傳感器技術(shù)在農(nóng)機(jī)工況檢測與故障預(yù)防中的應(yīng)用

陳治瑀

(黑龍江省農(nóng)業(yè)機(jī)械工程科學(xué)研究院，哈爾濱 150081)

0 引言

近年來，我國的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了快速轉(zhuǎn)型升級(jí)，大量先進(jìn)的農(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)備投入到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，有效提高了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，減少了人員勞動(dòng)強(qiáng)度。農(nóng)業(yè)機(jī)械作為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實(shí)施的重要保障，其技術(shù)先進(jìn)性直接影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的最終質(zhì)量，尤其在農(nóng)機(jī)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展下，農(nóng)業(yè)機(jī)械的很多功能實(shí)施更加精確化，這些都離不開現(xiàn)代傳感器技術(shù)的合理應(yīng)用。傳感器的應(yīng)用幫助農(nóng)業(yè)機(jī)械實(shí)現(xiàn)精確、迅速地獲取機(jī)械運(yùn)行和田間的環(huán)境信息，有利于提高農(nóng)機(jī)使用的合理性，并有效預(yù)防機(jī)械故障和生產(chǎn)安全問題。傳感器技術(shù)的應(yīng)用有利于農(nóng)業(yè)機(jī)械自動(dòng)化程度的進(jìn)一步提升，能夠改善農(nóng)業(yè)機(jī)械的技術(shù)水平，有利于促進(jìn)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)質(zhì)量的全方位提升。

1 傳感器技術(shù)特征及其應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 傳感器技術(shù)特征

傳感器技術(shù)是21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一，對(duì)于設(shè)備自動(dòng)化和智能化發(fā)展意義重大。傳感器總體來講屬于一種信息獲取裝置，其能夠針對(duì)特定的項(xiàng)目進(jìn)行信息檢測，并將收集的相關(guān)信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行傳輸，供系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、顯示、存儲(chǔ)、自動(dòng)控制等使用。傳感器根據(jù)所獲取的項(xiàng)目不同，應(yīng)用的技術(shù)原理也各不相同。傳感器技術(shù)涉及到物理、化學(xué)、生物學(xué)等多個(gè)學(xué)科，能滿足全方位的使用要求，且現(xiàn)階段使用的第三代傳感器技術(shù)已經(jīng)具有顯著的人工智能特點(diǎn)。傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)，一是具有好的信息獲取與反饋的及時(shí)性；二是可針對(duì)不同工況開展工作，具有良好的可靠性和精確性；三是能夠開展非接觸、不同距離的監(jiān)測工作；四是傳感器型號(hào)眾多，針對(duì)不同的工況具有專門的系列產(chǎn)品設(shè)計(jì)，能夠適應(yīng)惡劣的環(huán)境使用需求[1]。

1.2 傳感器技術(shù)在農(nóng)機(jī)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著農(nóng)機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化程度得到了明顯提高，新型農(nóng)業(yè)機(jī)械中的傳感器技術(shù)應(yīng)用明顯增多，傳感器在農(nóng)機(jī)產(chǎn)品中的普及程度也得到了快速擴(kuò)展[2]?，F(xiàn)階段使用的拖拉機(jī)、收獲機(jī)、植保機(jī)、播種機(jī)、排灌機(jī)、谷物烘干機(jī)等各種農(nóng)業(yè)機(jī)械都應(yīng)用了大量的傳感器技術(shù)。尤其在大馬力拖拉機(jī)(圖1)等大型農(nóng)機(jī)上平均應(yīng)用的傳感器超過20種，涉及的應(yīng)用范圍包括溫度檢測、位置檢測、底盤控制、發(fā)動(dòng)機(jī)控制等。以電控農(nóng)用柴油機(jī)為例，傳感器的應(yīng)用范圍包括控制柴油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)、檢測柴油機(jī)溫度、檢測振動(dòng)等，大量傳感器的應(yīng)用能有效提高柴油機(jī)的性能、降低機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)油耗、減少故障發(fā)生概率，不僅確保設(shè)備穩(wěn)定工作，還有利于延長使用壽命[3]。

圖1 大馬力拖拉機(jī)自動(dòng)化控制體系

2 傳感器技術(shù)在農(nóng)機(jī)工況檢測方面的應(yīng)用

2.1 傳感器的計(jì)數(shù)和計(jì)量功能應(yīng)用

計(jì)數(shù)和計(jì)量是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的常用功能，很多農(nóng)業(yè)機(jī)械的使用過程都涉及到計(jì)數(shù)和計(jì)量的功能，常用的傳感器包括光電傳感器和液位傳感器等。光電傳感器主要應(yīng)用于計(jì)數(shù)測量，例如在播種機(jī)播種的過程中，可以對(duì)播種的數(shù)量進(jìn)行測量，在導(dǎo)種管上安裝光電傳感器(圖2)后，每次當(dāng)種子遮擋光電傳感器，會(huì)引起光電管發(fā)出相對(duì)應(yīng)的脈沖信號(hào)，系統(tǒng)會(huì)對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，并用于計(jì)算相鄰兩粒種子之間的間距關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)精密播種要求；液位傳感器(圖3)主要用于計(jì)量液體的剩余量，例如農(nóng)藥剩余量、冷卻水剩余量、油液剩余量等，液位傳感器主要采用浮漂測量剩余液量，應(yīng)用于植保機(jī)械時(shí)，不僅可以時(shí)刻掌握藥箱中藥液是否充足，還能夠利用液位傳感器結(jié)合行駛距離計(jì)算單位面積噴藥量，提高植保噴藥的合理性[4]。

圖2 光電自動(dòng)計(jì)數(shù)傳感器

圖3 液位傳感器

2.2 零部件位置與工作狀態(tài)檢測應(yīng)用

零部件的位置檢測和工作狀態(tài)檢測是自動(dòng)控制實(shí)施的基礎(chǔ)，農(nóng)業(yè)機(jī)械上應(yīng)用的相關(guān)傳感器設(shè)備包括轉(zhuǎn)速傳感器、距離傳感器、角度傳感器、壓力傳感器、流量傳感器等。其中零部件的位置檢測包括檢測零部件或升起或平移的距離、檢測零部件轉(zhuǎn)過的角度及零部件之間的相對(duì)距離等，例如在耕整地作業(yè)過程中利用雙軸傾角傳感器(圖4)檢測耕作深度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)耕作深度的實(shí)時(shí)調(diào)整，確保耕作的合理性?；蛟谥脖C(jī)械作業(yè)時(shí)，利用角度傳感器檢測噴桿的展開情況，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)噴桿伸展與折疊的控制[5]。工作狀態(tài)的檢測種類很多，包括運(yùn)轉(zhuǎn)零件的轉(zhuǎn)速檢測、液體工作壓力的檢測、液體流量檢測、工作溫度檢測等。例如在植保機(jī)械作業(yè)中利用液體壓力傳感器檢測液體壓力的建立情況，并通過流量傳感器檢測輸藥管路中的藥液流量，通過調(diào)整壓力實(shí)現(xiàn)對(duì)噴藥流量的控制[6]。

圖4 耕深檢測用雙軸傾角傳感器

2.3 機(jī)具位置與環(huán)境關(guān)系的檢測應(yīng)用

隨著農(nóng)機(jī)自動(dòng)化程度的提升，農(nóng)業(yè)機(jī)械的輔助駕駛和自動(dòng)駕駛技術(shù)逐步得到應(yīng)用，而且在智慧大棚中，也對(duì)機(jī)械裝備的自動(dòng)執(zhí)行動(dòng)作和開展工作提出了更高要求，利用傳感器獲取位置和環(huán)境信息是實(shí)施以上工作的前提條件。機(jī)具位置獲取和環(huán)境信息獲取的傳感器包括GPS傳感器、視覺傳感器、激光傳感器、雷達(dá)傳感器等。在實(shí)際生產(chǎn)中，利用GPS傳感器能夠獲取農(nóng)業(yè)機(jī)械的坐標(biāo)信息，并為農(nóng)機(jī)行駛提供定位和線路。在自動(dòng)駕駛中，利用GPS傳感器配合視覺傳感器或雷達(dá)傳感器等能夠進(jìn)一步探測農(nóng)機(jī)位置及作業(yè)周邊的環(huán)境信息，避免因障礙物或地形條件變化影響機(jī)械自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)施。在智慧農(nóng)業(yè)大棚中，常使用光電傳感器進(jìn)行自動(dòng)作業(yè)設(shè)備的定位。例如在自動(dòng)噴霧作業(yè)時(shí)，作物上方可移動(dòng)噴桿在運(yùn)動(dòng)中若遮擋住光電傳感器的光束，則表明噴桿運(yùn)動(dòng)到該位置，有利于實(shí)現(xiàn)智慧大棚的定點(diǎn)噴施。

3 傳感器技術(shù)在農(nóng)機(jī)故障預(yù)防中的應(yīng)用

3.1 對(duì)于工況異常的示警

傳感器的大量應(yīng)用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)農(nóng)業(yè)機(jī)械工況的實(shí)時(shí)監(jiān)測，還能夠在農(nóng)機(jī)出現(xiàn)故障問題時(shí)通過數(shù)據(jù)分析及時(shí)發(fā)現(xiàn)，避免嚴(yán)重故障的發(fā)生。傳感器的工況異常警示和故障預(yù)防主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是機(jī)具運(yùn)轉(zhuǎn)出現(xiàn)異常振動(dòng)時(shí)，通過振動(dòng)傳感器獲取異常振動(dòng)信號(hào)，農(nóng)機(jī)的ECU會(huì)根據(jù)獲取的異常振動(dòng)信息和發(fā)送信息的傳感器位置綜合分析故障問題的可能原因，并對(duì)該位置進(jìn)行故障警報(bào)；二是機(jī)具工作溫度異常，農(nóng)業(yè)機(jī)械的發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)箱、液壓系統(tǒng)在使用中都可能產(chǎn)生高溫，當(dāng)溫度異常升高時(shí)，溫度傳感器會(huì)及時(shí)將異常信息發(fā)送回ECU，提醒駕駛員主要檢查機(jī)具故障；三是轉(zhuǎn)速異常的警示，主要是針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)、液壓泵、風(fēng)機(jī)等轉(zhuǎn)動(dòng)部件進(jìn)行檢測，當(dāng)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)速突然變化，則將異常信號(hào)傳輸回ECU，再通過ECU發(fā)出警示指令。此外，工況異常的警示還包括很多方面。例如排氣異常警示、冷卻液異常警示、牽引力異常警示等。工況異常的及時(shí)預(yù)警是避免重大故障發(fā)生的有效保證[7]。

3.2 故障預(yù)防與輔助檢測分析

部分先進(jìn)的農(nóng)機(jī)設(shè)備還能夠通過傳感器進(jìn)行主動(dòng)故障預(yù)防操作。例如在大型收獲機(jī)作業(yè)的過程中，當(dāng)某一位置的傳動(dòng)箱齒輪損壞，造成傳動(dòng)異常振動(dòng)時(shí)，傳感器會(huì)第一時(shí)間獲取故障信息，并由ECU主動(dòng)控制該傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)轉(zhuǎn)暫停，同時(shí)提醒駕駛員故障的發(fā)生，有效避免故障的擴(kuò)大。利用傳感器收集的信息，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確分析故障位置在故障發(fā)生前一定時(shí)間內(nèi)的各項(xiàng)工況信息，從而辨別導(dǎo)致故障問題的主要因素，有利于故障問題被妥善處理[8]。

4 結(jié)語

綜上所述，在現(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中傳感器技術(shù)在農(nóng)業(yè)機(jī)械中發(fā)揮著巨大作用，隨著農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的進(jìn)一步普及和應(yīng)用，傳感器所能發(fā)揮的作用還將進(jìn)一步擴(kuò)大，為更好實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)機(jī)械的自動(dòng)化和智能化，傳感器技術(shù)應(yīng)向著多功能、集成化、智能微型化方向發(fā)展。同時(shí)在電氣控制技術(shù)的支持下，傳感器技術(shù)應(yīng)用將進(jìn)一步提高農(nóng)機(jī)作業(yè)的精細(xì)化程度，農(nóng)機(jī)作業(yè)的可靠性也將得到大幅提升，傳感器技術(shù)的應(yīng)用還能為農(nóng)業(yè)機(jī)械的故障維修提供參數(shù)依據(jù)，為農(nóng)業(yè)機(jī)械技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)與應(yīng)用質(zhì)量的提升創(chuàng)造有利條件。

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