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传感器在水稻收割机上的应用及发展
摘要
随着传感器技术的快速发展，传感器目前已经广泛应用于农业领域，提高了农业机械化程度并为保障粮食安全起到重要作用。
本文主要介绍了水稻收割机的国内外现状以及传感器在水稻收割机上的作用和地位，并分析了水稻收割机实现各功能所用传感器的类型、工作原理、对比了实现同一功能所选传感器的优缺点以及在其他领域的应用，最后总结了传感器今后在农业机械上的发展趋势。
关键词：
传感器；农业；水稻收割机；趋势
Theapplicationanddevelopmentofsensors
inriceharvester
Abstract
Astherapidlydevelopmentofsensortechnology,sensorhasbeenusedinagricultureextensively.Itimprovesthedegreeofagriculturalmechanizationandcontributesgreatlytothesafetyforfood.Inthispaper,firstlyintroducingthepresentationsituationofsensorathomeandabroadanditseffectsonriceharvester.Inthetext,thekindsofsensorsusedinthekeypartsofriceharvester,theirworkingprinciple,characteristicsandapplicationsinotherfieldsmainlyhavebeendescribed,thencomparingthemeritsanddemeritsofsensorsplayedthesameroleinthericeharvester.Finallysummarizingthedevelopmenttrendofsensorsintheagriculturalmachines.
Keywords:
sensor;agriculture;riceharvester;trend
1绪论
1.1国内水稻收割机的发展现状
我国水稻种植面积约占世界水稻总面积的四分之一，在全国粮食总播种面积中也占了很大比重，接近三分之一，占全国粮食总产量的百分之四十五[1]。
可见它在全国粮食安全中的地位非同一般。
随着近年来粮食产量的大幅增长，农村年轻劳动力的严重外流，因此，要求机械化的程度越来越高。
实现对水稻的机械化生产是提高粮食产量的重要保障。
在发达国家,谷物收割已基本实现了机械化。
美国70年代初机械收割面积已达95%，目前联合收割机已向大型化、高速化和自动化方向发展;日本70年代中期研制出适应本国小块水田的小型联合收割机并很快大量投入应用,基本上实现了收获过程机械化[2]。
目前，我国对水稻的机械化生产水平还比较低，大部分依然靠人工收割，而美国、澳大利亚，日本已基本实现了全面的机械化生产。
建国初期，我国的水稻收割主要是靠人力和畜力机械为主，上个世纪五十年代末我国启动了水稻收割机械的研制工作。
广东省农机所在1965年开始研究轴流式脱粒装置[1]，1966年开始，先后与惠阳县农机一厂、佛山农机厂和广东机引农具厂共同开发了“丰收-I型”（配丰收-35拖拉机），“珠江-2号”（配东方红-54），“工农-I型”（配工农-11手扶拖拉机）等全喂入轴流型水稻收割机[1-2]。
另外，广东省农机所还开发了金属覆带行走装置以解决收割机在水田中的行走问题。
这一阶段，我国的水稻收获机械设计工作已全面启动，水稻收获机械的发展开始繁荣起来。
九十年代是我国水稻收获机械发展的关键阶段。
这一时期，3-5马力小动力底盘立式割台收割机和中小型半喂入收割机均被成功研制出来。
主要机型有直接输送侧向条放“鄂100-3”型和“上海-90型”收割机，中间输入侧向条放的浙江“嘉兴100-3”型、江西“南丰100-4”型收割机、江西“万安跃进-150型”和福建“南靖-L40”型集束堆放圆盘式收割机[27]等。
这些机型的割幅均在1米左右，作业速度适当，整机重量比较轻，并采用并列式双轮胎或超低压宽断面轮胎，提高了收割机的水田行走性能和对作物的适应性。
这一时期，配合水稻收割机的国产动力和拖拉机的技术也有较大发展，为水稻收获机械的进一步发展提供了基础。
另外，由中国农机院设计的带简易扶禾器的立式割台收割机在也被推广到一些地方使用，但这种收割机不能避免水田倒伏时的穗头沾水和分把困难，因此综合作业效率低，并且谷粒损失大，至今没有得到普遍使用。
2002年以后，水稻联合收割机进入了更深层次的提高阶段。
新的机型不断被研制成功，如“湖州100-12”和“龙江-120”[1]等机型。
此外，江苏、上海和云南三省在“龙江一120”基础上研制鉴定了“江南-120”，湖北、江西等省研制的与12马力机耕船配套的半喂入联合收割机，分别于1980年前后鉴定定型。
中国农机院和福建等单位为“闽江-150”型研究设计了三角皮带无级变速专用底盘率先应用于国产半喂入水稻联合收割
机上，实现了作业过程的无级变速。
同时，各省对刀片进行了技术攻关，对半喂入机型的主要零部件还进行了优化设计工作。
中国农机院、广东农机所和江西农机所针对脱粒部件结构进行了一系列的室内外台架分析试验以探讨最佳的运动参数的结构设计。
同时，中国农机院对半喂入联合收割机的核心工作部件一脱粒和清洗部件进行了创新性的试验分析。
这些试验工作为我国水稻半喂入联合收割机的发展和产品系列化打下了良好的基础。
1.2国外水稻收割机的现状
日本是世界上半喂入式水稻联合收割机技术最先进的国家。
半喂入式联合收割机具有机器结构小巧、适应性强、工作可靠性高、效率高、脱粒损失小等特点，是各国大力发展的机型。
日本开发的半喂入式联合收割机放弃了欧美全喂入式的传统结构,制造简单、拆装方便、操作舒适性强，并具备对各主要部件的电子自动监控功能，能够收割水稻、小麦等多种作物，在小田块、高湿烂田的作业性能也同样出色。
经过几十年的研究和改进，日本半喂入联合收割机技术非常成熟。
目前，日本国内的久保田、井关、洋马、三菱四个公司主要生产该类型的收割机，年产量超过10万台，市场保有量不下120万台[2]，全面实现了水稻收割的机械化。
韩国的水稻收割机技术是在引进日本技术的基础上吸收再创新的，在日本机的基础上结合本国特点进行了国产化。
韩国的国际、LG、大同、东洋四大公司从1975年开始就分别引进日本的久保田、洋马、井关、三菱的技术进行仿制、创新。
到90年代,韩国联合机收割水稻面积达到85%[1]，
近年来，以日本为代表的半喂入联合收割机，具备了更加美观的整机造型。
以人体工程学原理为基础，充分考虑了老年人、妇女操作的轻便性、安全性和舒适性。
同时广泛采用了自动控制系统、零部件快速拆装机构、轻质材料、电动式喂入深度调节机构、整机润滑系统等。
另外，发动机的配套动力得到了极大加强；主要零部件、机架、割台的强度和刚度得到强化。
收割机的使用成本不断降低，使用寿命得到延长。
在行走机构的设计上,液压无级变速机构被泛推广；悬挂式支承轮和履带中部可转动支重轮的研制成功大大加强了收割机的跨沟过埂和清除淤泥的能力。
要实现全面的机械化收割，传感器将起到举足轻重的作用，对提高水稻收割机的适应性和可靠性具有重要的作用。
目前，不同品牌的收割机上用的传感器也有所不同。
本文主要用对比的方法分析了水稻收割机上各重要部位可选用的传感器类型，并加以择优选择。
为日后工程技术人员提供一定的参考。
2传感器概述
2.1传感器的组成
传感器[3]是一种能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件以及相应的电子线路组成。
它的输出信号通常是电压、电流、电阻和电容等便于传输、转换、输出，处理的电量。
传感器的原理决定了输出信号的形式。
其组成框图[6]如下:
图2.1传感器组成框图
其中，敏感元件[4]是在传感器中能完成预变换和能直接感受或响应被测量的器件。
转换元件又称为变换器，它能将敏感元件感受到或者响应的非电量转换成电量[3-5]。
信号调理转换电路对传感器输出的微弱信号进行放大运算、调制等处理。
2.2传感器的分类及基本特性
目前，传感器种类繁多，很多时候一种被测量可以用不同的传感器来完成；而且传感器应用原理多种多样，同一原理的传感器又可测量不同的被测量。
因此，对传感器的分类可谓是仁者见仁，智者见智，目前国内外尚无统一的分类方法，但通常采用以下方法对其进行分类[3,6,17]：
（1）根据被测物理量划分，例如，温度传感器、压力传感器、速度传感器、加速度传感器、气敏传感器等；
（2）是根据传感器的工作原理划分，例如，应变式传感器、电容式传感器、磁敏传感器等；（3）根据输出信号的性质可分为模拟式传感器和数字式传感器；（4）根据能量转换原理分为有源传感器和无源传感器。
其中有源传感器能将非电量转换成电能量，例如电动势传感器、压电式传感器、磁电式传感器等；无源传感器不能转换能量，只是把被测非电量转换成电参数的量，如电阻式传感器、电容式传感器等。
在生产、科学实验中，传感器的基本特性决定了它能否感受被测非电量的变化并不失真地变换成相应的电量，以对各种参数进行检测和控制。
通常传感器的基本特性可分为静态特性和动态特性。
2.2.1传感器的静态特性
当检测系统的输入信号不随时间变化时，系统输出与输入的关系称为传感器的静态特性[6]。
通常用一个静态数学模型描述其静态特性：
（2-1）
其中，
为零输入的输出，
表示非线性项系数。
其线性模型[3]可表示为，
（2-2）
传感器的静态特性主要由灵敏度、迟滞、重复性、线性度、分辨力、稳定性、漂移、量程范围来描述。
2.2.2传感器的动态特性
当输入量随时间变化时传感器的响应特性称为传感器的动态特性[5]。
用传感器测试动态量时，我们希望它的输入信号和输出信号具有相同的时间函数，但实际上除了具有理想比例特性的环节外，由于传感器的惯性和滞后，当被测量随时间变化时，传感器的输出一般来不及达到平衡状态，而是处于过渡过程中，这样输出信号将不会和输入信号一致。
为了更好的分析传感器的动态特性，我们可以用以下微分方程[6]进行描述：
（2-3）
其中，
表示输入量，
表示输出量，
表示与传感器结构有关的常数。
3传感器在收割机中的地位及作用
在现代社会，科学技术高度发展。
人类处在一个信息瞬息万变的时代，传感器是工业生产、科学实践和现代测控技术等的重要组成部分，主要依靠对信息资源的开发、获取、传输、处理，它是被测对象和检测系统的接口[4]，是感知和检测信息的窗口。
一切科学实验和生产过程中的信息，特别是在自动检测和自动控制系统中获取的原始信息，都要经过传感器转换成易于传输和方便后期处理的电信号。
随着计算机技术、信息处理技术、测量技术、控制及自动化技术的发展，传感器技术已成为一个重要的科学技术，其作用也越来越重要，应用越来越广泛。
要提高传统的农业机械的作业效率，势必将其发展成机电一体化产品，也是实现农业现代化和精准农业的必由之路。
因此，作为机电一体化三大关键技术之一的传感器技术必将在农业机械上广泛应用。
为了提高水稻收割机的服务质量以及自动化程度，目前一般的收割机上都运用了10到20只传感器[18]。
下面列举传感器在水稻收割机上的一些应用。
（1）倾角传感器[7]通常用于水平的测量，用在收割机上可以实现对收割机机身的倾斜角度进行测量，操作人员可以从仪表盘直观地读出倾斜角度来调整机身，进而实现对收割残余秸秆长度更好控制和保证操作的安全性以及起到保护刀片的作用。
如果秸秆过长影响耕种，秸秆过短则地里的石块会损害刀片；
（2）在应用中，我们可以选择霍尔传感器、光电传感器、光纤传感器、电动式速度传感器等作为测速传感器以实现对水稻收割机作业时的速度进行测量并转化成可输出的信号，通过与计算机连接，可对被测物进行自动化、智能化的测量控制，同时还可以间接测量出亩产[25]；
（3）为了保证一定的喂入量，防止喂入量过大而导致堵塞，可以采用红外传感器、激光传感器、超声波传感器等传感器对割茬的高度进行测量。
（4）磁传感器[8]可以判断谷物中混入的金属等杂质；分离和清选损失所用籽粒损失传感器多为压电陶瓷式，分别安装了逐稿器和清粮筛损失传感器[27]，将一片压电晶体膜片安装在一块长方形铁板的中心位置上，当下落谷粒撞击传感器铁板产生机械振动，经压电晶体膜片转变为相应的电脉冲信号，由仪表显示籽粒损失程度。
在采用损失传感器测试分离和清选损失时，应实时测试收割机的喂入量和籽粒流量，然后推导出草谷比和脱粒、分离与清选负荷，即可控制分离和清选装置工作在最佳状态。
（5）通过氯化锂湿度传感器、半导体陶瓷湿度传感器、氧化铝湿度传感器、微波湿度传感器[7,17]等作为测量谷物湿度的传感器和磁弹性传感器、光栅式转矩传感器等测量滚筒转速的转速传感器配合可以控制脱粒的干净程度。
（6）目前在收割机上主要利用光电容积传感器、γ射线式流量传感器、冲量式流量传感器和刮板轮式容积流量传感器[20,22]来测量谷物的流量。
以上介绍的各传感器的具体作用及特点将在下文详细阐述。
4传感器在水稻收割机上的应用
4.1测量水稻收割机前进速度可选择传感器的种类
4.1.1霍尔传感器概述
霍尔传感器[3,4,6]是一种以霍尔效应为工作基础的磁传感器，它可以检测磁场及其变化。
它是由霍尔元件及其附加电路组成的集成传感器，随着半导体技术的快速发展，因其霍尔效应显著而得到广泛应用。
目前的霍尔元件基本都是半导体材料制成。
通常，根据被检测对象的性质可将霍尔传感器的应用分成两大类,即直接应用和间接应用。
直接应用是直接检测出被检测对象的磁场特性，间接应用是通过人为给被检测对象施加磁场，再通过这个磁场将非电量、非磁的物理量转变成电量来检测和控制。
例如将力、力矩、位移、速度、加速度等转变成电量来测量和控制。
霍尔传感器因其结构简单，体积小，无触点，可靠性高，使用寿命长，易于集成电路化等特点而被广泛应用于自动控制、交通运输等领域。
4.1.2霍尔传感器的工作原理
（1）霍尔效应
霍尔效应[17]是美国物理学家霍尔1879年在金属材料中发现的一种物理效应。
当放置于磁感应强度为B的磁场中的静止载流导体的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上垂直于电流和磁场方向上将产生电动势
，这一效应称为霍尔效应。
如图4.1所示。
I
B
图4.1霍尔效应示意图
（2）霍尔元件
根据霍尔效应，利用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。
它的结构很简单，由霍尔片、四根引线和外壳组成，其图形符号[6]如图4.2所示。
1、1'称为激励电极；2、2'称为霍尔电极。
2'
1'1
2
图4.2霍尔元件的图形符号
霍尔元件具有对磁场敏感、结构简单、体积小、输出电压变化大和使用寿命长等特点，因此在测量、自动控制、信息技术等领域得到广泛应用。
它的灵敏度与元件的材料的性质和几何尺寸有关，在实际应用中，一般都采用N型半导体材料[5]制作霍尔元件。
（3）霍尔测速传感器的原理
转盘的输入轴与被测转轴相连，当被测转轴转动时，转盘随着一起转动，固定在转盘附近的霍尔传感器便在每一个小磁铁通过时输出一个相应的脉冲，从而可测出转数，再接入一个频率计便可测出转速[6]。
由于霍尔测速传感器耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀[8-9]。
但是它易受分辨率和田间作业滑移的影响，测量的精度难以控制。
此外，在作业过程中的加速和减速对测量会带来较大的误差以及传感器的安装固定不方便。
在水稻收割机所处的泥水工作环境中，低成本的霍尔测速传感器一般能够满足要求。
4.1.3光电传感器概述
光电传感器[6,17]是把被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。
图4.3为光电传感器的原理框图[6]。
光量光量电量输出
图4.3光电传感器原理框图
它的物理基础是光电效应，光电效应一般分为内光电效应和外光电效应两大类，其中内光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。
（1）外光电效应
外光电效应[3,6]，也称为光电发射，是指在光线作用下，被照射物体内的电子逸出物体表面的现象。
这些向外逸出的电子叫做光电子。
光电子具有能量，每个光电子具有的能量可由下式确定：
（4-1）
式中:
普朗克常数，
（J·s）;
光的频率（
）
由上式可以看出，光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大;反之，光的波长越长，其光子的能量也越小[6]。
例如光电管、光电倍增管等都是基于外光电效应的光电器件。
（2）内光电效应
内光电效应[6]是指在光线作用下，物体电阻率发生变化或者产生光生电动势的效应。
内光电效应又可分为以下两类：
光电导效应[5.6,17]在物体受到光照射后，材料吸收了入射光子的能量，其内部的电子由于吸收了能量而达到自由状态，引起材料电导率变化的现象。
光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。
光生伏特效应[5.6,17]物体受到光照后，其内部的原子释放电子，但这些电子并没有逸出物体表面，而是仍留在物体内部，从而使物体产生一定方向的电动势的现象。
例如，光电池就是基于这个效应制成的。
（3）光电转速传感器测速原理
在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间的条纹圆盘，由于它们具有不同的反射率，当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接受光的反射信号，再经过转换电路处理，将反射光脉冲转换成电脉冲信号。
每分钟转速与脉冲频率
的关系为:
（4-2）
N表示黑白条纹的数目。
光电转速传感器可以实现非接触式测量，克服了轮子的跳动、打滑以及振动给测量结果带来的影响。
但是水稻收割机所处的泥水工作环境容易影响光源。
4.1.4光纤传感器
光纤的发明为人类信息高速公路奠定了重要的基础，随着它的出现研制出了光纤通信技术。
光纤传感器是20世纪70年代的重要发明之一，它随着光纤和通信技术的发展逐渐发展并成熟起来。
光纤传感器可以探测的物理量多达70多种[17]，例如，压力、温度、位移、速度、加速度、磁场、电压、电流、化学量等。
近年来光纤传感技术发展迅速，它对航空航天、生命科学、有线通信等的发展做出了很大贡献，在这个多学科交叉的信息时代，它应用前景越来越广泛。
（1）光纤传感器的工作原理
光纤传感器[5,6,14]实际上就是利用光在光导纤维中传播引起光的特性发生变化而研制出的一种传感器。
光在调制区内，外界信号与光相互作用，外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位等光学性质的变化，从而形成不同的调制。
光纤传感器由光源、敏感元件、光探测器、信号处理系统和光纤[17]等组成。
由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经过接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换成电信号，最后经过信号处理即可得到所需要的被测量。
光纤传感器在测量速度时，以激光器作为发射光源，光源发出的光在光纤中传播并从另一端传出经反射镜反射后，由导出光纤传输到敏感元件[14-15]。
由于反射镜随转动转盘的变化周期即转动周期，由此便可测得速度。
光纤传感器具有优良的传光性能、传光损害很小、频带宽、可进行超高速测量、灵敏度和线性度好，而且它的体积小、重量轻，能在恶劣的环境下进行非接触式测量。
4.1.5电动式速度传感器
电动式传感器[17]是指利用电磁感应原理，将运动速度转换成线圈中的感应电动势输出，又称感应式传感器。
这种传感器的工作不需要外加电源，而是直接吸取被测物体的机械能并转换成电信号输出，它是一种典型的发电型传感器。
电动式速度传感器由轭铁、永久磁铁、线圈、支撑弹簧等组成。
根据电磁感应定律可知，当穿过线圈的磁通量随着时间变化时，回路中会产生感应电动势，感应电动势可以表示为磁通量随时间变化速率的相反数。
可以表示为如下：
（4-3）
当线圈沿着垂直于磁场的方向运动时，线圈中就会产生与线圈运动速度成正比的感应电压，通过测量电路便可测得感应电压的大小，从而测出速度的大小。
由于电动式传感器是一种发电型传感器，工作时不需要外加电源，对收割机在野外工作提供了很大便利。
4.1.6以上传感器的特点及在其方面的应用
（1）霍尔测速传感器耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。
因此在水稻收割机所处的这样的工作环境中，霍尔测速传感器能很好地满足要求。
因霍尔元件结构简单、工艺成熟、体积小、寿命长、线性度好、耐高温而被广泛用于测量磁感应强度、电功率、电能、微气隙中的磁场等。
经过再次转换可以用于非电量的测量，比如测量微位移、流量、压力、转速、加速度等。
目前，霍尔测速传感器在机车测速中占有重要的地位[9]，但是实际应用时，霍尔元件的测量精度受到多种因素的影响，其中最主要的就是半导体的固有特性和半导体的制造工艺缺陷。
（2）光电传感器具有频谱宽、不易受电磁干扰、响应快、分辨率高、可靠性高、可以实现非接触式测量[11]等优点而被广泛应用于自动控制中。
光电测速传感器一般有透光式测速传感器和反射式测速传感器两种形式，其中透光式不宜在强震动环境中使用，这样会使光源寿命降低，反射式不存在这个问题，所以在水稻收割机上应用反射式光电测速传感器更加方便可靠。
目前，生活中我们最切实感受到光电传感器的应用就是手机的自动调节亮度、条形码扫描、复印机、打印机[12-13]等。
由于其应用领域极其广泛，所以世界上对它的研究高度重视。
（3）光纤传感器是利用光波传输信息，而且光纤是电绝缘传输介质，因此与传统的传感器相比它可以抗电磁干扰、也不影响外界的电磁场，安全性好。
此外，光纤传感器还具有灵敏度高、重量轻、体积小、对被测介质影响小等特点。
可以进行连续分布测量，便于复用和联网，有利于与现有的光通信技术组成遥测网和光纤传感网络[14]。
目前在机床行业、三坐标测量、机精密转台、电子设备制造、水利等领域开始广泛应用，例如光栅式应变传感器用于对桥梁的温度检测、车辆载荷检测[15]。
光纤光栅位移传感器、光纤光栅加速度传感器、光纤光栅压力传感器等在国内都已经有商品化的产品了。
（4）电动式传感器是一种典型的发电型传感器，它在工作过程中不需要外加电源，而是直接吸取被测物体的机械能并转换成电信号输出。
电动式传感器主要用于测量物体的振动速度，配以积分电路或微分电路还可测量振动位移或加速度。
它的灵敏度高、输出阻抗低、输出功率大、性能稳定，还可制成多种结构形式以适应不同的测量场合。
输出阻抗低可以降低对绝缘和输出电路的要求并减小了连接电缆的噪声干扰。
但是电动式传感器易磨损，工作温度不高，频响范围有限。
电动式传感器广泛应用于航空、兵器工业和民用工业。
在飞机的设计制造中常采用电动式传感器对一些重要部件进行振动测试。
在火炮炮筒振动对射弹散布影响的研究中，相对式电动传感器是测量炮口振动速度的重要元件。
在民用工业方面，对于各种大型电机、空气压缩机、机床、车辆、轨枕振动台、化工设备、各种水管道、气管道、桥梁楼房等的振动监测或振动研究都广泛使用电动式传感器。
4.2测量割台高度可选择的传感器
在收割过程中，要根据收割对象的生长状况进行合适的调节割台高度。
如果工作过程中割台高度调节的不合适，可能会使机器堵塞，从而出现故障和降低作业效率，如果割茬过高也会影响下次的耕种或者降低产量。
因此，割台的控制对机械化作业的高效率、高质量具有重要意义。
以下几种传感器目前都很好地用在收
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