被氧化鋁的細(xì)孔壁吸附或釋放，并與周圍的水蒸氣壓很快達(dá)到平衡。由于水分的介電常數(shù)大，細(xì)孔壁吸附水分子后等效電容變大，即電容量隨濕度變化：濕度越大，電容

51、量越大，反之亦然。其變化規(guī)律可以表示為： （4-6）式中，c表示電容量；a為平板電容的面積；d為兩極板之間的距離；表示真空電容率；為比電容率（隨溫度變化)。4.4.4微波濕度傳感器微波是介于紅外線與無(wú)線電波之間的電磁輻射，其頻率通常在1000mhz以上，具有電磁波的性質(zhì)，但是它又不同于普通無(wú)線電波和光波，是指一種波長(zhǎng)相對(duì)較長(zhǎng)的電磁波。目前，微波傳感器在微波通信、衛(wèi)星發(fā)送、雷達(dá)、遙感等方面得到了應(yīng)用。在工業(yè)中，微波傳感器對(duì)材料無(wú)損檢測(cè)及物位檢測(cè)具有重要作用。微波傳感器在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)勘探、能源、材料、國(guó)防等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。微波在含水蒸氣的空氣中傳播時(shí)會(huì)因?yàn)樗魵獾奈斩a(chǎn)生一定的損失，

52、損失的程度會(huì)因波長(zhǎng)的不同而不同。利用這一特性我們研制成微波濕度傳感器。在微波頻段，水的介電常數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般材料。高頻電場(chǎng)中，電介質(zhì)存在弛豫損耗，其介電常數(shù)可以用復(fù)數(shù)表示： （4-7）其中，表示介質(zhì)的儲(chǔ)能特性；表示介質(zhì)的耗能特性。介電常數(shù)、與電場(chǎng)的頻率、材料的性質(zhì)有關(guān)。一般干燥材料的介電常數(shù)比較小，如木材、紙張、皮革等的介電常數(shù)都在15之間，而水的一般則很高。由于水的這種微波特性，使被測(cè)材料中的水分成為決定其介電常數(shù)的主要因素，因此濕度的變化可以很大程度影響材料的介電特性，通過(guò)測(cè)量與介電常數(shù)相關(guān)的物理量就能判斷材料的含水率。微波濕度傳感器5在測(cè)量谷物顆粒的濕度是基于放在發(fā)射和接受喇叭天線之間的谷

53、物對(duì)微波信號(hào)的衰減。由于谷物的介電特性取決于谷物的濕度和疏密度，所以當(dāng)測(cè)量微波衰減或用別的介電傳感器確定濕度時(shí)，疏密度的變化就會(huì)產(chǎn)生誤差，為了克服其對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，研制出一種使用微波帶線狀傳感器代替喇叭天線的微波濕度傳感器，微波帶線狀傳感器安裝在谷物干燥器上，可提供連續(xù)的濕度記錄，并用低通濾波器來(lái)消除谷物疏密度引起的電信號(hào)變化。4.4.5各濕度傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比及在其它領(lǐng)域的應(yīng)用氯化鋰濕度傳感器的優(yōu)點(diǎn)是滯后小，不受測(cè)試環(huán)境風(fēng)速影響，檢測(cè)精度高達(dá)5%，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，響應(yīng)快，但是其尺寸較大，耐熱性差，不能用于露點(diǎn)以下的測(cè)量，器件性能重復(fù)性不理想，使用壽命短。半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器屬于阻抗式濕度傳感

54、器，它具有很多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)溫范圍寬、工作溫度高、響應(yīng)時(shí)間短、精度高、工藝簡(jiǎn)單、成本低等。其中傳感器能夠連續(xù)穩(wěn)定地測(cè)量濕度，而無(wú)需加熱除污裝置，并且體積小，成本低，是一種常用的測(cè)濕傳感器。氧化鋁濕度傳感器的響應(yīng)速度快、抗結(jié)露點(diǎn)及抗污染能力強(qiáng)、無(wú)需加熱清洗，在長(zhǎng)期使用過(guò)程中性能穩(wěn)定可靠，能夠在全范圍感濕測(cè)出超微量水分。微波濕度傳感器在運(yùn)行時(shí)帶有一個(gè)限流振動(dòng)器，使谷物的疏密度保持均勻，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濕度的連續(xù)監(jiān)控，在濕度為10%20%時(shí)，測(cè)濕誤差小于0.3%。4.5測(cè)量滾筒轉(zhuǎn)速可選傳感器扭矩傳感器19是一種可以測(cè)扭矩、轉(zhuǎn)速以及功率的精密儀器。目前應(yīng)用十分廣泛，如測(cè)電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等輸出的扭矩和功率。扭矩是機(jī)

55、械量中的一個(gè)重要參數(shù)，它是一個(gè)代數(shù)量，其絕對(duì)值等于力與力偶臂的乘積，它的符號(hào)規(guī)定如下：如果按右手螺旋法則把扭矩表示為矢量，當(dāng)矢量方向與所研究部分中截面的外發(fā)線的方向一致時(shí)，扭矩為正，反之為負(fù)。在運(yùn)轉(zhuǎn)中，軸之間的功率的傳遞是靠軸上的扭矩來(lái)完成的。扭矩傳感器一般串接在扭矩傳遞系統(tǒng)中并作為扭矩傳遞系統(tǒng)中的一個(gè)環(huán)節(jié)來(lái)測(cè)量所傳遞的扭矩。本文所選的扭矩傳感器主要用來(lái)和谷物流量傳感器配合測(cè)流量。4.5.1應(yīng)變型轉(zhuǎn)矩傳感器應(yīng)變型扭矩傳感器把電阻應(yīng)變片粘貼在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，當(dāng)彈性元件受到力的作用產(chǎn)生變形時(shí)，電阻應(yīng)變片會(huì)隨之產(chǎn)生變形，從而會(huì)引起電阻值變化?？捎孟率奖硎?， （4-8）上式中，表示材料的應(yīng)變系數(shù)；為應(yīng)變片的應(yīng)變值6。由上式可知，當(dāng)是定值時(shí)，只要測(cè)得，便可得到的值。轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，在橫截面邊緣處切應(yīng)力達(dá)到最大，此時(shí)轉(zhuǎn)矩和應(yīng)變的關(guān)系19可表示為: （4-9）其中，為軸所受的轉(zhuǎn)矩；是彈性模量；是轉(zhuǎn)軸半徑。在沿軸與梁軸線成的方向粘貼4個(gè)電阻應(yīng)變片組成全橋電