淺談谷物聯(lián)合收獲機的在線測產(chǎn)技術(shù)

周銀章

（山東省費縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局，山東 臨沂 273400）

過去主要采用人工抽樣估產(chǎn)或者裝袋稱重的方式獲取農(nóng)作物產(chǎn)量，但是該方式勞動強度大、作業(yè)效率低，所以并不適用于大面積種植的農(nóng)田。如果要實現(xiàn)精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)，對農(nóng)作物產(chǎn)量進行在線測產(chǎn)，有必要對聯(lián)合收獲機的在線測產(chǎn)技術(shù)展開深入研究，通過合理化安裝測產(chǎn)傳感器裝置，實時在線獲取到農(nóng)作物產(chǎn)量的分布信息，這樣農(nóng)民以及農(nóng)業(yè)管理者就可以參照信息，制訂農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與管理計劃。

1 谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)分析

早在1992年就已經(jīng)有企業(yè)將谷物產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)推向市場，目前已有不少國家掌握了谷物在線測產(chǎn)技術(shù)，并且監(jiān)測技術(shù)越來越先進。谷物聯(lián)合收獲機借助在線測產(chǎn)技術(shù)，一方面，便于人員對農(nóng)機在遠(yuǎn)程狀態(tài)下開展管理與服務(wù)工作，極大地提升了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的機械化水平，并逐步向智能化的方向發(fā)展；另一方面，借助農(nóng)機采集的精準(zhǔn)的農(nóng)作物產(chǎn)量信息，為繪制產(chǎn)量分布圖提供信息幫助，為制訂農(nóng)業(yè)種植與生產(chǎn)管理方案提供數(shù)據(jù)支持。

1.1 動態(tài)稱量測量法

該方法的關(guān)鍵技術(shù)是根據(jù)谷物流量與質(zhì)量之間的關(guān)系，發(fā)揮傳感器的作用，通過稱量糧倉重量的方式得出谷物產(chǎn)量。在實際操作中，可以將谷物收獲機的糧箱懸掛在兩個稱重桿上，同時稱重桿的另一端要固定在收獲機上。另外也可以調(diào)整稱重傳感器的安裝位置，將其設(shè)置在糧箱底部，這樣測量谷物質(zhì)量時會更加便捷高效[1]。但是，因為直接利用傳感器對糧箱進行稱重，所以需要糧箱與谷物收獲機的結(jié)構(gòu)各自獨立，也就是說將稱重傳感器安裝在螺旋輸送絞龍的出口位置，這樣既可以確保螺旋輸送絞龍重量與通過的谷物流量成正比，又能夠盡量避免收獲機顛簸造成測量誤差增大，借助稱重補償技術(shù)提高谷物產(chǎn)量測量的精準(zhǔn)度。

1.2 體積測量法

該方法屬于聯(lián)合形式的谷物收獲機，通常機器內(nèi)部會設(shè)置刮板式升運器結(jié)構(gòu)用來運輸糧食，針對聯(lián)合式收獲機可選擇應(yīng)用體積測量手段得出谷物質(zhì)量信息。該測量手段包含兩種方式，一是測量階段時間內(nèi)谷物體積，二是測量輸送一定體積谷物一共消耗的時間，但是兩種方式的基本原理均是先利用谷物密度，然后再測量谷物實際體積，最終通過一定公式換算確定谷物質(zhì)量。而且兩種方式都需要借助光電傳感器、葉輪式容積傳感器以及圖像傳感器來完成。其中光電傳感器以及圖像傳感器具有共同點，都屬于非接觸式的測量技術(shù)，也就是說不需要接觸谷物流量，僅需要借助刮板式升運器輸送谷物的過程，來測量刮板上所堆積谷物的具體厚度，然后利用公式便可得出谷物實際體積。

1.2.1 對射式光電傳感器

光電傳感器由光發(fā)射器以及光接收器共同構(gòu)成，包含對射式和漫反射式兩種光電傳感器。首先，對射式光電傳感器的光接收器與光發(fā)射器兩者在同一軸線內(nèi)，且對準(zhǔn)安裝在刮板式升運器的兩側(cè)，軸線與谷物輸送方向保持垂直，這樣射線光束能夠橫穿于升運器[2]。通常情況下，光發(fā)射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中包含紅外發(fā)光二極管，光接收器內(nèi)部結(jié)構(gòu)中設(shè)有光敏三極管，光路會在谷物經(jīng)過傳感器光路的瞬間呈現(xiàn)出被阻斷或者衰弱的現(xiàn)象，造成光接收器輸出電壓的變化。所以在實際測量時只要記錄下光電傳感器脈沖信號持續(xù)輸出時間，就能夠分析出刮板谷物的厚度，最后結(jié)合刮板底面積與谷物密度得出谷物體積。

1.2.2 漫反射式光電傳感器

該光電傳感器需要將光發(fā)射器與光接收器結(jié)合在一起，一同安裝在刮板式升運器的側(cè)壁位置。在谷物通過升運器刮板過程中必然會經(jīng)過漫反射光電傳感器，發(fā)射器的光在接收到谷物反射之后，會繼續(xù)原路返回到光接收器系統(tǒng)中，由此光接收器也會產(chǎn)生脈寬信號，并且信號持續(xù)時間會因刮板上谷物厚度的增加而持續(xù)變化，依據(jù)此原理就可以精準(zhǔn)得出谷物體積信息。需要注意的是，此種測量方法對于傳感器探頭的清晰度要求較高，所以需要讓探頭始終保持干凈，避免因受到灰塵和異物影響，導(dǎo)致測量的精準(zhǔn)度有所降低。此外，刮板上谷物受到機器振動與顛簸的影響，很容易發(fā)生掉落，導(dǎo)致觸碰到傳感器。

1.2.3 葉輪式容積傳感器

通過測量容積的方式獲得谷物質(zhì)量，該種測產(chǎn)技術(shù)需要借助葉輪式容積傳感器。葉輪式容積傳感器由料位傳感器和葉輪構(gòu)成，在刮板式升運器出糧口的后方位置，通常兩側(cè)還會安裝螺旋輸送絞龍和糧箱[3]。當(dāng)谷物進入到收獲機其中一個葉輪后，在葉輪填充體積達到一定標(biāo)準(zhǔn)后便會觸動傳感器，促使葉輪發(fā)生轉(zhuǎn)動，然后就可以繼續(xù)填充下一個葉輪。參照單個葉輪體積、谷物填充時間、葉輪旋轉(zhuǎn)次數(shù)，就可直接測算出谷物的體積與流量。但是葉輪式容積傳感器在實際安裝過程中對于空間的要求較高，并且安裝過程相對煩瑣，其測量更是具有不連續(xù)性的弊端。

1.2.4 圖像傳感器

光電傳感器存在誤觸發(fā)的問題，為切實解決這一問題，可以基于圖像傳感測產(chǎn)系統(tǒng)，對與距離觸發(fā)相機最近的刮板中的谷物進行拍照，將其作為測量模型，通過對所拍照片的結(jié)構(gòu)光修正的方式推算出堆積谷物的實際厚度，進而分析出谷物質(zhì)量。此種技術(shù)方式經(jīng)過多次實踐檢驗，相對誤差可以降低到4.27%左右，但是不足之處是系統(tǒng)在成本投入方面要求較高。

1.3 沖擊力測量法

谷物沖擊力測量方法是基于傳統(tǒng)壓力傳感器而衍生出的全新技術(shù)手段，將谷物流量傳感器安裝在刮板式升運器的頂部出口位置，這樣就可以通過檢測升運器拋出谷物的周期得知谷物產(chǎn)量。以下為沖量定理公式：F(t)△t=△m(t)△v和在第二個算式中，△t表示谷物從升運器刮板離開后，到?jīng)_擊板所用時間；△m(t)代表在△t時間內(nèi)，谷物與沖擊板發(fā)生碰撞的總體質(zhì)量；△v表示谷物流在撞擊到?jīng)_擊板前后，水平方向速度產(chǎn)生的變化量；q表示谷物質(zhì)量流量[4]。接下來就可以在了解谷物流碰撞沖擊板前水平方向速度v為升運器速度的條件下，將碰撞到?jīng)_擊板后的速度設(shè)定為v0，這樣就可以得出速度的變化量△v與升運器速度v相近似。所以說，可以通過對谷物沖擊前后動力變化產(chǎn)生的力加以測量，進而完成對谷物質(zhì)量流量的在線測量。

沖量式谷物流量傳感器的結(jié)構(gòu)相對簡單，所以安裝較為便捷，同時成本投入也相對較低?，F(xiàn)階段國外已經(jīng)有諸多用于商業(yè)的產(chǎn)量監(jiān)測系統(tǒng)功能均采用此種谷物流量傳感器。此種傳感器因為內(nèi)部核心元件不同，所以分為壓電沖量式和應(yīng)變沖量式兩種，而應(yīng)變沖量式谷物流量傳感器又包含單臂與雙臂兩種。

1.3.1 壓電沖量式谷物流量傳感器

此種感應(yīng)器通常由壓電薄膜和壓電陶瓷作為感應(yīng)元件，利用壓電效應(yīng)測量谷物產(chǎn)量。具體而言，當(dāng)壓電晶體、壓電陶瓷、高分子壓電材料受到外力作用的影響時會發(fā)生形變，如果內(nèi)部結(jié)構(gòu)此時產(chǎn)生極化現(xiàn)象，則說明傳感器表面有電荷產(chǎn)生，可以以電荷量作為切入點去測量材料當(dāng)時受外力情況。

1.3.2 應(yīng)變單臂沖量式谷物流量傳感器

利用應(yīng)變式壓力傳感器，對處于運動狀態(tài)的谷物給沖擊板帶來的沖擊力進行采集，然后完成谷物質(zhì)量計算。在谷物聯(lián)合收獲機的谷物脫粒分離部分安裝單臂沖量式傳感器，可以對脫粒谷物質(zhì)量進行估算?；蛘邍L試將貼有電阻應(yīng)變片的懸臂梁壓力傳感器與谷物沖擊板結(jié)合起來，創(chuàng)新設(shè)計出單臂沖量式谷物流量傳感器，并且通過阻尼材料包裹懸臂梁的方式，最大程度消除機器的振動。

1.3.3 應(yīng)變雙臂沖量式谷物流量傳感器

應(yīng)變雙臂沖量式谷物流量傳感器通常安裝在谷物聯(lián)合收獲機的出糧口位置，一方面是起到導(dǎo)流作用，并且因為增加了差分消陣電路的設(shè)計部分，所以可以避免因機器振動對谷物測產(chǎn)精準(zhǔn)度的影響，特別是田間水稻更是能夠?qū)y產(chǎn)誤差控制在5%以內(nèi)[5]。通過對該傳感器靜態(tài)受力情況的深入分析可以了解到，當(dāng)傳感器所輸出的信號與靜態(tài)力作用點位置不存在關(guān)系，且測產(chǎn)誤差控制在3.8%以下，但是谷物流量高于2 kg/s的情況下，測產(chǎn)誤差必然會變大。

沖量式谷物流量傳感器的測量精準(zhǔn)度會受到諸如谷物含水量、谷物流量、機器振動幅度、傳感器安裝角度等多方面因素的影響，而且當(dāng)谷物流量相對較大的情況下，谷物流量會與谷物沖擊力呈現(xiàn)出非線性的關(guān)系。所以可以通過開發(fā)智能聯(lián)合收獲機測產(chǎn)系統(tǒng)、固定懸臂梁上沖擊板、設(shè)計弧形沖擊板的方式來盡可能控制測量的相對誤差。

1.4 射線測量法

射線測量方法主要借助射線強度的衰減程度情況，來表示刮板式升運器拋出的谷物質(zhì)量流量。射線源與射線檢測器共同組成射線傳感器，射線源與射線檢測器是對準(zhǔn)安裝在升運器出口位置，檢測到的射線強度越弱，則表示谷物質(zhì)量流量越大。Y射線傳感器與X射線傳感器均是最常用于谷物的流量監(jiān)測，早在1993年，美國的AGCO公司已經(jīng)將Y射線傳感器測產(chǎn)技術(shù)應(yīng)用在谷物流量測量中，并且逐步向商品化邁進[6]。后來，我國也加大對農(nóng)業(yè)裝備測產(chǎn)系統(tǒng)的研究力度，并且嘗試將Y射線傳感器應(yīng)用其中，并且盡可能將產(chǎn)量測量精準(zhǔn)度控制在2%范圍內(nèi)。經(jīng)過國內(nèi)外的不懈研究，現(xiàn)在已經(jīng)證實Y射線與X射線傳感器在測量谷物產(chǎn)量方面的精準(zhǔn)度更高，其不受機器振動影響與粉塵污染影響的特點，是其他測量方法所無法比擬的，但是因為在實際使用中電磁輻射會對環(huán)境和操作者帶來一定危害，所以并沒有被大范圍推廣應(yīng)用。

2 谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)展望

谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)在多數(shù)西方發(fā)達國家已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，基礎(chǔ)的智能化測產(chǎn)系統(tǒng)都基本配置完善，可以根據(jù)實際需求采用多種方式高效完成谷物在線測產(chǎn)工作，并生成詳盡的谷物產(chǎn)量空間分布圖，這也就為實現(xiàn)精準(zhǔn)化農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有價值的參考信息[7]。但是在我國恰恰相反，很多農(nóng)民對于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的認(rèn)識還相對片面，且因為分散經(jīng)營的模式，導(dǎo)致不僅經(jīng)濟實力沒有得到顯著提升，農(nóng)業(yè)機械智能化也依舊處于發(fā)展的起步階段，主要表現(xiàn)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)落實力度不足、谷物聯(lián)合收獲機的在線測產(chǎn)技術(shù)距離實現(xiàn)商業(yè)化推廣還存在提升空間等。所以基于上述形勢，未來我國在研究谷物聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)時，可以嘗試從以下幾個方面切入。

2.1 改革農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式

中國地域遼闊，各個地區(qū)之間不論是經(jīng)濟水平還是技術(shù)水平均存在極大差異，以北方地區(qū)為例，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)類型主要為小規(guī)模的分散經(jīng)營，經(jīng)濟條件與機械化水平都是較為滯后的，也是因為此種粗放型的管理模式，給我國現(xiàn)代化農(nóng)業(yè)的發(fā)展帶來約束?；诖耍哟髮Υ笠?guī)模集約化農(nóng)業(yè)經(jīng)營方式的推廣力度，從整體角度全面提高農(nóng)業(yè)機械的規(guī)?；鳂I(yè)水平。與此同時，農(nóng)民、農(nóng)業(yè)管理者要加強對精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)技術(shù)的認(rèn)識與應(yīng)用意識，實現(xiàn)農(nóng)業(yè)與信息、農(nóng)藝、機械的深度融合，這樣也是在無形之中為谷物測產(chǎn)技術(shù)創(chuàng)造了良好的研究與應(yīng)用條件[8]。

2.2 強化測產(chǎn)傳感器技術(shù)

不同的聯(lián)合收獲機結(jié)構(gòu)，不同的收獲物所適應(yīng)的傳感器也就不同。需要基于不損傷農(nóng)作物這一基本條件，盡可能采用簡便、高效的傳感器安裝方式，同時深入提高測產(chǎn)傳感器使用的準(zhǔn)確度、通用性、穩(wěn)定性。在條件允許的情況下也要設(shè)計出低成本、高精度的智能化測產(chǎn)傳感器，攻克收獲機振動造成測量誤差這一技術(shù)難題，從而穩(wěn)步推進我國智慧農(nóng)業(yè)與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)體系的發(fā)展[9]。

2.3 引進國外先進技術(shù)

我國要積極引進國外的先進智能在線測產(chǎn)技術(shù)，進而基于我國國情與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀研究出功能強大的聯(lián)合收獲機在線測產(chǎn)技術(shù)。并且要借鑒國外成功的開發(fā)經(jīng)驗，對我國現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)機械化遠(yuǎn)程服務(wù)技術(shù)與管理技術(shù)進行創(chuàng)新，重點研發(fā)兼具測產(chǎn)功能、位置實時更新功能、產(chǎn)量分布圖生成功能、農(nóng)機狀態(tài)監(jiān)控功能、實時調(diào)度功能的聯(lián)合收獲機在線監(jiān)控系統(tǒng)，一方面是為完善我國現(xiàn)有的農(nóng)業(yè)測產(chǎn)研究技術(shù)，另一方面是力求實現(xiàn)田間應(yīng)用的商品化[10]。

3 結(jié)語

綜上所述，我國農(nóng)業(yè)當(dāng)前的發(fā)展情況雖然與西方農(nóng)業(yè)機械化水平距離較遠(yuǎn)，但是隨著諸多專業(yè)研究員的不懈努力，基于基本操作理念對農(nóng)業(yè)技術(shù)進行積極更新，使我國農(nóng)業(yè)的發(fā)展趨勢穩(wěn)定，速度也在持續(xù)提升。農(nóng)業(yè)作為我國的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，測產(chǎn)技術(shù)的提升需要根據(jù)實際問題以及我國測產(chǎn)技術(shù)現(xiàn)狀針對性地加以優(yōu)化，這樣才能對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展有實際意義，提升我國農(nóng)業(yè)機械化發(fā)展水平。