【正文】 緒論 23 傳感器在水稻收割機上的應用及發(fā)展 摘 要 隨著傳感器技術(shù)的快速發(fā)展，傳感器目前已經(jīng)廣泛應用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，提高了農(nóng)業(yè)機械化程度并為保障糧食安全起到重要作用。本文主要介紹了水稻收割機的國內(nèi)外現(xiàn)狀以及傳感器在水稻收割機上的作用和地位，并分析了水稻收割機實現(xiàn)各功能所用傳感器的類型、工作原理、對比了實現(xiàn)同一功能所選傳感器的優(yōu)缺點以及在其他領(lǐng)域的應用，最后總結(jié)了傳感器今后在農(nóng)業(yè)機械上的發(fā)展趨勢。 關(guān)鍵詞： 傳感器；農(nóng)業(yè)；水稻收割機；趨勢 緒論 23 The application and development of sensors in rice harvester Abstract As the rapidly development of sensor technology,sensor has been used in agriculture extensively .It improves the degree of agricultural mechanization and contributes greatly to the safety for this paper,firstly introducing the presentation situation of sensor at home and abroad and its effects on rice the text,the kinds of sensors used in the key parts of rice harvester ,their working principle, characteristics and applications in other fields mainly have been described,then paring the merits and demerits of sensors played the same role in the rice harvester .Finally summarizing the development trend of sensors in the agricultural machines. Key words: sensor。 agriculture。 rice harvester。 trend緒論 1 1 緒論 國內(nèi)水稻收割機的發(fā)展現(xiàn)狀 我國水稻種植面積約占世界水稻總面積的四分之一，在全國糧食總播種面積中也占了很大比重，接近三分之一，占全國糧食總產(chǎn)量的百分之四十五 [1]?？梢娝谌珖Z食安全中的地位非同一般。隨著近年來糧食產(chǎn)量的大幅增長，農(nóng)村年輕勞動力的嚴重外流，因此， 要求機械化的程度越來越高。實現(xiàn)對水稻的機械化生產(chǎn)是提高糧食產(chǎn)量的重要保障。在發(fā)達國家 , 谷物收割已基本實現(xiàn)了機械化 。 美國 70 年代初機械收割面積已達 95%，目前聯(lián)合收割機已向大型化 、 高速化和自動化方向發(fā)展 。日本 70 年代中期研制出適 應本國小塊水田的小型聯(lián)合收割機并很快大量投入應用 ,基本上實現(xiàn)了收獲過程機械化 [2]。 目前，我國對水稻的機械化生產(chǎn)水平還比較低，大部分依然靠人工收割，而美國、澳大利亞，日本已基本實現(xiàn)了全面的機械化生產(chǎn)。 建國初期 ， 我國 的 水稻收割主要是 靠 人力 和 畜力機械為主 ，上個世紀五十年代末我國啟動了水稻收割機械的研制工作。廣東省農(nóng)機所在 1965 年開始研究軸流式脫粒裝置[1]， 1966 年開始，先后與惠陽縣農(nóng)機一廠、佛山農(nóng)機廠和廣東機引農(nóng)具廠共同開發(fā)了“豐收 I 型” (配豐收 35 拖拉機 )，“珠江 2 號” (配東方紅 54)，“工農(nóng) I 型” (配工農(nóng) 11手扶拖拉機 )等全喂入軸流型水稻收割機 [12]。另外，廣東省農(nóng)機所還開發(fā)了金屬覆帶行走裝置以解決收割機在水田中的行走問題。這一階段，我國的水稻收獲機械設(shè)計工作已全面啟動，水稻收獲機械的發(fā)展開始繁榮起來。 九十年代是我國水稻收獲機械發(fā)展的關(guān)鍵階段。這一時期， 35 馬力小動力底盤立式割臺收割機和中小型半喂入收割機均被成功研制出來。主要機型有直接輸送側(cè)向條放“鄂 1003”型和“上海 90 型”收割機，中間輸入側(cè)向條放的浙江“嘉興 1003”型、江西“南豐 1004”型收割機、江西“萬安躍進 150 型”和福建“南靖 L40”型集束堆放圓盤式收割機 [27]等。這些機型的割幅均在 1 米左右，作業(yè)速度適當，整機重量比較輕，并采用并列式雙輪胎或超低壓寬斷面輪胎，提高了收割機的水田行走性能和對作物的適應性。這一時期，配合水稻收割機的國產(chǎn)動力和拖拉機的技術(shù)也有較大發(fā)展，為水稻收獲機械的進一步發(fā)展提供了基礎(chǔ)。另外，由中國農(nóng)機院設(shè)計的帶簡易扶禾器的立式割臺收割機在也被推廣到一些地方使用，但這種收割機不能避免水田倒伏時的穗頭沾水和分把困難，因此綜合作業(yè)效率低，并且谷粒損失大，至今沒有得到普遍使用。 20xx 年以后， 水稻聯(lián)合收割機進入了更深層次的提高階段。新的機型不斷被研制成功，如“湖州 10012”和“龍江 120” [1]等機型。此外，江蘇、上海和云南三省在“龍江一 120”基礎(chǔ)上研制鑒定了“江南 120”，湖北、江西等省研制的與 12 馬力機耕船配套的半喂入聯(lián)合收割機，分別于 1980 年前后鑒定定型。中國農(nóng)機院和福建等單位為“閩江 150”型研究設(shè)計了三角皮帶無級變速專用底盤率先應用于國產(chǎn)半喂入水稻聯(lián)合收割傳感器在水稻收割機上的應用及發(fā)展 機上，實現(xiàn)了作業(yè)過程的無級變速。同時，各省對刀片進行了技術(shù)攻關(guān)，對半喂入機型的主要零部件還進行了優(yōu)化設(shè)計工作。 中國 農(nóng)機院、廣東農(nóng)機所和江西農(nóng)機所針對脫粒部件結(jié)構(gòu)進行了一系列的室內(nèi)外臺架分析試驗以探討最佳的運動參數(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。同時，中國農(nóng)機院對半喂入聯(lián)合收割機的核心工作部件一脫粒和清洗部件進行了創(chuàng)新性的試驗分析。這些試驗工作為我國水稻半喂入聯(lián)合收割機的發(fā)展和產(chǎn)品系列化打下了良好的基礎(chǔ)。 國外水稻收割機的現(xiàn)狀 日本是世界上半喂入式水稻聯(lián)合收割機技術(shù)最先進的國家。半喂入式聯(lián)合收割機具有機器結(jié)構(gòu)小巧、適應性強、工作可靠性高、效率高、脫粒損失小等特點，是各國大力發(fā)展的機型。日本開發(fā)的半喂入式聯(lián)合收割機放棄了歐美全喂入式的傳 統(tǒng)結(jié)構(gòu) ,制造簡單、拆裝方便、操作舒適性強，并具備對各主要部件的電子自動監(jiān)控功能，能夠收割水稻、小麥等多種作物，在小田塊、高濕爛田的作業(yè)性能也同樣出色。經(jīng)過幾十年的研究和改進，日本半喂入聯(lián)合收割機技術(shù)非常成熟。目前，日本國內(nèi)的久保田、井關(guān)、洋馬、三菱四個公司主要生產(chǎn)該類型的收割機，年產(chǎn)量超過 10 萬臺，市場保有量不下 120 萬臺 [2]，全面實現(xiàn)了水稻收割的機械化。韓國的水稻收割機技術(shù)是在引進日本技術(shù)的基礎(chǔ)上吸收再創(chuàng)新的，在日本機的基礎(chǔ)上結(jié)合本國特點進行了國產(chǎn)化。韓國的國際、 LG、大同、東洋四大公司從 1975 年開始 就分別引進日本的久保田、洋馬、井關(guān)、三菱的技術(shù)進行仿制、創(chuàng)新。到 90 年代 ,韓國聯(lián)合機收割水稻面積達到 85%[1]， 近年來，以日本為代表的半喂入聯(lián)合收割機，具備了更加美觀的整機造型。以人體工程學原理為基礎(chǔ)，充分考慮了老年人、婦女操作的輕便性、安全性和舒適性。同時廣泛采用了自動控制系統(tǒng)、零部件快速拆裝機構(gòu)、輕質(zhì)材料、電動式喂入深度調(diào)節(jié)機構(gòu)、整機潤滑系統(tǒng)等。另外，發(fā)動機的配套動力得到了極大加強；主要零部件、機架、割臺的強度和剛度得到強化。收割機的使用成本不斷降低，使用壽命得到延長。在行走機構(gòu)的設(shè)計上 ,液壓無級變 速機構(gòu)被泛推廣；懸掛式支承輪和履帶中部可轉(zhuǎn)動支重輪的研制成功大大加強了收割機的跨溝過埂和清除淤泥的能力。 要實現(xiàn)全面的機械化收割，傳感器將起到舉足輕重的作用，對提高水稻收割機的適應性和可靠性具有重要的作用。目前，不同品牌的收割機上用的傳感器也有所不同。本文主要用對比的方法分析了水稻收割機上各重要部位可選用的傳感器類型，并加以擇優(yōu)選擇。為日后工程技術(shù)人員提供一定的參考。 2 傳感器概述 傳感器的組成 參考文獻 3 傳感器 [3]是一種能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置 ，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件 以及相應的電子線路組成 。它的輸出信號通常是電壓、電流、電阻 和 電容等便于傳輸、轉(zhuǎn)換、輸出，處理的電量。傳感器的原理決定了輸出信號的形式。其組成框圖 [6]如下 : 圖 傳感器組成框圖 其中，敏感元件 [4]是在 傳感器中能完成預變換 和 能 直接 感受或響應被測量 的器件 。轉(zhuǎn)換 元件 又稱為變換器，它能將敏感元件感受到或者響應的非電量轉(zhuǎn)換成電量 [35]。信號調(diào)理轉(zhuǎn)換電路對傳感器輸出的微弱信號進行放大運算、調(diào)制等處理。 傳感器的分類及基本特性 目前，傳感器種 類繁多， 很多時候一種被測量可以用不同的傳感器來完成；而且傳感器應用原理多種多樣，同一原理的傳感器又可測量不同的被測量 。 因此，對傳感器的分類可謂是仁者見仁，智者見智，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的分類方法，但通常 采用以下方法對其進行分類 [3,6,17]：（ 1）根據(jù)被測物理量劃分，例如，溫度傳感器、壓力傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、氣敏傳感器等；（ 2）是根據(jù)傳感器的工作原理劃分，例如，應變式傳感器、電容式傳感器、磁敏傳感器等；（ 3）根據(jù)輸出信號的性質(zhì)可分為模擬式傳感器和數(shù)字式傳感器；（ 4）根據(jù)能量轉(zhuǎn)換原理分為有源傳感 器和無源傳感器。其中有源傳感器能將非電量轉(zhuǎn)換成電能量，例如電動勢傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器等；無源傳感器不能轉(zhuǎn)換能量，只是把被測非電量轉(zhuǎn)換成電參數(shù)的量，如電阻式傳感器、電容式傳感器等。在生產(chǎn)、科學實驗中，傳感器的基本特性決定了它能否感受被測非電量的變化并不失真地變換成相應的電量，以對各種參數(shù)進行檢測和控制。通常傳感器的基本特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性。 傳感器的靜態(tài)特性 當檢測系統(tǒng)的輸入 信號不隨時間變化時 ，系統(tǒng)輸出與輸入的關(guān)系稱為傳感器的靜態(tài)特性 [6]。通常用一個靜態(tài)數(shù)學模型描述其靜態(tài)特性 ： nn2210 xaxaxaay ????? ? (21) 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 信 號 調(diào) 理 轉(zhuǎn) 換 電 路 輔助電源 傳感器在水稻收割機上的應用及發(fā)展 其中， 0a 為零輸入的輸出，n21 ,a,aa ?表示非線性項系數(shù)。 其線性模型 [3 ]可表示為， xaay 10 ?? (22) 傳感器的靜態(tài)特性主要由靈敏度、遲滯、 重復性、線性度、分辨力、穩(wěn)定性、漂移、量程范圍來描述。 傳感器的動態(tài)特性 當輸入量隨時間變化時傳感器的響應特性稱為傳感器的動態(tài)特性 [5]。用傳感器測試動態(tài)量時，我們希望它的輸入信號和輸出信號具有相同的時間函數(shù)，但實際上 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，當被測量隨時間變化時，傳感器的輸出一般來不及達到平衡狀態(tài)， 而是 處于過渡過程中 ，這樣輸出信號將不會和輸入信號一致 。 為了更好的分析傳感器的動態(tài)特性，我們可以用以下微分方程 [6]進行描述： xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtyda011m1m1mmmm011n1n1nnnn????????????????? (23)