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地磅称重传感器在精准农业装备中的应用研究综

时间:2018-10-15 09:13 来源:http://www.shslcz.com/ 点击数:

传感器是提升我国精准农业产业化水平的关键技术之一.在整个精准农业生产周期中称重 传感器在其中每个环节都有潜在的应用领域,文中从精准农业实施的4个不同阶段:土地准备、精 准播种、作物管理、精准收获,对称重传感器在精准农业装备中应用和研究现状进行了总结.在此基 础上,进一步分析了当前称重传感器在精准农业实际应用中亟待解决的3个主要关键问题:可靠 性、稳定性和动态测量精度.最后,对解决这些问题背后所涉及的关键共性技术,包括敏感机理、制 造工艺和计测技术等作了进一步阐述.

传感器是一种能感受被测量并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置m.称重传感器 就是其中一种测量物体质量或受力状况的传感器. 其中,基于电阻应变原理的称重传感器由于具有结 构简单、成本低和精度高等优点占据了主导地位. 阻应变式称重传感器(简称称重传感器)主要由弹 性元件,粘贴在弹性元件上的电阻应变计以及补偿 电阻组成,其中电阻应变计和各类补偿电阻连接组 成惠斯顿电桥,将被测物理量的变化经过电桥比例 转换成电信号的变化0.

称重传感器作为电子称重技术和电子衡器产品 的技术基础和核心部件,在很多行业的生产与流通 中已经有了广泛的应用.近几年来,随着物联网、智 慧物流、智慧农业等新兴产业的迅速发展,称重传感 器在一些新的领域也出现了相关应用.精准农业就 是其中一个有着广阔应用前景的领域.精准农业又 称精细农业或精确农业,是当今世界农业发展的新 潮流,是未来农业的雏形.在整个精准农业生产周期 中,称重传感器在其中每个环节都有其潜在的应用 市场,比如拖拉机的牵引力测量、精准播种、变量施 肥与喷药、以及作物的产量监测、草捆重量监测统计 等等,都出现了基于称重传感器的相关应用研究. 美国的霍尼韦尔公司在2013年的评估:未来10年, 仅在谷物收获管理技术这一领域,开发无线农业传 感器系统就能够带动大约860亿美元的投资由此 可见,称重传感器作为谷物产量监测中的关键部件 之一,其市场前景一定会十分广阔.

文中主要介绍了国内外称重传感器技术在精准 农业领域的研究现状分析了当前国内精准农业领 域中称重传感器产业化存在的一些主要技术问题 最后给出了解决这些问题的一些对策分析.

1.精准农业领域的应用

1.1土地准备

土地精整是精准农业中的一项重要内容,主要 通过拖拉机牵引农机具进行作业.农具通过安装在 拖拉机上的电液悬挂系统进行控制,基本的控制方 法有力控制、位控制和力位综合控制等.称重传感器 被用来对农机悬挂的受力状况进行测量并反馈给控 制系统进行决策,但农具悬挂系统在作业中是一个 动态的非线性惯性系统,对它进行综合电子控制一 直未能取得满意的效果,主要原因是控制方法和传 感器性能的稳定性不能适应复杂的作业环境H - &]设计了一种可调节宽度和高度尺寸的Dyna- mometer (即一种称重传感器或几个称重传感器的组 ),以适应不同的农具安装条件节约了成本.文 献H基于DEOR结构设计了一种测量范围达到 180 kNDynamometer,可以同时测量水平和垂直 力,两者之间的互扰低且传感器的线性指标很好.为 了提高作业效率和降低能耗文献6]为约翰迪尔 公司的3140型拖拉机设计了一个新型三点悬挂用 Dynamometer,相比其他同类Dynamometer,其测量精 度对悬挂点变化不敏感,且制造成本相对更低.随着 数字化传感器的不断发展,文献&]开发了一种嵌 入式的数字牵引力测量装置并于其他传感器数据 结合一起对耕作过程中的状况进行分析.

除此之外,文献8]设计了安装在农具上的称 重传感器,测量土壤阻力进而与其他传感器一起用 于实时土壤堆积密度的测量.文献9]研究了一个 包含称重传感器的多传感器平台来生成土壤密度分 布图用于精准农业的耕作方案制定.

在国外,称重传感器在拖拉机悬挂系统中已经 商业化应用,其研究方向也开始转向传感器的数字 化和智能化,扩展称重传感器的应用范围以及结合 多传感器数据融合来提高农机作业的效率和质量.

在国内目前拖拉机仍然以结构简单、技术性能 中低端为主,相关研究更多集中在拖拉机悬挂的控 制系统研究,针对称重传感器研究相对较少.如江苏 大学的韩江义等M为测量大马力拖拉机的牵引力, 开发了一种轴销式感器主要对传感器的弹性体设 计进行了仿真计算,而对称重传感器的封装等其他 重要技术未做详述.

1.2精准播种

播种机是实现精准播种的主要手段其性能好 坏直接影响播种质量及农作物的生长状况和产量. 较为直观的应用,是在播种机的种子斗与机架之间 安装称重传感器以随时监测种子斗内部的状况,配 合速度传感器等可以实现单位播种率的统计.如美 国专利 US9539927 B2 , WO2012/170548 A2 m 等都描述类似基于称重传感器的方案结构与测量方 ,它们采用的都是类似Wmgh bar结构的称重传 感器.在国内王素珍等&3等在条播机的排种器上 设计了一个称重传感器,牵引机装有转速传感器,然 后采集称重传感器和转速传感器的读数变化,计算 出单位播种量,并可以针对不同播种对象重新标定 适应多种作物的条播精密播种,但是没有说明所述 称重传感器的技术特征.

气吸式振动排种器通过振动使种子处于“沸 腾状态,依靠气流将种子吸附,然后用正气流进行 播种,具有精度高,通用性好等优点,是精密排种器 的一个重要发展方向.为了保证振动盘内的种子处 于较好的‘‘沸腾状态,需要控制种盘内的种子数 ,近年来,相关人员14研究了通过一个双孔平行 梁称重传感器来监测振动盘内的种子分布情况,实 现定量加种,提高了播种质量.

另外,播种深度对农作物产量也有显著影响.文 献15]对种子直播时的深度主动控制系统进行了 研究,一个尺寸紧凑的圆柱形称重传感器被安装在 播种机构的弹簧上,测量播种机构插入土壤的作用 力,并与位移传感器数据一起反馈给播种控制系统.

最后,镇压也是精密播种作业的一个重要环节, 对种子的发芽、出苗和最终产量有很大影响.针对不 同土壤、含水和作物类型,镇压强度应有不同.国外 对此研究较多仅美国就有200余种M .在国内 景立等M设计可变力苗带镇压器,利用镇压轮、支 架的重力及液压缸的压力作用在镇压轮接触的土地 ,在一个轮子内安装了一对称重传感器,测量轮子 与地面之间的压力.改变液压缸行程可改变作用在 轮轴上的力,进而改变镇压轮对种床土壤的压力.

1.3精准作物管理

精准作物管理是指从作物播种到收获过程中为 作物生长进行的各种管理措施,包括水、肥、药的管 .传统的化肥农药施用方法,利用率低,带来了严 重的生态环境和农业污染问题a7].精准农业中的变 量施肥与喷药技术,能够有效提高肥料和农药的利 用率,节约成本,提高产量.文献18设计了一种动 态称重系统,在施肥机的悬挂上设置3个称重传感 ,150 kN的剪切梁式传感器作为主称量用传 感器,另2个平行梁式传感器分别是20500 N, 为参考传感器对振动等信号进行补偿.该系统在田 间测试过程中称重系统在6 ~20 kN测量范围内, 标准差不超过20 N,响应时间在1 s.

测土配方施肥是联合国在世界范围内推行的一 项先进农业技术,也是精准农业的一项重要技术.文 献采用称重法反馈肥料流量信息,采用4 400 kg的称重传感器支撑肥箱,监测肥箱内肥料质 量变化情况,并按照当前车速,实施调整配肥施肥 ,试验表明作业精度和施肥流量由称重传感器 获取)、车速检测的准确性有很大关系,有待进一步 验证与完善.文献&0]采用同样的称重方法只是 每个肥箱采用3个称重传感器,降低了成本,并采用 模糊控制算法,获取各原料箱称重传感器的有效传 感器数据,然后实现智能变量配肥.在试验阶段,该 系统的最大称重误差为1.2%.

在变量喷药方面,针对喷杆式喷雾机药箱药液 晃动造成的操控稳定性差问题,张安东等M设计了 一种专用的三向力传感器用于监测喷雾机药液箱晃 动产生的附加力.传感器是由上板、侧板和下板组成 的整体对称结构,由4块侧板作为应变梁测量晃动 产生的附加力采用Q235作为传感器弹性元件的 材料,其强度和耐腐蚀性都较差.

在节水灌溉管理方面文献&2]利用平行梁称 重传感器开发一种方便且低成本的耗水量测量方 法,试验表明在1.94 ~7. 78 dm3 • s'1测量范围内的 不确定度为5.7%.文献&3]建立了一个多传感器 监测平台,用于指导节水灌溉,其中一个9 t的剪切 梁称重传感器主要用于监测深耕的深度,与文献 9]类似.

1.4精准收获

通过谷物测产生成小区产量图和处方农作 精确农业的应用基础.基于传统称重测力传感器衍 生而来的冲量式谷物流量传感器,由于具有结构简 单、成本低、便于安装等特点,在联合收割机测产系 统中已经得到广泛的应用.国外商业化的农机装备,  Micro Track 公司CASE IH 公司和 Ag Leader 司的联合收割机产量监测系统中的流量传感器均采 用基于冲量的流量传感器M.

目前,国外的应用研究已经从粮食作物转向果 蔬以及经济作物方面.文献&5 -26]研究了柑橘的 产量监测系统,他们使用2个完全焊接密封的称重 传感器安装在振动输送系统的末端.为了减小振动 的影响,研究了这种焊接密封结构的称重传感器安 装位置与传感器响应特性的关系.在低速流量下, 与实际重量相比,平均误差3. 56% ,高速流量误差 9.16%.文献的]设计了用于花生产量监测的冲量 板产量传感器,并与光电式产量传感器进行对比试 ,发现冲量板产量传感器的误差大约在10% , 光电式的误差只有1.54%,他们认为冲量式产量传 感器的误差主要来源于试验中使用的旧式的行走式 稻草收割机.文献&8]利用有限元法分析了不同称 重条件下葡萄收获机械中称重系统的动态特性,并 给出了提高称重精度的建议.

另外,由于在实际使用中传感器存在零点飘移,文献抄]研究了小型八角型称重传感器的零飘补 偿算法,对零飘进行补偿后,测量的相对误差从补偿19%,减小到补偿后的1.5%.

国内在谷物测产方面已经开展了不少研 B°_34 ,并取得了一定成果.中国农业大学在国内 较早开发了冲击式谷物流量传感监测系统测量误 差在2.07% ~5.44% ;华南农业大学开发了双板差 分冲量式谷物流量传感监测系统,能减小机身振动 对测产精度的影响,谷物流量在0.5 ~2.0 kg • s-1 的测量相对误差不超过3 % ;江苏大学开发了承载 板式谷物流量传感监测系统谷物流量小于2. 0 kg • s-1时的测量相对误差不超过2% ,谷物流量超 2.5 kg • s"1时的测量相对误差约为5% ;中国农 业机械化科学研究院开发了称量式谷物流量监测系 统,在室内和田间的测量误差分别不超过2%3%.在传感器优化设计研究方面文献35-36] 传感器的弹性元件的结构优化进行了研究而文献 37 -38]对传感器的噪声消除及动态补偿进行了 研究,取得了一定的成果.

2.存在的问题

通过对以上不同子领域的研究和应用概述 重传感器在精准农业的研究和应用状况可以总结如 :首先,与其他国家相比,欧美国家特别是以美国 等为代表的国家在称重传感器在精准农业领域的应 用已经取得了一定的产业化成果.在亚洲国家中 本和韩国也在产业化研究道路上处于领先的地位. 我国还没有出现明显的产业化案例.其次,从研究应 用领域来看,目前我国称重传感器技术在精准农业 的精确收获阶段的应用研究比较多并取得了一定 成果,而在土地准备、精准播种和精准作物管理阶段 的研究相对较少.第三,从发展阶段来看,目前我国 实际上还处在‘‘工业传感器的农业应用这一阶段, 在很多研究试验中,采用的都是传统的工业称重传 感器,这些传感器的功能、灵敏度、精度等方面的水 平在农业应用场合下还有很大的提升空间.但是,在 我国农业传感器研究过程中产品意识较为淡薄,使 得研究结果应用到生产实践还存在诸多问题限制 了其在精准农业装备中的产业化.最后,结合上述文 献的研究结果文中将称重传感器在精准农业中面 临的不利因素归结以下3点:

第一,动态测量精度.动态称重技术一直是国内 外传感器公司和研究机构关注的研究领域,也是当 前称重传感器在精准农业应用中主要考虑的问题. 除了传统动态称重领域中需要考虑的一些干扰因素 ,还需要考虑由于农机在工作运动时,不可避免地 会受到来自各个方向的冲力这会导致安装在车辆 上的称重传感器感受到除重力之外的其他干扰力 导致测量精度降低;同时,地面的不平整也会使得 称重传感器在测量时不一定保持在理想的水平位置 状态,也会影响到测量精度,所以农机工作状态下的 动态测量技术,需要考虑的干扰因素更多,也更为复 杂,有必要深入进行研究.

第二,稳定性.这是目前研究中一个容易忽略的 关键问题.文献的]对这此做了简单的补偿研究, 但对输出漂移的内在机理未作深入分析.对传统的 称重传感器应用场合来说,传感器输出数据不易察 觉的缓慢漂移在以往多数称重的场合并不会对计量 精度造成显著影响,因为可以在每次称重前通过仪 表端清零消除漂移误差.但是,在农业装备中的称重 场合下,更多时候传感器需要长时间进行实时称重 计量,这样就无法采用传统的仪表清零方法来消除 漂移误差.另外一个不可忽视的情况就是,车辆在使 用时总是会产生颠簸振动,相当于对称重传感器的 加速老化,从而导致测量误差会加速地累积,这就需 要称重传感器具有更高的长期稳定性.

第三,可靠性.可靠性是一项新技术或产品在产 业化时所必须解决的关键问题.农业装备中的车载 称重传感器在实际工作中不可避免的会遇到路面不 平带来的颠簸冲击、装卸物料过程中的冲击、车辆碰 撞冲击以及野外风吹雨淋等等情况.这就要求称重 传感器应具有较好的抗冲击性能、防水防潮能力和 一定的工作寿命.在车辆行业,一般要求零部件达到 10年的预期工作寿命,比一般电子衡器对工作寿命 的要求要高得多.虽然,国内一些相关研究涉及到了 称重传感器设计,但此类传感器在农机工作环境下 的使用寿命并未得到有效验证,传感器可靠性相关 的封装设计等技术并未深入考虑.

3.应对策略

通过上述分析认为称重传感器应用于精准农 业的关键在于解决称重传感器的可靠性、稳定性和 动态测量精度问题.为了寻找解决问题的方案,有必 要在传感器技术层面对这3个问题背后涉及的关键 技术做进一步分析.

可以将传感器的技术领域分为四大关键基础 :敏感机理、功能材料、制造工艺和计测技术39 . 涉及解决称重传感器可靠性的关键技术包括称重传感器的敏感机理(如弹性元件设计等技术)、功能材 料、制作工艺(如密封工艺等;涉及稳定性的关键 技术包括称重传感器的功能材料、制造工艺(如老 化工艺等;而动态测量精度的关键技术则与称重 传感器的敏感机理、计测技术如动态补偿算法等) 等相关.可见,传感器的可靠性、稳定性以及动态测 量精度这3个问题并不是孤立的它们都涉及到称 重传感器技术领域中一些共性关键技术.

1)弹性元件设计.称重传感器中感受被测物理 量的弹性元件是影响传感器性能和质量的关键部 .弹性元件的结构设计多样,旨在提高感受被 测物理量的灵敏性和稳定性.通过合理的结构设计, 可以提高传感器在农机工作环境下的响应速度和抗 干扰能力,在这方面,文献35-36]都对提高传感 器的动态特性做了一定的研究,不过没有考虑过载 和冲击的保护问题.

2)密封工艺、老化工艺.密封工艺是保证传感 器可靠性和稳定性的关键技术.称重传感器的密封 主要有2种方式:采用涂覆材料密封和采用金属焊 接密封.其中,后者将金属膜片通过焊接工艺将弹性 元件的应变区完全密封,从而达到了完全保护传感 器内部应变片和变换电路的目的,具有很高的可靠 性.所以,基于焊接密封的称重传感器非常适合农业 领域的应用场合.不过,焊接密封技术也存在一些问 题.由于是在弹性元件的上进行焊接,即使采用激光 脉冲焊接等工艺也不可避免的会产生焊接残余应力 和变形.在后续使用过程中,残余应力的释放和结构 的变形将会影响到弹性元件上的应变片,最终导致 称重传感器的输出信号随时间在缓慢变化所以焊 接工艺对传感器输出的长期稳定性有着显著影响. 同时,传感器增加密封膜片后对传感器的精度也有 影响,所以密封膜片一般会选择很薄的金属以减小 其对传感器弹性元件的附加影响,但是膜片太薄, 焊接时又容易产生焊接不良和变形.尤其是小量程 的称重传感器,在增加密封膜片后,性能精度和稳定 性往往就远不如焊接前的测试结果,特别难以设计 与制造.

传感器的老化处理可以减少残余应力,提高传 感器的稳定性相关公司和学者已做了不少研 M .对于焊接密封的称重传感器一般在传感器 完成焊接密封后安排老化处理工艺此时还需要考 虑不能影响到传感器的其他部分,如应变片和惠斯 顿电桥电路等这就限制了所能选择工艺的范围.常 见的老化处理工艺有:超载静压法,振动时效法,冷 热循环法等等.但是,这些方法或是效果有限,不能 彻底消除残余应力,或是成本太高难以大规模使 用,总之,目前为止还没有一个简单有效的方法.

3)动态补偿算法.数字补偿算法是提高动态测 量精度的关键.不过,数字补偿算法的有效性依赖于 传感器数学模型的正确建立.以前的研究往往忽略 了传感器的可靠性设计和稳定性设计对传感器数学 模型正确建立带来的附加影响.譬如,采用焊接密封 型传感器时,需要考虑到焊接密封工艺对传感器响 应特性的影响文献42]研究了大气压力对焊接密 封型传感器特性的影响并对此进行了误差补偿研 ;而在国内,还未见涉及焊接密封称重传感器性能 方面的深入研究.另外,除了需要考虑传统动态称重 领域中传感器的响应时间要快以外,对于农机的车 载称重测力场合,还需要考虑到实际应用环境中的 复杂性,如农机的前进速度,道路崎岖以及机械工作 振动等多种因素对传感器测试精度的影响因而有 必要对传感器的动态数字补偿算法继续深入研究.

4.结束语

随着现代农业装备不断向自动化和智能化发 ,称重传感器必将越来越多地应用到农业生产中. 由于农业生产作业的复杂性对称重传感器及技术 也提出了更高的要求.研发出响应速度快、抗干扰能 力强、高可靠性和高精确度的车载称重传感器已成 为发展方向之一.基于焊接密封设计的动态数字称 重传感器的研发是其中一条有效的途径.目前,由于 缺少相关基础制造工艺和计测技术的研究,导致此 类传感器的稳定性和精度都较差,国内还没有相应 的成熟产品出现.因此,从事这方面的研究具有实际 应用价值,也有助于国内传感器公司产品达到或超 过国际先进水平.