【正文】 (21)其中，為零輸入的輸出，表示非線性項(xiàng)系數(shù)。其線性模型[3]可表示為， (22)傳感器的靜態(tài)特性主要由靈敏度、遲滯、重復(fù)性、線性度、分辨力、穩(wěn)定性、漂移、量程范圍來(lái)描述。 傳感器的動(dòng)態(tài)特性當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)傳感器的響應(yīng)特性稱為傳感器的動(dòng)態(tài)特性[5]。用傳感器測(cè)試動(dòng)態(tài)量時(shí)，我們希望它的輸入信號(hào)和輸出信號(hào)具有相同的時(shí)間函數(shù)，但實(shí)際上除了具有理想比例特性的環(huán)節(jié)外，由于傳感器的慣性和滯后，當(dāng)被測(cè)量隨時(shí)間變化時(shí)，傳感器的輸出一般來(lái)不及達(dá)到平衡狀態(tài)，而是處于過(guò)渡過(guò)程中，這樣輸出信號(hào)將不會(huì)和輸入信號(hào)一致。為了更好的分析傳感器的動(dòng)態(tài)特性，我們可以用以下微分方程[6]進(jìn)行描述： (23) 其中，表示輸入量，表示輸出量，表示與傳感器結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。3傳感器在收割機(jī)中的地位及作用在現(xiàn)代社會(huì)，科學(xué)技術(shù)高度發(fā)展。人類(lèi)處在一個(gè)信息瞬息萬(wàn)變的時(shí)代，傳感器是工業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)實(shí)踐和現(xiàn)代測(cè)控技術(shù)等的重要組成部分，主要依靠對(duì)信息資源的開(kāi)發(fā)、獲取、傳輸、處理，它是被測(cè)對(duì)象和檢測(cè)系統(tǒng)的接口[4]，是感知和檢測(cè)信息的窗口。一切科學(xué)實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)過(guò)程中的信息，特別是在自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中獲取的原始信息，都要經(jīng)過(guò)傳感器轉(zhuǎn)換成易于傳輸和方便后期處理的電信號(hào)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息處理技術(shù)、測(cè)量技術(shù)、控制及自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)已成為一個(gè)重要的科學(xué)技術(shù)，其作用也越來(lái)越重要，應(yīng)用越來(lái)越廣泛。要提高傳統(tǒng)的農(nóng)業(yè)機(jī)械的作業(yè)效率，勢(shì)必將其發(fā)展成機(jī)電一體化產(chǎn)品，也是實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化和精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)的必由之路。因此，作為機(jī)電一體化三大關(guān)鍵技術(shù)之一的傳感器技術(shù)必將在農(nóng)業(yè)機(jī)械上廣泛應(yīng)用。為了提高水稻收割機(jī)的服務(wù)質(zhì)量以及自動(dòng)化程度，目前一般的收割機(jī)上都運(yùn)用了10到20只傳感器[18]。下面列舉傳感器在水稻收割機(jī)上的一些應(yīng)用。 (1)傾角傳感器[7]通常用于水平的測(cè)量，用在收割機(jī)上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)收割機(jī)機(jī)身的傾斜角度進(jìn)行測(cè)量，操作人員可以從儀表盤(pán)直觀地讀出傾斜角度來(lái)調(diào)整機(jī)身，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)收割殘余秸稈長(zhǎng)度更好控制和保證操作的安全性以及起到保護(hù)刀片的作用。如果秸稈過(guò)長(zhǎng)影響耕種，秸稈過(guò)短則地里的石塊會(huì)損害刀片； (2)在應(yīng)用中，我們可以選擇霍爾傳感器、光電傳感器、光纖傳感器、電動(dòng)式速度傳感器等作為測(cè)速傳感器以實(shí)現(xiàn)對(duì)水稻收割機(jī)作業(yè)時(shí)的速度進(jìn)行測(cè)量并轉(zhuǎn)化成可輸出的信號(hào)，通過(guò)與計(jì)算機(jī)連接，可對(duì)被測(cè)物進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的測(cè)量控制，同時(shí)還可以間接測(cè)量出畝產(chǎn)[25]； (3)為了保證一定的喂入量，防止喂入量過(guò)大而導(dǎo)致堵塞，可以采用紅外傳感器、激光傳感器、超聲波傳感器等傳感器對(duì)割茬的高度進(jìn)行測(cè)量。 (4)磁傳感器[8]可以判斷谷物中混入的金屬等雜質(zhì)；分離和清選損失所用籽粒損失傳感器多為壓電陶瓷式，分別安裝了逐稿器和清糧篩損失傳感器[27]，將一片壓電晶體膜片安裝在一塊長(zhǎng)方形鐵板的中心位置上，當(dāng)下落谷粒撞擊傳感器鐵板產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，經(jīng)壓電晶體膜片轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電脈沖信號(hào)，由儀表顯示籽粒損失程度。在采用損失傳感器測(cè)試分離和清選損失時(shí)，應(yīng)實(shí)時(shí)測(cè)試收割機(jī)的喂入量和籽粒流量，然后推導(dǎo)出草谷比和脫粒、分離與清選負(fù)荷，即可控制分離和清選裝置工作在最佳狀態(tài)。 (5)通過(guò)氯化鋰濕度傳感器、半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器、氧化鋁濕度傳感器、微波濕度傳感器[7,17]等作為測(cè)量谷物濕度的傳感器和磁彈性傳感器、光柵式轉(zhuǎn)矩傳感器等測(cè)量滾筒轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速傳感器配合可以控制脫粒的干凈程度。 (6)目前在收割機(jī)上主要利用光電容積傳感器、γ射線式流量傳感器、沖量式流量傳感器和刮板輪式容積流量傳感器[20,22]來(lái)測(cè)量谷物的流量。以上介紹的各傳感器的具體作用及特點(diǎn)將在下文詳細(xì)闡述。4傳感器在水稻收割機(jī)上的應(yīng)用霍爾傳感器[3,4,6]是一種以霍爾效應(yīng)為工作基礎(chǔ)的磁傳感器，它可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化。它是由霍爾元件及其附加電路組成的集成傳感器，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展 ，因其霍爾效應(yīng)顯著而得到廣泛應(yīng)用。目前的霍爾元件基本都是半導(dǎo)體材料制成。通常，根據(jù)被檢測(cè)對(duì)象的性質(zhì)可將霍爾傳感器的應(yīng)用分成兩大類(lèi),即直接應(yīng)用和間接應(yīng)用。直接應(yīng)用是直接檢測(cè)出被檢測(cè)對(duì)象的磁場(chǎng)特性，間接應(yīng)用是通過(guò)人為給被檢測(cè)對(duì)象施加磁場(chǎng)，再通過(guò)這個(gè)磁場(chǎng)將非電量、非磁的物理量轉(zhuǎn)變成電量來(lái)檢測(cè)和控制。例如將力、力矩、位移、速度、加速度等轉(zhuǎn)變成電量來(lái)測(cè)量和控制?；魻杺鞲衅饕蚱浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，無(wú)觸點(diǎn)，可靠性高，使用壽命長(zhǎng)，易于集成電路化等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。(1)霍爾效應(yīng)霍爾效應(yīng)[17]是美國(guó)物理學(xué)家霍爾1879年在金屬材料中發(fā)現(xiàn)的一種物理效應(yīng)。當(dāng)放置于磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上垂直于電流和磁場(chǎng)方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這一效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)。 I B 霍爾效應(yīng)示意圖 (2)霍爾元件根據(jù)霍爾效應(yīng)，利用半導(dǎo)體材料制成的元件叫霍爾元件。它的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，由霍爾片、四根引線和外殼組成，其圖形符號(hào)[6]。139。稱為激勵(lì)電極；239。稱為霍爾電極。 H 239。 139。 1 2 霍爾元件的圖形符號(hào)霍爾元件具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此在測(cè)量、自動(dòng)控制、信息技術(shù)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。它的靈敏度與元件的材料的性質(zhì)和幾何尺寸有關(guān)，在實(shí)際應(yīng)用中，一般都采用N型半導(dǎo)體材料[5]制作霍爾元件。(3)霍爾測(cè)速傳感器的原理轉(zhuǎn)盤(pán)的輸入軸與被測(cè)轉(zhuǎn)軸相連，當(dāng)被測(cè)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)盤(pán)隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤(pán)附近的霍爾傳感器便在每一個(gè)小磁鐵通過(guò)時(shí)輸出一個(gè)相應(yīng)的脈沖，從而可測(cè)出轉(zhuǎn)數(shù)，再接入一個(gè)頻率計(jì)便可測(cè)出轉(zhuǎn)速[6]。由于霍爾測(cè)速傳感器耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕[89]。但是它易受分辨率和田間作業(yè)滑移的影響，測(cè)量的精度難以控制。此外，在作業(yè)過(guò)程中的加速和減速對(duì)測(cè)量會(huì)帶來(lái)較大的誤差以及傳感器的安裝固定不方便。在水稻收割機(jī)所處的泥水工作環(huán)境中，低成本的霍爾測(cè)速傳感器一般能夠滿足要求。 光電傳感器[6,17]是把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，再通過(guò)光電器件把光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。[6]。 光源 光學(xué)通路光電元件件測(cè)量電路 光量 光量 電量 輸出 光電傳感器原理框圖它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)一般分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)兩大類(lèi)，其中內(nèi)光電效應(yīng)可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。(1)外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)[3,6]，也稱為光電發(fā)射，是指在光線作用下，被照射物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象。這些向外逸出的電子叫做光電子。光電子具有能量，每個(gè)光電子具有的能量可由下式確定： （41）式中: 普朗克常數(shù)，(Js)。 光的頻率（）由上式可以看出，光的波長(zhǎng)越短，即頻率越高，其光子的能量也越大。反之，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也越小[6]。例如光電管、光電倍增管等都是基于外光電效應(yīng)的光電器件。(2)內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)[6]是指在光線作用下，物體電阻率發(fā)生變化或者產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類(lèi)：?光電導(dǎo)效應(yīng)[,17] 在物體受到光照射后，材料吸收了入射光子的能量，其內(nèi)部的電子由于吸收了能量而達(dá)到自由狀態(tài)，引起材料電導(dǎo)率變化的現(xiàn)象。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。?光生伏特效應(yīng)[,17] 物體受到光照后，其內(nèi)部的原子釋放電子，但這些電子并沒(méi)有逸出物體表面，而是仍留在物體內(nèi)部，從而使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。例如，光電池就是基于這個(gè)效應(yīng)制成的。(3)光電轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)速原理在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間的條紋圓盤(pán)，由于它們具有不同的反射率，當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接受光的反射信號(hào)，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路處理，將反射光脈沖轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。每分鐘轉(zhuǎn)速與脈沖頻率的關(guān)系為: (42)N表示黑白條紋的數(shù)目。 光電轉(zhuǎn)速傳感器可以實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量，克服了輪子的跳動(dòng)、打滑以及振動(dòng)給測(cè)量結(jié)果帶來(lái)的影響。但是水稻收割機(jī)所處的泥水工作環(huán)境容易影響光源。光纖的發(fā)明為人類(lèi)信息高速公路奠定了重要的基礎(chǔ)，隨著它的出現(xiàn)研制出了光纖通信技術(shù)。光纖傳感器是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它隨著光纖和通信技術(shù)的發(fā)展逐漸發(fā)展并成熟起來(lái)。光纖傳感器可以探測(cè)的物理量多達(dá)70多種[17]，例如，壓力、溫度、位移、速度、加速度、磁場(chǎng)、電壓、電流、化學(xué)量等。近年來(lái)光纖傳感技術(shù)發(fā)展迅速，它對(duì)航空航天、生命科學(xué)、有線通信等的發(fā)展做出了很大貢獻(xiàn)，在這個(gè)多學(xué)科交叉的信息時(shí)代，它應(yīng)用前景越來(lái)越廣泛。(1)光纖傳感器的工作原理光纖傳感器[5,6,14]實(shí)際上