【正文】 其中， x 表示輸入量 ， y 表示輸出量 ， m10n10 b,b,b,a,a,a ?? 表示與傳感器結構有關的常數。 3 傳感器在收割機中的地位及作用 在 現代社會，科學技術高度發(fā)展。人類處在一個信息瞬息萬變的時代， 傳感器是工業(yè)生產 、 科學實踐 和現代測控技術 等 的重要組成部分 ，主要依靠對信息資源的開發(fā)、獲取、傳輸、處理 ，它是被測對象 和 檢測 系統的接口 [4]，是感知和檢測信息的窗口。一切科學實驗和生產過程中的信息，特別是在自動檢測和自動控制系統中獲取的原始信息，都要 經過 傳感器轉換成 易于 傳輸 和方便后期 處理的電信號。 隨著計算機技術、信息處理技術、測量技術、控制及自動化技術的發(fā)展，傳感器技術已成為一個重要的科學技術，其作用也越來越重要，應用越來越廣泛。要提高傳統的農業(yè)機械 的作業(yè)效率，勢必將其發(fā)展成機電一體化產品，也是實現農業(yè)現代化和精準農參考文獻 5 業(yè)的必由之路。因此，作為機電一體化三大關鍵技術之一的傳感器技術必將在農業(yè)機械上廣泛應用。 為了提高水稻收割機的服務質量以及自動化程度，目前 一般的 收割機上都運用了10 到 20 只傳感器 [18]。 下面列舉傳感器在水稻收割機上的一些應用。 (1)傾角傳感器 [7]通常用于水平的測量，用在收割機上 可以實現對收割機機身的傾斜角度進行測量，操作人員可以從儀表盤直觀地讀出傾斜角度來調整機身，進而實現對收割殘余秸稈長度更好控制和保證操作的安全性 以及起到保 護刀片的作用 。如果秸稈過長影響耕種，秸稈過短則地里的石塊會損害刀片； (2)在應用中，我們可以選擇霍爾傳感器、光電傳感器、光纖傳感器、電動式速度傳感器等作為 測速傳感器 以實現 對 水稻 收割機 作業(yè)時的 速度進行測量并轉化成可輸出的 信號，通過與計算機連接，可對被測物進行自動化、智能化的測量控制，同時還可以間接測量出畝產 [25]； (3)為了 保證一定的喂入量 ，防止喂入量過大而導致堵塞，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 割茬的高度進行測量 。 (4)磁傳感器 [8]可以判斷谷物中混入 的金屬等雜質 ； 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方形鐵板的中心位置上，當下落谷粒撞擊傳感器鐵板產生機械振動，經壓電晶體膜片轉變?yōu)橄鄳碾娒}沖信號，由儀表顯示籽粒損失程度。在采用損失傳感器測試分離和清選損失時，應實時測試收割機的喂入量和籽粒流量，然后推導出草谷比和脫粒、分離與清選負荷，即可控制分離和清選裝置工作在最佳狀態(tài)。 (5)通過 氯化鋰濕度傳感器 、 半導體陶瓷濕度傳感器 、 氧化鋁濕度傳感器 、 微波濕度傳感器 [7,17]等作為測量 谷物 濕度的 傳感器和 磁彈性傳感器 、 光柵式轉矩傳感器 等 測量滾筒轉速的轉速傳感器配合可以控制脫粒的干凈程度。 (6)目前在收割機上主要利用 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]來測量谷物的流量。 以上介紹的各傳感器的具體作用及特點將在下文詳細闡述。 4 傳感器在水稻收割機上的應用 測量水稻收割機前進速度可選 擇 傳感器的種類 霍爾傳感器概述 霍爾傳感器 [3,4,6]是一種以霍爾效應為工作基礎的磁傳感器，它可以檢測磁場及其變化。它是 由霍爾元件及其附加電路組成的集成傳感器，隨著半導體技術的快速發(fā)展 ，傳感器在水稻收割機上的應用及發(fā)展 因其霍爾效應顯著而得到廣泛應用 。 目前的霍爾元件基本都是半導體材料制成。通常，根據 被檢測對象的性質 可將 霍爾傳感器的應用分 成 兩大類 ,即直接應用和間接應用。直接應用是直接檢測出被檢測對象的磁場特性，間接應用是通過人為給被檢測對象施加磁場，再通過這個磁場將非電量、非磁的物理量轉變成電量來檢測和控制。例如將力、力矩、位移、速度、加速度等轉變成電量來測量和控制?；魻杺鞲衅饕蚱浣Y構簡單，體積小，無觸點，可靠性高，使用壽命長，易于集成電路化等特點而被廣泛應 用于自動控制、交通運輸等領域。 霍爾傳感器的工作原理 (1)霍爾效應 霍爾效應 [17]是美國物理學家霍爾 1879 年在金屬材料中發(fā)現的一種物理效應。當 放置于 磁感應強度為 B 的 磁場中的靜止載流導體的電流方向與磁場方向不一致時，載流導體上垂直于電流和磁場方向上將產生電動勢 HE ，這一效應稱為霍爾效應。如圖 所示。 I B HE 圖 霍爾效應示意圖 (2)霍爾元件 根據霍爾效應，利用半導體材料制成的元件叫霍爾元件。它的結構很簡單，由霍爾片、四根引線和外殼組成，其圖形符號 [6]如圖 所示。 139。稱為激勵電極； 239。稱為霍爾電極。 239。 139。 1 2 圖 霍爾元件的圖形符號 H 參考文獻 7 霍爾元件具有對 磁場敏感、結構簡單、體積小、輸出電壓變化大和使用壽命長等 特點，因此在測量、自動控制、信息技術等領域得到廣泛應用。 它的靈敏度與元件的材料的性質和幾何尺寸有關，在實際應用中，一般都采用 N 型半導體材料 [5]制作霍爾元件。 (3)霍爾測速傳感器的原理 轉盤的輸入軸與被測轉軸相連，當被測轉軸轉動時，轉盤隨著一起轉動，固定在轉盤附近的霍爾傳感器便在每一個小磁鐵通過時輸出一個相應的脈沖，從而可測出轉數，再接入一個頻率計便可測出轉速 [6]。 由于霍爾測速傳感器 耐震動，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，測量的精度難以控制。此外，在作業(yè)過程中的加速和減速對測量會帶來較大的誤差以及傳感器的安裝固定不方便。 在水稻收割機所處的 泥水 工作環(huán)境中， 低成本的 霍爾測速傳感器 一般 能 夠 滿足要求。 光電傳感器概述 光電傳感器 [6,17]是把 被測量的變化轉換成光信號的變化，再通過光電器件把光信號的變化轉換成電信號的一種傳感器。圖 為光電傳感器的原理框圖 [6]。 光量 光量 電量 輸出 圖 光電傳感器原理框圖 它 的物理基礎是光電效應，光電效應一般分為內光電效應和外光電效應兩大類，其中內光電效應可分為光電導效應和光生伏特效應。 (1)外 光電效應 外光電效應 [3,6]，也稱為光電發(fā)射，是指在光線作用下，被照射物體內的電子逸出物體表面的現象。這些向外逸出的電子叫做光電子。光電子具有能量，每個光電子具有的能量可由下式確定： ?hE? （ 41） 式中 : h 普朗克常數， ?? (Js)。 ? 光的頻率（ 1s? ） 由上式可以看出，光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大 。反之，光的波長越長，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的光電器件。 (2)內光電效應 內光電效應 [6]是指在光線作用下，物體電阻率發(fā)生變化或者產生光生電動勢的效 光源 光學通路 光電元 件件 測量電路 傳感器在水稻收割機上的應用及發(fā)展 應。內光電效應又 可分為以下兩類： ?光電導效應 [,17] 在物體受到光照射后，材料吸收了入射光子的能量，其內部的電子由于吸收了能量而達到自由狀態(tài)，引起材料電導率變化的現象。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。 ?光生伏特效應 [,17] 物體受到光照后，其內部的原子釋放電子，但這些電子并沒有逸出物體表面，而是仍留在物體內部，從而使物體產生一定方向的電動勢的現象。例如，光電池就是基于這個效應 制成 的。 (3)光電轉速傳感器測速原理 在待測轉速的軸上固定一個涂上黑白相間的條紋圓盤，由于它們具有不同的反射率，當轉軸轉 動時，反光與不反光交替出現，光電敏感器件間斷地接受光的反射信號，再經過轉換電路處理，將反射光脈沖轉換成電脈沖信號。每分鐘轉速與脈沖頻率 f 的關系為 : 60Nf n ?? (42) N 表示黑白條紋的數目。 光電轉速傳感器可以實現非接觸式測量，克服了輪子的跳動、打滑以及振動給測量結果帶來的影響。 但是水稻收割機所處的泥水工作環(huán)境容易影響光源。 光纖傳感器 光纖的發(fā)明為人類信息高速公路奠定了重要的基礎，隨著它的出現研制出了光纖通信技術。光纖傳感器是 20 世紀 70 年代的重要發(fā)明之一，它隨著光纖和通信技術的發(fā)展逐漸發(fā)展并成熟起來。光纖傳感器可以探測的物理量多達 70 多種 [17]，例如，壓力、溫度、位移、速度、加速度、磁場、電壓、電流、化學量等。近年來光纖傳感技術發(fā)展迅速，它對航空航天、生命科學、有線通信等的發(fā)展做出了很大貢獻，在這個多學科交叉的信息時代，它應用前景越來越廣泛。 (1)光纖傳感器的工作 原理 光纖傳感器 [5,6,14]實際上就是利用光在光導纖維中傳播引起光的特性發(fā)生變化而研制出的一種傳感器。光在調制區(qū)內，外界信號與光相互作用，外界信號可能引起光的強度、波長、頻率、相位等光學性質的變化，從而形成不同的調制。 光纖傳感器由光源、敏感元件、光探測器、信號處理系統和光纖 [17]等組成。由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測參數作用于敏感元件，在光的調制區(qū)內，使光的某一性質受到被測量的調制，調制后的光信號經過接收光纖耦合到光探測器，將光信號轉換成電信號，最后經過信號處理即可得到所需要的被測量。 光纖傳感器在測量速度時，以激光器作為發(fā)射光源，光源發(fā)出的光在光纖中傳播并參考文獻 9 從另一端傳出經反射鏡反射后，由導出光纖傳輸到敏感元件 [1415]。由于反射鏡隨轉動轉盤的變化周期即轉動周期，由此便可測得速度。 光纖傳感器具有優(yōu)良的傳光性能、傳光損害很小、頻帶寬、可進行超高速測量、靈敏度和線性度好，而且它的體積小、重量輕，能在惡劣的環(huán)境下進行非接觸式測量。 電動式速度傳感器 電動式傳感器 [17]是指利用電磁感應原理，將運動速度轉換成線圈中的感應電 動 勢輸出，又稱感應式傳感器。這種傳感器的工作不需要外加電源， 而是直接吸取被測物體的機械能并轉換成電信號輸出，它是一種典型的發(fā)電型傳感器。電動式速度傳感器由軛鐵、永久磁鐵、線圈、支撐彈簧等組成。根據電磁感應定律可知，當穿過線圈的 磁通量隨著時間變化時，回路中會產生感應電動勢，感應電動勢可以表示為磁通量隨時間變化速率的相反數?？梢员硎緸槿缦拢? dtdU ??? (43) 當線圈沿著垂直于磁場的方向運動時，線圈中就會產生與線圈運動速度成正比的感應電壓 ，通過測量電路便可測得感應電壓的大小，從而測出速度的大小。 由于 電動式傳感器 是一種發(fā)電型傳感器，工作時不需