陳明昌 魏 敏 劉 巧 張宏文 王 磊

（石河子大學機械電氣工程學院，新疆 石河子 832000）

在精準農業(yè)體系中，準確獲取農作物產量可以檢驗當年變量作業(yè)（如變量施肥、變量噴藥、變量灌溉等）和人工管理的效果，同時也能指導第二年播種、變量作業(yè)和科學管理。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［1］。

歐美發(fā)達國家對玉米、大豆、小麥、棉花、土豆、甘蔗、甜菜等聯合收獲機產量監(jiān)測技術的研究已經成熟并且得到了規(guī)模化應用［2－4］，而對番茄收獲機產量監(jiān)測技術的研究還處于探索階段。中國開展精準農業(yè)研究時間較短，目前對番茄收獲機產量監(jiān)測技術的研究尚未見報道［2－4］。本研究設計了一種番茄收獲機實時測產裝置，實現了番茄收獲機實時測產的自動化、智能化和信息化，旨在為番茄收獲機產量監(jiān)測技術的進一步研究提供理論依據和技術參考。

1 結構特點及工作原理

1.1 結構特點

番茄收獲機測產裝置由裝卸臂框架和測重框架兩部分組成，其結構見圖1。裝卸臂框架主要由裝卸臂長臂框架（見圖2）和裝卸臂短臂框架（見圖3）等組成，在裝卸臂長臂框架和裝卸臂短臂框架連接處設有水平液壓調節(jié)裝置，裝卸臂短臂框架上設有水平角度傳感器，裝卸臂框架內設有輸送皮帶和輸送皮帶輪，輸送皮帶輪上設有輸送皮帶速度傳感器。測重框架主要由擋板、測重框架角度傳感器、測重皮帶、測重皮帶輪、托輥、計量輥、支撐板、重力傳感器和測重皮帶速度傳感器等組成。擋板為兩塊3mm厚度的鐵板，設置呈槽狀，測重框架角度傳感器設在擋板外側，測重皮帶及測重皮帶輪設在擋板內側，測重皮帶的表面形狀為連續(xù)的、大小均勻的方格狀，托輥設在測重皮帶內側，支撐板設在測重皮帶輪之間，并通過螺栓固定在擋板上，支撐板為2mm厚度的鐵板，重力傳感器固定于支撐板的上部中間位置，計量輥懸浮置于重力傳感器的正上方，測重皮帶速度傳感器設在測重皮帶輪上。測重框架設在裝卸臂長臂框架后，裝卸臂框架的裝卸臂長臂框架與測重框架的擋板之間設有連接液壓調節(jié)裝置和連接固定杠桿，連接液壓調節(jié)裝置、連接固定杠桿與裝卸臂長臂框架、擋板構成鉸鏈四桿機構。本裝置整體結構簡單、質量較輕、易于操作、實用性強、適應性強，可直接安裝于現有的番茄收獲機上工作，并且與番茄收獲機上其他裝置不發(fā)生干涉。

圖1 番茄收獲機測產裝置結構示意簡圖Figure 1 Structure of yield monitor device of tomato harvester

圖2 裝卸臂長臂框架結構圖Figure 2 Structure of the loading long arm frame

其主要技術參數：

稱量精度：±0.1%

稱量范圍：0～30 000kg/h

皮帶寬度：600～1 000mm

皮帶速度：0～1m/s

工作環(huán)境溫度：機械－20～＋50℃ 儀表0～40℃

電源電壓：220V（＋10%、－15%）

1.2 工作原理

在測產開始前首先設定水平角度傳感器、輸送皮帶速度傳感器、測重框架角度傳感器、測重皮帶速度傳感器、重力傳感器顯示儀上的初始值為0。測產開始時，水平液壓調節(jié)裝置根據地面的平整狀態(tài)調整裝卸臂長臂框架與裝卸臂短臂框架的位置促使裝卸臂短卸臂框架末端處于水平工作狀態(tài)。此時，水平角度傳感器測出裝卸臂長臂框架與水平面的角度；輸送皮帶輪上的輸送皮帶速度傳感器測出輸送皮帶的傳送速度；測重框架角度傳感器測出測重皮帶與水平面的角度，并且反饋到液壓系統(tǒng)。

通過由連接液壓調節(jié)裝置與連接固定杠桿構成的鉸鏈四桿機構，調整測重框架直至測重皮帶與水平面的角度為零度。番茄經過色選和輸送皮帶到達測重皮帶，當番茄經過兩個托輥之間的測重皮帶時，計量輥檢測到測重皮帶上的番茄重量，并通過杠桿作用于重力傳感器，重力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/數轉換器進行處理后形成數字信號［5］；測重皮帶輪上的測重皮帶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/數轉換器和測重皮帶速度傳感器接收信號，通過積分運算得出累積重量值，并顯示出來，從而完成測產，見圖4。

圖3 裝卸臂短臂框架結構圖Figure 3 Structure of the loading short arm frame

圖4 測產原理圖Figure 4 The yield monitor schematics

2 關鍵部件的設計與選擇

2.1 測重皮帶的設計

測重皮帶的制造材料應與番茄收獲機上的輸送皮帶一致，采用優(yōu)質橡膠制成的環(huán)型帶，要求其扯斷強度≥10MPa，扯斷伸長率≤300%，磨耗量≤1.0cm3/1.6km，工作表面的覆蓋膠厚度為2mm，非工作表面覆蓋膠厚為1mm，膠帶總厚度為8mm。測重皮帶的寬度，根據番茄收獲機上輸送皮帶的寬度、中國皮帶寬度標準規(guī)定［6］和設計參數要求，最終確定為650mm。整條皮帶表面必須平整、無折痕、帶體輕、撓性好，尺寸必須準確，硬度和單位長度重量均一。

測產裝置測重皮帶速度的確定與普通輸送皮帶有所區(qū)別，其目的主要是有利于保證足夠的稱量精度，而不是簡單的追求輸送效率。因此，在測產裝置工作時，測重皮帶的運行速度設定為0～1m/s，其具體大小根據番茄收獲機的前行速度和輸送皮帶的運行速度可進行適當調節(jié)，采用這種較低的皮帶速度，對測重皮帶平穩(wěn)運行、減小振動、減輕皮帶磨損和保證稱量精度尤其重要。

測重皮帶的表面形狀設計為同等間隔、大小均勻的方格狀（見圖5）。在測重皮帶運行時，可以對皮帶上的番茄起到固定作用，減小皮帶傳輸過程中番茄大幅度滾動和撞擊帶來的測量誤差，從而提高裝置的測量精度。

圖5 測重皮帶表面結構簡圖Figure 5 Structure of surface of the the weighing belt

2.2 支撐輥的設計

支撐輥是與測重皮帶直接接觸的零件。工作時，測重皮帶的拖動直接帶動支撐輥的滾動，隨著工作時間的增長，支撐輥容易發(fā)生磨損或磨穿而影響裝置的測量精度。因此，對托輥筒體制作材料的選擇至關重要，綜合考慮選用橡膠質托輥，耐磨性較好，使用壽命較長，維修工作量少，維修成本低，工作效率高。

托輥的形狀設計為槽形（見圖6），槽形角為165°，托輥筒體長650mm。在測重皮帶運行時，槽形托輥可以自行校正皮帶的跑偏。因托輥筒體兩端設計呈錐形，當托輥運轉時，越往兩端，線速度越大。當皮帶跑偏時，皮帶兩側的線速度不等，線速度大的一邊就會產生較大的相對摩擦，阻力增大，而阻力大的一邊總是使皮帶往阻力小的一邊移動，直至平衡［7］。此外，槽形托輥還可保證皮帶的平穩(wěn)運行和稱量精度，避免皮帶的損壞和事故的發(fā)生。

圖6 槽形托輥結構簡圖Figure 6 Structure of the grooved rollers

2.3 傳感器的選擇

2.3.1 角度傳感器 角度傳感器的種類繁多，應用廣泛，按轉換原理不同可以有很多實現形式，如光柵式、加速度計式、電容式等［8］，而番茄收獲機測產裝置在工作時，迫切需要一種精度高、體積小、重量輕、價格低的非接觸式角度傳感器，來檢測裝卸臂長臂框架和測重皮帶與水平面的角度，綜合考慮本裝置的設計要求，應選用差動電容式角度傳感器。差動電容式角度傳感器［9］，是在形成兩個分立的電容器的極板之間設置旋轉圓板，應用圓板旋轉時兩個電容器的電容產生差動變化的原理來檢測角度。

2.3.2 速度傳感器 在本裝置設計中，速度傳感器直接安裝于皮帶輪上測量皮帶輪轉速，再根據皮帶輪外徑計算帶速，綜合考慮，霍爾傳感器是最佳選擇?；魻杺鞲衅魇抢没魻栃獙崿F磁電轉換的一種傳感器，它具有靈敏度高、線性度好、耐高溫、壽命長等特點；由于霍爾傳感器產生的是數字脈沖信號，穩(wěn)定性好，對外部噪聲的抗干擾能力較強，對測量電路無特殊要求，易被PLC和DCS系統(tǒng)處理，且結構簡單，體積小，成本低，使用方便［10］。

2.3.3 重力傳感器 番茄收獲機測產裝置是在多粉塵和強震動的環(huán)境下工作，易造成傳感器彈性體受損和內部短路，并且嚴重影響稱量精度。因此，根據番茄收獲機測產裝置的工作環(huán)境和稱量精度要求，應選用準確度等級較高的電阻應變式傳感器［11］，如C3級傳感器（按照OIML R60國際建議的要求，C3級傳感器的最大檢定分度數為3 000），具有密閉性、抗震性、穩(wěn)定性、線性度好和準確度高的特點。

3 結論

設計了一種番茄收獲機測產裝置，解決了番茄收獲過程中實時測產的難題，為番茄收獲機產量監(jiān)測技術的進一步研究提供理論依據。

（1）測產裝置由裝卸臂框架和測重框架兩部分組成，整體結構簡單、質量較輕、易于操作、實用性強、適應性強，可直接安裝于現有的番茄收獲機上工作，并且與番茄收獲機上其他裝置不發(fā)生干涉。

（2）測重皮帶的表面形狀為同等間隔、大小均勻的方格狀，可減小番茄大幅度滾動和撞擊帶來的測量誤差，從而提高測量精度。采用槽形托輥，可以自行校正皮帶的跑偏，保證測量精度。

1 齊江濤，張書慧，牛序堂，等.穗狀玉米測產系統(tǒng)設計與試驗［J］.農業(yè)機械學報，2011，42（1）：181～185.

2 林鑫潔，馬蓉，安光輝，等.基于CAN總線的棉花在線測產系統(tǒng)設計［J］.農機化研究，2013（4）：179～182.

3 李鵬.采棉機測產系統(tǒng)智能監(jiān)控技術研究［D］.北京：中國農業(yè)大學，2005.

4 Magalhes P S G，Cerri D G P.Yield monitoring of sugar cane［J］.Biosystems Engineering，2006，96（1）：1～6.

5 李光樂.FFS包裝機伺服電子定量秤研究［J］.食品與機械，2013，29（4）：118～121.

6 孫秉禮，穆桂云.調速定量給料秤皮帶的選擇和跑偏處理［J］.水泥，1993（1）：24～26.

7 蔡東東.皮帶機托輥的改進探討［J］.中國新技術新產品，2013（2）：161.

8 高峰，谷雨，周濱，等.一種電容式角度傳感器［J］.儀表技術與傳感器，2009（8）：17～18，90.

9 盧致續(xù)，張維波，隋曉光，等.差動電容式傾角傳感器的研究［J］.儀表技術，2009（4）：68～70.

10 張小國，許雅峰.速度傳感器在電子皮帶秤中的應用分析［J］.有色設備，2010（4）：14～17.

11 周昱松.電子衡器稱重傳感器的選擇和載荷分配的調整［J］.衡器，2009（2）：50～54.