馬萬(wàn)里，張宏文，陳明昌

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

測(cè)產(chǎn)傳感器的動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)分析

馬萬(wàn)里，張宏文*，陳明昌

(石河子大學(xué)機(jī)械電氣工程學(xué)院，新疆石河子 832000)

為了確定測(cè)產(chǎn)動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中影響因素與響應(yīng)指標(biāo)的具體關(guān)系，設(shè)計(jì)并制作了測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)．以里格爾87－5號(hào)加工番茄為試驗(yàn)對(duì)象，采用正交試驗(yàn)的方法，完成了測(cè)產(chǎn)傳感器的動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)，分析了各影響因素對(duì)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(guò)參數(shù)優(yōu)化得出:最優(yōu)影響參數(shù)組合為:稱重皮帶運(yùn)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(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性．

加工番茄;測(cè)產(chǎn);動(dòng)態(tài)稱重;影響參數(shù);正交試驗(yàn);優(yōu)化

新疆地處北緯37°10'～49°3'之間，輻射量大、陽(yáng)光充足、晝夜溫差大，以其獨(dú)有的地緣優(yōu)勢(shì)和氣候條件成為了我國(guó)最大的加工番茄種植和加工基地［1－3］．農(nóng)作物產(chǎn)量是精準(zhǔn)農(nóng)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(chóng)害等農(nóng)田信息對(duì)作物產(chǎn)量的影響．實(shí)時(shí)獲取作物產(chǎn)量的分布信息是進(jìn)行處方農(nóng)作和科學(xué)管理的重要依據(jù)［4－6］．目前獲取農(nóng)作物產(chǎn)量的方式有3種:人工抽樣估產(chǎn);根據(jù)生長(zhǎng)條件模型或遙感模型預(yù)測(cè)作物產(chǎn)量;使用產(chǎn)量傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并獲取產(chǎn)量數(shù)據(jù)［5］．

目前，我國(guó)番茄收獲的機(jī)械化程度在不斷提高，在番茄收獲機(jī)械上應(yīng)用大規(guī)模番茄收獲實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)技術(shù)迫在眉睫．我國(guó)開(kāi)展精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)研究的時(shí)間較短，目前對(duì)農(nóng)作物實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)系統(tǒng)的研制還處于起步階段，對(duì)于番茄收獲實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用研究還是個(gè)空缺［7－8］．因此，針對(duì)用現(xiàn)有技術(shù)無(wú)法在番茄收獲過(guò)程中實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)的難題，設(shè)計(jì)了一套番茄收獲機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)裝置，該裝置的核心部件是測(cè)產(chǎn)傳感器，即稱重傳感器．

1 工作原理分析

番茄收獲機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)裝置根據(jù)稱重傳感器的動(dòng)態(tài)連續(xù)稱重原理［9－11］進(jìn)行工作．在番茄收獲機(jī)工作過(guò)程中，番茄經(jīng)過(guò)色選機(jī)色選后到達(dá)稱重皮帶，當(dāng)番茄經(jīng)過(guò)兩支撐托輥之間的稱重皮帶時(shí)(稱重皮帶的有效稱重段)，稱重皮帶上的番茄重力通過(guò)杠桿作用于稱重傳感器．稱重傳感器產(chǎn)生一個(gè)正比于皮帶載荷的電壓信號(hào)，并送入放大器和模/數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行處理，形成數(shù)字信號(hào);速度傳感器提供一系列脈沖，每個(gè)脈沖表示一個(gè)皮帶運(yùn)動(dòng)單元，脈沖的頻率正比于皮帶速度;稱重儀表從模/數(shù)轉(zhuǎn)換器和速度傳感器接收信號(hào)，通過(guò)累加法運(yùn)算得出累稱重值并顯示出來(lái)，從而完成動(dòng)態(tài)計(jì)量稱重，如圖1．

圖1 稱重原理Fig．1 Weighing principle

在稱重傳感器進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重時(shí)，物料(番茄)通過(guò)稱重皮帶有效稱重段的時(shí)間t為:

式中:L為稱重皮帶有效稱重段的長(zhǎng)度，即兩支撐托輥之間的距離;ˉv為整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中稱重皮帶運(yùn)行的平均速度，可由速度傳感器測(cè)量得到．

將稱重皮帶有效稱重段的長(zhǎng)度和寬度均分成等間距的n等份，長(zhǎng)度間距為ΔL，則從測(cè)產(chǎn)裝置開(kāi)始工作起第k個(gè)t時(shí)間段內(nèi)，由左到右、由上到下每等份皮帶上分布的番茄的質(zhì)量分別設(shè)為 Δm11k，Δm12k，…，Δm1nk，Δm21k，，Δm22k，…，Δm2nk，…，Δmn1k，Δmn2k，…，Δmnnk，如圖2．

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

第ij個(gè)質(zhì)量塊分布處稱重皮帶的番茄瞬時(shí)質(zhì)量流量qijk可表示為:

式中:ˉv(t)為第k個(gè)t時(shí)間段內(nèi)稱重皮帶運(yùn)行的平均速度;Δmijk為第k個(gè)t時(shí)間段內(nèi)稱重皮帶有效稱重段上每等份皮帶分布的番茄質(zhì)量．

第k個(gè)t時(shí)間段內(nèi)的番茄的瞬時(shí)質(zhì)量流量q(t)k的表達(dá)式為:

第k個(gè)t時(shí)間段內(nèi)稱重傳感器檢測(cè)到稱重皮帶有效稱重段上番茄的質(zhì)量Mk為:

那么，整個(gè)動(dòng)態(tài)稱重過(guò)程中番茄的累計(jì)稱重值Ml為:

2 試驗(yàn)研究

2.1 測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)

測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)是為了進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)研究并確定影響因素與響應(yīng)指標(biāo)之間的關(guān)系而設(shè)計(jì)的室內(nèi)專用試驗(yàn)設(shè)備．試驗(yàn)臺(tái)是按照各零部件的具體結(jié)構(gòu)尺寸和試驗(yàn)內(nèi)容要求來(lái)設(shè)計(jì)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(qiáng)度≥10 MPa，扯斷伸長(zhǎng)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(yùn)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(dòng)機(jī)(額定功率為0.55 kW，額定轉(zhuǎn)矩為7.6 N·m，變頻范圍為0～75Hz，調(diào)速范圍為0～750 r/min)、顯示儀表、固定鋼板和試驗(yàn)臺(tái)支撐架等部分組成，如圖3．

圖3 測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig．3 Structure of test-bed of yield monitor

2.2 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)選用新疆建設(shè)兵團(tuán)第8師143團(tuán)3分場(chǎng)23連種植的番茄，品種為里格爾87－5號(hào)加工番茄．該番茄田采用亨氏種植管理模式，即圍繞與機(jī)采相配套的種植和作業(yè)模式進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化番茄種植管理和全程機(jī)械化采收．試樣采摘日期為2014年9月8日，共采摘試驗(yàn)樣品100 kg，并在采摘后24 h內(nèi)完成試驗(yàn)．采摘的番茄試驗(yàn)樣品如圖4．

圖4 番茄試驗(yàn)樣品Fig．4 Test samples of tomato

2.3 試驗(yàn)儀器

完成動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)所需的試驗(yàn)儀器設(shè)備有測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)、電源、電插板、變壓器、高精度電子秤(精度為99.9%)、塑料框等，測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)如圖5．

圖5 測(cè)產(chǎn)試驗(yàn)臺(tái)Fig．5 Test-bed of yield monitor

2.4 試驗(yàn)方法

2.4.1 影響因素及響應(yīng)指標(biāo)的選取

通過(guò)理論分析和預(yù)備試驗(yàn)，確定動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)的各影響因素為:稱重皮帶運(yùn)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(jī)上，因此根據(jù)番茄收獲機(jī)在田間作業(yè)時(shí)的速度(2～5km/h)來(lái)確定稱重皮帶運(yùn)行速度．在動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)中，稱重皮帶運(yùn)行速度直接影響稱量精度．稱量精度是反應(yīng)系統(tǒng)性能最重要的指標(biāo)［12］，因此參照動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)，將其確定為本試驗(yàn)的響應(yīng)指標(biāo)．

2.4.2 試驗(yàn)指標(biāo)的測(cè)定

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

式中:δ為稱重傳感器的動(dòng)態(tài)累計(jì)差;Ms為每次試驗(yàn)番茄的實(shí)際質(zhì)量，試驗(yàn)前用高精度電子秤進(jìn)行稱量;M為每次試驗(yàn)稱重儀表顯示的番茄累計(jì)質(zhì)量．

稱重傳感器動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)的稱量精度計(jì)算如下:

式中，E為稱重傳感器的稱量精度．

2.5 正交試驗(yàn)

經(jīng)分析，文中采用正交試驗(yàn)方案［14］，研究稱重傳感器動(dòng)態(tài)稱重中不同的影響因素對(duì)響應(yīng)指標(biāo)的影響．本試驗(yàn)選取稱重皮帶運(yùn)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(yīng)指標(biāo)，按3因素3水平安排正交試驗(yàn)，制定的因素水平表［15］如表1．

表1 試驗(yàn)因素水平Table 1 Factors and levels

根據(jù)試驗(yàn)因素水平表，制定具有一級(jí)交互作用的正交試驗(yàn)方案，得到試驗(yàn)方案和結(jié)果如表2．表中:K1，K2，K3為各因素水平、各次實(shí)驗(yàn)結(jié)果和;S為因素水平變化所引起的試驗(yàn)結(jié)果差異，即方差; Q為計(jì)算方差S的一個(gè)中間計(jì)算量．

式中，a為試驗(yàn)次數(shù)，在本試驗(yàn)中每個(gè)因素水平試驗(yàn)9次．

表2 試驗(yàn)方案及結(jié)果Table 2 Program and result of orthogonal test

3 結(jié)果與分析

3.1 方差分析

根據(jù)表2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可得出各影響因素對(duì)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(yùn)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(yùn)行速度與皮帶表面形狀的交互作用A×B對(duì)稱量精度的影響都是極顯著的，其顯著性按高低排序?yàn)槲锪?番茄)供給量C、稱重皮帶運(yùn)行速度A、皮帶表面形狀B、稱重帶運(yùn)行速度與皮帶表面形狀的交互作用A× B．稱重皮帶運(yùn)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(duì)稱量精度的影響不顯著．

由Minitab軟件分析可知各影響因素對(duì)稱量精度的影響，并得出影響稱量精度的3個(gè)影響因素與響應(yīng)指標(biāo)的二次正交回歸方程為

表3 各影響因素對(duì)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(duì)稱量精度的影響

將稱重皮帶運(yùn)行速度、皮帶表面形狀和物料(番茄)供給量中的兩個(gè)因素確定在中間水平時(shí)，由Minitab軟件分析得到單因素變化對(duì)稱量精度的影響，如圖6．由圖可知，當(dāng)稱重皮帶運(yùn)行速度逐漸增大時(shí)，稱量精度先減小后增大，當(dāng)稱重皮帶運(yùn)行速度在第1水平時(shí)，稱量精度達(dá)到最大值;當(dāng)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(guò)程中，稱量精度先減小后增大，當(dāng)皮帶表面形狀處在第3水平時(shí)，稱量精度達(dá)到最大值;當(dāng)物料(番茄)供給量逐漸增大時(shí)，稱量精度逐漸增大，當(dāng)物料(番茄)供給量在第3水平時(shí)，稱量精度達(dá)到最大值．

圖6 各影響因素對(duì)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(duì)稱量精度的影響

由Minitab軟件分析得到影響因素交互作用對(duì)稱量精度的影響，如圖7，8．由等值線圖可知，當(dāng)物料(番茄)供給量在中間水平(50 kg)時(shí)，隨稱重皮帶運(yùn)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(guò)程中，稱重精度先減小后增大;響應(yīng)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(yàn)水平下，稱重皮帶運(yùn)行速度對(duì)稱量精度的影響要比皮帶表面形狀對(duì)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(yīng)曲面Fig．8 Response surface of A，B and Y

4 參數(shù)優(yōu)化

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

表4 組合試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照分析Table 4 Comparative analysis of the results of combined test

從表4中可以看出:當(dāng)A取第1水平、B取第3水平時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果為289.17，為所有試驗(yàn)結(jié)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(dú)考慮影響因素A，B時(shí)所得的結(jié)果一致．因此，本試驗(yàn)的最優(yōu)方案取A1B3C3，即本試驗(yàn)的最佳影響參數(shù)組合為:稱重皮帶運(yùn)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(guò)上述優(yōu)化獲得了影響因素的最佳參數(shù)組合．為了消除隨機(jī)誤差，在影響因素最佳組合下，進(jìn)行10次重復(fù)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表5．

表5 影響因素最佳組合下的驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果Table 5 Experiment results with optimal combination of factors

通過(guò)試驗(yàn)表明，由試驗(yàn)優(yōu)化得出的最佳參數(shù)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(jī)實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)的性能要求和綜合精度要求．

5 結(jié)論

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

2)由參數(shù)優(yōu)化得出最佳影響參數(shù)組合為:稱重皮帶運(yùn)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(guò)驗(yàn)證試驗(yàn)表明:由最佳影響參數(shù)組合得到的稱量精度均大于95%，能滿足番茄收獲機(jī)實(shí)時(shí)測(cè)產(chǎn)裝置設(shè)計(jì)的性能與綜合精度要求．

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(責(zé)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(tuán)科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新資金專項(xiàng)(2014BD005)

馬萬(wàn)里(1992—)，男，碩士研究生．*通信作者:張宏文(1969—)，男，教授，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)及機(jī)械系統(tǒng)仿真．E-mail:zhw196959@126．com

作者簡(jiǎn)介:馬萬(wàn)里，張宏文，陳明昌．測(cè)產(chǎn)傳感器的動(dòng)態(tài)稱重試驗(yàn)分析［J］．江蘇科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2015，29(5):467－473．