【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(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。人類處在一個(gè)信息瞬息萬變的時(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 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)，其作用也越來越重要，應(yīng)用越來越廣泛。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)參考文獻(xiàn) 5 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直觀地讀出傾斜角度來調(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 。如果秸稈過長(zhǎng)影響耕種，秸稈過短則地里的石塊會(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 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 測(cè)量水稻收割機(jī)前進(jìn)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(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 ，傳感器在水稻收割機(jī)上的應(yīng)用及發(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 ,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)用是通過人為給被檢測(cè)對(duì)象施加磁場(chǎng)，再通過這個(gè)磁場(chǎng)將非電量、非磁的物理量轉(zhuǎn)變成電量來檢測(cè)和控制。例如將力、力矩、位移、速度、加速度等轉(zhuǎn)變成電量來測(cè)量和控制?；魻杺鞲衅饕蚱浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，無觸點(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。 霍爾傳感器的工作原理 (1)霍爾效應(yīng) 霍爾效應(yīng) [17]是美國物理學(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) HE ，這一效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)。如圖 所示。 I B HE 圖 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]如圖 所示。 139。稱為激勵(lì)電極； 239。稱為霍爾電極。 239。 139。 1 2 圖 霍爾元件的圖形符號(hào) H 參考文獻(xiàn) 7 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)盤隨著一起轉(zhuǎn)動(dòng)，固定在轉(zhuǎn)盤附近的霍爾傳感器便在每一個(gè)小磁鐵通過時(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)過程中的加速和減速對(duì)測(cè)量會(huì)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(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。 光電傳感器概述 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。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(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，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： ?hE? （ 41） 式中 : h 普朗克常數(shù)， ?? (Js)。 ? 光的頻率（ 1s? ） 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 光源 光學(xué)通路 光電元 件件 測(cè)量電路 傳感器在水稻收割機(jī)上的應(yīng)用及發(fā)展 應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又 可分為以下兩類： ?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，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 f 的關(guān)系為 : 60Nf n ?? (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(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。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)際上就是利用光在光導(dǎo)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(diào)制區(qū)內(nèi)，外界信號(hào)與光相互作用，外界信號(hào)可能引起光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位等光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。 光纖傳感器由光源、敏感元件、光探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)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(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)過接收光纖耦合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，最后經(jīng)過信號(hào)處理即可得到所需要的被測(cè)量。 光纖傳感器在測(cè)量速度時(shí)，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(xiàn) 9 從另一端傳出經(jīng)反射鏡反射后，由導(dǎo)出光纖傳輸?shù)矫舾性?[1415]。由于反射鏡隨轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)盤的變化周期即轉(zhuǎn)動(dòng)周期，由此便可測(cè)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(jìn)行超高速測(cè)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(jìn)行非接觸式測(cè)量。 電動(dòng)式速度傳感器 電動(dòng)式傳感器 [17]是指利用電磁感應(yīng)原理，將運(yùn)動(dòng)速度轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電 動(dòng) 勢(shì)輸出，又稱感應(yīng)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(cè)物體的機(jī)械能并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出，它是一種典型的發(fā)電型傳感器。電動(dòng)式速度傳感器由軛鐵、永久磁鐵、線圈、支撐彈簧等組成。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知，當(dāng)穿過線圈的 磁通量隨著時(shí)間變化時(shí)，回路中會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以表示為磁通量隨時(shí)間變化速率的相反數(shù)。可以表示為如下： dtdU ??? (43) 當(dāng)線圈沿著垂直于磁場(chǎng)的方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，線圈中就會(huì)產(chǎn)生與線圈運(yùn)動(dòng)速度成正比的感應(yīng)電壓 ，通過測(cè)量電路便可測(cè)得感應(yīng)電壓的大小，從而測(cè)出速度的大小。 由于 電動(dòng)式傳感器 是一種發(fā)電型傳感器，工作時(shí)不需