測產傳感器的動態(tài)稱重試驗分析

馬萬里，張宏文，陳明昌

(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

測產傳感器的動態(tài)稱重試驗分析

馬萬里，張宏文*，陳明昌

(石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832000)

為了確定測產動態(tài)稱重過程中影響因素與響應指標的具體關系，設計并制作了測產試驗臺．以里格爾87－5號加工番茄為試驗對象，采用正交試驗的方法，完成了測產傳感器的動態(tài)稱重試驗，分析了各影響因素對稱量精度的影響，并建立了稱量精度與各影響因素之間的回歸方程．通過參數優(yōu)化得出:最優(yōu)影響參數組合為:稱重皮帶運行速度為0.9m/s，皮帶表面形狀為大小均勻的方格狀并且物料(番茄)供給量為50kg．最后通過試驗驗證了優(yōu)化結果的準確性與合理性．

加工番茄;測產;動態(tài)稱重;影響參數;正交試驗;優(yōu)化

新疆地處北緯37°10'～49°3'之間，輻射量大、陽光充足、晝夜溫差大，以其獨有的地緣優(yōu)勢和氣候條件成為了我國最大的加工番茄種植和加工基地［1－3］．農作物產量是精準農業(yè)中需要獲取的重要信息之一，它集中反映了土壤理化特性、化肥施用情況、灌溉條件、病蟲害等農田信息對作物產量的影響．實時獲取作物產量的分布信息是進行處方農作和科學管理的重要依據［4－6］．目前獲取農作物產量的方式有3種:人工抽樣估產;根據生長條件模型或遙感模型預測作物產量;使用產量傳感器實時監(jiān)測，并獲取產量數據［5］．

目前，我國番茄收獲的機械化程度在不斷提高，在番茄收獲機械上應用大規(guī)模番茄收獲實時測產技術迫在眉睫．我國開展精準農業(yè)研究的時間較短，目前對農作物實時測產系統(tǒng)的研制還處于起步階段，對于番茄收獲實時測產技術的應用研究還是個空缺［7－8］．因此，針對用現(xiàn)有技術無法在番茄收獲過程中實時測產的難題，設計了一套番茄收獲機實時測產裝置，該裝置的核心部件是測產傳感器，即稱重傳感器．

1 工作原理分析

番茄收獲機實時測產裝置根據稱重傳感器的動態(tài)連續(xù)稱重原理［9－11］進行工作．在番茄收獲機工作過程中，番茄經過色選機色選后到達稱重皮帶，當番茄經過兩支撐托輥之間的稱重皮帶時(稱重皮帶的有效稱重段)，稱重皮帶上的番茄重力通過杠桿作用于稱重傳感器．稱重傳感器產生一個正比于皮帶載荷的電壓信號，并送入放大器和模/數轉換器進行處理，形成數字信號;速度傳感器提供一系列脈沖，每個脈沖表示一個皮帶運動單元，脈沖的頻率正比于皮帶速度;稱重儀表從模/數轉換器和速度傳感器接收信號，通過累加法運算得出累稱重值并顯示出來，從而完成動態(tài)計量稱重，如圖1．

圖1 稱重原理Fig．1 Weighing principle

在稱重傳感器進行動態(tài)稱重時，物料(番茄)通過稱重皮帶有效稱重段的時間t為:

式中:L為稱重皮帶有效稱重段的長度，即兩支撐托輥之間的距離;ˉv為整個動態(tài)稱重過程中稱重皮帶運行的平均速度，可由速度傳感器測量得到．

將稱重皮帶有效稱重段的長度和寬度均分成等間距的n等份，長度間距為ΔL，則從測產裝置開始工作起第k個t時間段內，由左到右、由上到下每等份皮帶上分布的番茄的質量分別設為 Δm11k，Δm12k，…，Δm1nk，Δm21k，，Δm22k，…，Δm2nk，…，Δmn1k，Δmn2k，…，Δmnnk，如圖2．

圖2 稱重皮帶上番茄質量分布Fig．2 Mass distribution of tomato on weighing belt

第ij個質量塊分布處稱重皮帶的番茄瞬時質量流量qijk可表示為:

式中:ˉv(t)為第k個t時間段內稱重皮帶運行的平均速度;Δmijk為第k個t時間段內稱重皮帶有效稱重段上每等份皮帶分布的番茄質量．

第k個t時間段內的番茄的瞬時質量流量q(t)k的表達式為:

第k個t時間段內稱重傳感器檢測到稱重皮帶有效稱重段上番茄的質量Mk為:

那么，整個動態(tài)稱重過程中番茄的累計稱重值Ml為:

2 試驗研究

2.1 測產試驗臺

測產試驗臺是為了進行動態(tài)稱重試驗研究并確定影響因素與響應指標之間的關系而設計的室內專用試驗設備．試驗臺是按照各零部件的具體結構尺寸和試驗內容要求來設計的，由TJH-5型懸臂式稱重傳感器、GS-150型光電式速度傳感器、支撐托輥、稱重托輥、稱重皮帶(環(huán)型同步帶，扯斷強度≥10 MPa，扯斷伸長率≤300%，磨耗量≤1.0 cm3/1.6 km，膠帶總厚度為8 m，皮帶的寬度為800 m，運行速度范圍為0.9～1.5m/s)、皮帶滾筒、稱重支撐架、VFG-90系列基頻25Hz的鋁合金變頻電動機(額定功率為0.55 kW，額定轉矩為7.6 N·m，變頻范圍為0～75Hz，調速范圍為0～750 r/min)、顯示儀表、固定鋼板和試驗臺支撐架等部分組成，如圖3．

圖3 測產試驗臺結構Fig．3 Structure of test-bed of yield monitor

2.2 試驗材料

本試驗選用新疆建設兵團第8師143團3分場23連種植的番茄，品種為里格爾87－5號加工番茄．該番茄田采用亨氏種植管理模式，即圍繞與機采相配套的種植和作業(yè)模式進行標準化番茄種植管理和全程機械化采收．試樣采摘日期為2014年9月8日，共采摘試驗樣品100 kg，并在采摘后24 h內完成試驗．采摘的番茄試驗樣品如圖4．

圖4 番茄試驗樣品Fig．4 Test samples of tomato

2.3 試驗儀器

完成動態(tài)稱重試驗所需的試驗儀器設備有測產試驗臺、電源、電插板、變壓器、高精度電子秤(精度為99.9%)、塑料框等，測產試驗臺如圖5．

圖5 測產試驗臺Fig．5 Test-bed of yield monitor

2.4 試驗方法

2.4.1 影響因素及響應指標的選取

通過理論分析和預備試驗，確定動態(tài)稱重試驗的各影響因素為:稱重皮帶運行速度(0.9～1.5m/s)、物料(番茄)供給量(10～50kg)、皮帶表面的形狀(橫條狀、豎條狀、大小均勻的方格狀)．本裝置安裝在番茄收獲機上，因此根據番茄收獲機在田間作業(yè)時的速度(2～5km/h)來確定稱重皮帶運行速度．在動態(tài)稱重系統(tǒng)中，稱重皮帶運行速度直接影響稱量精度．稱量精度是反應系統(tǒng)性能最重要的指標［12］，因此參照動態(tài)稱重系統(tǒng)，將其確定為本試驗的響應指標．

2.4.2 試驗指標的測定

根據 GB/T7721－1995(1.0)線秤的規(guī)定［13］，稱重傳感器動態(tài)稱重的動態(tài)累計誤差計算如下:

式中:δ為稱重傳感器的動態(tài)累計差;Ms為每次試驗番茄的實際質量，試驗前用高精度電子秤進行稱量;M為每次試驗稱重儀表顯示的番茄累計質量．

稱重傳感器動態(tài)稱重試驗的稱量精度計算如下:

式中，E為稱重傳感器的稱量精度．

2.5 正交試驗

經分析，文中采用正交試驗方案［14］，研究稱重傳感器動態(tài)稱重中不同的影響因素對響應指標的影響．本試驗選取稱重皮帶運行速度A、皮帶表面的形狀B、物料(番茄)供給量C為影響因素．以稱量精度為響應指標，按3因素3水平安排正交試驗，制定的因素水平表［15］如表1．

表1 試驗因素水平Table 1 Factors and levels

根據試驗因素水平表，制定具有一級交互作用的正交試驗方案，得到試驗方案和結果如表2．表中:K1，K2，K3為各因素水平、各次實驗結果和;S為因素水平變化所引起的試驗結果差異，即方差; Q為計算方差S的一個中間計算量．

式中，a為試驗次數，在本試驗中每個因素水平試驗9次．

表2 試驗方案及結果Table 2 Program and result of orthogonal test

3 結果與分析

3.1 方差分析

根據表2的試驗數據，可得出各影響因素對稱量精度影響的方差分析表，如表3．

方差分析中F比越高，因素的影響顯著性越高。從表3中可以看出，稱重皮帶運行速度A、皮帶表面形狀B、物料(番茄)供給量C以及稱重帶運行速度與皮帶表面形狀的交互作用A×B對稱量精度的影響都是極顯著的，其顯著性按高低排序為物料(番茄)供給量C、稱重皮帶運行速度A、皮帶表面形狀B、稱重帶運行速度與皮帶表面形狀的交互作用A× B．稱重皮帶運行速度與物料(番茄)供給量的交互作用A×C、皮帶表面形狀與物料(番茄)供給量的交互作用B×C對稱量精度的影響不顯著．

由Minitab軟件分析可知各影響因素對稱量精度的影響，并得出影響稱量精度的3個影響因素與響應指標的二次正交回歸方程為

表3 各影響因素對稱量精度的方差分析Table 3 Variance analysis of the influence of each factor to weighing accuracy

3.2 單因素對稱量精度的影響

將稱重皮帶運行速度、皮帶表面形狀和物料(番茄)供給量中的兩個因素確定在中間水平時，由Minitab軟件分析得到單因素變化對稱量精度的影響，如圖6．由圖可知，當稱重皮帶運行速度逐漸增大時，稱量精度先減小后增大，當稱重皮帶運行速度在第1水平時，稱量精度達到最大值;當皮帶表面形狀分別為橫條狀、豎條狀、大小均勻方格狀的使用過程中，稱量精度先減小后增大，當皮帶表面形狀處在第3水平時，稱量精度達到最大值;當物料(番茄)供給量逐漸增大時，稱量精度逐漸增大，當物料(番茄)供給量在第3水平時，稱量精度達到最大值．

圖6 各影響因素對稱量精度的影響Fig．6 Influence of each factor on weighing accuracy

3.3影響因素交互作用對稱量精度的影響

由Minitab軟件分析得到影響因素交互作用對稱量精度的影響，如圖7，8．由等值線圖可知，當物料(番茄)供給量在中間水平(50 kg)時，隨稱重皮帶運行速度的增大，稱量精度先減小后增大;皮帶表面形狀分別為橫條狀、豎條狀、大小均勻方格狀的使用過程中，稱重精度先減小后增大;響應曲面沿A方向變化較快，而沿B方向變化較慢．所以在該試驗水平下，稱重皮帶運行速度對稱量精度的影響要比皮帶表面形狀對稱重精度的影響顯著．

圖7Y與A、B的等值線Fig．7 Lsogram of A，B and Y

圖8 Y與A、B的響應曲面Fig．8 Response surface of A，B and Y

4 參數優(yōu)化

由于試驗的試驗指標是稱量精度，其值固然越高越好，因此最優(yōu)方案應取各因素中稱量精度最大值對應的水平．綜合分析表2和圖4可得，稱重皮帶運行速度A應取第1水平(0.9 m/s)，皮帶表面形狀B應取第3水平，即大小均勻的方格狀，物料(番茄)供給量C應取第3水平(50 kg)．由于稱重皮帶運行速度與皮帶表面形狀的交互作用A×B對稱量精度的影響也是顯著的，對A和B各種組合的試驗結果進行對比分析，結果如表4．

表4 組合試驗結果對照分析Table 4 Comparative analysis of the results of combined test

從表4中可以看出:當A取第1水平、B取第3水平時，試驗結果為289.17，為所有試驗結果中的最大值．綜合分析表4以及圖5，6得優(yōu)化方案可取為A1B3，與單獨考慮影響因素A，B時所得的結果一致．因此，本試驗的最優(yōu)方案取A1B3C3，即本試驗的最佳影響參數組合為:稱重皮帶運行速度為0.9 m/s，皮帶表面形狀為大小均勻的方格狀并且物料(番茄)供給量為50 kg．

通過上述優(yōu)化獲得了影響因素的最佳參數組合．為了消除隨機誤差，在影響因素最佳組合下，進行10次重復試驗，試驗結果如表5．

表5 影響因素最佳組合下的驗證試驗結果Table 5 Experiment results with optimal combination of factors

通過試驗表明，由試驗優(yōu)化得出的最佳參數組合得到的稱量精度E與稱量精度平均值ˉE均大于95%，能滿足番茄收獲機實時測產裝置設計的性能要求和綜合精度要求．

5 結論

1)稱重皮帶運行速度、皮帶表面形狀、物料(番茄)供給量以及稱重帶運行速度與皮帶表面形狀的交互作用對稱量精度的影響顯著，其顯著性按高低排序為物料(番茄)供給量、稱重皮帶運行速度、皮帶表面形狀、稱重帶運行速度與皮帶表面形狀的交互作用．稱重皮帶運行速度與物料(番茄)供給量的交互作用、皮帶表面形狀與物料(番茄)供給量的交互作用對稱量精度的影響不顯著．

2)由參數優(yōu)化得出最佳影響參數組合為:稱重皮帶運行速度為0.9 m/s，皮帶表面形狀為大小均勻的方格狀并且物料(番茄)供給量為50 kg．

3)通過驗證試驗表明:由最佳影響參數組合得到的稱量精度均大于95%，能滿足番茄收獲機實時測產裝置設計的性能與綜合精度要求．

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(責任編輯:童天添)

Experimental study of dynamic weighing of yield monitor sensor

Ma Wanli，Zhang Hongwen*，Chen Mingchang
(College of Machinery and Electricity Engineering，Shihezi University，Shihezi Xinjiang 832000，China)

In order to determine the specific relationship between factors and response indicators in the dynamic weighing process of yield monitor，a yield monitor test-bed was designed and manufactured．The Ligeer 87－5 processing tomato was chosen for the trial subject．The dynamic weighing of yield monitor sensor was completed，the saliency of influence of each factor on weighing accuracy was analyzed and mathematical models between the weighing accuracy and each factor was established by applying orthogonal experiment method．The optimal combination of factors was that the speed of weighing belt was 0.9m/s，the surface shape of the belt was uniform size square grid and material(tomatoes)supplying was 50 kg by parameter optimization．Finally，the parameter optimization result was verified to be accurate and reasonable by test．

processing tomato;yield monitor;dynamic weighing;factors;orthogonal test;optimization

S231

:A

:1673－4807(2015)05－0467－07

10．3969/j．issn．1673－4807．2015．05．011

2015－06－01

新疆兵團科技型中小企業(yè)技術創(chuàng)新資金專項(2014BD005)

馬萬里(1992—)，男，碩士研究生．*通信作者:張宏文(1969—)，男，教授，研究方向為農業(yè)機械設計及機械系統(tǒng)仿真．E-mail:zhw196959@126．com

作者簡介:馬萬里，張宏文，陳明昌．測產傳感器的動態(tài)稱重試驗分析［J］．江蘇科技大學學報:自然科學版，2015，29(5):467－473．