穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)苗缽?qiáng)A持力檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)

王 俊 張海洋 金 鑫 姬江濤 高 頌

(1.河南科技大學(xué)農(nóng)業(yè)裝備工程學(xué)院， 洛陽(yáng) 471003； 2.機(jī)械裝備先進(jìn)制造河南省協(xié)同創(chuàng)新中心， 洛陽(yáng) 471003)

0 引言

旱作穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽取、投苗過(guò)程中苗缽損傷程度直接影響穴盤(pán)苗后期成活率，苗缽?qiáng)A持力是評(píng)判苗缽損傷程度的關(guān)鍵[1-3]。夾持力可調(diào)式穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)由取苗爪插入苗缽取苗，并將穴盤(pán)苗投入栽植機(jī)構(gòu)中完成投苗[4]。取、投苗過(guò)程中，移栽機(jī)的穩(wěn)定性不可避免會(huì)產(chǎn)生變化，導(dǎo)致取苗爪對(duì)苗缽的夾持力發(fā)生改變。如夾持力變小，則無(wú)法成功取出穴盤(pán)苗；夾持力變大，則易造成苗缽散坨與破損，嚴(yán)重影響穴盤(pán)苗移栽成功率和后期成活率，導(dǎo)致移栽質(zhì)量下降、產(chǎn)量降低。實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自動(dòng)移栽機(jī)取、投苗過(guò)程中苗缽?qiáng)A持力大小對(duì)提升移栽質(zhì)量至關(guān)重要[5-7]。

夾持力可調(diào)式自動(dòng)移栽機(jī)一般分為氣缸式與機(jī)械式。氣缸式力調(diào)節(jié)精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，如張麗華等[8]設(shè)計(jì)的指針夾取式取苗爪機(jī)構(gòu)，采用氣缸驅(qū)動(dòng)單元實(shí)現(xiàn)夾持力調(diào)節(jié)與取苗爪驅(qū)動(dòng)；機(jī)械式具有成本低廉、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，如趙勻等[9]設(shè)計(jì)的一種通過(guò)凸輪調(diào)節(jié)夾持力大小的蔬菜穴盤(pán)苗移栽機(jī)構(gòu)。目前機(jī)械式仍是夾持力調(diào)節(jié)的主要方式。

20世紀(jì)90年代，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)TING等[10]探索采用電容式力傳感器檢測(cè)苗缽?qiáng)A持力，但檢測(cè)靈敏度差、精度低。目前，苗缽?qiáng)A持力檢測(cè)仍處于試驗(yàn)室測(cè)量階段，繆小花等[11]以黃瓜穴盤(pán)苗為對(duì)象，利用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)和質(zhì)地分析儀，運(yùn)用正交試驗(yàn)分析填充量、基質(zhì)成分體積比、含水率對(duì)拉拔力及缽體抗壓性能的影響；王英等[12]以西蘭花穴盤(pán)苗為對(duì)象，采用電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)，分析穴盤(pán)規(guī)格、苗齡和含水率對(duì)土缽抗壓強(qiáng)度的影響。試驗(yàn)室苗缽?qiáng)A持力檢測(cè)設(shè)備測(cè)量準(zhǔn)確，但成本高、體積大，無(wú)法應(yīng)用于田間在線(xiàn)測(cè)量。

苗缽?qiáng)A持力檢測(cè)為接觸力測(cè)量，其受力范圍小、數(shù)值動(dòng)態(tài)變化、受環(huán)境噪聲影響大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在接觸力檢測(cè)方面做了大量研究工作[13-14]，其敏感元件主要有導(dǎo)電橡膠、壓敏電阻、壓電陶瓷及PVDF壓電薄膜等，徐菲等[15]研究了一種基于導(dǎo)電橡膠的三維力觸覺(jué)傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維力信息的檢測(cè)；周俊等[16]以壓敏電阻作為敏感材料設(shè)計(jì)一種觸覺(jué)傳感器，感知果蔬抓取過(guò)程中的接觸力；COTTON等[17]把壓電陶瓷雙壓電晶片作為敏感元件，檢測(cè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)對(duì)果蔬的夾持力；陶鏞汀等[18]設(shè)計(jì)了一種PVDF觸覺(jué)傳感器，通過(guò)觸覺(jué)信號(hào)處理分析，檢測(cè)果蔬的表面粗糙度特性。導(dǎo)電橡膠具有良好的柔韌性、耐磨性，但導(dǎo)電穩(wěn)定性差，存在弛豫現(xiàn)象，易影響傳感器的精度、響應(yīng)速度；壓敏電阻具有價(jià)格低廉、響應(yīng)時(shí)間快、抗沖擊能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，而其抗老化性能低，不適用于田間惡劣環(huán)境；壓電陶瓷壓電效應(yīng)好、靈敏度高，但柔韌性偏低，安裝條件受限；PVDF壓電薄膜具有靈敏性高、厚度薄、頻響寬、柔順性好及動(dòng)態(tài)特性?xún)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)[19-21]，更適合于柔性、微弱低頻夾持力信號(hào)檢測(cè)裝置，但其輸出為電荷信號(hào)，且信號(hào)微弱，需經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行處理。

針對(duì)夾持力可調(diào)取苗機(jī)構(gòu)中取苗爪安裝空間狹小、檢測(cè)裝備布置不當(dāng)易傷苗或回帶缽苗基質(zhì)等問(wèn)題，本文以辣椒穴盤(pán)苗為作業(yè)對(duì)象，研究一種穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽機(jī)苗缽?qiáng)A持力檢測(cè)系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)移栽機(jī)取、投苗過(guò)程中取苗爪對(duì)苗缽的夾持力。

1 穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗夾持檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)

1.1 試驗(yàn)臺(tái)組成及工作原理

穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗夾持檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)主要由夾持力檢測(cè)系統(tǒng)、苗盤(pán)輸送機(jī)構(gòu)、取苗機(jī)構(gòu)、栽植機(jī)構(gòu)等組成，如圖1所示，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)苗缽?qiáng)A持力。

穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗夾持檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)工作過(guò)程如下：由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)械連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而驅(qū)動(dòng)凸輪和取苗機(jī)構(gòu)主架尾端滑軸轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪做有規(guī)律的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，取苗機(jī)構(gòu)尾端滑軸在滑槽里沿軌跡曲線(xiàn)做自上而下、自下而上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)取苗爪由豎直狀態(tài)變?yōu)榍吧鞝顟B(tài)，在取苗機(jī)構(gòu)尾端滑軸沿著滑槽自上而下運(yùn)動(dòng)時(shí)，取苗機(jī)構(gòu)夾爪由豎直投苗狀態(tài)變?yōu)榍吧烊∶鐮顟B(tài)，當(dāng)取苗機(jī)構(gòu)尾端由滑槽低端向上運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，取苗機(jī)構(gòu)夾爪由前伸夾苗狀態(tài)轉(zhuǎn)換為豎直投苗狀態(tài)。每個(gè)取投苗周期內(nèi)，固定于取苗爪內(nèi)側(cè)的PVDF壓電薄膜感知夾持力的變化，經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路處理后，無(wú)線(xiàn)發(fā)送至數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)夾持力數(shù)據(jù)的處理、記錄與分析。

圖1 穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗夾持檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)Fig.1 Test-bed for automatic picking up and clamping of seedlings in acupoints1.機(jī)架 2.栽植機(jī)構(gòu) 3.取苗機(jī)構(gòu)主架 4.取苗爪 5.滑槽 6.螺旋彈簧 7.凸輪 8.機(jī)械連桿 9.齒輪箱 10.PVDF壓電薄膜 11.步進(jìn)電機(jī) 12.信號(hào)采集裝置 13.計(jì)算機(jī) 14、15.無(wú)線(xiàn)通信模塊 16.信號(hào)調(diào)理電路

1.2 PVDF壓電薄膜布置分析

分析取苗爪夾持苗缽基質(zhì)的受力特性，合理確定PVDF壓電薄膜布置位置是可靠、精準(zhǔn)檢測(cè)夾持力的關(guān)鍵。

取苗時(shí)，苗缽受力分析如圖2a所示，苗缽受取苗爪在接觸面產(chǎn)生的靜摩擦力F1、F2，取苗爪對(duì)苗缽的夾持力F3、F4，苗缽重力及苗缽與穴盤(pán)的黏附力豎直分力的合力F0。苗缽對(duì)取苗爪的反作用力大小與F3、F4相等，方向與F3、F4相反，且垂直于取苗爪，該反作用力即為所需檢測(cè)的夾持力信號(hào)。因取苗爪對(duì)稱(chēng)分布，在單側(cè)取苗爪內(nèi)表面貼敷PVDF壓電薄膜，令?yuàn)A持力垂直作用于其柔性表面，可靈敏檢測(cè)夾持力變化。此時(shí)，PVDF壓電薄膜表面受力情況如圖2b所示。

圖2 PVDF壓電薄膜布置分析Fig.2 Analysis of PVDF piezoelectric film arrangement1、3.取苗爪 2.穴盤(pán)苗 4.苗缽 5.穴盤(pán) 6.銅箔 7.PVDF

分析可知，取苗爪插入缽體深度約為28 mm，安裝時(shí)，將尺寸為10 mm×5 mm的PVDF壓電薄膜(壓電應(yīng)變常數(shù)-33 pC/N，厚度110 μm)通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂粘結(jié)劑粘貼于右取苗爪內(nèi)側(cè)表面，距取苗爪尖端23 mm，可保證取苗爪插入苗缽時(shí)，PVDF壓電薄膜表面與苗缽基質(zhì)完全接觸，圖3為PVDF壓電薄膜布置示意圖。此外，與PVDF壓電薄膜正負(fù)極連接的導(dǎo)線(xiàn)經(jīng)串線(xiàn)孔由布線(xiàn)槽引出，通過(guò)涂抹熱熔膠方式將其固定在布線(xiàn)槽里并壓平，防止回帶苗缽基質(zhì)。

圖3 PVDF壓電薄膜布置示意圖Fig.3 Schematic of PVDF piezoelectric film arrangement1.取苗爪 2.布線(xiàn)槽 3.導(dǎo)線(xiàn) 4.固定孔 5.串線(xiàn)孔 6.PVDF壓電薄膜

2 夾持力信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

苗缽?qiáng)A持力信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由夾持力檢測(cè)傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、無(wú)線(xiàn)通信模塊、信號(hào)采集軟件系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)等組成。夾持力檢測(cè)傳感器采集取苗爪對(duì)苗缽的夾持力信號(hào)，首先通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行電荷電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大及低通濾波，其次經(jīng)編程控制微處理器將信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，并通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信模塊發(fā)送到計(jì)算機(jī)信號(hào)采集軟件系統(tǒng)，然后運(yùn)用卡爾曼濾波器進(jìn)行軟件濾波，最后進(jìn)行圖形顯示及信號(hào)存儲(chǔ)。夾持力信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示，系統(tǒng)實(shí)物圖如圖5所示。

無(wú)線(xiàn)通信模塊采用成都億佰特公司生產(chǎn)的E32-TTL-100(433T20DC)型無(wú)線(xiàn)串口模塊，載波頻率為410～441 MHz，采用透明傳輸方式、 LoRa擴(kuò)頻技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)、保密性高等優(yōu)點(diǎn)；微處理器采用香港宏晶科技公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2型單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 夾持力信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 Block diagram of clamping force signal monitoring system

圖5 夾持力信號(hào)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖Fig.5 Physical chart of clamping force signal monitoring system1.信號(hào)調(diào)理電路 2.電池 3、4.無(wú)線(xiàn)通信模塊 5.信號(hào)采集軟件系統(tǒng) 6.PVDF壓電薄膜

信號(hào)采集軟件系統(tǒng)由LabVIEW軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)，通過(guò)卡爾曼濾波器對(duì)夾持力信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，具有實(shí)時(shí)顯示信號(hào)輸出電壓波形、信號(hào)回放及存儲(chǔ)的功能。另外，軟件系統(tǒng)增加報(bào)警功能，若苗缽?qiáng)A持力超過(guò)夾持力設(shè)定上限值時(shí)，可進(jìn)行報(bào)警提示，夾持力信號(hào)采集軟件系統(tǒng)界面如圖6所示。

2.1 夾持力檢測(cè)信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

為有效處理PVDF壓電薄膜采集的微弱電荷信號(hào)，設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，具體包含電荷放大電路、電壓放大電路、基線(xiàn)漂移抑制電路、工頻陷波電路、二階低通濾波電路。

PVDF壓電薄膜是一種新型的高分子聚合物型壓電材料，壓電常數(shù)大、頻響寬、柔順性好、靈敏度高、機(jī)械韌性強(qiáng)，將其運(yùn)用于穴盤(pán)苗自動(dòng)移栽苗缽?qiáng)A持力檢測(cè)中具有以下優(yōu)勢(shì)：壓電常數(shù)大，夾持力檢測(cè)靈敏性高；頻響寬(0.1～107Hz)，滿(mǎn)足苗缽?qiáng)A持力信號(hào)的低頻特性；柔順性好，制成不同形狀時(shí)，夾持力信號(hào)不失真；機(jī)械韌性強(qiáng)，田間惡劣環(huán)境下工作不易損壞[22-23]。

PVDF壓電薄膜不置于電場(chǎng)時(shí)，壓電方程為

Dm=dnjTj(m、n=1,2,3;j=1,2,…,6)

(1)

式中Dm——電位移，即所產(chǎn)生的電荷密度，pC/m2

T——應(yīng)力，Pa

dnj——壓電應(yīng)變常數(shù)矩陣元素，pC/N

m、n——受力方向

j——極化方向

厚度方向受均勻的力時(shí)有

D3=d33T3

(2)

式中d33——壓電應(yīng)變常數(shù)

PVDF壓電薄膜產(chǎn)生的電荷量Q為

Q=D3S=d33T3S

(3)

式中S——PVDF壓電薄膜表面積

式(3)表明，PVDF薄膜表面輸出的電荷量與垂直表面的壓力呈線(xiàn)性關(guān)系。利用PVDF壓電效應(yīng)，可以將薄膜上的壓力變化轉(zhuǎn)換為電荷量的變化。

電荷放大電路如圖7所示。首先選擇電荷放大器作為前置放大電路，其主要作用是將高阻抗輸入轉(zhuǎn)變?yōu)榈妥杩馆敵?，并將PVDF壓電薄膜輸出的電荷信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷盒盘?hào)。忽略前端輸入電阻與輸入電容，可得電荷放大電路輸出電壓與傳感器表面施加的力、反饋電容的關(guān)系為

(4)

式中C1——反饋電容

F——苗缽基質(zhì)對(duì)PVDF壓電薄膜表面施加的力

UO0——電荷放大器輸出電壓

由式(4)可知，輸出電壓與所受應(yīng)力呈線(xiàn)性關(guān)系。

采用集成元件LF356M運(yùn)算放大器作為電荷放大器的核心元件。反饋電阻R1與反饋電容C1的選擇決定了電路的放大效果、穩(wěn)定性以及電路的低頻響應(yīng)能力，選擇R1阻值為100 MΩ,C1電容值為10 000 pF,計(jì)算得其低頻響應(yīng)截止頻率為0.16 Hz，可獲得較好的低頻響應(yīng)能力。

圖7 電荷放大電路、電壓放大電路及基線(xiàn)漂移抑制電路原理圖Fig.7 Schematic of charge amplifying circuit, voltage amplifying circuit and baseline drift suppression circuit

為了防止電荷放大電路放大倍數(shù)過(guò)高導(dǎo)致波形失真，設(shè)計(jì)二級(jí)電壓放大電路(圖7)。電壓放大電路由LF356M運(yùn)算放大器U2、電阻R3、滑動(dòng)變阻器RW1(1～1 000 kΩ)構(gòu)成。電壓放大電路是反比例運(yùn)算放大，放大倍數(shù)Au1為RW1阻值與R3阻值之比的負(fù)數(shù)。其中，R3阻值為1 kΩ，則電壓放大器的放大倍數(shù)Au1范圍為1～1 000倍。

基線(xiàn)漂移抑制電路是由2個(gè)OP27G運(yùn)算放大器組成的閉環(huán)回路，其原理是U3運(yùn)放的輸出通過(guò)R8對(duì)C2進(jìn)行充電，若該運(yùn)放反相輸入端輸入信號(hào)的電平出現(xiàn)漂移、波動(dòng)，則充電結(jié)果會(huì)使U3的同相輸入端輸入出現(xiàn)等同于其反向輸入端輸入信號(hào)基線(xiàn)電平變化的電位，U3將二者相減后得到一個(gè)基線(xiàn)較穩(wěn)定的輸出UO2。根據(jù)所設(shè)計(jì)的閉環(huán)回路固有的性質(zhì)能夠抑制取投苗機(jī)構(gòu)振動(dòng)干擾和噪聲引起的基線(xiàn)漂移現(xiàn)象。

工頻陷波電路與低通濾波電路如圖8所示，50 Hz工頻陷波電路采用具有正反饋的有源雙T型帶阻濾波器，由低通濾波電路和高通濾波電路并聯(lián)構(gòu)成。

自動(dòng)移栽機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，由移栽機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和地面激勵(lì)產(chǎn)生的噪聲信號(hào)為高頻信號(hào)，故采用二階低通濾波電路進(jìn)行信號(hào)濾除。低通濾波電路(圖8)由運(yùn)算放大器U5，電阻R14、R15、R16、R17，電容C6、C7組成。設(shè)R14、R15為10 kΩ，C6、C7為0.33 μF，則截止頻率fH=48.23 Hz。取R16、R17為10 kΩ，計(jì)算得電壓放大倍數(shù)Au4=2。

夾持力檢測(cè)傳感器測(cè)得的苗缽所受夾持力F經(jīng)信號(hào)調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為電壓UO4，兩者之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系為

(5)

可得夾持力F為

(6)

式中C1=10 000 pF，d33=-33 pC/N，Au4=2。

調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器RW1阻值為151.52 kΩ，則F=UO4，信號(hào)調(diào)理電路輸出的電壓即為苗缽所受夾持力。開(kāi)發(fā)的信號(hào)調(diào)理電路實(shí)物圖如圖9所示。

圖9 信號(hào)調(diào)理電路實(shí)物圖Fig.9 Physical diagram of signal conditioning circuit1.信號(hào)輸入端口 2.電荷放大電路 3.電壓放大電路 4.基線(xiàn)漂移抑制電路 5.工頻陷波電路 6.低通濾波電路 7.無(wú)線(xiàn)通信模塊接口 8.程序燒錄端口 9.微處理器 10.5 V電壓轉(zhuǎn)±15 V電壓電路 11.開(kāi)關(guān) 12.電源

2.2 軟件濾波方法

針對(duì)自動(dòng)移栽機(jī)在田間作業(yè)時(shí)，硬件濾波無(wú)法保證完全濾除移栽機(jī)自身振動(dòng)及外界復(fù)雜環(huán)境引起的振動(dòng)噪聲，進(jìn)一步采用卡爾曼濾波器對(duì)夾持力信號(hào)進(jìn)行軟件濾波?；舅枷霝椋阂宰钚f(xié)方差為最優(yōu)估計(jì)準(zhǔn)則，采用夾持力信號(hào)與振動(dòng)噪聲的狀態(tài)空間模型，利用前一時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)夾持力和當(dāng)前時(shí)刻的測(cè)量夾持力來(lái)更新對(duì)狀態(tài)變量的估計(jì)，包括預(yù)測(cè)夾持力的協(xié)方差和卡爾曼增益等，并求出當(dāng)前時(shí)刻的最優(yōu)估計(jì)夾持力。根據(jù)建立的狀態(tài)方程和觀測(cè)方程對(duì)需要處理的夾持力信號(hào)做出滿(mǎn)足最小協(xié)方差的估計(jì)，即是對(duì)夾持力信號(hào)進(jìn)行濾波處理過(guò)程[24-26]。

3 試驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 標(biāo)定系統(tǒng)構(gòu)建與試驗(yàn)

標(biāo)定系統(tǒng)主要由9部分組成，包括函數(shù)信號(hào)發(fā)生器、功率放大器、激振器、夾持力檢測(cè)傳感器、石英動(dòng)態(tài)力傳感器、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路、無(wú)線(xiàn)通信模塊、計(jì)算機(jī)，標(biāo)定系統(tǒng)構(gòu)成如圖10所示。

圖10 標(biāo)定系統(tǒng)構(gòu)成Fig.10 Calibration system constitution1.函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 2.功率放大器 3.數(shù)據(jù)采集卡 4、9.無(wú)線(xiàn)通信模塊 5.信號(hào)調(diào)理電路 6.激振器 7.夾持力檢測(cè)傳感器 8.石英動(dòng)態(tài)力傳感器 10.信號(hào)采集軟件系統(tǒng) 11.計(jì)算機(jī)

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦輸入信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大并使其具有帶負(fù)載的能力，對(duì)激振器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制，激振器接收放大的激勵(lì)信號(hào)，并與激勵(lì)信號(hào)同頻振動(dòng)，然后將力加載于夾持力檢測(cè)傳感器，固定在激振臺(tái)上的石英動(dòng)態(tài)力傳感器測(cè)量激振器輸出的力，并輸入數(shù)據(jù)采集卡，由數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)叫盘?hào)采集軟件系統(tǒng)；同時(shí)，信號(hào)調(diào)理電路將夾持力檢測(cè)傳感器受機(jī)械力后輸出的電荷電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大和濾波，經(jīng)無(wú)線(xiàn)通信模塊將夾持力信號(hào)發(fā)送到計(jì)算機(jī)串口，并輸入信號(hào)采集軟件系統(tǒng)，然后通過(guò)信號(hào)采集軟件系統(tǒng)記錄的壓力信號(hào)和電壓信號(hào)，實(shí)現(xiàn)夾持力檢測(cè)傳感器的標(biāo)定。

函數(shù)信號(hào)發(fā)生器采用上海廣信友達(dá)實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的AFG1022任意函數(shù)發(fā)生器；功率放大器采用無(wú)錫世熬科技有限公司生產(chǎn)的SA-PA010型功率放大器；激振器采用無(wú)錫世熬科技有限公司生產(chǎn)的SA-JZ002型電動(dòng)式激振器，最大激振力為20 N，最大行程為6 mm；石英動(dòng)態(tài)力傳感器采用揚(yáng)州英邁克測(cè)控技術(shù)有限公司生產(chǎn)的502F01型動(dòng)態(tài)力傳感器，靈敏度為20.29 mV/N，測(cè)量范圍為0～200 N；數(shù)據(jù)采集卡采用上海澄科電子科技有限公司生產(chǎn)的MCC USB-1608G型數(shù)據(jù)采集卡。

夾持力檢測(cè)傳感器的標(biāo)定試驗(yàn)于2018年7月12—20日進(jìn)行。分別設(shè)置函數(shù)信號(hào)發(fā)生器頻率為0.5、1.0、1.5 Hz，代表自動(dòng)移栽機(jī)栽植頻率分別設(shè)定為30、60、90株/min，通過(guò)逐漸增大功率放大器的功率以增大夾持力檢測(cè)傳感器表面壓力，使用石英動(dòng)態(tài)力傳感器測(cè)量該壓力，并通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡讀取記錄，各頻率采集20組數(shù)據(jù)，共采集60組數(shù)據(jù)。采用最小二乘法擬合得到夾持力檢測(cè)傳感器標(biāo)定曲線(xiàn)如圖11所示，夾持力檢測(cè)傳感器所受的壓力與輸出電壓的線(xiàn)性決定系數(shù)分別為0.991 9、0.991 3、0.990 9，平均線(xiàn)性決定系數(shù)為0.991 4，可以看出，夾持力檢測(cè)傳感器所受壓力與輸出電壓呈現(xiàn)高度的線(xiàn)性關(guān)系。

3.2 夾持力檢測(cè)傳感器性能測(cè)試

(1)夾持力檢測(cè)傳感器的測(cè)量范圍

夾持力檢測(cè)傳感器的測(cè)量范圍包括輸出電壓測(cè)量范圍和壓力測(cè)量范圍。夾持力檢測(cè)傳感器的輸出電壓測(cè)量范圍為0～5 V，壓力測(cè)量范圍為0～5 N。

(2)夾持力檢測(cè)傳感器的靈敏度

圖11 夾持力檢測(cè)傳感器標(biāo)定曲線(xiàn)Fig.11 Calibration curves of clamping force detection sensor

夾持力檢測(cè)傳感器的靈敏度表示傳感器輸出電壓的變化Δy與引起輸出電壓變化的壓力變化Δx之比。其計(jì)算公式為

(7)

運(yùn)用式(7)求得夾持力檢測(cè)傳感器在頻率為0.5、1.0、1.5 Hz時(shí)的靈敏度分別為0.991 9、0.985 0、1.031 2，平均靈敏度為1.002 7。

(3)夾持力檢測(cè)傳感器的精度

夾持力檢測(cè)傳感器的精度表示測(cè)量結(jié)果的可靠程度，即測(cè)量范圍內(nèi)的最大絕對(duì)誤差與滿(mǎn)量程的百分比。其表達(dá)式為

(8)

式中 ΔA——測(cè)量范圍內(nèi)的最大絕對(duì)誤差

YFS——滿(mǎn)量程夾持力

夾持力檢測(cè)傳感器在頻率為0.5、1.0、1.5 Hz時(shí)的最大絕對(duì)誤差分別為0.206 4、0.243 3、0.301 2 V，夾持力檢測(cè)傳感器的滿(mǎn)量程為5 V，通過(guò)式(8)計(jì)算出傳感器精度分別為4.128%、4.866%、6.024%，則夾持力檢測(cè)傳感器的精度為6.024%。

3.3 室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)

為了驗(yàn)證夾持力檢測(cè)傳感器的可靠性，于2018年8月1—10日在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，試驗(yàn)中以辣椒穴盤(pán)苗為作業(yè)對(duì)象，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)如圖12所示。

圖12 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)Fig.12 Testing site1.辣椒穴盤(pán)苗 2.信號(hào)調(diào)理電路 3.夾持力檢測(cè)傳感器 4.取苗機(jī)構(gòu) 5.無(wú)線(xiàn)通信模塊 6.計(jì)算機(jī) 7.自動(dòng)移栽機(jī)控制箱

3.3.1試驗(yàn)對(duì)象與試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)對(duì)象為辣椒穴盤(pán)苗。育苗盤(pán)是128穴倒方錐形苗盤(pán)，穴格深度為41.5 mm，穴格間距為36.5 mm，穴口尺寸為30.5 mm×30.5 mm，穴底尺寸為15 mm×15 mm，穴格容積約21 mL；育苗基質(zhì)主要是珍珠巖、泥炭、蛭石，體積比為2∶1∶1，基質(zhì)含水率約為55%。

試驗(yàn)設(shè)備為穴盤(pán)苗自動(dòng)取苗夾持檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。

3.3.2試驗(yàn)指標(biāo)

選擇單株穴盤(pán)苗取投過(guò)程中最大的夾持力為每株穴盤(pán)苗夾持力測(cè)量值，以?shī)A持力測(cè)量值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值為指標(biāo)，分析夾持力檢測(cè)傳感器的工作穩(wěn)定性。

3.3.3試驗(yàn)方法

通過(guò)PLC編程控制移栽機(jī)栽植頻率為單行60株/min，共進(jìn)行24組試驗(yàn)，每組栽植50株穴盤(pán)苗，通過(guò)LabVIEW上位機(jī)軟件記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)并按照試驗(yàn)指標(biāo)進(jìn)行分類(lèi)統(tǒng)計(jì)。經(jīng)多次測(cè)試對(duì)比分析，設(shè)置卡爾曼濾波器參數(shù)為：噪聲驅(qū)動(dòng)矩陣和測(cè)量矩陣為1，輸入白噪聲的協(xié)方差和測(cè)量噪聲協(xié)方差為0.25。

3.3.4試驗(yàn)結(jié)果

記錄每株穴盤(pán)苗的夾持力測(cè)量值，并將24組試驗(yàn)中夾持力測(cè)量值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值采用箱形圖統(tǒng)計(jì)，如圖13所示，24組試驗(yàn)夾持力測(cè)量值的均值在2.31～2.63 N之間，每組夾持力測(cè)量值的標(biāo)準(zhǔn)差均小于0.076 N，夾持力測(cè)量值的最大值范圍為2.40～2.67 N，表明單株穴盤(pán)苗夾持力測(cè)量值的波動(dòng)范圍較小，夾持力檢測(cè)傳感器具有較好的工作穩(wěn)定性，適用于監(jiān)測(cè)移栽作業(yè)過(guò)程中的夾持力信號(hào)。

圖13 夾持力測(cè)量值的均值、標(biāo)準(zhǔn)差、最大值的箱形圖Fig.13 Box diagrams of mean value, standard deviation and maximum value of holding force measurement value

從試驗(yàn)中選取3 s數(shù)據(jù)的波形如圖14所示，取苗爪插入缽體過(guò)程中(AB階段)，缽體對(duì)夾持力檢測(cè)傳感器的壓力較小，夾持力測(cè)量值較??；BC階段，取苗爪夾取穴盤(pán)苗，夾持力測(cè)量值逐漸增大，在C點(diǎn)處，缽體克服最大粘附力，夾持力測(cè)量值達(dá)最大值，約為2.56 N；CD階段，缽體與穴盤(pán)逐漸分離，夾持力測(cè)量值逐漸減?。籇E階段，夾持力測(cè)量值基本恒定，此過(guò)程僅克服缽體重力。分析可知，夾持力檢測(cè)傳感器的輸出電壓與取、投苗過(guò)程中夾持力的變化規(guī)律一致。

圖14 夾持力信號(hào)輸出電壓波形圖Fig.14 Output voltage waveform of clamping force signal

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了苗缽?qiáng)A持力檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成PVDF壓電薄膜、信號(hào)調(diào)理電路、無(wú)線(xiàn)通信模塊、信號(hào)采集軟件系統(tǒng)，能夠?qū)γ缋強(qiáng)A持力信號(hào)進(jìn)行采集、放大、濾波、存儲(chǔ)及顯示。

(2)設(shè)計(jì)了信號(hào)調(diào)理電路，用于對(duì)苗缽?qiáng)A持力電荷信號(hào)進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換、放大、工頻信號(hào)濾除以及振動(dòng)噪聲削弱；通過(guò)卡爾曼濾波器能夠?qū)γ缋強(qiáng)A持力信號(hào)進(jìn)行軟件濾波，有效降低了移栽機(jī)自身振動(dòng)與地面激勵(lì)產(chǎn)生的振動(dòng)噪聲對(duì)夾持力信號(hào)的影響。

(3)標(biāo)定試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)計(jì)的夾持力檢測(cè)傳感器平均線(xiàn)性決定系數(shù)為0.991 4，平均靈敏度為1.002 7，精度為6.024%，滿(mǎn)足移栽作業(yè)過(guò)程中夾持力測(cè)量準(zhǔn)確性的要求；室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，夾持力測(cè)量值的均值、最大值波動(dòng)范圍小，夾持力檢測(cè)傳感器的輸出電壓值與室內(nèi)驗(yàn)證試驗(yàn)夾持力的變化規(guī)律一致，表明夾持力檢測(cè)系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性和一致性。該夾持力檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)量準(zhǔn)確性高、靈敏性好，可為夾持力可調(diào)式自動(dòng)移栽苗缽受力檢測(cè)提供參考。